基于層次分析與集對勢分析的城市燃氣管道安全評價研究①

潘庚

(金匯（天津）清潔能源有限公司 天津 300000)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設，城市燃氣作為一種清潔能源已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模的普及應用，而作為城市燃氣的主要載體，燃氣管道已滲透到各個角落。安全評價作為燃氣管道的風險管控的重要技術之一，眾多學者進行了深入地探討。段正肖等[1]基于燃氣管道泄露射流火災的事故分析，構建了公眾可接受的傷亡風險標準評估模型，減小了公眾風險感知偏差引發(fā)的負面效應；朱慶杰等[2]通過對燃氣管網(wǎng)的影響因素分析，建立了風險評價因子體系，并通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，對常州市埋地燃氣管網(wǎng)的安全防護提供了建議；巴振寧等[3]將改進的AHP和模糊綜合分析法應用在城市燃氣管道腐蝕評價中，對燃氣管道的風險等級進行判斷，揭示了該模型在城市燃氣管道腐蝕風險評價中的可行性。

雖然上述學者對燃氣管道的評價進行了分析，但仍缺乏對燃氣管道的整體性安全評價研究，為此，本文從文獻研讀角度出發(fā)，總結燃氣管道安全影響因素，構建燃氣管道安全評價指標體系，進而建立燃氣管道安全評價模型，為燃氣管道安全整體性評價提供一定的思路。

圖1 燃氣管道安全評價體系

圖2 基于層次分析的指標權重計算過程

1 燃氣管道安全評價指標體系分析

燃氣管道安全狀態(tài)影響因素眾多，因此，筆者在綜合多位學者研究成果基礎之上[4-7]，并結合安全管理理論[8-9]，將燃氣管道安全評價指標體系劃分，一級評價指標分為人員因素、裝備因素以及環(huán)境因素等3類，二級指標分為外力影響、燃氣管道壓占等共9項，具體指標體系如圖1所示。

2 燃氣管道安全評價模型構建

層次分析法[10]是將與決策具有一定聯(lián)系的元素分解成目標層、主因子層、次因子層的方法。在利用層次分析法解決問題時，首先要建立層次結構模型，在深入分析問題后，對面臨問題中的因素進行不同層次的劃分，利用圖形對層次結構以及各因素之間的隸屬關系進行表征。若某一層次有相對過多的元素，則可將此層次再次劃分為若干個子層次，再構造判斷矩陣。在判斷矩陣中對各個因素進行賦值，而因素的數(shù)值代表了各個因素的重要性，一般情況下，采用1-9及其倒數(shù)對各個因素進行標度，當相互比較因素的重要性能夠用具有實際意義的比值說明時，判斷矩陣相應元素的值可以取此數(shù)值[11]。然后求取判斷矩陣中的最大特征根及所對應的特征向量，歸一化后求取各評價指標的權重，在經(jīng)過一致性檢驗之后，進而再對一致性比率進行判斷，層次分析法具體方法流程如圖2所示。

為了更好地對安全形勢進行判斷，在結合多位學者研究成果基礎上，引入集對分析法。

圖3 燃氣管道安全評估趨勢分析

集對分析法[12](Set Pair Analysis，SPA)的基本思想是將事物的確定性與不確定性看作一個對立系統(tǒng)，從同、異、反3個角度進行分析。算法運用聯(lián)系度對不確定性進行描述，將不確定性的辯證認識轉換為直觀的數(shù)學模型，用來分析解決不確定問題。

在一定問題背景下將具有相關聯(lián)系的兩個集合A、B組成集對H(A,B)，分析H(A,B)得到N個特征要素，其中S個具有同一性特征要素，P個具有對立性特征要素，F(xiàn)=N-S-P個具有差異性特征要素。S/N表示集對的同一度，簡化為a；F/N表示集對的差異度，簡化為b；P/N表示集對的對立度，簡化為c。集對H(A,B)的聯(lián)系度表達式為：

式中i為差異度系數(shù)，i∈[-1,1]；j為對立性系數(shù)，一般情況下設定j=1。

集對分析法中對于聯(lián)系度的計算存在考慮權重和不考慮權重兩種情況，根據(jù)文獻[13]結論不考慮指標權重比考慮指標權重的安全程度要低，論文采用考慮權重計算聯(lián)系度。計算公式為：

最終，結合層次分析法和集對勢分析，構建基于AHP-SPA的燃氣管道安全評估體系。

3 安全評價模型應用

現(xiàn)將AHP-SPA方法對某地區(qū)燃區(qū)管道安全評價做具體分析，將人員因素、裝備因素以及環(huán)境因素看作一級指標，三者的主要度如表1所示。由表可以看出，CR的值符合一致性要求，將人員因素、裝備因素以及環(huán)境因素是可行的。

二級指標的相對重要度確定由行業(yè)專家進行確定，各指標的權重值如表2所示。

根據(jù)綜合權值情況分析，在燃氣管道安全中應加強對裝備因素的關注，尤其應對管道防護以及管道服務年限進行重點管控，以避免安全事故的發(fā)生。

將燃氣管道安全等級分為“安全”“一般安全”“不安全”3個等級（如表3所示），基于均分原則取值，按式（2）計算出聯(lián)系度μ，進行歸一化處理，用于表示安全評價結果。

在獲取該地區(qū)的燃氣管道相關年度數(shù)據(jù)的基礎之上，結合指標體系，對各項指標進行評價，并計算出各區(qū)域聯(lián)系度：

通過分析集對勢和悲觀勢，得到各區(qū)域的安全管理趨勢分析圖（如圖3所示）。從圖中可以看出燃氣管道安全由不安全狀態(tài)向安全狀態(tài)轉變，由于b值一直較大，該區(qū)域安全狀態(tài)不確定較高。根據(jù)平均聯(lián)系度=0.3284+0.3864i+0.2852j可知，該區(qū)域燃氣管道總體處于一般安全狀態(tài)，需加強燃氣安全風險管控工作。

4 結語

（1）在文獻研讀的基礎之上，建立了以人員因素、環(huán)境因素、裝備因素為核心的多層燃氣管道安全評價指標體系；依據(jù)指標體系結構，在對AHP和SPA模型進行綜合闡述的基礎之上，結合各自的優(yōu)缺點，構建了AHP-SPA燃氣管道安全評價模型。

表1 一級指標主要度表

表2 各級指標權重

表3 燃氣管道安全等級劃分

（2）選取某地區(qū)的燃氣管道相關數(shù)據(jù)，采用模型對該區(qū)域的燃氣管道安全進行評價分析，分析結果與實際相符，表明了AHP-SPA模型在城市燃氣管道安全評價中的普適性。

（3）作為城市重大管控風險，城市燃氣管道的安全評價具有重要的理論意義與實踐價值，筆者針對綜合性的燃氣管道安全評價做了初步探索，但仍需在數(shù)據(jù)定量分析以及智慧評價層面進行更多的研究。