層次分析法城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿谰W(wǎng)格化風(fēng)險評價

焦建瑛，吳 波，顧先凱，朱 妍，杜玖松

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京100035)

1 概述

城鎮(zhèn)燃?xì)獍l(fā)展迅速，城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿雷鳛閲窠?jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活保障的資源和能源大動脈，具有城市生命線的重要地位。城市燃?xì)獍踩P(guān)系到城市及社會的發(fā)展，隨著天然氣管網(wǎng)建設(shè)加快，燃?xì)夤?yīng)能力不斷增強(qiáng)，在城鎮(zhèn)燃?xì)廨斔瓦^程中，出現(xiàn)了許多管網(wǎng)安全運(yùn)行問題：部分管道超期服役，損壞老化，陰極保護(hù)失效等等，存在極大的安全隱患，因此一個全面、有效的燃?xì)夤芫W(wǎng)風(fēng)險評估方法至關(guān)重要[1-2]。

目前的燃?xì)怙L(fēng)險計算主要是針對單獨的燃?xì)夤艿肋M(jìn)行評價，并沒有對類似于網(wǎng)格化的管道區(qū)域整體的評價。區(qū)域風(fēng)險評價更有利于管理者對整體風(fēng)險管控的把握，而且方便基層員工進(jìn)行檢查巡視。本文基于層次分析法對城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行網(wǎng)格化風(fēng)險評價，實現(xiàn)了燃?xì)夤芫W(wǎng)區(qū)域風(fēng)險智能評估。

2 層次分析法理論

層次分析法是將定量分析與定性分析結(jié)合起來，用決策者的經(jīng)驗判斷各衡量指標(biāo)之間的相對重要程度，并合理地給出每個決策方案的每個指標(biāo)的權(quán)重，利用權(quán)重和打分結(jié)果求出各方案的優(yōu)劣次序[3]。運(yùn)用層次分析法建模確定權(quán)重，大體上可按下面4個步驟進(jìn)行。

① 遞推層次結(jié)構(gòu)的建立

首先把目標(biāo)決策問題條理化、層次化，按照屬性的不同將相關(guān)的各個因素從高到低分解成若干層次，形成多層次的指標(biāo)結(jié)構(gòu)模型。從高到低分成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層。

② 構(gòu)造出各層次中的判斷矩陣

根據(jù)本層所有因素對上一層某一因素的相對重要性程度的比較，通常采用1-9標(biāo)度法，為判斷矩陣的元素賦值。判斷矩陣P[4]為：

(1)

式中P——判斷矩陣

n——評價指標(biāo)的數(shù)量

pmn——第m個評價指標(biāo)相對于第n個評價指標(biāo)的相對重要性程度,m=1,2,3,…,n

③ 層次單排序及一致性檢驗

對于判斷矩陣P,運(yùn)用方根法求取評價指標(biāo)的相對權(quán)重，計算公式[4]如下：

(2)

式中Wi——第i個評價指標(biāo)的相對權(quán)重

(3)

為了保證判斷矩陣的準(zhǔn)確性，需對判斷矩陣作一致性檢驗 ,計算最大特征值λmax[4]：

(4)

式中λmax——最大特征值

Ai——判斷矩陣P中的第i個行向量

計算一致性指標(biāo)(CI)[4],并檢驗判斷矩陣的一致性，計算一致性檢驗判別式CR[4]。

(5)

式中CI——一致性指標(biāo)

(6)

式中CR——一致性檢驗判別式

R——平均隨機(jī)一致性指標(biāo),當(dāng)評價指標(biāo)的數(shù)量為3、4時，其值分別為0.58、0.9

若CR<0.1,則認(rèn)為該判斷矩陣通過一致性檢驗。

④ 整體一致性檢驗

進(jìn)行整體一致性檢驗，公式為[5]：

(7)

式中CR,Z——整體一致性檢驗判別式

j——準(zhǔn)則層的第j項

s——準(zhǔn)則層的因素數(shù)量

CI(j)——準(zhǔn)則層的第j項因素對應(yīng)指標(biāo)層的一致性指標(biāo)

aj——準(zhǔn)則層的第j項因素對應(yīng)的歸一化權(quán)重

R(j)——準(zhǔn)則層的第j項因素所對應(yīng)指標(biāo)層的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)CR,Z<0.1時，認(rèn)為整體一致性檢驗通過檢驗。

3 評價指標(biāo)體系的建立

燃?xì)怙L(fēng)險網(wǎng)格化評價體系由與燃?xì)怙L(fēng)險相關(guān)的相應(yīng)指標(biāo)組成，指標(biāo)的選取具有合理性和代表性。本研究從管道本體、檢測數(shù)據(jù)、外部環(huán)境3個方面構(gòu)建了3個層次、11個指標(biāo)的燃?xì)怙L(fēng)險網(wǎng)格化評價體系，評價體系層次結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 燃?xì)怙L(fēng)險網(wǎng)格化評價體系結(jié)構(gòu)

4 層次分析法確定權(quán)重

4.1 構(gòu)建判斷矩陣

判斷指標(biāo)之間的相對重要性，采用1-9標(biāo)度法進(jìn)行標(biāo)度，最終得到4個判斷矩陣，見表1～4。以表1為例，可知檢測數(shù)據(jù)P2比管道本體P1重要，管道本體P1比外部環(huán)境P3重要，檢測數(shù)據(jù)P2比外部環(huán)境P3重要。

表1 T-P1～P3判斷矩陣

表2 P1-C1～C4判斷矩陣

表3 P2-C5～C7判斷矩陣

表4 P3-C8～C11判斷矩陣

4.2 層次單排序結(jié)果

通過式(2)～(6)，計算各指標(biāo)權(quán)重以及一致性檢驗相關(guān)指標(biāo)，計算結(jié)果見表5～8，各矩陣的CR均小于0.1，通過層次單排序一致性檢驗。

表5 T-P1～P3判斷矩陣的指標(biāo)歸一化權(quán)重及一致性檢驗相關(guān)指標(biāo)

表6 P1-C1～C4判斷矩陣的指標(biāo)歸一化權(quán)重及一致性檢驗相關(guān)指標(biāo)

表7 P2-C5～C7判斷矩陣的指標(biāo)歸一化權(quán)重及一致性檢驗相關(guān)指標(biāo)

表8 P3-C8～C11判斷矩陣的指標(biāo)歸一化權(quán)重及一致性檢驗相關(guān)指標(biāo)

根據(jù)公式(7)對層次總排序結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗，總體CR，Z<0.1，通過一致性檢驗，說明權(quán)重設(shè)置合理。

5 網(wǎng)格化風(fēng)險評價

5.1 城鎮(zhèn)燃?xì)饩W(wǎng)格劃分

以北京某燃?xì)夤竟芫W(wǎng)為例進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以天安門中軸線和長安街的交點為網(wǎng)格中心基準(zhǔn)點，作300 m×300 m的網(wǎng)格線，共有網(wǎng)格2 652個。網(wǎng)格編號是從左下開始，從左到右，從下到上進(jìn)行編號，每行都是從左到右。網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2，其中紅線和藍(lán)線為北京地鐵線，藍(lán)線為地鐵10號線。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

5.2 網(wǎng)格內(nèi)指標(biāo)得分計算

網(wǎng)格內(nèi)的管齡、管徑、壓力等級分值是通過該指標(biāo)對應(yīng)的管道在應(yīng)急事件中所占的比例確定，比如投運(yùn)時間為<1990年、1991—2000年、2001—2010年、>2010年的管道在2016—2019年的應(yīng)急事件中的占比分別為0.547、0.321、0.113、0.019，則1992年的管道的管齡得分為0.321，最終網(wǎng)格內(nèi)所有管道管齡得分的平均值即為該網(wǎng)格的管齡得分。

網(wǎng)格內(nèi)的管道長度、地鐵長度、鐵路長度、無軌電車軌道長度得分是通過該網(wǎng)格內(nèi)該項指標(biāo)值除以2 652個網(wǎng)格中該指標(biāo)的最大值歸一化得到。

網(wǎng)格內(nèi)腐蝕泄漏事件數(shù)量、防腐層破損點數(shù)量、陰極保護(hù)測試樁數(shù)量、充電樁數(shù)量得分是通過四分位數(shù)法確定。以網(wǎng)格內(nèi)充電樁數(shù)量為例，首先將2 652個網(wǎng)格按照充電樁數(shù)量進(jìn)行升序排列，以排名前25%、50%、75%的網(wǎng)格為分界點將網(wǎng)格劃分為4組，其中排名位于0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%的網(wǎng)格充電樁數(shù)量得分分別為0.3、0.5、0.8、1.0，即將25%、50%、75%、100%進(jìn)行向上圓整。

5.3 網(wǎng)格風(fēng)險計算

假設(shè)計算得到管道本體、檢測數(shù)據(jù)、外部環(huán)境的歸一化權(quán)重為WP1，WP2，WP3，網(wǎng)格內(nèi)的管齡、管徑、壓力等級、管道長度、腐蝕泄漏事件數(shù)量、防腐層破損點數(shù)量、陰極保護(hù)測試樁數(shù)量、地鐵長度、鐵路長度、無軌電車長度、充電樁數(shù)量的歸一化權(quán)重為WC1～WC11，網(wǎng)格風(fēng)險值的計算公式為：

(8)

式中Ri——第i個網(wǎng)格的風(fēng)險值

WP1，WP2，WP3——管道本體、檢測數(shù)據(jù)、外部環(huán)境的歸一化權(quán)重

WCk——指標(biāo)層第k項指標(biāo)的歸一化權(quán)重

Si,k——第i個網(wǎng)格指標(biāo)層第k項指標(biāo)的得分

t——網(wǎng)格數(shù)量

將2 652個網(wǎng)格按照計算得到的風(fēng)險值排名，得到網(wǎng)格風(fēng)險值與網(wǎng)格風(fēng)險排名的曲線圖，見圖3。由圖3可知，曲線在排名173的網(wǎng)格后趨于平緩，說明網(wǎng)格的風(fēng)險變化趨勢趨于穩(wěn)定。排名173的網(wǎng)格風(fēng)險值為0.18，風(fēng)險值大于等于0.18的網(wǎng)格有173個，占所有網(wǎng)格數(shù)的6.5%，該類網(wǎng)格為高風(fēng)險網(wǎng)格。因此在日常巡視和管理中需對排名前6.5%的這173個網(wǎng)格進(jìn)行重點關(guān)注。

圖3 網(wǎng)格風(fēng)險值與網(wǎng)格風(fēng)險排名曲線

6 結(jié)論

① 介紹層次分析法建模確定權(quán)重的4個步驟。通過網(wǎng)格化技術(shù)將燃?xì)夤艿肋M(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立燃?xì)夤艿谰W(wǎng)格化風(fēng)險評價體系。對評價體系中的指標(biāo)通過層次分析法進(jìn)行權(quán)重的確定，最終對所有網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格化風(fēng)險評價。

② 將所有網(wǎng)格按照計算得到的風(fēng)險值排名，得到網(wǎng)格風(fēng)險值與網(wǎng)格風(fēng)險排名的曲線圖，找到曲線從劇烈變化到平穩(wěn)的網(wǎng)格排名拐點。風(fēng)險值大于該拐點對應(yīng)的風(fēng)險值的網(wǎng)格為高風(fēng)險網(wǎng)格，在日常巡視和管理中需對這些網(wǎng)格進(jìn)行重點關(guān)注。