基于AHP-熵權(quán)法的城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)*

曾小康，馮 陽，賴文慶，湯彬坤，吳 濤，伏喜斌，黃學(xué)斌，鐘舜聰，鐘劍鋒

(1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108；2.廈門華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰?，福?廈門 361000；3.廈門市特種設(shè)備檢測(cè)院，福建 廈門 361000)

0 引言

近年來，隨著城市的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國(guó)的城市燃?xì)夤艿姥该桶l(fā)展，燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的安全問題愈來愈受到人們的關(guān)注。城市燃?xì)夤艿老到y(tǒng)十分復(fù)雜，其輸送的物質(zhì)具有易燃、易爆、易泄漏的特點(diǎn)，對(duì)城市安全和人民生命財(cái)產(chǎn)造成的影響不容小覷[1]。因此，開展城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究非常必要。

在城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中，包含因素眾多，且這些因素的復(fù)雜性和模糊性是客觀存在的，使各類風(fēng)險(xiǎn)因素不能被精確地?cái)?shù)量化[2]。因此，引入模糊數(shù)學(xué)的思想和方法，將使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果更能真實(shí)反映管道現(xiàn)場(chǎng)狀況，這樣的評(píng)價(jià)結(jié)果更具科學(xué)性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)進(jìn)行深入研究。巴振寧等[3]在城市燃?xì)夤艿栏g風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中引入改進(jìn)AHP和模糊綜合分析法，建立腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。Medeiros等[4]構(gòu)建1種對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行多維度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的多準(zhǔn)則決策模型。Badida等[5]運(yùn)用模糊故障樹分析法分析管道失效概率，研究結(jié)果有助于管道維護(hù)人員進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理與決策。

本文引入模糊數(shù)學(xué)思想和方法，采用AHP-熵權(quán)法的組合權(quán)重法確定綜合權(quán)重，再結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)法，建立城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并以廈門市燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為研究對(duì)象。

1 評(píng)價(jià)體系的建立

城市燃?xì)夤艿肋M(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)之前，需完整識(shí)別、歸納管道事故的各風(fēng)險(xiǎn)因素，并建立科學(xué)的城市燃?xì)夤艿涝u(píng)價(jià)體系。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[6-7]，并結(jié)合管道檢驗(yàn)專家的經(jīng)驗(yàn)，建立的燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)失效可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。建立的燃?xì)夤艿朗Ш蠊u(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。本文共確定了105個(gè)評(píng)價(jià)底層子因素。

圖1 管道失效可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖2 管道失效后果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 評(píng)價(jià)模型的建立

2.1 建立因素集

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素集可表示為U=(U1,U2,…,Ui)，i=(1,2,…,m)，其中，Ui為評(píng)價(jià)因素，i為同一層次上含有因素的個(gè)數(shù)。本文確定了105個(gè)評(píng)價(jià)底因素。

2.2 建立評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集是對(duì)因素做出可能的評(píng)價(jià)等級(jí)所組成的集合，評(píng)價(jià)集可表示為V=(V1,V2,…,Vj)，j=(1,2,…,n)，Vj為評(píng)價(jià)結(jié)果，n為評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)。

2.3 建立權(quán)重集

根據(jù)因素集U中各因素的重要程度不同，對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因素賦予相應(yīng)的權(quán)重值Wi，采用AHP-熵權(quán)法的組合權(quán)重法確定因素集中各評(píng)價(jià)因素的綜合權(quán)重值。

2.3.1 AHP

運(yùn)用AHP[8]確定風(fēng)險(xiǎn)因素的主觀權(quán)重。

1)構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣表示針對(duì)某一準(zhǔn)則，對(duì)其下的所有因素進(jìn)行兩兩相互比較。本文采用九標(biāo)度法[9]構(gòu)造判斷矩陣。先求出該矩陣最大特征值λmax對(duì)應(yīng)特征向量Wi，再歸一化處理得到風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重向量。

2)一致性檢驗(yàn)。對(duì)構(gòu)造出的判斷矩陣作一致性檢驗(yàn)，如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：CI為一致性指標(biāo)；λmax為矩陣最大特征值；n為矩陣的階數(shù)；CR為一致性比例；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

若CR<0.10時(shí)，則判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，否則需要重新調(diào)整矩陣。

3)聘請(qǐng)n位專家對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)因素按重要程度進(jìn)行排序，并運(yùn)用AHP計(jì)算第j位專家對(duì)m個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重值為(Wj1,Wj2,…,Wjm)。

4)評(píng)價(jià)的每位專家都有其自身權(quán)重，根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)程度進(jìn)行分級(jí)：豐富、較豐富、中等、一般，分別給其賦值1，0.8，0.5，0.2。

5)綜合所有專家的自身權(quán)重，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因素的綜合權(quán)重值，如式(3)所示：

(3)

式中：Wi(i=1,2,…,m)為考慮所有專家自身權(quán)重的綜合權(quán)重值；αj(j=1,2,…,n)為專家的自身權(quán)重；Wji(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為單個(gè)專家對(duì)因素評(píng)價(jià)的權(quán)重值；m為因素個(gè)數(shù)；n為專家個(gè)數(shù)。

2.3.2 熵權(quán)法

運(yùn)用熵權(quán)法[10]確定風(fēng)險(xiǎn)因素的客觀權(quán)重。

1)建立n個(gè)樣本、m個(gè)評(píng)價(jià)因素的判斷矩陣R=(xij)nm(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

2)將判斷矩陣歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣Y=(yij)nm，如式(4)所示：

(4)

式中：yij為矩陣Y第i行第j列的元素；xij為第i個(gè)樣本第j個(gè)評(píng)估指標(biāo)測(cè)度值；xmin為同一指標(biāo)下不同樣本中的最小值；xmax為同一指標(biāo)下不同樣本中的最大值。

3)計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵和熵權(quán)，如式(5)～(7)所示：

(5)

(6)

(7)

式中：Hj為指標(biāo)的熵；fij為矩陣的第i行第j列元素；wj為指標(biāo)的熵權(quán)。

2.3.3 組合權(quán)重法

運(yùn)用AHP和熵權(quán)法分別計(jì)算每一準(zhǔn)則下各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重大小，再運(yùn)用組合權(quán)重法[11-12]計(jì)算綜合權(quán)重，如式(8)所示：

W=αWAHP+(1-α)W熵權(quán)法

(8)

式中：W為因素的綜合權(quán)重；WAHP為因素的主觀權(quán)重；W熵權(quán)法為因素的客觀權(quán)重；α為權(quán)重折衷系數(shù)，取α=0.6[13]。

2.4 單因素模糊評(píng)價(jià)

單因素模糊評(píng)價(jià)是確定風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)評(píng)價(jià)集元素的隸屬程度[14]。設(shè)對(duì)因素集中Ui進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)集中Vj的隸屬度為rij。則每個(gè)Ui都有1個(gè)模糊評(píng)價(jià)Ri=(ri1,ri2,…,rin)。于是，m個(gè)因素有m個(gè)模糊評(píng)價(jià)R1,R2,…,Rm，用單因素評(píng)價(jià)矩陣R表示，如式(9)所示：

(9)

式中：R為單因素評(píng)價(jià)矩陣；Ri(i=1,2,…,m)為第i個(gè)評(píng)價(jià)因素的模糊評(píng)價(jià)；rij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為因素集中Ui進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)集中Vj的隸屬度。

2.5 模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)是綜合考慮所有風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響程度。為充分考慮各個(gè)評(píng)價(jià)因素權(quán)重，本文選擇加權(quán)平均模型M(·,+)進(jìn)行模糊運(yùn)算[15]求出模糊綜合評(píng)價(jià)B，如式(10)所示：

B=WR=(b1,b2,…,bi)

(10)

式中：B為模糊綜合評(píng)價(jià)；bi為第i個(gè)因素的模糊評(píng)價(jià)。

2.6 管道風(fēng)險(xiǎn)值確定

城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)判由失效可能性與后果嚴(yán)重性組成。在此，對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定給定加權(quán)集Q=(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7)T=(1,0.8,0.6,0.5,0.4,0.2,0.1)T,則求出的管道失效可能性計(jì)算值P和失效后果計(jì)算值C，如式(11)～(12)所示：

(11)

(12)

進(jìn)一步可得到管道風(fēng)險(xiǎn)值R，如式(13)所示：

R=PC

(13)

式中：R為管道風(fēng)險(xiǎn)值。

2.7 管道風(fēng)險(xiǎn)矩陣確定

為將評(píng)價(jià)管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)直觀顯示出來，運(yùn)用美國(guó)石油協(xié)會(huì)(American Petroleum Institute，簡(jiǎn)寫為API)的API581標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣表示評(píng)定結(jié)果，如圖3所示。風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖劃分的失效可能性等級(jí)如表1所示。風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖劃分的失效后果等級(jí)如表2所示。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表1 失效可能性等級(jí)

表2 失效后果等級(jí)

3 應(yīng)用實(shí)例

對(duì)廈門華潤(rùn)燃?xì)庥邢薰灸车厝細(xì)夤艿赖馁Y料調(diào)研與分析，聘請(qǐng)7位專家進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并運(yùn)用本文構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定。

3.1 各級(jí)因素模糊評(píng)價(jià)

以4級(jí)因素中地面活動(dòng)頻繁程度U112的模糊評(píng)價(jià)為例，U112可分為建設(shè)活動(dòng)頻繁程度U1121，交通繁忙程度U1122，地質(zhì)勘探活動(dòng)U1123等3個(gè)評(píng)價(jià)子因素，同時(shí)這3個(gè)因素亦是最底層評(píng)價(jià)因素。每位專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)程度均有其自身權(quán)重，如表3所示。

表3 專家自身權(quán)重

1)AHP計(jì)算主觀權(quán)重

結(jié)合評(píng)價(jià)專家自身經(jīng)驗(yàn)采用九標(biāo)度法構(gòu)造兩兩因素判斷矩陣，且判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，以評(píng)價(jià)專家1構(gòu)造的判斷矩陣為例，地面活動(dòng)頻繁程度U112的判斷矩陣及權(quán)重如表4所示。

表4 專家1構(gòu)造的地面活動(dòng)頻繁程度的判斷矩陣及權(quán)重

同理，可得出其余6位評(píng)價(jià)專家計(jì)算的權(quán)重，再由式(3)綜合所有專家權(quán)重值得：

WAHP=(0.374 0,0.134 1,0.491 9)

2) 熵權(quán)法計(jì)算客觀權(quán)重

根據(jù)管道實(shí)際運(yùn)行工況與統(tǒng)計(jì)的管道事故數(shù)據(jù)采用百分制形式對(duì)地面活動(dòng)頻繁程度U112所包含的3個(gè)子因素進(jìn)行評(píng)分，分值越高說明該評(píng)價(jià)因素越有利于降低管道的事故概率。7位專家對(duì)地面活動(dòng)頻繁程度各子因素的評(píng)分如表5所示。

表5 7位專家對(duì)地面活動(dòng)頻繁程度各子因素的評(píng)分

根據(jù)表5中專家評(píng)分情況，運(yùn)用熵權(quán)法計(jì)算地面活動(dòng)頻繁程度各子因素的熵權(quán)得：

W熵權(quán)法=(0.301 1,0.692 2,0.006 7)

3)組合權(quán)重法計(jì)算綜合權(quán)重

根據(jù)式(8)計(jì)算地面活動(dòng)頻繁程度U112所屬3個(gè)子因素的綜合權(quán)重,取α=0.6。

WU112=0.6WAHP+0.4W熵權(quán)法=(0.344 84,0.357 34,0.297 82)

4)模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)評(píng)價(jià)管道的實(shí)際運(yùn)行工況，對(duì)管道失效可能性和后果嚴(yán)重性分別按照失效可能性評(píng)價(jià)集和后果嚴(yán)重性評(píng)價(jià)集進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，并將各專家評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)運(yùn)算，采用式(10)模型進(jìn)行模糊運(yùn)算。

BU112=(0,0.048 4,0.094 2,0.144 0,0.198 7,0.257 3,0.257 3)

同理，可得管道失效可能性因素模糊評(píng)價(jià)向量B及管道失效后果因素模糊評(píng)價(jià)向量B′。

B=(0.004 3,0.074 2,0.094 7,0.146 0,0.187 9,0.260 5,0.232 3)

B′=(0.024 9,0.213 0,0.102 4,0.158 4,0.131 5,0.271 0,0.098 8)

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果的處理

運(yùn)用式(11)和式(12)處理，得失效可能性P和失效后果C，P=BQ=0.344 0；C=B′Q=0.452 6；再根據(jù)式(13)計(jì)算相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值R=PC=0.155 7。將評(píng)價(jià)結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)矩陣相對(duì)照可知：該評(píng)價(jià)管道屬于中等風(fēng)險(xiǎn)，即發(fā)生管道失效的可能性較大。因此，需加強(qiáng)對(duì)該管道的管理和維護(hù)，以降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

4 結(jié)論

1)構(gòu)建城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，包括第三方破壞因素、腐蝕因素、設(shè)備及操作因素、管道本質(zhì)安全質(zhì)量因素、失效后果因素在內(nèi)105個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，反映當(dāng)前城市燃?xì)夤艿浪媾R的風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀。

2)建立城市燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，運(yùn)用AHP-熵權(quán)法與模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并以廈門市某地燃?xì)夤艿罏檠芯繉?duì)象，驗(yàn)證該模型及方法的科學(xué)性、可靠性。

3)分析廈門市某段燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀，與風(fēng)險(xiǎn)分析矩陣對(duì)照，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等風(fēng)險(xiǎn)。因此，管道管理者需要高度重視，加強(qiáng)對(duì)當(dāng)前管道的管理和維護(hù)，保證管道安全、高效運(yùn)行。