基于兩種組合賦權(quán)法的天然氣長(zhǎng)輸管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估比較

黃敏 周德紅 樊旭巖 陳錦輝 李曉柯 李嘉琦

（武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

管道運(yùn)輸作為最實(shí)用、最經(jīng)濟(jì)的危險(xiǎn)易燃物運(yùn)輸方式，已成為我國(guó)五大運(yùn)輸行業(yè)之一。長(zhǎng)距離管道運(yùn)輸是天然氣運(yùn)輸?shù)淖钪饕绞剑溥\(yùn)輸量大、適用范圍最廣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2020年底，我國(guó)天然氣長(zhǎng)輸管道總里程已達(dá)到10.2萬(wàn)km。然而，由于管道腐蝕、材料不合格、焊接作業(yè)不合格、開(kāi)挖損傷、自然災(zāi)害等原因，近年來(lái)天然氣長(zhǎng)輸管道事故時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2021年前三季度就發(fā)生天然氣管網(wǎng)事故240起，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。天然氣長(zhǎng)輸管道壓力高、運(yùn)輸量大，又因?yàn)樘烊粴庖兹嫉奶匦?，在輸氣過(guò)程中一旦發(fā)生泄漏或者燃爆事故，后果極為嚴(yán)重。根據(jù)歐洲輸氣管道事故數(shù)據(jù)組織（EGIGdatabase）2020年發(fā)布的第11次天然氣管道事故報(bào)告，1970年至2019年的1 411起陸上天然氣管道事故中，外部干擾、腐蝕、施工缺陷和材料失效是造成事故的主要原因。

亓東民［1］利用灰色系統(tǒng)理論對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究；張華兵等［2］使用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法（簡(jiǎn)稱(chēng)QRA）對(duì)油氣長(zhǎng)輸管道進(jìn)行評(píng)價(jià)；張啟波等［3］基于模糊層次分析法對(duì)四川省天然氣長(zhǎng)輸管道進(jìn)行了危險(xiǎn)性分析；張京國(guó)等［4］基于模糊層次分析的方法對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管線進(jìn)行了簡(jiǎn)單的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的建立，但是指標(biāo)因素不夠豐富；許謹(jǐn)?shù)龋?］基于改進(jìn)的Kent法對(duì)長(zhǎng)輸管道進(jìn)行安全評(píng)價(jià)；林媛媛［6］基于故障樹(shù)方法對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道進(jìn)行了安全風(fēng)險(xiǎn)分析。本文通過(guò)相關(guān)研究分析，借鑒前人經(jīng)驗(yàn)，建立起一種天然氣長(zhǎng)輸管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，通過(guò)分析各種因素對(duì)天然氣管道失效的影響，并計(jì)算其相對(duì)重要度，從而獲得評(píng)價(jià)體系模型的權(quán)重，針對(duì)天然氣長(zhǎng)輸管道研究背景對(duì)AHP-熵權(quán)法組合賦權(quán)和AHP-變異系數(shù)組合賦權(quán)的模糊層次分析進(jìn)行比較。

1 研究方法

1.1 層次分析法（AHP）

美國(guó)匹茲堡大學(xué)教授薩蒂在20世紀(jì)70年代提出了層析分析法（簡(jiǎn)稱(chēng)AHP）。這種方法根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)和總目標(biāo)，將評(píng)價(jià)因素層次分解為多個(gè)級(jí)別和指標(biāo)，綜合計(jì)算各級(jí)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，是一種基于主觀賦值的系統(tǒng)分析方法，在系統(tǒng)分析中得到廣泛運(yùn)用［7］。但該方法具有主觀性較強(qiáng)的缺點(diǎn)。

1.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法，是依靠指標(biāo)變異性來(lái)確定權(quán)重的一種方法，人為干擾較小，可以作出較為客觀的評(píng)價(jià)。指標(biāo)的信息熵小，說(shuō)明其變異程度大，所含的信息量多，權(quán)重就大；而信息熵大，說(shuō)明其變異程度小，所含的信息量少，其相應(yīng)權(quán)重也就小。將熵權(quán)法與層次分析法結(jié)合在一起，可對(duì)層次分析法的主觀性進(jìn)行修正。熵值法權(quán)重的計(jì)算過(guò)程如下［8］：

1）選用越小越優(yōu)型函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。設(shè)指標(biāo)集Xi={x1，x2，…，xn}，標(biāo)準(zhǔn)化后為Yi=

2）Yij為已標(biāo)準(zhǔn)化的非負(fù)區(qū)間。記矩陣pij為第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象第j項(xiàng)指標(biāo)下的特征權(quán)重：

1.3 變異系數(shù)法

變異系數(shù)法（簡(jiǎn)稱(chēng)CV）是一種客觀賦權(quán)法，利用各指標(biāo)包含的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)計(jì)算得到相應(yīng)指標(biāo)權(quán)重。在這種標(biāo)準(zhǔn)下，取值差異越大的指標(biāo)更有價(jià)值，更能反映被評(píng)價(jià)體系的差距。可以使用變異系數(shù)對(duì)主觀賦權(quán)法進(jìn)行修正。變異系數(shù)法權(quán)重計(jì)算過(guò)程如下：

下式中，i是第i項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，是第i項(xiàng)指標(biāo)的平均數(shù)。各項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)可以表示為：

1.4 組合權(quán)重計(jì)算

將層次分析法權(quán)重Aij與熵權(quán)法或變異系數(shù)法權(quán)重Pi結(jié)合，得到綜合權(quán)重Qi。

其中Ai為主觀賦權(quán)得到的權(quán)重集，Pi為客觀賦權(quán)得到的權(quán)重集；為偏好系數(shù)，本文取0.5［8］。

1.5 模糊綜合評(píng)價(jià)

1）建立評(píng)價(jià)體系。通過(guò)查閱資料文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)建立天然氣長(zhǎng)輸管道失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2）建立因素集、評(píng)語(yǔ)集。采用量化值1—5的5等級(jí)法建立評(píng)價(jià)集。建立評(píng)價(jià)集為{Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)}，分別代表風(fēng)險(xiǎn)量化值為1，2，3，4，5。

3）確定隸屬度函數(shù)，根據(jù)評(píng)分的均值來(lái)確定隸屬度函數(shù)對(duì)應(yīng)的隸屬度。運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的方法，本文采用梯形函數(shù)來(lái)確定隸屬度。

4）矩陣合成，模糊綜合評(píng)價(jià)［9］。模糊判斷關(guān)系矩陣分別與AHP-熵權(quán)法得到的權(quán)重與AHP-變異系數(shù)法得到的權(quán)重進(jìn)行模糊合成，公式為T(mén)i=Qi×Rij。

2 實(shí)例計(jì)算

2.1 工程概況

某地鄉(xiāng)村公園項(xiàng)目與A天然氣管道工程存在交叉，交叉區(qū)域的建設(shè)內(nèi)容包括住宅、商業(yè)等建筑、水系景觀（池塘等）、農(nóng)業(yè)及園林種植、園區(qū)道路、給排水、供電設(shè)施等。該項(xiàng)目規(guī)劃用地1.7萬(wàn)hm2，屬于省內(nèi)重點(diǎn)輸氣管道項(xiàng)目。線路全長(zhǎng)71.45 km，管道公稱(chēng)直徑DN400，壁厚7.1 mm，設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa。該工程管道敷設(shè)地區(qū)等級(jí)為二類(lèi)、三類(lèi)和四類(lèi)地區(qū)。其中，全線以三類(lèi)地區(qū)為主，少部分為二類(lèi)、四類(lèi)地區(qū)。全線管道采用直縫雙面埋弧焊鋼管（UOE或JCOE），鋼級(jí)為L(zhǎng)415（X60）。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的設(shè)計(jì)

查閱文獻(xiàn)，采用某地天然氣長(zhǎng)輸管道進(jìn)行分析，設(shè)定其目標(biāo)層為“天然氣長(zhǎng)輸管道風(fēng)險(xiǎn)分析”，一級(jí)因素層包括6個(gè)方面，即設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、腐蝕風(fēng)險(xiǎn)、操作風(fēng)險(xiǎn)、第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)、材料風(fēng)險(xiǎn)、敷設(shè)施工風(fēng)險(xiǎn)，二級(jí)因素層包括24個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，天然氣長(zhǎng)輸管道失效風(fēng)險(xiǎn)分析AHP評(píng)價(jià)體系如圖1所示［10］。

圖1 天然氣長(zhǎng)輸管道風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)體系

2.3 AHP計(jì)算

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估小組建議，采用常用的9標(biāo)度法（如表1所示）構(gòu)造判斷矩陣。將各個(gè)指標(biāo)兩兩之間重要性對(duì)比進(jìn)行定量分析。對(duì)同一層次的幾個(gè)因素進(jìn)行兩兩比較構(gòu)建判斷矩陣：矩陣中rij>0，rij=1（當(dāng)i=j時(shí)），表示指標(biāo)i相對(duì)指標(biāo)j的重要性強(qiáng)弱，rij越大，指標(biāo)i比指標(biāo)j越重要，rij=1時(shí)表示指標(biāo)i和指標(biāo)j同等重要。

表1 1—9數(shù)字標(biāo)度

表2 平均一致性指標(biāo)RI取值

表3 一級(jí)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重（A）

表4 二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重（B1）

表9 二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重（B6）

表5 二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重（B2）

表6 二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重（B3）

表7 二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重（B4）

表8 二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重（B5）

2.4 兩種方法分別賦權(quán)與組合賦權(quán)

選用1—5的量化值評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（如表10所示），對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，運(yùn)用熵權(quán)計(jì)算公式（式（1）—（3））和變異系數(shù)計(jì)算公式（式（4）—（5）），利用Excel計(jì)算熵權(quán)及變異系數(shù)權(quán)重，并分別與層次分析法得到的主觀權(quán)重進(jìn)行組合賦權(quán)（式6），得到表11所示數(shù)據(jù)。

表10 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)賦值

2.5 賦權(quán)結(jié)果比較

由表11作兩種賦權(quán)方法的比較圖，如圖2所示。

表11 天然氣長(zhǎng)輸管道評(píng)價(jià)體系組合權(quán)重

圖2 熵權(quán)-AHP與變異系數(shù)AHP權(quán)重比較

在本例AHP-熵權(quán)法組合賦權(quán)中，內(nèi)腐蝕、焊接質(zhì)量、安裝質(zhì)量、惡意破壞盜油的數(shù)據(jù)無(wú)序程度小，信息熵小，權(quán)重大，本例AHP-變異系數(shù)法中，內(nèi)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、惡意破壞盜油的數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，區(qū)分程度較高，權(quán)重較大。

從圖2可以直觀的看到，使用不同的賦權(quán)方法得到的權(quán)重結(jié)果雖然不同，但是其大體趨勢(shì)差別不大。例如在對(duì)因素序號(hào)為1、2、3、4、6、11、12、13、14、15、20、21的權(quán)重分配上，兩種組合賦權(quán)方式的差距微乎其微，AHP-變異系數(shù)法對(duì)因素序號(hào)為5、7、8、16、17、18、23的賦權(quán)高于AHP-熵權(quán)法，而AHP-變異系數(shù)法在對(duì)因素序號(hào)9、10、19、22、24的賦權(quán)低于AHP-熵權(quán)法。

天然氣長(zhǎng)輸管道的主要事故原因是第三方破壞、腐蝕、自然災(zāi)害等，不管是AHP-熵權(quán)法，還是使用AHP-變異系數(shù)法，得到的權(quán)重值都符合統(tǒng)計(jì)特征，此模型具有合理性。

2.6 模糊綜合評(píng)價(jià)

1）選用1—5量化值，劃分5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（表10）。

2）選用直線型梯形分布函數(shù)來(lái)確定隸屬度，各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)應(yīng)的隸屬度見(jiàn)表12。

表12 各因素對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度

3）將組合賦權(quán)評(píng)價(jià)權(quán)重集Qi與隸屬度矩陣Rij合成，得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Ti。兩種方法模糊評(píng)價(jià)結(jié)果如下所示：

AHP-熵權(quán)法：Ti'=（0.053 1，0.340 5，0.307 0，0.230 5，0.069 7）

AHP-變異系數(shù)法：Ti″=（0.053 0，0.336 6，0.383 0，0.187 3，0.040 7）

根據(jù)最大隸屬度原則，AHP-熵權(quán)法評(píng)價(jià)結(jié)果為風(fēng)險(xiǎn)較低，AHP-變異系數(shù)法評(píng)級(jí)結(jié)果為風(fēng)險(xiǎn)一般。

3 結(jié)論

1）運(yùn)用熵權(quán)-層次分析法和變異系數(shù)-層次分析法分別得出了兩種評(píng)價(jià)權(quán)重值，對(duì)兩種賦權(quán)方法得出的權(quán)重結(jié)果作圖比較；并根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)某地天然氣長(zhǎng)輸管道進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，根據(jù)最大隸屬度原則，兩種組合賦權(quán)方法得出的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)分別為較低和一般，驗(yàn)證了組合賦權(quán)方法的合理性。

2）由專(zhuān)家評(píng)價(jià)小組打分構(gòu)造判斷矩陣，這種主觀權(quán)重值與客觀權(quán)重值相結(jié)合的組合賦權(quán)方式既充分借鑒了專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，又有一定的客觀性，修正了傳統(tǒng)的主觀賦權(quán)方式的不足。