基于改進CRITIC 修正AHP 的長輸油氣管道風險評估方法

趙俊茹 張美玲 田峻東 孟凡想 吳 青

（東北石油大學機械科學與工程學院）

長輸油氣管道普遍具有淺埋、薄殼、內(nèi)含易燃易爆有毒介質(zhì)的特點， 一旦發(fā)生泄漏等事故，后果不堪設想，因此開展風險評估對于提高長輸油氣管道的安全性具有重要意義［1］。 在不同的管道風險評估方法中，風險指標的確定是基礎，且不同的風險指標對管道的影響程度均有所不同［2，3］。近年來，許多學者利用改進后的肯特打分法對管道進行了風險評估，如田思祺等針對跨越管道的特殊性，在原肯特打分法風險因素基礎上增加了結構安裝和自然災害因素，并運用云模型確定了各指標的權重［4］；駱吉慶等在原風險因素基礎上增加了自然環(huán)境指標， 運用Mamdani算法計算了海底管道風險值，結果準確且計算方便，但其未確定各二級指標［5］。 現(xiàn)有研究在確定風險指標權重時大多是將主客觀權重線性結合起來［6～8］，雖然能夠同時反映專家的經(jīng)驗知識和數(shù)據(jù)的客觀信息，但無法科學反映各評估指標間的相互影響程度，且其中的組合系數(shù)難以合理確定［9～11］。

由于長輸油氣管道途經(jīng)地區(qū)自然環(huán)境復雜多變且惡劣［12］，因此對自然環(huán)境因素的風險評估十分重要，然而原肯特打分法中并未考慮這一因素，且忽略了各項指標對管道影響程度的差異性而導致風險評估結果不準確［13］。 為此，筆者在肯特打分法原失效因素的基礎上增加自然環(huán)境這項一級指標，并針對各因素權重相同會導致評估結果準確性下降、組合賦權法中組合系數(shù)難以合理分配的問題，構建了一種基于改進指標相關性指標權重確定方法 （Criteria Importance Though Intercrieria Correlation，CRITIC） 修正層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP） 的肯特評估模型，并將該模型應用于慶哈輸油管道中以驗證模型的有效性。

1 改進肯特打分法

肯特打分法是在分析總結案例和專家豐富經(jīng)驗的基礎上形成的。 該方法將管道按照實際沿線狀況分段，對第三方破壞、腐蝕、設計與本體、誤操作4類失效因素逐項評分后累加得到指數(shù)和， 再除以泄漏影響系數(shù)后得到相對風險評估值，風險評估值與管道風險程度成反比［14］。 肯特打分法計算式為：

其中，R為相對風險評估值；S為失效指數(shù)和（0≤S≤400）；T、C、D、I分別為4項風險指標指數(shù)（各項指標滿分均為100分）；A、B分別為介質(zhì)危險性指數(shù)和影響系數(shù)指數(shù)。 目前，我國對油氣管道風險評估的風險等級劃分中，多采用SCHLECHTER W P G提出的管道風險等級劃分標準（表1）［15］。

表1 管道風險等級劃分標準

長輸油氣管道要穿越不同規(guī)模的河溝、水渠、公路等，沿線情況復雜，災害類型多，對管道安全運行的影響不容忽視［16］。 為此，筆者在原肯特打分法的基礎上，構建包含第三方破壞、腐蝕、設計與本體、誤操作、自然環(huán)境5類風險因素的風險指標體系。

通過現(xiàn)場調(diào)研與資料收集分析［17］，確定各一級指標的二級因素，得到改進后的評估模型如圖1所示， 改進后的管道風險指標體系如圖2所示，其中紅色虛線框內(nèi)為新增的風險指標。

圖1 改進肯特打分法風險評估模型

圖2 改進肯特打分法管道風險指標體系

對肯特打分法中各風險指標重新賦予權重，計算式變?yōu)椋?/p>

其中，E為自然環(huán)境指數(shù)；ωj（j=1，2，3，4，5）為各指標權重值；L為泄漏沖擊指數(shù)和。 為保證文獻［15］中的管道風險等級劃分標準仍適用于改進后的方法，使改進后的失效指數(shù)和（400分）不變，則5項指標其各自滿分變?yōu)?0分。

2 基于改進CRITIC修正AHP的評估指標權重優(yōu)化

2.1 計算各指標改進CRITIC信息量

與原方法相比改進CRITIC采用均值消除了標準差的量綱影響［18］，并將其絕對值代入計算消除相關系數(shù)的正負號影響［19］，使得計算過程更加簡便，同時計算得到的信息量越大說明該指標對評估對象的影響越大。

計算指標所含信息量公式為：

其中，Cj表示第j個指標的信息量；rjk表示指標j和k之間的相關系數(shù)；δj和μj分別為第j個指標的標準差和均值；m為被評價指標個數(shù)。各指標層的信息量用該指標層內(nèi)各指標信息量的均值代替。

2.2 修正AHP的權重計算方法

AHP可以作為風險評估中確定指標重要程度的一種有效方法［20］，其中權重的確定需計算判斷矩陣的最大特征根λmax進行一致性檢驗。 基于改進CRITIC修正AHP的權重ωj計算步驟如下。

第1步，建立判斷矩陣。根據(jù)式（4）計算得到的改進CRITIC信息量對同層次指標按重要程度排序，消除主觀排序帶來的誤差，構造出更準確的判斷矩陣。 設判斷矩陣中第k個指標對第j個指標的重要性標度為akj（k=1，2，…，m；j=1，2，…，m）。

第2步，一致性檢驗。 對判斷矩陣進行一致性檢驗：

其中，CI為一致性指標，RI為平均隨機一致性指標，當m=5時，RI=1.12。 若CI<0.10，則代表判斷矩陣通過一致性檢驗，否則需要對判斷矩陣進行重新調(diào)整。

第3步，對判斷矩陣進行歸一化處理，并將歸一化后所得的矩陣按行相加：

其中，αkj為判斷矩陣中第k個指標對第j個指標的重要性標度，bj為第1個指標到第m個指標的重要性標度之和。

第4步，計算權重：

3 應用實例

3.1 慶哈輸油管道概況

以慶哈輸油管道為例，該管道位于中國黑龍江省，冬季氣候寒冷，目前已服役23年，全線共有4座輸油站、5座閥室，管線穿越安肇新阿什河、松花江，多處穿越水渠、公路，實際情況復雜。

3.2 慶哈輸油管道的風險評估

根據(jù)截斷閥室和輸油站的位置、河流的穿越位置、沿線的人口密度、土壤狀況與常年氣候差異將慶哈輸油管道分為12個管段。 邀請專家對5項一級指標進行打分，結果見表2。

計算各風險指標改進CRITIC信息量。 通過式（5） 計算得出各項風險指標改進CRITIC信息量（表3）。

表3 各風險指標信息量

由表3可知，按照信息量排序為第三方破壞腐蝕＞自然環(huán)境＞設計與本體＞誤操作。

邀請專家結合信息量排序來確定指標之間的重要性標度和判斷矩陣，然后根據(jù)式（8）計算各風險指標權重占比，結果如圖3所示；同時計算各管段的相對風險值與風險等級（表4）。

圖3 各風險指標權重占比

表4 基于改進肯特打分法的風險等級計算結果

3.3 評估結果分析

將改進前后的慶哈輸油管線風險評估結果進行對比，如圖4所示，可以看出，改進后的風險評估方法得到的風險評估值均低于改進前的，即風險增大，其中管段5、7、8均由低風險管段修正為中風險管段。 另外，由于管線所處位置常年氣候變化較大，尤其冬季氣候寒冷，自然環(huán)境惡劣，因此應加強對相關管段的監(jiān)管。

圖4 改進前后的慶哈輸油管線風險評估結果

4 結論

4.1 管道的自然環(huán)境會對管道的安全運行產(chǎn)生影響，所以在管道風險評估過程中，增加自然環(huán)境因素， 并根據(jù)實際情況確定相應因素的權重，然后利用基于改進CRITIC修正AHP的肯特評估模型確定管道風險等級。

4.2 采用改進CRITIC信息量之比 （用于反映各評估指標間的相互影響程度）代替專家主觀確定評估指標之間的重要程度之比（本層所有指標針對上一層某一指標的相對重要性的比較即為重要程度之比）， 并基于改進的CRITIC修正AHP賦權法，使評估結果既反映了專家豐富的經(jīng)驗又反映了數(shù)據(jù)的客觀信息，同時避免了組合賦權法中組合系數(shù)無法合理分配的問題。

4.3 將改進后的肯特打分法應用于慶哈輸油管線， 結果表明改進后的風險評估方法更加合理，管道管理人員在氣候嚴寒時可增加對管線的巡檢力度以確保管線的安全運行。