基于EW-FAHP的山地管道安全評價方法研究

摘 "要""為了科學、合理的對山地管道進行安全評價，建立山地管道安全評價指標體系，提出了一種基于EW-FAHP的山地管道安全評價模型。該模型是在傳統(tǒng)模糊層次分析法（FAHP）的基礎上加入了熵權法（EW）、博弈論對其進行改進。為驗證基于EW-FAHP的山地管道安全評價模型的科學性、合理性，以某山地管道為例，采用基于EW-FAHP的山地管道安全評價方法開展了安全評價。將該評價結果與FAHP的評價結果對比分析，結果表明：文中所建立的方法減少了評價中主觀因素造成的評價誤差，同時最大限度的保留數據信息，評價結果更符合該管道的實際情況。

關鍵詞""山地管道 "熵權法（EW） "模糊層次分析法（FAHP） "博弈論 "安全評價

DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406018

中圖分類號""TQ055.8+1"""""""""""""文獻標志碼 "A """"""""nbsp;""""""""文章編號""0254-6094（2024）06-0000-00

隨著中國經濟的快速發(fā)展，油氣管道數量也飛速增長，隨之而來的管道事故也在日益增多。由于山地管道位于山區(qū)，地形復雜、自然環(huán)境惡劣，事故頻發(fā)。因此迫切需要針對山地管道開展安全評價。

安全評價是一個定性與定量分析結合的多目標、多準則的復雜問題。常用的評價方法有G1法、AHP、模糊綜合評價法（FCE）、肯特打分法、故障樹法、矩陣法及灰色綜合法等[1～5]。潘婧和蔣軍成在充分運用數據的基礎上采用EW與灰色關聯理論結合對主導長輸管道風險因素排序[6]。BA"Z等用改進AHP和FCE結合構建評價模型并成功用于管道腐蝕風險評價中，經檢驗，該模型與實際相符，提高了FCE的實用性[7]。楊永清等基于群決策的不確定性，將AHP與相對優(yōu)勢度分析法結合；并加入FCE，建立了基于不確定性AHP的FCE模型[8]。王敏等引入AHP確定制漿造紙指標的權重，然后通過矩陣計算進行模糊數學評價，最后計算出綜合得分綜合評價，為企業(yè)制定節(jié)能減排管理措施提供切實可行的理論依據[9]。徐強等運用AHP和FCE確定不同層次指標體系的權重，并在不同層次進行多次模糊評價，得到最終的綜合評價結果，提供建設性的指導決策者建立和評價武器裝備試驗指標體系[10]。RADIVOJEVI? G和GAJOVI? V基于AHP和FAHP兩種供應鏈風險進行評價，為保險公司從事專業(yè)相關專業(yè)風險評估提供切實可行的理論模型[11]。

上述研究用單一的主觀法或客觀法確定評價指標權重。單獨用主觀法確定權重時，由于人類對客觀事物認識的主觀性、片面性，會造成權重丟失客觀性和原始數據信息丟失，導致評價結果不合理且難以解釋?？陀^法雖然可以解決過多的信息丟失問題，充分保留數據信息，但是又過于強調數據本身，對數據的準確性，系統(tǒng)性要求極高；并且指標可能會在計算過程中被抵消，降低評價對象的整體危險性，導致評價結果不合理。針對上述問題，筆者擬在模糊層次分析法（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP）的基礎上加入客觀法確定客觀權重，將主-客觀結合確定綜合權重，即用EW確定客觀權重，用博弈論將主客觀權重結合確定綜合權重，進而對山地管道進行安全評價，建立基于EW-FAHP的山地管道安全評價模型。

1 "安全分析及風險評價指標的建立

以RiskScore安全評價指標為基礎，經過查閱文獻、咨詢專家，結合山地環(huán)境對管道的影響，建立安全評價指標體系如圖1所示。

2 "基于EW-AHP確定綜合權重

2.1""基于EW確定客觀權重

EW是利用信息熵的質量變化程度，計算并得出各評價指標間權重比的大小。假設有i個評價指標和j個評價對象，可以構成一個矩陣P：

式中""pij——第i個指標下第j個項目的評價值。

計算每個指標熵權的步驟如下。

步驟一，計算第i個指標第j個項目相對于樣本的權重qij：

步驟二，計算各指標的熵值ej：

步驟三，歸一化各指標的權重wj：

其中，gj=1-ej，j=1，2，3，…，n。

2.2""基于AHP方法確定主觀權重

2.2.1""構建判斷矩陣

根據評價模型構建判斷矩陣，專家們對每個因子兩兩比較得出結果，并采用1～9的數值標度來定義判斷矩陣[12]A：

其中各標度的含義見表1。

2.2.2""一致性檢驗

判斷矩陣進行一致性檢驗方法有算數平均法、幾何平均法及特征值法等。文中采用最常用的特征值法求判斷矩陣的特征值和特征向量，計算一致性指標CI：

式中""n——判斷矩陣A的階；

λmax——最大特征值。

計算一致性比例CR計算式為：

一致性指標RI取值見表2。

當CR＜0.10時，判斷矩陣符合一致性檢驗，否則不具滿意一致性，需對矩陣C進行修正至CR＜0.10。

2.2.3 "特征向量求權重

將權重向量W右乘權重比矩陣A，如下：

其中，λmax存在且唯一。W的分量皆為正分量，將求得的權重向量作歸一化處理。

2.3""基于博弈論確定綜合權重

對于多指標評價問題，為將主觀和客觀權重結合確定綜合權重，用博弈論將主-客觀權重結合。這種方法體現了主-客觀權重確定方法的相互競爭機制和協調一致的思想使綜合權重達到科學、合理的目的。具體步驟如下[13]。

步驟一，將s種不同方法得到的指標權重構成權重向量。wk=（wk1，wk2，…，wkn），k=1，2，…，s。對其進行線性組合：

步驟二，通過對s個線性組合系數進行優(yōu)化，使得w與各個wk的離差極化，然后得出一個最滿意的權重wk*。

將上述結果（a1，a2，…，aL）根據下式歸一化得綜合權重wk*：

3 "基于FCE確定安全評價等級

FCE可以較好地解決模糊因素和不確定因素的量化問題，在管道安全評價過程中存在諸多模糊因素和不確定因素，如失效原因、專家水平等。安全評價需要將其加以量化。因此選擇FCE對管道安全進行評價。該方法首先是確定指標集、權重集和評論集，安全評價指標集如圖1所示，權重集可通過上述方法確定各指標綜合權重。評論集是對評價對象的評論集，用V表示，即V=（v1，v2，…，vm），筆者將山地管道安全評價集化為5個等級，分別是V=（較低風險、低風險、中風險、高風險、較高危險）。

步驟一。建立模糊風險矩陣，評價指標集為Ai（i=1，2，…，n），評價集為vi（i=1，2，…，m），評價結果ri1=（ri1，ri2，…，rim）∈[0，1]m。對評價對象進行模糊評價，得到模糊矩陣R：

步驟二。進行模糊運算，用運算子“*”用于模糊運算改變評價指標的權重集W和模糊評價矩陣R，從而得到評價結果B：

4 "基于EW-FAHP的山地管道安全評價模型應用

4.1""EW確定客觀權重

根據某山地管道的實際數據，以里程樁為參考劃分某公司所轄管道，根據近些年各管段、各因素平均每年失效頻率值表（表3），運用EW計算各指標因素的權重。

根據EW的計算原理，代入式（2）～（4）求得準則層指標權重W1：

4.2""AHP確定主觀權重

根據表1獲得判斷矩陣CA：

根據式（7）、（8）計算出準則層指標的權重W2，且滿足一致性，得到結果如下：

4.3 "博弈論確定綜合權重

根據博弈論指標綜合賦權的思想，根據式（9）～（12）構造線性方程組（式（13）），將求得的w1、w2代入，根據式（16）求得綜合指標權重W如下：

4.4 "CE確定安全評價等級

邀請從事管道的施工、使用、管理、維護的n位專家和m位一線工作者進行問卷調查。得到隸屬度矩陣（表4）。根據前文介紹的FCE對該地區(qū)管道進行風險評估。

根據問卷調查得到模糊評價矩陣為R：

根據式（14）、（15）可得EW-FAHP的評價集B，同理可得FAHP的評價集B′：

4.5""比較分析

4.5.1""權重比較分析

如圖2所示為該管道使用博弈論將EW和AHP結合確定的綜合權重與AHP確定主觀權重的對比圖，在案例中基于AHP確定權重時腐蝕權重最大為0.342"0，地質災害、第三方破壞的權重分別為0.305"8、0.171nbsp;0，腐蝕權重與地質災害和第三方破壞的權重相差分別是4%和17%；而使用弈論將EW和AHP結合確定的綜合權重時地質災害權重最大為0.398"7，腐蝕、第三方破壞0.251"8、0.171"0，地質災害與腐蝕和第三方破壞的權重相差分別為約14%和22%。根據實地調查走訪發(fā)現，該管道經過多處溪流、山地，地勢落差大、地震頻發(fā)、管道工作環(huán)境復雜多樣，都是地質災害形成的誘發(fā)條件，特別是每年的6～8月份為強降雨時期，更是山體滑坡、泥石流等自然災害發(fā)生的頻發(fā)期?；诓┺恼搶W和AHP結合確定綜合權重方法得出的結果為地質災害因素為最大權重，相比于用AHP確定指標權重時的腐蝕因素為最大權重，更符合管道的實際情況。

4.5.2""評價結果比較分析

如圖3所示，使用EW-FAHP的評價結果為較低風險、低風險、中風險、高風險、較高風險的隸屬度分別為0.170"9、0.430"9、0.299"1、0.068"5、0.030"6，傳統(tǒng)FAHP評價結果為較低風險、低風險、中風險、高風險、較高風險的隸屬度分別為0.172"2、0.416"2、0.306"9、0.071"2、0.033"5。根據最大隸屬度原則可知EW-FAHP與FAHP對該案例的評價結果雖然都是低風險，但FAHP評價結果為低風險的隸屬度僅比中風險的隸屬度高約11%，兩者之間差異性較小，區(qū)分度較低。EW-FAHP的評價結果為低風險的隸屬度比中風險的隸屬度高約14%。與FAHP相比EW-FAHP的評價結果更加具有區(qū)分度，評價結果判定為低風險更加具有說服力。綜上，文中所提方法評價結果更加科學、合理。

5 "結論

5.1 "分析了山地管道災害的5個風險因素，構建了山地管道安全評價體系。提出了用博弈論將主-客觀權重結合的綜合權重確定方法，克服了單獨使用主觀法或者客觀法確定權重的主觀性和不合理性，建立了基于EW-FAHP的山地管道安全評價模型，

5.2 "為驗證文中構建安全評價模型的科學、合理性，將文中建立的EW-FAHP的安全評價模與FAHP的安全評價模型對該山地管道開展了安全評價，分別對比分析了指標權重和評價結果，驗證了所建立的安全評價模型的科學性、合理性、先進性。為山地和其他類型管道的安全評價提供了一種新的思路。

參""考""文""獻

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（收稿日期：2023-12-01，修回日期：2024-11-20）

作者簡介：趙俊茹（1979-），副教授，從事過程設備安全檢測與完整性評估方面的研究。

通訊作者：吳青（1992-），碩士研究生，從事山地管道安全評價方面研究，740410021@qq.com。

引用本文：趙俊茹，吳青，丁文婷.基于EW-FAHP的山地管道安全評價方法研究[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.