基于熵權法-AHP法航空制氧制氮站安全評價指標體系權重確定方法研究

胡宗順，黃之杰，朱倩，劉慎洋

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基于熵權法-AHP法航空制氧制氮站安全評價指標體系權重確定方法研究

胡宗順，黃之杰，朱倩，劉慎洋

（空軍勤務學院 航空四站系，江蘇 徐州 221000）

目的提出一種改進的航空制氧制氮站安全評價權重確立的方法。方法在構建航空制氧制氮站安全評價指標體系的基礎上，綜合利用層次分析法、熵權法的優點，將影響因素的主觀性與客觀性相結合，最后得出各指標綜合權重。結果將本文方法所得權重與熵權法、AHP法等4種方法所得結果進行比較，本方法適用性更高，可提高評價結果的可信性。結論通過對某制氧制氮站保障實例分析，該方法客觀合理，可為航空四站保障風險控制提供判斷依據。

航空制氧制氮站；安全評價；熵權法；層次分析法；綜合權重

制氧制氮站安全評價是航空四站保障安全評價中的重要部分，評價方法以安全檢查表法，事故樹分析法，故障類型、影響及危險度分析法[1—3]為主，但是隨著評價因素的復雜化，會時常出現檢查效果不穩定的現象，特別是對一些潛在問題不夠敏感，并且這一過程受主觀和經驗的局限大。層次分析(AHP)法被大量應用在工業化學領域，但其主觀性較強，存在評價過程中的隨機性和評價專家主觀上的不確定性[4]。熵權法是一種根據評價指標所提供信息量大小來確定權重的客觀賦權法，具有較強的數學理論依據，可以對人們賦權的主觀性進行部分修正，但確定的權重有時與實際不符。為合理地評價主、客觀因素對制氧制氮站的影響，文中結合兩種方法的優點，在確定制氧制氮站評價體系指標的基礎上，充分考慮各風險因素的權重分配，得出綜合權重，并進行實例分析[5]。

1 制氧制氮站評價體系指標的構建

制氧制氮站保障涉及到氣體的生產過程、存儲過程和運輸過程，消防與電氣設施等結構復雜，相互間存在指標重疊現象，導致評價指標過于繁瑣且不準確。在廣泛搜集資料的基礎上，咨詢專家意見，剔除影響不大、不宜收集、相關性弱的指標，提出了內外場保障、裝備管理、設施建設等三個準則層，在此準則層下，細化得到13個不同的具體評價指標，構成一個相對完整的制氧制氮站評價指標體系。內外場保障包含內場秩序、內場生產、氣體質量及飛行等三個階段；裝備管理包含氣瓶管理、氣瓶充裝、一般性裝設備使用；設施建設包括通用設施、消防設施、工作間規范、防火防爆設施[6—7]。

2 熵權和AHP法確定權重的原理與步驟

用層次分析法解決問題首先要確立層次結構模型，通過兩兩比較，判斷針對上一層次某因素而言，本層次與之有關的各因素之間的相對重要性，然后計算重要性并進行排序。層次分析法可將定性分析與定量分析相結合，有很強的實用性和科學性[8]。

熵是熱力學中的重要概念，它最先由Shannon引入信息論，表示一個信息源發出的信號狀態不確定的程度。用熵權表示評價指標的相對重要程度，認為評價差異程度越大，該指標的信息量就越大，即指標對應權重也越大[9]。

2.1 熵權法確定權重的步驟

1）假設專家N對評價指標的打分結果為，則指標的信息熵為：

3）計算第個指標的權重為：

(3)

最后得到指標體系的權重向量：

=(1,2,…,w) (4)

2.2 AHP法確定權重的步驟

1）建立系統的遞階層次結構。建立制氧制氮站的層次結構是運用層次分析法確定權重中最重要的一步。在咨詢專家的基礎上，分析場站各因素之間的聯系和相互影響，并將它們劃分層次。一般建立指標層X，準則層V，目標層U三級遞階層次結構模型。

2）構造判斷矩陣。通過專家評估或歷史數據，對同一層次的各元素關于上一層次中某一準則的重要性進行兩兩比較，根據1~9位標度法[5]對不同情況的評比給出數量標度，構成判斷矩陣。

3）層次單排序及一致性檢驗。所謂層次單排序是指根據判斷矩陣計算對于上一層某因素而言，本層次與之有聯系的因素的重要性次序的權值。對判斷矩陣，計算滿足的特征根與特征向量。max為的最大特征根，為對應于max的正規化特征向量，的分量即是相應因素單排序的權值。為避免出現前后判斷不一致的情況，需進行一致性檢驗。

=/(5)

式中：為一致性指標，=(max－)/(－1)；為隨機一致性指標，查表可得[5]。當<0.10時，便認為判斷矩陣具有滿意的一致性。否則，就需要調整判斷矩陣，使之滿足式（5），從而達到滿意的一致性[10—11]。

4）層次總排序及一致性檢驗。計算同一層次所有因素對于總目標相對重要性的排序權值的過程稱為層次總排序，下一層次各因素的權重既要考慮本層次的相互關系，還要考慮到上一層次的權因子。通過從最高級到最低級逐層計算求出組合權重，再進行一致性檢驗。

3 綜合權重的確定

運用熵權法求得的權值大小取決于各指標相對競爭的激烈程度，所提供的客觀信息差異大，則相對重要性就高，因此會出現不太重要的指標因為客觀數據浮動大而得到較小的權重，而重要的指標由于一致性高而權重偏小，顯然不合理。層次分析法能進行層次化、數量化分析并用數學工具提供定量依據，特別在涉及大量相關因素，數據收集量大時，能利用人的經驗簡化問題，優勢明顯，但很難排除個人因素對指標權重的影響。同時，將系統劃分為遞階層次結構時，只考慮了上層元素對下層元素的支配作用，同層元素被認為是彼此獨立的，這限制了它在復雜決策問題中的應用[12]。

將兩種方法結合，經過一定方法的運算規整，得到的數據更能反映實際情況。目前確定綜合權重方法多為以下兩種：

1）將熵權法求得的客觀權重α與層次分析法得到的主觀權重β相結合，得到綜合權重ω[13]。

這種方法在求綜合權重時，只是將兩種方法求得的指標簡單糅合進行歸一化處理，并沒有將兩種方法求取權重的中間過程有機地融合起來。而且可能將權重的差異性擴大，使綜合權重失調，不能體現指標的實際重要程度。

2）設定折中系數ε，將求得指標再次進行權重分配[14]。

(7)

其中ε越大，則代表熵權法確定的數值對綜合權重的影響更大；反之，AHP法確定的數值對綜合權重影響更大。大多數情況取ε=0.5，即重要性對等。這種方法能適應不同環境需求，但對于折中系數如何確定依然帶有強烈的主觀性。

3）在參考以上兩種方法的基礎上，提出一種新的權重綜合法。具體步驟為：①設有指標體系共有個準則層，個指標層，準則層對應指標個數分別為1，2，…，m，且1+2+…+m=。用AHP法確定的準則層的權重為={1，2，…，φ}，指標層確定的權重為={1，2，…，β}。②熵權法確定的權重為={1，2，…，α}，將同準則層內的指標進行歸一化處理得，如。③將歸一化所得權重′與對應準則層權重相乘得到權重，，其中，=1，2，…，；=1，2，…，，∈（1，2，…，m）。④將所得權重重新整理得，并與層次分析法得到的主觀權重β相結合，得到綜合權重。

4 算例分析

邀請5位四站裝備修理廠的專家、航空四站系教授組成評價小組，對制氧制氮站的評價指標賦予分值。評價以問卷形式開展，按照百分制進行，分值越高說明該指標在保障中存在的風險因素越大。專家評分結果見表1。

表1 專家評分

4.1 AHP權重計算

根據2.2節AHP法計算步驟，結合文獻[5]中計算公式，綜合專家的評判結果，內外場保障的6個二級指標的數據見表2。

由于數據計算量大，調用MATLAB函數可對矩陣計算得出權重值。同理，裝備管理、設施建設的二級指標計算數據見表3和表4。

表2 內外場保障AHP分析

表3 裝備管理AHP分析

表4 設施建設AHP分析

表5 綜合權重分析

4.2 熵權計算

由2.1節熵權法的計算步驟，利用Excel工具，計算出各指標的數據權重見表5。

4.3 綜合權重計算

按照綜合權重運算步驟分別計算三種綜合權重的權值見表5。

4.4 綜合權重分析

1）從熵權法確定的權重來看，內場生產所占權重少，權重最高的是飛行講評階段，這是由評價小組意見一致程度決定的。如飛行講評階段打分為23，30，24，24，25，處于風險較小階段，但由于極差大，導致所得權值大，顯然不合理。

2）在使用AHP法計算時，前4個指標權重超過0.4，可見評估小組較重視內場保障，除此之外其他指標比較均衡。參考近幾年的10個安全事故案例，因電路問題導致制氧終止的案例有3個，可見通用設施也應重點考慮，層次分析法更多的反映專家的主觀意見，與現實有較大差距。

3）兩種常用的綜合權重，是將權重值簡單地綜合，并沒有在考慮內部指標聯系的基礎上進行著重的強化或者弱化。對于綜合權重1，其指標權重數值幾乎在0.070.09之間，沒有針對性，與客觀實際相差甚大，不能作為安全評估的依據。由綜合權重2可以看出，裝備管理的各指標權重偏高，氣瓶管理與氣瓶充裝的權重排名分別為第3與第5，高于內外場保障的大部分指標。導致的原因為，在熵權法的權重中的指標占了更大的比重，使得最后結果偏向了熵權法的結果。參考規范化材料匯總，在設定的標準分值中，內場200分、外場180分、裝備管理120分，且記錄的10起典型案例中只有1起因切換閥損壞導致制氧工作終止。由此可見，有關裝備的指標權重應相應弱化。

4）在綜合權重3中，通用設施、工作間規范等指標權重較前兩種綜合權重法有所降低而比熵權法有所提升，這樣一定程度上避免了由于人的主觀性導致最終結果不合理的情況。同時將層級之間與同層各元素間的關聯進行了整合，既重點考慮了內外場保障，又兼顧了裝備及設施建設，在一定程度上做到了主觀和客觀的結合，具有較強的可信度。

5 結語

底層指標權重的確定是進行安全評價的重要環節，文中在了解多種方法優缺點的基礎上，創新改進了熵權-AHP綜合權重法，既體現了專家對不同指標的經驗，同時也客觀反映了各指標數據的全部信息。實例驗證表明，此方法優化了指標屬性，結果符合客觀實際，具有較強的科學性和合理性，并具有一定的推廣使用價值。

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Weight Determination of Safety Evaluation Indicator System of the Aerial Oxygen and Nitrogen Station Based on AHP-Entropy Weight Method

HU Zong-shun, HUANG Zhi-jie, ZHU Qian, LIU Shen-yang

(Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

Objective To proposean improved weight determination method for safety evaluation of aerial oxygen and nitrogen station. Methods Based on constructing a safety evaluation indicator system of an aerial oxygen and nitrogen station, AHP and entropy method were used comprehensively to combine subjectivity and objectivity of influencing factors, to obtain the comprehensive weight of each indicator. Results After comparing this result with that obtained by other 4 methods such as entropy weight method, APH, etc., this method was more applicable and can improve the creditability of results. Conclusion Through an example analysis of one aerial oxygen and nitrogen station, this method is objective and reasonable, it could be used as a judgment basis for risk control on protection of the four stations.

aerial oxygen and nitrogen station; safety evaluation; entropy weight method; AHP; comprehensive weight

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.016

TJ85；X913.4

A

1672-9242(2017)04-0077-05

2016-10-18；

2016-11-28

胡宗順（1992—），男，河南信陽人，碩士研究生，主要研究方向為航空四站保障技術與信息化。