基于EW-SPA模型的天然氣管道安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究*

中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司

天然氣管道在運(yùn)行過(guò)程中，受到多種因素的影響，其安全性存在相對(duì)較大的隱患，但是天然氣又是我國(guó)發(fā)展的動(dòng)力所在，也是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵能源，由此可見(jiàn)，保障天然氣管道的運(yùn)行安全十分重要[1-2]。近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，天然氣管道的安全狀況已經(jīng)得到了明顯的改善，但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然存在較大的差距[3]。因此，對(duì)天然氣管道的運(yùn)行狀況進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，對(duì)于降低管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)具有重大意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于天然氣管道安全評(píng)價(jià)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，應(yīng)用的方法有層次分析法、模糊評(píng)價(jià)法以及聚類分析法等[4-6]。有相關(guān)學(xué)者建議將云模型以及系統(tǒng)動(dòng)力法應(yīng)用到天然氣管道安全評(píng)價(jià)中，但是，上述方法都不能解決天然氣管道運(yùn)行過(guò)程中的不確定性問(wèn)題[7-8]。由于熵權(quán)法（Entropy Weight，EW）可以很好地解決權(quán)重計(jì)算過(guò)程中的主觀性問(wèn)題，同時(shí)，集對(duì)分析法（Set Pair Analysis，SPA）可以解決整個(gè)系統(tǒng)中的不確定性問(wèn)題，因此，在本次研究中，通過(guò)建立EW-SPA模型，對(duì)天然氣管道安全評(píng)價(jià)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，為保障天然氣管道的運(yùn)行安全奠定基礎(chǔ)。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)天然氣管道行業(yè)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及天然氣管道運(yùn)行的特點(diǎn)，對(duì)管道運(yùn)行中存在的諸多風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別，并結(jié)合4M1E基本原理，將天然氣管道運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)因素分為5個(gè)一級(jí)指標(biāo)和25個(gè)二級(jí)指標(biāo)，進(jìn)而得到了天然氣管道安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。首先，天然氣管道沿線的工作人員是影響管道安全的重要因素，人員的技術(shù)水平以及安全意識(shí)等都會(huì)對(duì)管道的安全產(chǎn)生重要的影響；其次，管道內(nèi)介質(zhì)所處的狀態(tài)以及對(duì)管道進(jìn)行的安全管理也會(huì)影響管道的運(yùn)行安全，如果可以提高管道的安全管理水平必然會(huì)提高管道所處的安全狀態(tài)；最后，管道設(shè)計(jì)的技術(shù)水平以及管道所處的環(huán)境會(huì)對(duì)管道的運(yùn)行安全產(chǎn)生影響，如果管道所處的環(huán)境較為惡劣，則管道的安全性必然會(huì)下降。在本次研究中考慮的管道運(yùn)行安全因素相對(duì)較為全面，可以進(jìn)行下一步的研究。

圖1 天然氣管道安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Natural gas pipeline safety evaluation index system

各種評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度主要是通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式得出結(jié)果，然后對(duì)各種指標(biāo)的離散程度和重要程度進(jìn)行分析。問(wèn)卷調(diào)查表中包含了本次研究所考慮的所有因素，以對(duì)管道運(yùn)行安全的影響進(jìn)行研究。在重要程度分析的過(guò)程中采用了Likert 5 點(diǎn)法，1 表示非常重要，2 表示重要，3 表示一般重要，4 表示不重要，5 表示非常不重要。此次的問(wèn)卷調(diào)查共發(fā)放120 份，其中現(xiàn)場(chǎng)工作人員發(fā)放40份，管理人員發(fā)放40 份，高校教師及專家發(fā)放40分，問(wèn)卷調(diào)查收回有效問(wèn)卷115份，有效回收率達(dá)到了95.8%。其中現(xiàn)場(chǎng)工作人員收回38份，管理人員收回39份，高效教師及專家收回38份。用SPSS軟件對(duì)回收調(diào)查問(wèn)卷數(shù)據(jù)進(jìn)行信度檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，一、二級(jí)指標(biāo)的重要程度均高于3，證明在天然氣管道安全評(píng)價(jià)中一、二級(jí)指標(biāo)都十分重要，這兩級(jí)指標(biāo)的Cronback Alpha 系數(shù)都高于0.7，證明回收調(diào)查問(wèn)卷數(shù)據(jù)信度相對(duì)較高，指標(biāo)體系建立相對(duì)較為合理。

評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定也會(huì)對(duì)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生重要影響，在上文分析的基礎(chǔ)上對(duì)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分為5 個(gè)等級(jí)，分別是非常安全、安全、一般安全、危險(xiǎn)以及非常危險(xiǎn)，各個(gè)等級(jí)的取值范圍分別是[0，60）、[60，70）、[70，80）、[80，90）、[90，100]。

2 相關(guān)概念

2.1 EW法

在信息論中，熵是表示相關(guān)數(shù)據(jù)重要程度的重要信息，一般情況下，數(shù)據(jù)的熵越小，表示該數(shù)據(jù)的重要程度越高[9]。

2.2 SPA法

在對(duì)不確定性問(wèn)題進(jìn)行分析的過(guò)程中，SPA方法十分常見(jiàn)，該種方法主要是將問(wèn)題的所有影響因素整合為一個(gè)由確定性和不確定性共同組成的系統(tǒng)，然后將確定性化為兩個(gè)部分，分別是同一和對(duì)立，在對(duì)不確定性進(jìn)行描述的過(guò)程中采用了差異性原則[10-11]。應(yīng)用SPA 方法的具體思路為：在相關(guān)背景下，將兩個(gè)集合A和B構(gòu)成集對(duì)H(A，B)，然后對(duì)集對(duì)的特性進(jìn)行分析，假設(shè)集合A和B中一共存在K個(gè)元素，兩個(gè)集合中共有S個(gè)元素重合，P個(gè)元素處于對(duì)立的局面，則F(F=K-S-P)個(gè)元素就屬于既不重合也不對(duì)立的部分。因此，集對(duì)的聯(lián)系度計(jì)算可以用公式（1）表示，即

3 天然氣管道安全評(píng)價(jià)模型

在建立天然氣管道安全評(píng)價(jià)模型的過(guò)程中，首先使用EW方法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定，然后使用SPA方法對(duì)每個(gè)指標(biāo)的聯(lián)系度和綜合的聯(lián)系度進(jìn)行計(jì)算，最后得到天然氣管道的安全評(píng)價(jià)等級(jí)，這是基于EW-SPA天然氣管道安全評(píng)價(jià)模型的簡(jiǎn)單步驟，在此基礎(chǔ)上，還需要使用由五元連讀數(shù)所組成的集對(duì)對(duì)天然氣管道未來(lái)的安全形勢(shì)進(jìn)行全面分析[12]。

3.1 建立模型

使用EW方法和SPA方法建立天然氣管道安全評(píng)價(jià)模型。

3.1.1 確定指標(biāo)權(quán)重

EW 方法主要是通過(guò)用評(píng)價(jià)指標(biāo)所建立的矩陣對(duì)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，該種計(jì)算模式可以有效地克服權(quán)重確定前提下的主觀性，得到的結(jié)果將具有更強(qiáng)的客觀性[13-14]。EW方法計(jì)算步驟如下：

（1）建立判斷矩陣U，在該矩陣中，一級(jí)指標(biāo)m個(gè)，二級(jí)指標(biāo)n個(gè)，因此，判斷矩陣U可以表示為

（2）對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到矩陣R，公式為

對(duì)于數(shù)值越大越占優(yōu)勢(shì)的指標(biāo)而言，根據(jù)公式（4）進(jìn)行處理。

對(duì)于數(shù)值越小越占優(yōu)勢(shì)的指標(biāo)而言，根據(jù)公式（5）進(jìn)行處理。

（3）對(duì)第β個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值進(jìn)行計(jì)算，公式為

如果Fαβ=0，此時(shí)的lnFαβ將無(wú)意義，因此Fαβ的計(jì)算公式可以修改為

（4）對(duì)第β個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，公式為

3.1.2 計(jì)算單指標(biāo)聯(lián)系度

在確定了各種評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重后，可以將天然氣管道安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合A和安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的集合B相結(jié)合，進(jìn)而得到集對(duì)H(A，B)，對(duì)集對(duì)H(A，B)的同一度、對(duì)立度以及差異度進(jìn)行計(jì)算[15-16]。由于天然氣管道安全評(píng)價(jià)過(guò)程中存在諸多的不確定性，但是多元聯(lián)系數(shù)在處理該過(guò)程時(shí)具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因此，本次研究將三元聯(lián)系數(shù)轉(zhuǎn)化為五元聯(lián)系數(shù)，五元聯(lián)系數(shù)的表達(dá)式為

對(duì)于數(shù)值越大越占優(yōu)勢(shì)的指標(biāo)而言，根據(jù)公式（11）對(duì)單指標(biāo)聯(lián)系度進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于數(shù)值越小越占優(yōu)勢(shì)的指標(biāo)而言，根據(jù)公式（12）對(duì)單指標(biāo)聯(lián)系度進(jìn)行計(jì)算。

式中：xd為評(píng)價(jià)指標(biāo)d的實(shí)測(cè)值；s1～s5為評(píng)價(jià)指標(biāo)d的分級(jí)臨界值。

3.1.3 計(jì)算綜合聯(lián)系度

通過(guò)引入集對(duì)H(A，B) 的同一度、對(duì)立度以及差異度矩陣的方式，將每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重矩陣、單指標(biāo)聯(lián)系度矩陣、同一度、對(duì)立度以及差異度矩陣相乘就可以得到綜合聯(lián)系度，計(jì)算公式為

式中：μAB為綜合聯(lián)系度；W為每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重矩陣；R為單指標(biāo)聯(lián)系度構(gòu)成的矩陣；E為同一度、對(duì)立度以及差異度矩陣乘積。

3.2 集對(duì)勢(shì)分析

利用五元聯(lián)系數(shù)就可以對(duì)天然氣管道未來(lái)的安全發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果安全狀態(tài)屬于同勢(shì)范圍，則表示天然氣管道安全狀態(tài)與理想的狀態(tài)具有同一趨勢(shì)，管道的安全性相對(duì)較高，證明未來(lái)管道將具有較好的安全形勢(shì)。如果安全狀態(tài)屬于均勢(shì)范圍，則表示天然氣管道安全與否處于勢(shì)均力敵的狀態(tài)，管道安全性存在一定的高低變化。如果安全狀態(tài)屬于反勢(shì)范圍，則證明天然氣管道安全性相對(duì)較低。利用五元聯(lián)系數(shù)進(jìn)行同勢(shì)、均勢(shì)以及反勢(shì)劃分和排序的方法參考文獻(xiàn)[17]。

4 應(yīng)用實(shí)例

以我國(guó)某條天然氣長(zhǎng)輸管道為例，通過(guò)構(gòu)建EW-SPA模型的方式對(duì)其安全性進(jìn)行分析，該條管道的長(zhǎng)度為219.53 km，管徑為356 mm，已經(jīng)連續(xù)使用8年，十分有必要對(duì)其安全性進(jìn)行分析。

表1 各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值及權(quán)重Tab.1 Entropy value and weight of each evaluation index

4.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)上文建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)和收回的問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果，利用公式（1）～（7）對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到歸一化處理后的矩陣，然后對(duì)指標(biāo)的熵值以及權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

4.2 聯(lián)系度計(jì)算

4.2.1 單指標(biāo)聯(lián)系度

根據(jù)調(diào)查文件得到每個(gè)指標(biāo)的平均值作為該指標(biāo)的評(píng)判值，根據(jù)公式（10）～（11）對(duì)單指標(biāo)聯(lián)系度進(jìn)行計(jì)算，以人員因素C1為例，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 人員因素C1 的單指標(biāo)聯(lián)系度Tab.2 Single index connection degree of personnel factor C1

4.2.2 綜合聯(lián)系度

根據(jù)公式（12），對(duì)綜合聯(lián)系度進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到：

在對(duì)i、j進(jìn)行取值的過(guò)程中，采用了均分原則，最終確定i1=0.5、i2=0.01、i3=-0.5、j=-1，將四項(xiàng)數(shù)值代入公式中，進(jìn)而得到綜合聯(lián)系度μ=0.541。使用比例取值的原則，將綜合聯(lián)系度所對(duì)應(yīng)的天然氣管道安全評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)間進(jìn)行劃分，即將[-1，1]分為了五個(gè)等級(jí)（表3），由于目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的聯(lián)系度為μ=0.541，屬于區(qū)間Ⅱ，因此，該條管道處于安全狀態(tài)。

表3 等級(jí)安全判斷區(qū)間Tab.3 Level safety judgment interval

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 EW分析

通過(guò)對(duì)EW法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因素和管理因素在整個(gè)安全評(píng)價(jià)體系中所占的權(quán)重相對(duì)較大，對(duì)天然氣管道運(yùn)行安全產(chǎn)生的影響相對(duì)較大，因此，建議管道管理公司從這兩個(gè)角度入手，采取相關(guān)措施，對(duì)安全隱患進(jìn)行有效的控制，降低天然氣管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

4.3.2 SPA分析

通過(guò)對(duì)天然氣管道安全的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，并結(jié)合五元聯(lián)系數(shù)的同勢(shì)、均勢(shì)以及反勢(shì)劃分和排序情況，根據(jù)公式 （14）可以得到：a＞c，a＜b1，b1＞b2，b2＞b3，b3＞c。這種情況屬于同勢(shì)，證明天然氣管道正處于同勢(shì)狀態(tài)，天然氣管道的實(shí)際安全狀態(tài)和理想安全狀態(tài)相同，管道的理想安全狀態(tài)即為未來(lái)管道將會(huì)安全運(yùn)行。由于管道的實(shí)際安全狀態(tài)與理想安全狀態(tài)一致，所以實(shí)際運(yùn)行中管道也將朝著非常安全的方向發(fā)展，由此可見(jiàn)，該條天然氣管道的管理企業(yè)需要繼續(xù)保持高效的安全管理狀態(tài)。

4.4 對(duì)比分析

為了對(duì)EW-SPA模型的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，將該模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與其他模型的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（表4）可以發(fā)現(xiàn)，這幾種天然氣管道安全評(píng)價(jià)技術(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果相同。EW方法主要是通過(guò)信息熵的方式確定各種指標(biāo)的權(quán)重，該評(píng)價(jià)方法具有根強(qiáng)的客觀性；SPA方法在進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的過(guò)程中充分考慮了等級(jí)邊界的模糊性問(wèn)題，在進(jìn)行不確定性問(wèn)題分析時(shí)具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，五元聯(lián)系數(shù)的集對(duì)可以對(duì)天然氣管道未來(lái)的安全趨勢(shì)進(jìn)行分析，進(jìn)而為管道安全管理指明方向。綜合而言，基于EW-SPA 的天然氣管道安全評(píng)價(jià)模型十分合理可行。

表4 多種評(píng)價(jià)方法對(duì)比Tab.4 Comparison of various evaluation methods

5 結(jié)論

通過(guò)建立EW-SPA模型對(duì)天然氣管道安全評(píng)價(jià)問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，并對(duì)該模型評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性進(jìn)行了分析，通過(guò)本次研究可以得出以下結(jié)論：

（1）基于EW-SPA的天然氣管道安全評(píng)價(jià)技術(shù)可以很好地解決天然氣管道安全評(píng)價(jià)過(guò)程中的不確定性問(wèn)題，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)定性評(píng)價(jià)和定量數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到評(píng)價(jià)結(jié)果更加直觀的目的。

（2）通過(guò)使用五元聯(lián)系數(shù)集對(duì)分析的方式，在充分考慮天然氣管道運(yùn)行安全等級(jí)邊界的基礎(chǔ)上，對(duì)天然氣管道未來(lái)的安全發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以為天然氣管道的安全管理提供方向支持。

（3）通過(guò)使用EW-SPA模型對(duì)我國(guó)某條天然氣管道進(jìn)行評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)結(jié)果相對(duì)較為準(zhǔn)確，同時(shí)還預(yù)測(cè)出該條管道將朝著非常安全的方向發(fā)展，評(píng)價(jià)結(jié)果與其他評(píng)價(jià)模型一致。該模型評(píng)價(jià)方法還可以克服其他模型存在的諸多不足，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

（4）為了保障天然氣管道的運(yùn)行安全，仍然需要對(duì)天然氣管道安全評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，未來(lái)需要完善天然氣管道安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，以便開(kāi)展更加全面的安全評(píng)價(jià)工作。