基于EW-SPA模型的天然氣管道安全評價技術(shù)研究*

中國石油管道局工程有限公司第四分公司

天然氣管道在運(yùn)行過程中，受到多種因素的影響，其安全性存在相對較大的隱患，但是天然氣又是我國發(fā)展的動力所在，也是推動社會發(fā)展和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵能源，由此可見，保障天然氣管道的運(yùn)行安全十分重要[1-2]。近年來，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)國家相比仍然存在較大的差距[3]。因此，對天然氣管道的運(yùn)行狀況進(jìn)行安全評價，對于降低管道運(yùn)行風(fēng)險具有重大意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于天然氣管道安全評價問題進(jìn)行了深入研究，應(yīng)用的方法有層次分析法、模糊評價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)動力法應(yīng)用到天然氣管道安全評價中，但是，上述方法都不能解決天然氣管道運(yùn)行過程中的不確定性問題[7-8]。由于熵權(quán)法（Entropy Weight，EW）可以很好地解決權(quán)重計算過程中的主觀性問題，同時，集對分析法（Set Pair Analysis，SPA）可以解決整個系統(tǒng)中的不確定性問題，因此，在本次研究中，通過建立EW-SPA模型，對天然氣管道安全評價問題進(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 評價指標(biāo)體系及評價標(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)，對管道運(yùn)行中存在的諸多風(fēng)險因素進(jìn)行識別，并結(jié)合4M1E基本原理，將天然氣管道運(yùn)行過程中的風(fēng)險因素分為5個一級指標(biāo)和25個二級指標(biāo)，進(jìn)而得到了天然氣管道安全評價指標(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)水平以及安全意識等都會對管道的安全產(chǎn)生重要的影響；其次，管道內(nèi)介質(zhì)所處的狀態(tài)以及對管道進(jìn)行的安全管理也會影響管道的運(yùn)行安全，如果可以提高管道的安全管理水平必然會提高管道所處的安全狀態(tài)；最后，管道設(shè)計的技術(shù)水平以及管道所處的環(huán)境會對管道的運(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下降。在本次研究中考慮的管道運(yùn)行安全因素相對較為全面，可以進(jìn)行下一步的研究。

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

各種評價指標(biāo)的重要程度主要是通過問卷調(diào)查的方式得出結(jié)果，然后對各種指標(biāo)的離散程度和重要程度進(jìn)行分析。問卷調(diào)查表中包含了本次研究所考慮的所有因素，以對管道運(yùn)行安全的影響進(jìn)行研究。在重要程度分析的過程中采用了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。此次的問卷調(diào)查共發(fā)放120 份，其中現(xiàn)場工作人員發(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，問卷調(diào)查收回有效問卷115份，有效回收率達(dá)到了95.8%。其中現(xiàn)場工作人員收回38份，管理人員收回39份，高效教師及專家收回38份。用SPSS軟件對回收調(diào)查問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行信度檢驗，通過對檢驗結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，一、二級指標(biāo)的重要程度均高于3，證明在天然氣管道安全評價中一、二級指標(biāo)都十分重要，這兩級指標(biāo)的Cronback Alpha 系數(shù)都高于0.7，證明回收調(diào)查問卷數(shù)據(jù)信度相對較高，指標(biāo)體系建立相對較為合理。

評價標(biāo)準(zhǔn)的確定也會對最終的評價結(jié)果產(chǎn)生重要影響，在上文分析的基礎(chǔ)上對安全評價標(biāo)準(zhǔn)劃分為5 個等級，分別是非常安全、安全、一般安全、危險以及非常危險，各個等級的取值范圍分別是[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

在對不確定性問題進(jìn)行分析的過程中，SPA方法十分常見，該種方法主要是將問題的所有影響因素整合為一個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部分，分別是同一和對立，在對不確定性進(jìn)行描述的過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，將兩個集合A和B構(gòu)成集對H(A，B)，然后對集對的特性進(jìn)行分析，假設(shè)集合A和B中一共存在K個元素，兩個集合中共有S個元素重合，P個元素處于對立的局面，則F(F=K-S-P)個元素就屬于既不重合也不對立的部分。因此，集對的聯(lián)系度計算可以用公式（1）表示，即

3 天然氣管道安全評價模型

在建立天然氣管道安全評價模型的過程中，首先使用EW方法對各項指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定，然后使用SPA方法對每個指標(biāo)的聯(lián)系度和綜合的聯(lián)系度進(jìn)行計算，最后得到天然氣管道的安全評價等級，這是基于EW-SPA天然氣管道安全評價模型的簡單步驟，在此基礎(chǔ)上，還需要使用由五元連讀數(shù)所組成的集對對天然氣管道未來的安全形勢進(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價模型。

3.1.1 確定指標(biāo)權(quán)重

EW 方法主要是通過用評價指標(biāo)所建立的矩陣對權(quán)重進(jìn)行計算，該種計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方法計算步驟如下：

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

（2）對判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到矩陣R，公式為

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

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

（3）對第β個評價指標(biāo)的熵值進(jìn)行計算，公式為

如果Fαβ=0，此時的lnFαβ將無意義，因此Fαβ的計算公式可以修改為

（4）對第β個評價指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計算，公式為

3.1.2 計算單指標(biāo)聯(lián)系度

在確定了各種評價指標(biāo)的權(quán)重后，可以將天然氣管道安全評價指標(biāo)的集合A和安全評價標(biāo)準(zhǔn)的集合B相結(jié)合，進(jìn)而得到集對H(A，B)，對集對H(A，B)的同一度、對立度以及差異度進(jìn)行計算[15-16]。由于天然氣管道安全評價過程中存在諸多的不確定性，但是多元聯(lián)系數(shù)在處理該過程時具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢，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

對于數(shù)值越大越占優(yōu)勢的指標(biāo)而言，根據(jù)公式（11）對單指標(biāo)聯(lián)系度進(jìn)行計算。

對于數(shù)值越小越占優(yōu)勢的指標(biāo)而言，根據(jù)公式（12）對單指標(biāo)聯(lián)系度進(jìn)行計算。

式中：xd為評價指標(biāo)d的實測值；s1～s5為評價指標(biāo)d的分級臨界值。

3.1.3 計算綜合聯(lián)系度

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

式中：μAB為綜合聯(lián)系度；W為每個指標(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、對立度以及差異度矩陣乘積。

3.2 集對勢分析

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

4 應(yīng)用實例

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

表1 各項評價指標(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)重計算

根據(jù)上文建立的評價指標(biāo)和收回的問卷調(diào)查結(jié)果，利用公式（1）～（7）對評價指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到歸一化處理后的矩陣，然后對指標(biāo)的熵值以及權(quán)重進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表1。

4.2 聯(lián)系度計算

4.2.1 單指標(biāo)聯(lián)系度

根據(jù)調(diào)查文件得到每個指標(biāo)的平均值作為該指標(biāo)的評判值，根據(jù)公式（10）～（11）對單指標(biāo)聯(lián)系度進(jìn)行計算，以人員因素C1為例，計算結(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），對綜合聯(lián)系度進(jìn)行計算，進(jìn)而得到：

在對i、j進(jìn)行取值的過程中，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)系度所對應(yīng)的天然氣管道安全評價等級區(qū)間進(jìn)行劃分，即將[-1，1]分為了五個等級（表3），由于目標(biāo)所對應(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 等級安全判斷區(qū)間Tab.3 Level safety judgment interval

4.3 計算結(jié)果分析

4.3.1 EW分析

通過對EW法計算結(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安全評價體系中所占的權(quán)重相對較大，對天然氣管道運(yùn)行安全產(chǎn)生的影響相對較大，因此，建議管道管理公司從這兩個角度入手，采取相關(guān)措施，對安全隱患進(jìn)行有效的控制，降低天然氣管道運(yùn)行風(fēng)險。

4.3.2 SPA分析

通過對天然氣管道安全的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，并結(jié)合五元聯(lián)系數(shù)的同勢、均勢以及反勢劃分和排序情況，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，證明天然氣管道正處于同勢狀態(tài)，天然氣管道的實際安全狀態(tài)和理想安全狀態(tài)相同，管道的理想安全狀態(tài)即為未來管道將會安全運(yùn)行。由于管道的實際安全狀態(tài)與理想安全狀態(tài)一致，所以實際運(yùn)行中管道也將朝著非常安全的方向發(fā)展，由此可見，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 對比分析

為了對EW-SPA模型的合理性進(jìn)行評價，將該模型的評價結(jié)果與其他模型的評價結(jié)果進(jìn)行對比（表4）可以發(fā)現(xiàn)，這幾種天然氣管道安全評價技術(shù)的評價結(jié)果相同。EW方法主要是通過信息熵的方式確定各種指標(biāo)的權(quán)重，該評價方法具有根強(qiáng)的客觀性；SPA方法在進(jìn)行安全評價的過程中充分考慮了等級邊界的模糊性問題，在進(jìn)行不確定性問題分析時具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢，同時，五元聯(lián)系數(shù)的集對可以對天然氣管道未來的安全趨勢進(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價模型十分合理可行。

表4 多種評價方法對比Tab.4 Comparison of various evaluation methods

5 結(jié)論

通過建立EW-SPA模型對天然氣管道安全評價問題進(jìn)行了深入研究，并對該模型評價結(jié)果的合理性進(jìn)行了分析，通過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價技術(shù)可以很好地解決天然氣管道安全評價過程中的不確定性問題，同時可以實現(xiàn)定性評價和定量數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而達(dá)到評價結(jié)果更加直觀的目的。

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

（3）通過使用EW-SPA模型對我國某條天然氣管道進(jìn)行評價發(fā)現(xiàn)，評價結(jié)果相對較為準(zhǔn)確，同時還預(yù)測出該條管道將朝著非常安全的方向發(fā)展，評價結(jié)果與其他評價模型一致。該模型評價方法還可以克服其他模型存在的諸多不足，應(yīng)用優(yōu)勢明顯。

（4）為了保障天然氣管道的運(yùn)行安全，仍然需要對天然氣管道安全評價方法進(jìn)行研究，未來需要完善天然氣管道安全評價指標(biāo)，以便開展更加全面的安全評價工作。