基于AHP-熵權(quán)法的城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價*

曾小康，馮 陽，賴文慶，湯彬坤，吳 濤，伏喜斌，黃學(xué)斌，鐘舜聰，鐘劍鋒

(1.福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350108；2.廈門華潤燃?xì)庥邢薰荆＝?廈門 361000；3.廈門市特種設(shè)備檢測院，福建 廈門 361000)

0 引言

近年來，隨著城市的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國的城市燃?xì)夤艿姥该桶l(fā)展，燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的安全問題愈來愈受到人們的關(guān)注。城市燃?xì)夤艿老到y(tǒng)十分復(fù)雜，其輸送的物質(zhì)具有易燃、易爆、易泄漏的特點，對城市安全和人民生命財產(chǎn)造成的影響不容小覷[1]。因此，開展城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價研究非常必要。

在城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價過程中，包含因素眾多，且這些因素的復(fù)雜性和模糊性是客觀存在的，使各類風(fēng)險因素不能被精確地數(shù)量化[2]。因此，引入模糊數(shù)學(xué)的思想和方法，將使風(fēng)險評價結(jié)果更能真實反映管道現(xiàn)場狀況，這樣的評價結(jié)果更具科學(xué)性。國內(nèi)外學(xué)者對燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價進行深入研究。巴振寧等[3]在城市燃?xì)夤艿栏g風(fēng)險評價中引入改進AHP和模糊綜合分析法，建立腐蝕風(fēng)險評價模型。Medeiros等[4]構(gòu)建1種對燃?xì)夤艿肋M行多維度風(fēng)險評價的多準(zhǔn)則決策模型。Badida等[5]運用模糊故障樹分析法分析管道失效概率，研究結(jié)果有助于管道維護人員進行風(fēng)險管理與決策。

本文引入模糊數(shù)學(xué)思想和方法，采用AHP-熵權(quán)法的組合權(quán)重法確定綜合權(quán)重，再結(jié)合模糊綜合評價法，建立城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價模型，并以廈門市燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價為研究對象。

1 評價體系的建立

城市燃?xì)夤艿肋M行風(fēng)險評價之前，需完整識別、歸納管道事故的各風(fēng)險因素，并建立科學(xué)的城市燃?xì)夤艿涝u價體系。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[6-7]，并結(jié)合管道檢驗專家的經(jīng)驗，建立的燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價失效可能性評價指標(biāo)體系如圖1所示。建立的燃?xì)夤艿朗Ш蠊u價指標(biāo)體系如圖2所示。本文共確定了105個評價底層子因素。

圖1 管道失效可能性評價指標(biāo)體系

圖2 管道失效后果評價指標(biāo)體系

2 評價模型的建立

2.1 建立因素集

風(fēng)險評價因素集可表示為U=(U1,U2,…,Ui)，i=(1,2,…,m)，其中，Ui為評價因素，i為同一層次上含有因素的個數(shù)。本文確定了105個評價底因素。

2.2 建立評價集

評價集是對因素做出可能的評價等級所組成的集合，評價集可表示為V=(V1,V2,…,Vj)，j=(1,2,…,n)，Vj為評價結(jié)果，n為評價等級數(shù)。

2.3 建立權(quán)重集

根據(jù)因素集U中各因素的重要程度不同，對每個評價因素賦予相應(yīng)的權(quán)重值Wi，采用AHP-熵權(quán)法的組合權(quán)重法確定因素集中各評價因素的綜合權(quán)重值。

2.3.1 AHP

運用AHP[8]確定風(fēng)險因素的主觀權(quán)重。

1)構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣表示針對某一準(zhǔn)則，對其下的所有因素進行兩兩相互比較。本文采用九標(biāo)度法[9]構(gòu)造判斷矩陣。先求出該矩陣最大特征值λmax對應(yīng)特征向量Wi，再歸一化處理得到風(fēng)險因素的權(quán)重向量。

2)一致性檢驗。對構(gòu)造出的判斷矩陣作一致性檢驗，如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：CI為一致性指標(biāo)；λmax為矩陣最大特征值；n為矩陣的階數(shù)；CR為一致性比例；RI為平均隨機一致性指標(biāo)。

若CR<0.10時，則判斷矩陣通過一致性檢驗，否則需要重新調(diào)整矩陣。

3)聘請n位專家對管道的風(fēng)險因素按重要程度進行排序，并運用AHP計算第j位專家對m個風(fēng)險因素的權(quán)重值為(Wj1,Wj2,…,Wjm)。

4)評價的每位專家都有其自身權(quán)重，根據(jù)其經(jīng)驗程度進行分級：豐富、較豐富、中等、一般，分別給其賦值1，0.8，0.5，0.2。

5)綜合所有專家的自身權(quán)重，計算風(fēng)險因素的綜合權(quán)重值，如式(3)所示：

(3)

式中：Wi(i=1,2,…,m)為考慮所有專家自身權(quán)重的綜合權(quán)重值；αj(j=1,2,…,n)為專家的自身權(quán)重；Wji(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為單個專家對因素評價的權(quán)重值；m為因素個數(shù)；n為專家個數(shù)。

2.3.2 熵權(quán)法

運用熵權(quán)法[10]確定風(fēng)險因素的客觀權(quán)重。

1)建立n個樣本、m個評價因素的判斷矩陣R=(xij)nm(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

2)將判斷矩陣歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣Y=(yij)nm，如式(4)所示：

(4)

式中：yij為矩陣Y第i行第j列的元素；xij為第i個樣本第j個評估指標(biāo)測度值；xmin為同一指標(biāo)下不同樣本中的最小值；xmax為同一指標(biāo)下不同樣本中的最大值。

3)計算第j個指標(biāo)的熵和熵權(quán)，如式(5)～(7)所示：

(5)

(6)

(7)

式中：Hj為指標(biāo)的熵；fij為矩陣的第i行第j列元素；wj為指標(biāo)的熵權(quán)。

2.3.3 組合權(quán)重法

運用AHP和熵權(quán)法分別計算每一準(zhǔn)則下各風(fēng)險因素權(quán)重大小，再運用組合權(quán)重法[11-12]計算綜合權(quán)重，如式(8)所示：

W=αWAHP+(1-α)W熵權(quán)法

(8)

式中：W為因素的綜合權(quán)重；WAHP為因素的主觀權(quán)重；W熵權(quán)法為因素的客觀權(quán)重；α為權(quán)重折衷系數(shù)，取α=0.6[13]。

2.4 單因素模糊評價

單因素模糊評價是確定風(fēng)險因素對評價集元素的隸屬程度[14]。設(shè)對因素集中Ui進行評價，評價集中Vj的隸屬度為rij。則每個Ui都有1個模糊評價Ri=(ri1,ri2,…,rin)。于是，m個因素有m個模糊評價R1,R2,…,Rm，用單因素評價矩陣R表示，如式(9)所示：

(9)

式中：R為單因素評價矩陣；Ri(i=1,2,…,m)為第i個評價因素的模糊評價；rij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)為因素集中Ui進行評價，評價集中Vj的隸屬度。

2.5 模糊綜合評價

模糊綜合評價是綜合考慮所有風(fēng)險因素對評價對象的影響程度。為充分考慮各個評價因素權(quán)重，本文選擇加權(quán)平均模型M(·,+)進行模糊運算[15]求出模糊綜合評價B，如式(10)所示：

B=WR=(b1,b2,…,bi)

(10)

式中：B為模糊綜合評價；bi為第i個因素的模糊評價。

2.6 管道風(fēng)險值確定

城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險等級的評判由失效可能性與后果嚴(yán)重性組成。在此，對管道風(fēng)險評定給定加權(quán)集Q=(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7)T=(1,0.8,0.6,0.5,0.4,0.2,0.1)T,則求出的管道失效可能性計算值P和失效后果計算值C，如式(11)～(12)所示：

(11)

(12)

進一步可得到管道風(fēng)險值R，如式(13)所示：

R=PC

(13)

式中：R為管道風(fēng)險值。

2.7 管道風(fēng)險矩陣確定

為將評價管道的風(fēng)險評價等級直觀顯示出來，運用美國石油協(xié)會(American Petroleum Institute，簡寫為API)的API581標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險矩陣表示評定結(jié)果，如圖3所示。風(fēng)險矩陣圖劃分的失效可能性等級如表1所示。風(fēng)險矩陣圖劃分的失效后果等級如表2所示。

圖3 風(fēng)險矩陣

表1 失效可能性等級

表2 失效后果等級

3 應(yīng)用實例

對廈門華潤燃?xì)庥邢薰灸车厝細(xì)夤艿赖馁Y料調(diào)研與分析，聘請7位專家進行風(fēng)險評價，并運用本文構(gòu)建的風(fēng)險評價模型對其進行風(fēng)險等級確定。

3.1 各級因素模糊評價

以4級因素中地面活動頻繁程度U112的模糊評價為例，U112可分為建設(shè)活動頻繁程度U1121，交通繁忙程度U1122，地質(zhì)勘探活動U1123等3個評價子因素，同時這3個因素亦是最底層評價因素。每位專家根據(jù)經(jīng)驗程度均有其自身權(quán)重，如表3所示。

表3 專家自身權(quán)重

1)AHP計算主觀權(quán)重

結(jié)合評價專家自身經(jīng)驗采用九標(biāo)度法構(gòu)造兩兩因素判斷矩陣，且判斷矩陣通過一致性檢驗，以評價專家1構(gòu)造的判斷矩陣為例，地面活動頻繁程度U112的判斷矩陣及權(quán)重如表4所示。

表4 專家1構(gòu)造的地面活動頻繁程度的判斷矩陣及權(quán)重

同理，可得出其余6位評價專家計算的權(quán)重，再由式(3)綜合所有專家權(quán)重值得：

WAHP=(0.374 0,0.134 1,0.491 9)

2) 熵權(quán)法計算客觀權(quán)重

根據(jù)管道實際運行工況與統(tǒng)計的管道事故數(shù)據(jù)采用百分制形式對地面活動頻繁程度U112所包含的3個子因素進行評分，分值越高說明該評價因素越有利于降低管道的事故概率。7位專家對地面活動頻繁程度各子因素的評分如表5所示。

表5 7位專家對地面活動頻繁程度各子因素的評分

根據(jù)表5中專家評分情況，運用熵權(quán)法計算地面活動頻繁程度各子因素的熵權(quán)得：

W熵權(quán)法=(0.301 1,0.692 2,0.006 7)

3)組合權(quán)重法計算綜合權(quán)重

根據(jù)式(8)計算地面活動頻繁程度U112所屬3個子因素的綜合權(quán)重,取α=0.6。

WU112=0.6WAHP+0.4W熵權(quán)法=(0.344 84,0.357 34,0.297 82)

4)模糊綜合評價

根據(jù)評價管道的實際運行工況，對管道失效可能性和后果嚴(yán)重性分別按照失效可能性評價集和后果嚴(yán)重性評價集進行等級評定，并將各專家評價結(jié)果進行加權(quán)運算，采用式(10)模型進行模糊運算。

BU112=(0,0.048 4,0.094 2,0.144 0,0.198 7,0.257 3,0.257 3)

同理，可得管道失效可能性因素模糊評價向量B及管道失效后果因素模糊評價向量B′。

B=(0.004 3,0.074 2,0.094 7,0.146 0,0.187 9,0.260 5,0.232 3)

B′=(0.024 9,0.213 0,0.102 4,0.158 4,0.131 5,0.271 0,0.098 8)

3.2 評價結(jié)果的處理

運用式(11)和式(12)處理，得失效可能性P和失效后果C，P=BQ=0.344 0；C=B′Q=0.452 6；再根據(jù)式(13)計算相對風(fēng)險值R=PC=0.155 7。將評價結(jié)果與風(fēng)險矩陣相對照可知：該評價管道屬于中等風(fēng)險，即發(fā)生管道失效的可能性較大。因此，需加強對該管道的管理和維護，以降低風(fēng)險等級。

4 結(jié)論

1)構(gòu)建城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價體系，包括第三方破壞因素、腐蝕因素、設(shè)備及操作因素、管道本質(zhì)安全質(zhì)量因素、失效后果因素在內(nèi)105個評價指標(biāo)，反映當(dāng)前城市燃?xì)夤艿浪媾R的風(fēng)險現(xiàn)狀。

2)建立城市燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險評價模型，運用AHP-熵權(quán)法與模糊綜合評價法進行風(fēng)險評價，并以廈門市某地燃?xì)夤艿罏檠芯繉ο螅炞C該模型及方法的科學(xué)性、可靠性。

3)分析廈門市某段燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險現(xiàn)狀，與風(fēng)險分析矩陣對照，計算風(fēng)險等級為中等風(fēng)險。因此，管道管理者需要高度重視，加強對當(dāng)前管道的管理和維護，保證管道安全、高效運行。