基于改進層次分析法的石油運輸安全風險評估研究

李 菁

(西安職業技術學院，陜西 西安 710077)

石油是一種重要的應用資源，其產出具有區域性特征，因此石油運輸對于保障石油供應、促進經濟發展具有重要意義[1-2]。石油運輸中存在大量風險因素，易導致危險產生，需研究一種有效的石油運輸安全風險評估方法[3]，以衡量石油運輸的安全性。

當前普遍使用的評估方法多以人工蜂群算法或風險評估集對模型為核心，評估結果普遍存在誤差[4-5]。主要是因為這種方法都沒有考慮石油運輸的多層次性，雖然層次分析法也是一種普遍使用的評估方法，在評估應用中具有突出優勢，但在實際事物分析過程中，層次分析法存在較為顯著的主觀性問題。本文利用熵權法對其進行改進，并將其應用于石油運輸安全風險評估中，降低權值計算的主觀性，提升評估結果客觀性。

1 改進的安全風險評估方法

1.1 層次分析法實現流程

以層次化形式呈現不同因素的層次分析法，通過逐一對比不同關聯因素為分析或預測事物未來趨勢提供依據，該方法具體實現流程如圖1所示。層次分析法分析影響事物的各個因素，依照一定邏輯劃分這些影響因素的組別，構建具有一定秩序性的層次結構，并在其中對比各層內不同影響因素的相對關鍵度，構建判斷矩陣。確定矩陣內特征上限值即其對應的特征向量，獲取一層內不同影響因素對上層內某影響因素的關鍵度次序[6]，由此獲取相應的權重向量。

圖1 層次分析法實現流程Fig.1 Implementation flow of AHP

1.2 構建層次化結構體系

造成石油運輸安全風險的因素較多，可分為運輸工具的安全性、運輸路線的安全性、運輸管理能力3個一級因素以及若干二級因素。石油運輸安全風險評估的詳細分層如圖2所示。

1.3 判斷矩陣構建

兩兩對比全部影響因素(即圖2內所示的各評估指標)，同時通過相對尺度對比法統一量化對比不同單位量綱等難以對比的因素，是層次分析法的核心。利用判斷矩陣能夠描述當前層內全部影響因素對上層內某影響因素相對關鍵度的對比情況[7]，對比結果可通過1～9標度法表示。

圖2 石油運輸安全風險評估指標層次結構Fig.2 Hierarchy structure of oil transportation safety risk assessment index

判斷矩陣內全部元素均需實施n(n-1)/2次對比(其中n為全部影響因素數量)，考慮矩陣絕對一致性較難實現，可在不完全一致條件下確定不同影響因素對上層某影響因素的權重。以一致性指數RCI為標準確定判斷矩陣一致性，其計算公式為：

(1)

式中，λmax為判斷矩陣特征上限值。

在RCI值為0的條件下即可定義矩陣具備完全一致性，由此在矩陣階數小于等于2的條件下，其具備完全一致性。矩陣階數大于2的條件下，可以隨機一致比RCR為標準，在RCR值小于0.1的條件下可定義判斷矩陣具有近似一致性；相反，需再次構建判斷矩陣，令其符合一致性標準。

1.4 權向量計算

影響因素的熵值與其變異水平之間呈反比例相關，同指標信息量與關鍵度之間呈反比例相關，也就是某一影響因素的熵值越大，其變異水平越小，包含的信息量與關鍵度就越低[10-13]。這也說明此影響因素的權重越小。實際評估過程中，依照不同影響因素的變異水平，通過熵確定不同影響因素的熵權，基于不同影響因素的熵權分析評估全部影響因素，提升最終評估結果的精度[14]。判斷矩陣構建與權向量計算的具體過程如下。

針對m個待評估石油運輸方法和n個評估指標，構建初始判斷矩陣R=(rij)：

(2)

式中，aij為第j個影響因素下第i個石油運輸方案的評估值。

(3)

利用式(4)確定第j個影響因素的熵值：

(4)

式中，k值為1/lnm。

利用式(5)確定第j個影響因素的熵權：

(5)

將上述所獲取的熵權同層次分析法所獲取的主觀權重相結合可獲取綜合權重。依照最小相對信息熵概念，利用式(6)確定綜合權重：

(6)

利用上述過程即可獲取石油運輸安全風險評估體系內不同影響因素的權重。

1.5 風險綜合計算模型

根據綜合權重wi同圖2內各影響因素無量綱化處理后的值yi實施計算，獲取石油運輸安全風險評估值：

(7)

為分析石油運輸的實際安全情況，劃分風險評估值等級[15]，相應量化值采取10分制，風險等級劃分情況見表1。在風險等級為A級和B級時，說明石油運輸方案安全風險極高，需即時實施風險規避；在風險等級為C級時，說明石油運輸方案安全風險較高，需制定針對性風險管控措施；在風險等級為D級時，說明石油運輸方案安全風險等級中等，需制定相應風險管控措施；在風險等級為E級時，說明石油運輸方案安全風險等級較低，可定期通過相應措施進行風險管控；在風險等級為F級和G級時，說明石油運輸方案安全風險極低，無需進行風險管理。

表1 風險等級劃分Tab.1 Risk grade classification

2 應用實例

為測試基于改進層次分析法的石油運輸安全風險評估評估效果，以某省石化公司為研究對象，在當前所使用的汽車陸運、地下管道運輸以及海上郵輪運輸3類不同石油運輸方案中分別選取對應的石油運輸方案，分別命名為汽1、汽2、地1、地2、海1、海2，采用本文方法評估不同石油運輸方案。

2.1 評估結果與分析

以汽車陸運石油運輸方案為例，采用本文方法評估其安全風險，針對圖2內所示的石油運輸安全風險評估指標層次結構內各評估指標，計算其綜合權重值，結果如圖3所示。

基于圖3所示的各指標權重，計算研究對象汽車陸運石油運輸方案安全風險評估值為5.34分，安全風險等級為D級。采用相同過程獲取地下管道運輸以及海上郵輪運輸方案安全風險評估值與安全風險等級，結果如圖4所示。

圖3 指標權重Fig.3 Index weights

分析圖4得到，采用本文方法評估研究對象汽車陸運、地下管道運輸以及海上郵輪運輸方案安全風險等級分別為D級、E級和D級。同時由于本文方法中采用2種不同權值計算方法獲取的綜合權值，提升不同影響因素權值計算的精度。因此，本文方法評估結果與所選方案實際風險情況基本一致，由此驗證了本文方法的可用性。

圖4 不同石油運輸方案安全風險評估結果Fig.4 Safety risk assessment results of different oil transportation schemes

2.2 應用性分析

應用性分析可從2方面進行，分別是評估結果的波動性和最優運輸通道選取。

2.2.1 評估結果波動性

針對圖4內本文方法對3種石油運輸方案安全風險評估結果，對3種石油運輸方案進行風險管控與方案優化。在此基礎上，采用本文方法進行二次評估，對比前后2次評估結果(圖5)，確定本文方法的應用效果。分析圖5得到，二次評估后，汽車陸運方案的安全風險等級降低2級，地下管道運輸方案安全風險等級不變，但風險值下降，海上郵輪運輸方案的安全風險等級降低1級。由此說明，采用本文方法能夠顯著抑制石油運輸風險，提升石油運輸安全性與經濟性。

圖5 評估結果波動情況Fig.5 Fluctuation of evaluation results

2.2.2 最優運輸通道選取

基于本文方法風險評估結果選取最優安全運輸路線同樣是本文方法應用目標之一。選取一個項目，對該目標待選的6個運輸方案進行風險評估(表2)。

表2 待評估方案規劃Tab.2 Scheme planning to be evaluated

以表2的待評估方案規劃為基礎，根據綜合權重wi同圖2內各影響因素無量綱化處理后的值yi獲取石油運輸安全風險評估值，所得結果如圖6所示。分析圖6得到，采用本文方法評估6個不同運輸方案的風險值，汽2方案和海1方案風險評估值與其他4個運輸方案相比較低。由于該石油運輸項目中運輸距離較遠，因此地下管道運輸方案并不適用；考慮石油運輸的出發地與目的地所在區域，選擇汽1方案時，雖考慮了輸運工具的安全性，但運輸路線的安全性和運輸管理能力的風險顯著提升，因此汽1方案風險高于汽2方案；海上運輸方案中，海1著重考慮基礎建設投入度與運輸路線，卻忽略了區域地形特點影響與途經區域的政治穩定性，因此其風險高于海2。汽2和海1相比，在運輸工具安全性以及通道容量上具有一定差異性。通過以上分析得到，海1方案風險值最低，是待評估的6個運輸方案中的最優運輸方案。

圖6 不同運輸方案Fig.6 Different transport schemes

3 結語

為了得到更優的石油運輸安全風險評估結果，提出了基于改進層次分析法的石油運輸安全風險評估方法，結合熵權法改進層次分析法中權值計算的主觀性問題，通過綜合權重計算提升評估結果精度。實驗結果顯示，本文方法的應用效果較好，可在一定程度上提升石油運輸的經濟效益與安全性。