基于后悔理論的西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評價研究

楊帆

西南油氣田分公司致密油氣勘探開發(fā)項目部

西南油氣田屬于我國重要的天然氣資源生產(chǎn)區(qū)域，該區(qū)域的天然氣資源具有高含硫的特點(diǎn)，高含硫天然氣在集輸作業(yè)過程中會使管道面臨嚴(yán)重的腐蝕問題。地形也是威脅管道輸送安全的重要因素，西南油氣田所處區(qū)域的地形復(fù)雜，包括高山、丘陵、盆地、峽谷等地貌。西南油氣田管道周圍的居民相對較多，由于居民對于管道安全相關(guān)知識掌握程度不足，在居民生活活動開展的過程中可能會出現(xiàn)威脅管道安全的行為[1]。綜合分析發(fā)現(xiàn)，西南油氣田含硫管道面臨的風(fēng)險要素較多，一旦出現(xiàn)風(fēng)險問題，所產(chǎn)生的后果遠(yuǎn)高于不含硫天然氣管道產(chǎn)生的后果[2-3]。開展西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評價可以了解管道面臨的風(fēng)險等級，以便采取合理的措施保障管道運(yùn)行的安全性，在保障人民群眾安全、管道設(shè)施安全、環(huán)境安全等方面均具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對天然氣管道運(yùn)行風(fēng)險評價進(jìn)行了廣泛研究，主要表現(xiàn)在兩個方面：風(fēng)險評價方法研究和評價指標(biāo)研究。在風(fēng)險評價方法方面，研究人員提出了事件樹法、失效模式與影響分析法、風(fēng)險矩陣法、蒙特卡洛模擬法等，這些方法基于不同的理論和假設(shè)，可用于對不同類型的天然氣管道進(jìn)行風(fēng)險評價[4-5]；在風(fēng)險評價指標(biāo)方面，研究人員針對天然氣管道運(yùn)行風(fēng)險特點(diǎn)，提出了一系列適用的風(fēng)險評價指標(biāo)，這些指標(biāo)能夠客觀反映天然氣管道運(yùn)行風(fēng)險的程度，有助于制定相應(yīng)的風(fēng)險控制策略[6]。通過對眾多的評價方法進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，這些方法在使用的過程中需要專家進(jìn)行打分，而專家在決策過程中可能會受到心理因素的影響，其決策結(jié)果具有很強(qiáng)的主觀性，導(dǎo)致最終的評價結(jié)果缺乏客觀性[7-8]。

本次研究提出了一種基于組合賦權(quán)和后悔理論的西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評價方法。該種方法在使用的過程中需要利用改進(jìn)層次分析法和熵權(quán)法確定評價指標(biāo)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，以此防止出現(xiàn)評價指標(biāo)權(quán)重確定主觀性較強(qiáng)的問題；引入后悔理論，對專家的評分結(jié)果進(jìn)行主客觀差異性分析，以此防止出現(xiàn)專家評分過程中客觀性不足的問題，全面提高了風(fēng)險評價結(jié)果的客觀性。以西南油氣田某含硫管道為例進(jìn)行實例應(yīng)用分析，證明該種方法的應(yīng)用可行性及先進(jìn)性。

1 后悔理論

后悔理論所采用的理論模型屬于感知效應(yīng)函數(shù)，在使用該理論的過程中，假設(shè)x、y為兩種類型的方案，f(x)、f(y)為兩種方案的效用值。此時可以將R()f(x)-f(y) 看做后悔-信息值，如果R ＞0，則表明決策者選擇y方案心理將會處于欣喜狀態(tài)；如果R ＜0，則表明決策者選擇y方案心理將會處于后悔狀態(tài)，該項數(shù)值可以看作為后悔程度[9]。在開展評價的過程中，如果在原來效用值的基礎(chǔ)上增加R值，則可以達(dá)到規(guī)避后悔心理的目標(biāo)，最終選擇的方案將會更加接近最佳方案，此種評價過程中可以使用感知效應(yīng)函數(shù)進(jìn)行表示[10]。如果將x看作為理想方案，但是決策者選擇的方案為y，此時的感知效應(yīng)函數(shù)G(y)為

假設(shè)存在P個方案xi(i=1，2，…，p)，理想方案為x*，評價過程中的感知效應(yīng)函數(shù)為

通過使用該種類型的方法，避免出現(xiàn)后悔心理，假設(shè)f(xi)=min{f(xi)}，此時R(f(x*)-f(xi))＜0，決策者的后悔心理將會處于最大值，在規(guī)避后悔心理以后，最終的決策結(jié)果將更加接近最佳方案。

2 含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評估模型

使用后悔理論對西南油氣田含硫管道進(jìn)行運(yùn)行風(fēng)險評價，需要根據(jù)相關(guān)理論以及管道的特性來確定風(fēng)險評價的指標(biāo)體系，分別使用改進(jìn)層次分析法和熵權(quán)法確定主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，通過建立后悔理論模型最終確定管道的風(fēng)險等級。此次研究的評價流程如圖1所示。

圖1 西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評價模型Fig.1 Operation risk assessment model of sulfur-containing pipeline in Southwest Oil and Gas Field

2.1 運(yùn)行風(fēng)險評估指標(biāo)體系

結(jié)合GB/T 13861—2022《生產(chǎn)過程危險和有害因素分類與代碼》及西南油氣田管理實際，將其安全威脅因素劃分為六個方面，六個方面的因素可以反映出管道的設(shè)計建設(shè)情況、運(yùn)行情況、人員情況以及管理情況等全面的信息，評價指標(biāo)體系具有科學(xué)性與實用性。西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評估指標(biāo)體系見表1。

表1 西南油氣田含硫管道風(fēng)險評價指標(biāo)體系Tab.1 Risk assessment index system for sulfur-containing pipeline in Southwest Oil and Gas Field

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

常見的指標(biāo)權(quán)重確定方法可以分為兩種類型：主觀方法和客觀方法。主觀方法在使用的過程中對于專家經(jīng)驗知識的依賴性相對較強(qiáng)，容易受到專家思想的影響；客觀方法在使用的過程中雖然具有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，但是容易忽視專家的主觀能動性。此次研究將兩種類型的方法相互結(jié)合，引入了組合賦權(quán)的方式，該種類型的方式可以充分利用專家的經(jīng)驗和知識，還可以融合客觀的理論信息。

2.2.1 改進(jìn)層次分析法確定指標(biāo)主觀權(quán)重

對于傳統(tǒng)的層次分析而言，其采用的方法可以分為三標(biāo)度法和九標(biāo)度法兩類，使用兩種類型的方法都可以建立判斷矩陣[11]，但這兩種方法在使用的過程中均存在一定的缺陷。為了克服缺陷，此次研究引入了五標(biāo)度法進(jìn)行判斷矩陣的構(gòu)建，為了保障判斷矩陣最優(yōu)和客觀性，在各個方案中選擇最大后悔值對應(yīng)的方案為決策依據(jù)，最大后悔值對應(yīng)的矩陣作為判斷矩陣。使用改進(jìn)層次分析法對主觀權(quán)重進(jìn)行確定的步驟為：

（1）引入五標(biāo)度法，建立此次評價的判斷矩陣An×n，其賦值表見表2。

表2 五標(biāo)度法賦值Tab.2 Assignment by the five scale method

（2）對評價過程中判斷矩陣的最大特征值λmax進(jìn)行求解，并確定其特征向量，對其進(jìn)行歸一化處理，最終得到各個指標(biāo)的主觀權(quán)重。

（3）為了保障判斷矩陣的合理性，對其進(jìn)行一致性檢驗。一致性檢驗的公式為

式中：CR為一致性檢驗的比率；CI為開展一致性檢驗的指標(biāo)；RI為開展檢驗的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其賦值表見表3。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)賦值Tab.3 Assignment of average random consistency index

如果CR ＜0.1，則說明判斷矩陣可以通過一致性檢驗。

2.2.2 熵權(quán)法確定指標(biāo)客觀權(quán)重

熵權(quán)法的使用步驟為：

構(gòu)建判斷矩陣An×n，并對其進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到矩陣Pn×n；對各項指標(biāo)的信息熵Ei進(jìn)行求解；最終確定各項指標(biāo)的權(quán)重。

2.2.3 確定指標(biāo)組合權(quán)重

假設(shè)評價指標(biāo)的主觀權(quán)重為ω1，評價指標(biāo)的客觀權(quán)重為ω2，θ1、θ2表示兩種權(quán)重的系數(shù)，θ*表示最優(yōu)組合權(quán)重的系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]可以對最佳權(quán)重進(jìn)行求解。

2.3 基于后悔理論的風(fēng)險評估模型建立

使用后悔模型開展西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評價的步驟為：

（1）建立評價矩陣Hn×k。由k位專家根據(jù)表4中的準(zhǔn)則對此次研究構(gòu)建的風(fēng)險評價體系中的n個指標(biāo)進(jìn)行打分，將各個專家的打分結(jié)果記為hij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，k)，通過專家的打分進(jìn)而確定原始評價矩陣Hn×k。

表4 風(fēng)險等級劃分Tab.4 Risk level classification

（2）根據(jù)原始評價矩陣Hn×k，建立理想方案I=[I1，I2，…，Ii，…，In]，根據(jù)f(x*)=min{f(xi)}，第i個指標(biāo)的理想數(shù)值Ii可以通過下式進(jìn)行計算：

（3）建立效用值矩陣Fn×k，效用函數(shù)有兩種表示形式，分別是冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)，此次研究使用冪函數(shù)構(gòu)建效用值函數(shù)F，其公式為

式中：0＜α ＜1，α值的確定參考文獻(xiàn)[13]，最終確定其取值為0.9。

（4）建立后悔-欣喜函數(shù)矩陣Rn×k，該種類型的函數(shù)為單調(diào)遞增函數(shù)，其公式為

式中：0＜β ＜1，β值的確定參考文獻(xiàn)[14]，最終確定其取值為0.013 3。

（5）建立原始評價結(jié)果的感知效用值矩陣Gn×k，gij表示該矩陣中的某一項元素，其公式為

（6）對評價結(jié)果進(jìn)行計算，對感知效用值和組合權(quán)重值進(jìn)行求和處理，進(jìn)而得到各項指標(biāo)的評價值，評價體系中第m個準(zhǔn)則層的評價值Sm為

式中：ωmi為評價體系中第m個準(zhǔn)則層中第i個指標(biāo)的權(quán)重。

通過對各項指標(biāo)的評價值進(jìn)行求和，可以得到西南油氣田含硫管道總風(fēng)險的評價值，其公式為

式中：ωm為評價體系中第m個準(zhǔn)則層的權(quán)重。

3 模型應(yīng)用與檢驗

西南油氣田某含硫天然氣管道運(yùn)行時間已達(dá)五年，邀請五位行業(yè)內(nèi)專業(yè)性較強(qiáng)、現(xiàn)場經(jīng)驗豐富、知識結(jié)構(gòu)全面的專家對影響該管道安全運(yùn)行的評價指標(biāo)進(jìn)行打分，并根據(jù)此次建立的后悔理論模型進(jìn)行風(fēng)險評價。

3.1 指標(biāo)權(quán)重的計算

3.1.1 指標(biāo)主觀權(quán)重的計算

使用改進(jìn)層次分析法確定該含硫管道運(yùn)行安全評價指標(biāo)的主觀權(quán)重，對于各項一級指標(biāo)而言，根據(jù)專家打分結(jié)果，建立初始判斷矩陣A。

利用Matlab軟件對該矩陣的最大特征值進(jìn)行求解，得到λmax=6.368 8，通過查閱表3，在n=6時，平均隨機(jī)一致性比率的數(shù)值為RI=1.24，根據(jù)公式（3）和公式（4），可以對一致性比率進(jìn)行計算，得到CR=0.059 48＜0.1，說明該矩陣具有很強(qiáng)的一致性。對矩陣對應(yīng)的特征向量進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到該含硫管道運(yùn)行安全一級評價指標(biāo)的主觀權(quán)重ω1=(0.17，0.37，0.24，0.06，0.11，0.05) 。按照同樣的步驟，可以確定該含硫管道運(yùn)行安全二級評價指標(biāo)的主觀權(quán)重，其數(shù)值為（0.17，0.54，0.28，0.11）、（0.08，0.26，0.04，0.11，0.14，0.12，0.29）、（0.16，0.31，0.37，0.08，0.07）、（0.26，0.38，0.05，0.05，0.05，0.16）、（0.08，0.12，0.37，0.34，0.12）、（0.08，0.24，0.62）。

3.1.2 指標(biāo)客觀權(quán)重的計算

使用改進(jìn)層次分析法確定該含硫管道運(yùn)行安全評價指標(biāo)的客觀權(quán)重，對于各項一級指標(biāo)而言，根據(jù)專家打分結(jié)果，建立初始判斷矩陣，并對其進(jìn)行歸一化處理，得到矩陣P。

通過該種矩陣可以得到信息熵為(0.799 25,0.900 69,0.752 24,0.870 36,0.922 94,0.925 96)，對該含硫管道運(yùn)行安全一級評價指標(biāo)的客觀權(quán)重進(jìn)行求解，得到ω2=(0.24,0.12,0.29,0.12,0.14,0.09) 。按照該步驟，可以確定該含硫管道運(yùn)行安全二級評價指標(biāo)的客觀權(quán)重，其數(shù)值為（0.09，0.24，0.47，0.23）、（0.08，0.27，0.08，0.16，0.23，0.12，0.11）、（0.34，0.14，0.21，0.10，0.18）、（0.23，0.380.08，0.08，0.08，0.14）、（0.07，0.21，0.28，0.32，0.13）、（0.12，0.34，0.59）。

3.1.3 指標(biāo)組合權(quán)重的計算

根據(jù)組合賦權(quán)法的應(yīng)用步驟，進(jìn)而確定該含硫管道運(yùn)行安全一級評價指標(biāo)的組合權(quán)重ω*=(0.19,0.30,0.25,0.08,0.12,0.06)，通過同樣步驟，可以確定該含硫管道運(yùn)行安全二級評價指標(biāo)的組合權(quán)重，其數(shù)值為（0.13，0.34，0.35，0.18）、（0.07，0.23，0.07，0.14，0.19，0.13，0.21）、（0.21，0.26，0.34，0.08，0.11）、（0.27，0.34，0.08，0.08，0.08，0.17）、（0.07，0.21，0.28，0.32，0.13）、（0.13，0.34，0.58）。

3.2 模型應(yīng)用

使用所建立的后悔理論模型對該含硫管道開展運(yùn)行風(fēng)險評價以確定最終的風(fēng)險等級。對于“設(shè)計施工風(fēng)險”準(zhǔn)則層而言，建立的原始評分矩陣HA為

利用公式（5）對“設(shè)計施工風(fēng)險”準(zhǔn)則層評分矩陣對應(yīng)的理想方案進(jìn)行計算，得到IA=[4,3,6,5 ]。利用公式（6）對“設(shè)計施工風(fēng)險”準(zhǔn)則層評分效用值矩陣進(jìn)行計算得到

利用公式（7）對“設(shè)計施工風(fēng)險”準(zhǔn)則層的后悔-欣喜矩陣進(jìn)行求解得到

利用公式（8）對“設(shè)計施工風(fēng)險”準(zhǔn)則層的感知效用值矩陣進(jìn)行求解得到

同理，可以對其他五個準(zhǔn)則層的感知效用值矩陣進(jìn)行求解。

利用公式（9）對“設(shè)計施工風(fēng)險”準(zhǔn)則層的屬性值進(jìn)行加權(quán)求和得到

同理，對其他五個準(zhǔn)則層的屬性值進(jìn)行加權(quán)求和，其數(shù)值分別為4.97、5.19、6.46、5.57、6.29。利用公式（10）對所有準(zhǔn)則層的屬性值進(jìn)行加權(quán)求和，進(jìn)而得到最終的風(fēng)險評價值為

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，在使用后悔理論開展風(fēng)險評價的過程中，不但可以得到最終的風(fēng)險評價結(jié)果，還可以了解不同類型因素的風(fēng)險情況，例如，根據(jù)六個準(zhǔn)則層的屬性值可以得到腐蝕風(fēng)險（屬性值最大）對于管道運(yùn)行安全的影響最大。因此，可以從減緩腐蝕的角度出發(fā)制定合理的風(fēng)險防范措施。

3.3 模型檢驗

為了對后悔理論的評價結(jié)果進(jìn)行驗證，根據(jù)同一風(fēng)險的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，引入模糊綜合評價模型、集對分析評價模型兩種評價方法對該管道開展同類型的風(fēng)險評估，并將三種方法的評價結(jié)果與基于風(fēng)險概率理論的定量風(fēng)險評價結(jié)果進(jìn)行對比。因為定量風(fēng)險評價模式的評價結(jié)果相對較為客觀，可以將該評價結(jié)果看作為該管道的實際風(fēng)險值。不同類型模型與實際風(fēng)險值之間的差異性見表5。

表5 不同方法評價結(jié)果對比Tab.5 Comparison of evaluation results by different methods

通過對表5進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，四種類型模型的評價結(jié)果風(fēng)險值分別為5.06、5.23、5.64、5.74，評價結(jié)果都表明該管道處于中級風(fēng)險狀態(tài)，評價結(jié)果一致，這說明使用后悔理論開展西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評價具有很強(qiáng)的可行性。同時，與模糊綜合評價模型和集對分析評價模型相比，后悔理論評價模型的評價結(jié)果與實際風(fēng)險值的差距相對較小，該種模型的評價結(jié)果更加接近實際的風(fēng)險值，證明使用后悔理論開展西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評價具有一定的先進(jìn)性。通過對定量風(fēng)險分析方法和基于后悔理論的分析方法進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，定量分析方法的應(yīng)用過程較為繁瑣，對于應(yīng)用人員的能力要求較高，而基于后悔理論的分析方法使用簡單，因此有必要采用基于后悔理論風(fēng)險評價方法。

4 結(jié)論

本次研究針對西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評價問題，引入了后悔理論，構(gòu)建組合賦權(quán)和后悔理論結(jié)合的風(fēng)險評價方法。通過此次研究主要可以得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)后悔理論建立西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評估模型，將該種模型的評價結(jié)果與模糊綜合評價模型、集對分析評價模型、定量風(fēng)險評價結(jié)果進(jìn)行對比，通過實例驗證分析發(fā)現(xiàn)，后悔理論評價方法的評價結(jié)果與其他常見方法的評價結(jié)果一致，證明使用后悔理論開展西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評價具有很強(qiáng)的可行性。

（2）使用后悔理論開展風(fēng)險評價可以防止出現(xiàn)專家判斷主觀性過強(qiáng)的問題，進(jìn)而可以解決由專家判斷主觀性問題引發(fā)的主、客觀差異，保障評價結(jié)果的客觀化，后悔理論評價模型的評價結(jié)果與實際風(fēng)險值的差距相對較小，證明使用后悔理論開展西南油氣田含硫管道運(yùn)行風(fēng)險評價具有一定的先進(jìn)性。

（3）在確定評價指標(biāo)權(quán)重的過程中，引入了改進(jìn)層次分析法和熵權(quán)法，使用兩種方法進(jìn)行組合賦權(quán)，可以對專家的主觀能動性進(jìn)行充分利用，還結(jié)合了客觀理論信息，可以充分反映各種評價指標(biāo)的客觀規(guī)律，彌補(bǔ)兩種方法存在的缺陷，最終確定的權(quán)重更加符合實際情況。