基于EW-FAHP的山地管道安全評(píng)價(jià)方法研究

摘 "要""為了科學(xué)、合理的對(duì)山地管道進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，建立山地管道安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了一種基于EW-FAHP的山地管道安全評(píng)價(jià)模型。該模型是在傳統(tǒng)模糊層次分析法（FAHP）的基礎(chǔ)上加入了熵權(quán)法（EW）、博弈論對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。為驗(yàn)證基于EW-FAHP的山地管道安全評(píng)價(jià)模型的科學(xué)性、合理性，以某山地管道為例，采用基于EW-FAHP的山地管道安全評(píng)價(jià)方法開展了安全評(píng)價(jià)。將該評(píng)價(jià)結(jié)果與FAHP的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果表明：文中所建立的方法減少了評(píng)價(jià)中主觀因素造成的評(píng)價(jià)誤差，同時(shí)最大限度的保留數(shù)據(jù)信息，評(píng)價(jià)結(jié)果更符合該管道的實(shí)際情況。

關(guān)鍵詞""山地管道 "熵權(quán)法（EW） "模糊層次分析法（FAHP） "博弈論 "安全評(píng)價(jià)

DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406018

中圖分類號(hào)""TQ055.8+1"""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼 "A """"""""nbsp;""""""""文章編號(hào)""0254-6094（2024）06-0000-00

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，油氣管道數(shù)量也飛速增長，隨之而來的管道事故也在日益增多。由于山地管道位于山區(qū)，地形復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣，事故頻發(fā)。因此迫切需要針對(duì)山地管道開展安全評(píng)價(jià)。

安全評(píng)價(jià)是一個(gè)定性與定量分析結(jié)合的多目標(biāo)、多準(zhǔn)則的復(fù)雜問題。常用的評(píng)價(jià)方法有G1法、AHP、模糊綜合評(píng)價(jià)法（FCE）、肯特打分法、故障樹法、矩陣法及灰色綜合法等[1～5]。潘婧和蔣軍成在充分運(yùn)用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用EW與灰色關(guān)聯(lián)理論結(jié)合對(duì)主導(dǎo)長輸管道風(fēng)險(xiǎn)因素排序[6]。BA"Z等用改進(jìn)AHP和FCE結(jié)合構(gòu)建評(píng)價(jià)模型并成功用于管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，經(jīng)檢驗(yàn)，該模型與實(shí)際相符，提高了FCE的實(shí)用性[7]。楊永清等基于群決策的不確定性，將AHP與相對(duì)優(yōu)勢度分析法結(jié)合；并加入FCE，建立了基于不確定性AHP的FCE模型[8]。王敏等引入AHP確定制漿造紙指標(biāo)的權(quán)重，然后通過矩陣計(jì)算進(jìn)行模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)，最后計(jì)算出綜合得分綜合評(píng)價(jià)，為企業(yè)制定節(jié)能減排管理措施提供切實(shí)可行的理論依據(jù)[9]。徐強(qiáng)等運(yùn)用AHP和FCE確定不同層次指標(biāo)體系的權(quán)重，并在不同層次進(jìn)行多次模糊評(píng)價(jià)，得到最終的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，提供建設(shè)性的指導(dǎo)決策者建立和評(píng)價(jià)武器裝備試驗(yàn)指標(biāo)體系[10]。RADIVOJEVI? G和GAJOVI? V基于AHP和FAHP兩種供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為保險(xiǎn)公司從事專業(yè)相關(guān)專業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供切實(shí)可行的理論模型[11]。

上述研究用單一的主觀法或客觀法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重。單獨(dú)用主觀法確定權(quán)重時(shí)，由于人類對(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的主觀性、片面性，會(huì)造成權(quán)重丟失客觀性和原始數(shù)據(jù)信息丟失，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不合理且難以解釋?？陀^法雖然可以解決過多的信息丟失問題，充分保留數(shù)據(jù)信息，但是又過于強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)本身，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)性要求極高；并且指標(biāo)可能會(huì)在計(jì)算過程中被抵消，降低評(píng)價(jià)對(duì)象的整體危險(xiǎn)性，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不合理。針對(duì)上述問題，筆者擬在模糊層次分析法（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP）的基礎(chǔ)上加入客觀法確定客觀權(quán)重，將主-客觀結(jié)合確定綜合權(quán)重，即用EW確定客觀權(quán)重，用博弈論將主客觀權(quán)重結(jié)合確定綜合權(quán)重，進(jìn)而對(duì)山地管道進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，建立基于EW-FAHP的山地管道安全評(píng)價(jià)模型。

1 "安全分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

以RiskScore安全評(píng)價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)，經(jīng)過查閱文獻(xiàn)、咨詢專家，結(jié)合山地環(huán)境對(duì)管道的影響，建立安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

2 "基于EW-AHP確定綜合權(quán)重

2.1""基于EW確定客觀權(quán)重

EW是利用信息熵的質(zhì)量變化程度，計(jì)算并得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)間權(quán)重比的大小。假設(shè)有i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)和j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，可以構(gòu)成一個(gè)矩陣P：

式中""pij——第i個(gè)指標(biāo)下第j個(gè)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)值。

計(jì)算每個(gè)指標(biāo)熵權(quán)的步驟如下。

步驟一，計(jì)算第i個(gè)指標(biāo)第j個(gè)項(xiàng)目相對(duì)于樣本的權(quán)重qij：

步驟二，計(jì)算各指標(biāo)的熵值ej：

步驟三，歸一化各指標(biāo)的權(quán)重wj：

其中，gj=1-ej，j=1，2，3，…，n。

2.2""基于AHP方法確定主觀權(quán)重

2.2.1""構(gòu)建判斷矩陣

根據(jù)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建判斷矩陣，專家們對(duì)每個(gè)因子兩兩比較得出結(jié)果，并采用1～9的數(shù)值標(biāo)度來定義判斷矩陣[12]A：

其中各標(biāo)度的含義見表1。

2.2.2""一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)方法有算數(shù)平均法、幾何平均法及特征值法等。文中采用最常用的特征值法求判斷矩陣的特征值和特征向量，計(jì)算一致性指標(biāo)CI：

式中""n——判斷矩陣A的階；

λmax——最大特征值。

計(jì)算一致性比例CR計(jì)算式為：

一致性指標(biāo)RI取值見表2。

當(dāng)CR＜0.10時(shí)，判斷矩陣符合一致性檢驗(yàn)，否則不具滿意一致性，需對(duì)矩陣C進(jìn)行修正至CR＜0.10。

2.2.3 "特征向量求權(quán)重

將權(quán)重向量W右乘權(quán)重比矩陣A，如下：

其中，λmax存在且唯一。W的分量皆為正分量，將求得的權(quán)重向量作歸一化處理。

2.3""基于博弈論確定綜合權(quán)重

對(duì)于多指標(biāo)評(píng)價(jià)問題，為將主觀和客觀權(quán)重結(jié)合確定綜合權(quán)重，用博弈論將主-客觀權(quán)重結(jié)合。這種方法體現(xiàn)了主-客觀權(quán)重確定方法的相互競爭機(jī)制和協(xié)調(diào)一致的思想使綜合權(quán)重達(dá)到科學(xué)、合理的目的。具體步驟如下[13]。

步驟一，將s種不同方法得到的指標(biāo)權(quán)重構(gòu)成權(quán)重向量。wk=（wk1，wk2，…，wkn），k=1，2，…，s。對(duì)其進(jìn)行線性組合：

步驟二，通過對(duì)s個(gè)線性組合系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得w與各個(gè)wk的離差極化，然后得出一個(gè)最滿意的權(quán)重wk*。

將上述結(jié)果（a1，a2，…，aL）根據(jù)下式歸一化得綜合權(quán)重wk*：

3 "基于FCE確定安全評(píng)價(jià)等級(jí)

FCE可以較好地解決模糊因素和不確定因素的量化問題，在管道安全評(píng)價(jià)過程中存在諸多模糊因素和不確定因素，如失效原因、專家水平等。安全評(píng)價(jià)需要將其加以量化。因此選擇FCE對(duì)管道安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。該方法首先是確定指標(biāo)集、權(quán)重集和評(píng)論集，安全評(píng)價(jià)指標(biāo)集如圖1所示，權(quán)重集可通過上述方法確定各指標(biāo)綜合權(quán)重。評(píng)論集是對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)論集，用V表示，即V=（v1，v2，…，vm），筆者將山地管道安全評(píng)價(jià)集化為5個(gè)等級(jí)，分別是V=（較低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、較高危險(xiǎn)）。

步驟一。建立模糊風(fēng)險(xiǎn)矩陣，評(píng)價(jià)指標(biāo)集為Ai（i=1，2，…，n），評(píng)價(jià)集為vi（i=1，2，…，m），評(píng)價(jià)結(jié)果ri1=（ri1，ri2，…，rim）∈[0，1]m。對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，得到模糊矩陣R：

步驟二。進(jìn)行模糊運(yùn)算，用運(yùn)算子“*”用于模糊運(yùn)算改變?cè)u(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重集W和模糊評(píng)價(jià)矩陣R，從而得到評(píng)價(jià)結(jié)果B：

4 "基于EW-FAHP的山地管道安全評(píng)價(jià)模型應(yīng)用

4.1""EW確定客觀權(quán)重

根據(jù)某山地管道的實(shí)際數(shù)據(jù)，以里程樁為參考劃分某公司所轄管道，根據(jù)近些年各管段、各因素平均每年失效頻率值表（表3），運(yùn)用EW計(jì)算各指標(biāo)因素的權(quán)重。

根據(jù)EW的計(jì)算原理，代入式（2）～（4）求得準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重W1：

4.2""AHP確定主觀權(quán)重

根據(jù)表1獲得判斷矩陣CA：

根據(jù)式（7）、（8）計(jì)算出準(zhǔn)則層指標(biāo)的權(quán)重W2，且滿足一致性，得到結(jié)果如下：

4.3 "博弈論確定綜合權(quán)重

根據(jù)博弈論指標(biāo)綜合賦權(quán)的思想，根據(jù)式（9）～（12）構(gòu)造線性方程組（式（13）），將求得的w1、w2代入，根據(jù)式（16）求得綜合指標(biāo)權(quán)重W如下：

4.4 "CE確定安全評(píng)價(jià)等級(jí)

邀請(qǐng)從事管道的施工、使用、管理、維護(hù)的n位專家和m位一線工作者進(jìn)行問卷調(diào)查。得到隸屬度矩陣（表4）。根據(jù)前文介紹的FCE對(duì)該地區(qū)管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

根據(jù)問卷調(diào)查得到模糊評(píng)價(jià)矩陣為R：

根據(jù)式（14）、（15）可得EW-FAHP的評(píng)價(jià)集B，同理可得FAHP的評(píng)價(jià)集B′：

4.5""比較分析

4.5.1""權(quán)重比較分析

如圖2所示為該管道使用博弈論將EW和AHP結(jié)合確定的綜合權(quán)重與AHP確定主觀權(quán)重的對(duì)比圖，在案例中基于AHP確定權(quán)重時(shí)腐蝕權(quán)重最大為0.342"0，地質(zhì)災(zāi)害、第三方破壞的權(quán)重分別為0.305"8、0.171nbsp;0，腐蝕權(quán)重與地質(zhì)災(zāi)害和第三方破壞的權(quán)重相差分別是4%和17%；而使用弈論將EW和AHP結(jié)合確定的綜合權(quán)重時(shí)地質(zhì)災(zāi)害權(quán)重最大為0.398"7，腐蝕、第三方破壞0.251"8、0.171"0，地質(zhì)災(zāi)害與腐蝕和第三方破壞的權(quán)重相差分別為約14%和22%。根據(jù)實(shí)地調(diào)查走訪發(fā)現(xiàn)，該管道經(jīng)過多處溪流、山地，地勢落差大、地震頻發(fā)、管道工作環(huán)境復(fù)雜多樣，都是地質(zhì)災(zāi)害形成的誘發(fā)條件，特別是每年的6～8月份為強(qiáng)降雨時(shí)期，更是山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生的頻發(fā)期?；诓┺恼搶W和AHP結(jié)合確定綜合權(quán)重方法得出的結(jié)果為地質(zhì)災(zāi)害因素為最大權(quán)重，相比于用AHP確定指標(biāo)權(quán)重時(shí)的腐蝕因素為最大權(quán)重，更符合管道的實(shí)際情況。

4.5.2""評(píng)價(jià)結(jié)果比較分析

如圖3所示，使用EW-FAHP的評(píng)價(jià)結(jié)果為較低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度分別為0.170"9、0.430"9、0.299"1、0.068"5、0.030"6，傳統(tǒng)FAHP評(píng)價(jià)結(jié)果為較低風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度分別為0.172"2、0.416"2、0.306"9、0.071"2、0.033"5。根據(jù)最大隸屬度原則可知EW-FAHP與FAHP對(duì)該案例的評(píng)價(jià)結(jié)果雖然都是低風(fēng)險(xiǎn)，但FAHP評(píng)價(jià)結(jié)果為低風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度僅比中風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度高約11%，兩者之間差異性較小，區(qū)分度較低。EW-FAHP的評(píng)價(jià)結(jié)果為低風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度比中風(fēng)險(xiǎn)的隸屬度高約14%。與FAHP相比EW-FAHP的評(píng)價(jià)結(jié)果更加具有區(qū)分度，評(píng)價(jià)結(jié)果判定為低風(fēng)險(xiǎn)更加具有說服力。綜上，文中所提方法評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)、合理。

5 "結(jié)論

5.1 "分析了山地管道災(zāi)害的5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建了山地管道安全評(píng)價(jià)體系。提出了用博弈論將主-客觀權(quán)重結(jié)合的綜合權(quán)重確定方法，克服了單獨(dú)使用主觀法或者客觀法確定權(quán)重的主觀性和不合理性，建立了基于EW-FAHP的山地管道安全評(píng)價(jià)模型，

5.2 "為驗(yàn)證文中構(gòu)建安全評(píng)價(jià)模型的科學(xué)、合理性，將文中建立的EW-FAHP的安全評(píng)價(jià)模與FAHP的安全評(píng)價(jià)模型對(duì)該山地管道開展了安全評(píng)價(jià)，分別對(duì)比分析了指標(biāo)權(quán)重和評(píng)價(jià)結(jié)果，驗(yàn)證了所建立的安全評(píng)價(jià)模型的科學(xué)性、合理性、先進(jìn)性。為山地和其他類型管道的安全評(píng)價(jià)提供了一種新的思路。

參""考""文""獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-12-01，修回日期：2024-11-20）

作者簡介：趙俊茹（1979-），副教授，從事過程設(shè)備安全檢測與完整性評(píng)估方面的研究。

通訊作者：吳青（1992-），碩士研究生，從事山地管道安全評(píng)價(jià)方面研究，740410021@qq.com。

引用本文：趙俊茹，吳青，丁文婷.基于EW-FAHP的山地管道安全評(píng)價(jià)方法研究[J].化工機(jī)械，2024，51（6）：000-000.