基于FAHP-FCE的天然气管网风险评价方法

徐 媛 鱼永强 高岗岗 王庆辉

(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司；2.中国石油庆阳石化公司)

0 引 言

因天然气具有热值高、安全环保等优点，目前已经在国内各城市居民生活中得到广泛使用。但伴随着天然气管道建设的增多，若不重视安全防控，有发生着火爆炸、中毒等事故的风险，并有可能造成灾难性的后果，如2017年“7·4”天然气管道泄漏爆炸事故造成7人死亡(当场死亡5人，住院医治无效死亡2人)，85人受伤(重伤13人，轻伤72人)，事故造成直接经济损失4 419万元[1]。台湾的“8·1”高雄市天然气泄漏爆炸事故[2]等，均造成灾难性的后果。因此，对天然气管网进行风险评价并找出可能事故原因对保障管网安全平稳运行具有重要意义。

目前，常用的风险分析方法有事故树(Fault Tree，FT)分析、事件树分析及层次分析法等[3]。其中因事故树分析过程思路清晰、表现形式直观、结果合理可靠，而得到广泛应用[4-5]。但该方法更适用于具体事故的分析，难以应用于系统的风险评价。事件树分析法主要是用于具体事故后果演化推理分析，同样不适用于系统的风险分析和评价。而层次分析法是一种通过构建指标体系从而实现对整个系统进行风险分析的方法，该方法原理简单，又能克服传统方法中评价人员主观性影响分析结果的不足[6]。但该方法主要用于识别系统中主要风险影响因素，不能进行风险量化，且存在评价矩阵一致性差的问题。本文针对目前存在的问题提出了基于FAHP-FCE的天然气管网风险评价方法。通过构建天然气管网风险评价体系，识别系统各风险因素的重要程度，并量化系统的风险水平，以期能够为天然气管网风险管控、事故预防等提供参考依据。

1 FAHP-FCE评价模型

1.1 模糊层次分析法

模糊层次分析方法主要用于复杂系统的量化分析，根据分析对象的特点将分析目标整理成若干条关键要素，再将这些要素进行逐层分析，形成一个多层分析模型，利用因素间的逻辑关系得到各因素重要度的过程[7-9]。传统的层次分析法在求解过程中会存在难以满足一致性的问题，因此本文对该方法进行了改进，利用模糊数学来规范判断矩阵的构造，以保证求解结果的可靠性，该方法的主要流程如下。

1.1.1 建立指标体系

指标体系构建是将所分析的问题进行整理，明确分析的总目标，并归纳与总目标相关的独立子因素，再进行逐层分析，最终形成一个多层次的结构模型，并将该层次结构按照逻辑关系分为目标层、准则层和指标层。

1.1.2 构建模糊判断矩阵

将指标体系中目标层下的准则层、准则层各因素下对应的指标层因素分别进行两两对比，形成的对比矩阵称为判断矩阵，如某因素C的子因素集包括(a1，a2，…，an)，则C-a的判断矩阵可表示为：

Ca1a2…ana1r11r12…r1na2r21r22…r2n……………anrn1rn2…rnn

其中因素rij表示的是一种相对重要度的比较关系，即表示两个子因素ai和aj相对于其上层指标C进行比较时这两个因素的相对重要度。为了使比较结果能够进行定量描述和计算，在实际应用中将相互间的重要度按照表1所示的0.1～0.9标度给予数量标度。

表1 0.1～0.9标度及含义

为了保证所构建的判断矩阵求解结果满足一致性的要求(本质是人员对事物认知的一致性)，需要保证矩阵中任意行间对应因素的绝对差值为常数，当为非常数时按照少数服从多数的原则进行调整。

1.1.3 计算各因素相对权重

通过对所构建的模糊判断矩阵进行求解得到各因素对应的权重值，即因素集{a1，a2，…，an}所对应的权重值集{W1，W2，…，Wn}，为了保证各子因素集在同一尺度下比较，需要进行归一化处理，即可求得评价因素权重向量。

1.1.4 风险因素层次总排序

为了判断指标层因素相对于目标层因素的相对重要度，还需要进行风险因素的总排序。这一求解过程是由指标层相对于准则层权重和准则层相对于目标层权重组合计算得到，计算过程如公式(1)所示。

W=W0·L0

(1)

式中：W0为准则层因素对于目标层的权重向量，L0为各指标层因素相对于上一层准则层的权重组合。

1.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法[10-11]是一种基于模糊数学进行系统总体状态评价的分析方法，通过行业专家对分析系统所建立指标体系的底层因素进行状态判定，再结合这些因素的权重值得到系统的总体状态得分，从而判断系统的当前状态。该方法的模型见公式(2)。

F=C·ST

(2)

式中：F为系统总得分；C为系统的判断矩阵；S为各因素安全等级加权值。

C=A·B

(3)

式中：A为各因素权重分配集，由各因素影响决定；B为总评价矩阵。

Bi=Ai·Ri

(4)

式中：Ri为各因素的评价矩阵，通常由若干专家进行打分得到。另外，根据相关文献[12-13]制定了相应的安全等级加权值和安全等级判断标准，分别见表2和表3。

表2 安全等级加权值S

表3 安全等级判断

1.3 评价分析

首先根据计算结果确定所分析天然气管网系统的安全等级。其次，按照风险因素权重大小进行总排序，找出对系统安全性影响较大的因素集(权重越大，影响越大)。最后再根据评价结果对系统的安全状况作出客观综合评价，并依此为安全管理的依据，可以针对性地提出风险管控措施。

2 实例分析

以某市天然气管网系统为例，对所提出的方法进行实例验证。将该市天然气管网系统中涉及安全的因素从人、机、环、管4个方面进行全方位的分析，确定该市天然气管网系统的安全等级，并找出主要影响因素，进行针对性地处理。

2.1 指标体系建立

通过对天然气管网系统中人、机、环、管4个方面的细化分析，以天然气管网风险系统为目标层构建了风险评价指标体系，体系中共包括25个指标层因素，见图1。

图1 天然气管网风险评价指标体系

2.2 指标权重计算

通过行业从业人员或领域内专家对各指标因素间的相对重要度进行两两对比，得到各层次间的判断矩阵，其中准则层相对于目标层的T-D判断矩阵如下所示：

TD1D2D3D4D10.50.40.60.5D20.60.50.70.6D30.40.30.50.4D40.50.40.60.5

由上述判断矩阵可求得向量W0，归一化处理后为：W0=(0.250，0.301，0.199，0.250)。

同理，分别求得指标层相对准则层归一化的权重向量W1、W2、W3、W4。最终得到指标层因素相对与目标层的权重：

W=(0.067 7，0.033 4，0.056 3，0.067 7，0.044 8，0.052 6，0.026 0，0.052 6，0.038 9，0.030 6，0.019 9，0.018 6，0.019 9，0.041 9，0.038 0，0.037 3，0.026 3，0.029 9，0.045 8，0.021 7，0.046 0，0.063 5，0.054 7，0.054 7，0.031 1)。

从计算结果可以得出，各因素对天然气管网安全性影响的重要度如下所示：

I1>I4>I22>I3>I23>I24>I6>I8>I21>I19>I5>I14>I9>I15>I16>I2>I25>I10>I18>I17>I7>I20>I11>I13>I12。

2.3 系统安全等级确定

首先对专家打分结果进行统计，得到各因素的评价矩阵(共邀请了10位专家进行打分，打分结果按照比例关系进行归一化处理)，再依据公式(4)和表3求得各因素综合评判向量Bi，将Bi进行组合得到系统的总评价矩阵B，B=(B1，B2，B3，B4，B5)T。某市天然气管网安全性综合评价结果见表4。

利用公式(3)求得系统的安全评价矩阵C=(0.219 1，0.346 2，0.254 7，0.149 9，0.030 1)，计算可得该市天然气管网系统安全总得分为81.31。依据评价标准，该市的天然气管网系统的当前安全等级为“较好”。

经验证，基于本文所提出的FAHP-FCE模型进行的天然气管网风险评价结果与该市天然气管网当前状态一致，同时可以得到目前对该市天然气管网系统风险影响较大的因素有“领导安全意识”“安全规章制度”“安全教育和培训”“管网设计”和“管道完整性”。表明了这几个方面是影响该市天然气管网系统安全水平的主要因素，需要重点关注。

分析发现影响天然气管网安全的关键因素主要集中在人员因素和管理因素上，说明在当前阶段，加强人员安全意识培养和提高管理水平更能降低天然气管网的风险水平。

表4 某市天然气管网安全性综合评价

3 结 论

本文主要针对天然气管网安全系统具有多层次、多因素、复杂性的特点，提出基于FAHP-FCE模型的风险综合评价模型。基于该模型既能定量评价系统的总体安全状态，同时又能找出影响系统安全的主要因素，为天然气管网安全管理人员提供科学指导。最后论文以某市天然气管网为例，从人、机、环、管4个方面多方位进行了综合分析，分析结果与实际状态一致，验证了模型的实用性。