基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价*

曾小康，冯 阳，赖文庆，汤彬坤，吴 涛，伏喜斌，黄学斌，钟舜聪，钟剑锋

(1.福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350108；2.厦门华润燃气有限公司，福建 厦门 361000；3.厦门市特种设备检测院，福建 厦门 361000)

0 引言

近年来，随着城市的发展和人民生活水平的提高，我国的城市燃气管道迅猛发展，燃气管道系统的安全问题愈来愈受到人们的关注。城市燃气管道系统十分复杂，其输送的物质具有易燃、易爆、易泄漏的特点，对城市安全和人民生命财产造成的影响不容小觑[1]。因此，开展城市燃气管道风险评价研究非常必要。

在城市燃气管道风险评价过程中，包含因素众多，且这些因素的复杂性和模糊性是客观存在的，使各类风险因素不能被精确地数量化[2]。因此，引入模糊数学的思想和方法，将使风险评价结果更能真实反映管道现场状况，这样的评价结果更具科学性。国内外学者对燃气管道风险评价进行深入研究。巴振宁等[3]在城市燃气管道腐蚀风险评价中引入改进AHP和模糊综合分析法，建立腐蚀风险评价模型。Medeiros等[4]构建1种对燃气管道进行多维度风险评价的多准则决策模型。Badida等[5]运用模糊故障树分析法分析管道失效概率，研究结果有助于管道维护人员进行风险管理与决策。

本文引入模糊数学思想和方法，采用AHP-熵权法的组合权重法确定综合权重，再结合模糊综合评价法，建立城市燃气管道风险评价模型，并以厦门市燃气管道风险评价为研究对象。

1 评价体系的建立

城市燃气管道进行风险评价之前，需完整识别、归纳管道事故的各风险因素，并建立科学的城市燃气管道评价体系。根据相关标准和规范[6-7]，并结合管道检验专家的经验，建立的燃气管道风险评价失效可能性评价指标体系如图1所示。建立的燃气管道失效后果评价指标体系如图2所示。本文共确定了105个评价底层子因素。

图1 管道失效可能性评价指标体系

图2 管道失效后果评价指标体系

2 评价模型的建立

2.1 建立因素集

风险评价因素集可表示为U=(U1,U2,…,Ui)，i=(1,2,…,m)，其中，Ui为评价因素，i为同一层次上含有因素的个数。本文确定了105个评价底因素。

2.2 建立评价集

评价集是对因素做出可能的评价等级所组成的集合，评价集可表示为V=(V1,V2,…,Vj)，j=(1,2,…,n)，Vj为评价结果，n为评价等级数。

2.3 建立权重集

根据因素集U中各因素的重要程度不同，对每个评价因素赋予相应的权重值Wi，采用AHP-熵权法的组合权重法确定因素集中各评价因素的综合权重值。

2.3.1 AHP

运用AHP[8]确定风险因素的主观权重。

1)构造判断矩阵。判断矩阵表示针对某一准则，对其下的所有因素进行两两相互比较。本文采用九标度法[9]构造判断矩阵。先求出该矩阵最大特征值λmax对应特征向量Wi，再归一化处理得到风险因素的权重向量。

2)一致性检验。对构造出的判断矩阵作一致性检验，如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：CI为一致性指标；λmax为矩阵最大特征值；n为矩阵的阶数；CR为一致性比例；RI为平均随机一致性指标。

若CR<0.10时，则判断矩阵通过一致性检验，否则需要重新调整矩阵。

3)聘请n位专家对管道的风险因素按重要程度进行排序，并运用AHP计算第j位专家对m个风险因素的权重值为(Wj1,Wj2,…,Wjm)。

4)评价的每位专家都有其自身权重，根据其经验程度进行分级：丰富、较丰富、中等、一般，分别给其赋值1，0.8，0.5，0.2。

5)综合所有专家的自身权重，计算风险因素的综合权重值，如式(3)所示：

(3)

式中：Wi(i=1,2,…,m)为考虑所有专家自身权重的综合权重值；αj(j=1,2,…,n)为专家的自身权重；Wji(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)为单个专家对因素评价的权重值；m为因素个数；n为专家个数。

2.3.2 熵权法

运用熵权法[10]确定风险因素的客观权重。

1)建立n个样本、m个评价因素的判断矩阵R=(xij)nm(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

2)将判断矩阵归一化处理，得到归一化判断矩阵Y=(yij)nm，如式(4)所示：

(4)

式中：yij为矩阵Y第i行第j列的元素；xij为第i个样本第j个评估指标测度值；xmin为同一指标下不同样本中的最小值；xmax为同一指标下不同样本中的最大值。

3)计算第j个指标的熵和熵权，如式(5)～(7)所示：

(5)

(6)

(7)

式中：Hj为指标的熵；fij为矩阵的第i行第j列元素；wj为指标的熵权。

2.3.3 组合权重法

运用AHP和熵权法分别计算每一准则下各风险因素权重大小，再运用组合权重法[11-12]计算综合权重，如式(8)所示：

W=αWAHP+(1-α)W熵权法

(8)

式中：W为因素的综合权重；WAHP为因素的主观权重；W熵权法为因素的客观权重；α为权重折衷系数，取α=0.6[13]。

2.4 单因素模糊评价

单因素模糊评价是确定风险因素对评价集元素的隶属程度[14]。设对因素集中Ui进行评价，评价集中Vj的隶属度为rij。则每个Ui都有1个模糊评价Ri=(ri1,ri2,…,rin)。于是，m个因素有m个模糊评价R1,R2,…,Rm，用单因素评价矩阵R表示，如式(9)所示：

(9)

式中：R为单因素评价矩阵；Ri(i=1,2,…,m)为第i个评价因素的模糊评价；rij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)为因素集中Ui进行评价，评价集中Vj的隶属度。

2.5 模糊综合评价

模糊综合评价是综合考虑所有风险因素对评价对象的影响程度。为充分考虑各个评价因素权重，本文选择加权平均模型M(·,+)进行模糊运算[15]求出模糊综合评价B，如式(10)所示：

B=WR=(b1,b2,…,bi)

(10)

式中：B为模糊综合评价；bi为第i个因素的模糊评价。

2.6 管道风险值确定

城市燃气管道风险等级的评判由失效可能性与后果严重性组成。在此，对管道风险评定给定加权集Q=(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7)T=(1,0.8,0.6,0.5,0.4,0.2,0.1)T,则求出的管道失效可能性计算值P和失效后果计算值C，如式(11)～(12)所示：

(11)

(12)

进一步可得到管道风险值R，如式(13)所示：

R=PC

(13)

式中：R为管道风险值。

2.7 管道风险矩阵确定

为将评价管道的风险评价等级直观显示出来，运用美国石油协会(American Petroleum Institute，简写为API)的API581标准的风险矩阵表示评定结果，如图3所示。风险矩阵图划分的失效可能性等级如表1所示。风险矩阵图划分的失效后果等级如表2所示。

图3 风险矩阵

表1 失效可能性等级

表2 失效后果等级

3 应用实例

对厦门华润燃气有限公司某地燃气管道的资料调研与分析，聘请7位专家进行风险评价，并运用本文构建的风险评价模型对其进行风险等级确定。

3.1 各级因素模糊评价

以4级因素中地面活动频繁程度U112的模糊评价为例，U112可分为建设活动频繁程度U1121，交通繁忙程度U1122，地质勘探活动U1123等3个评价子因素，同时这3个因素亦是最底层评价因素。每位专家根据经验程度均有其自身权重，如表3所示。

表3 专家自身权重

1)AHP计算主观权重

结合评价专家自身经验采用九标度法构造两两因素判断矩阵，且判断矩阵通过一致性检验，以评价专家1构造的判断矩阵为例，地面活动频繁程度U112的判断矩阵及权重如表4所示。

表4 专家1构造的地面活动频繁程度的判断矩阵及权重

同理，可得出其余6位评价专家计算的权重，再由式(3)综合所有专家权重值得：

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

2) 熵权法计算客观权重

根据管道实际运行工况与统计的管道事故数据采用百分制形式对地面活动频繁程度U112所包含的3个子因素进行评分，分值越高说明该评价因素越有利于降低管道的事故概率。7位专家对地面活动频繁程度各子因素的评分如表5所示。

表5 7位专家对地面活动频繁程度各子因素的评分

根据表5中专家评分情况，运用熵权法计算地面活动频繁程度各子因素的熵权得：

W熵权法=(0.301 1,0.692 2,0.006 7)

3)组合权重法计算综合权重

根据式(8)计算地面活动频繁程度U112所属3个子因素的综合权重,取α=0.6。

WU112=0.6WAHP+0.4W熵权法=(0.344 84,0.357 34,0.297 82)

4)模糊综合评价

根据评价管道的实际运行工况，对管道失效可能性和后果严重性分别按照失效可能性评价集和后果严重性评价集进行等级评定，并将各专家评价结果进行加权运算，采用式(10)模型进行模糊运算。

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评价向量B及管道失效后果因素模糊评价向量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 评价结果的处理

运用式(11)和式(12)处理，得失效可能性P和失效后果C，P=BQ=0.344 0；C=B′Q=0.452 6；再根据式(13)计算相对风险值R=PC=0.155 7。将评价结果与风险矩阵相对照可知：该评价管道属于中等风险，即发生管道失效的可能性较大。因此，需加强对该管道的管理和维护，以降低风险等级。

4 结论

1)构建城市燃气管道风险评价体系，包括第三方破坏因素、腐蚀因素、设备及操作因素、管道本质安全质量因素、失效后果因素在内105个评价指标，反映当前城市燃气管道所面临的风险现状。

2)建立城市燃气管道的风险评价模型，运用AHP-熵权法与模糊综合评价法进行风险评价，并以厦门市某地燃气管道为研究对象，验证该模型及方法的科学性、可靠性。

3)分析厦门市某段燃气管道的风险现状，与风险分析矩阵对照，计算风险等级为中等风险。因此，管道管理者需要高度重视，加强对当前管道的管理和维护，保证管道安全、高效运行。