基于后悔理论的西南油气田含硫管道运行风险评价研究

杨帆

西南油气田分公司致密油气勘探开发项目部

西南油气田属于我国重要的天然气资源生产区域，该区域的天然气资源具有高含硫的特点，高含硫天然气在集输作业过程中会使管道面临严重的腐蚀问题。地形也是威胁管道输送安全的重要因素，西南油气田所处区域的地形复杂，包括高山、丘陵、盆地、峡谷等地貌。西南油气田管道周围的居民相对较多，由于居民对于管道安全相关知识掌握程度不足，在居民生活活动开展的过程中可能会出现威胁管道安全的行为[1]。综合分析发现，西南油气田含硫管道面临的风险要素较多，一旦出现风险问题，所产生的后果远高于不含硫天然气管道产生的后果[2-3]。开展西南油气田含硫管道运行风险评价可以了解管道面临的风险等级，以便采取合理的措施保障管道运行的安全性，在保障人民群众安全、管道设施安全、环境安全等方面均具有重要意义。

近年来，国内外学者对天然气管道运行风险评价进行了广泛研究，主要表现在两个方面：风险评价方法研究和评价指标研究。在风险评价方法方面，研究人员提出了事件树法、失效模式与影响分析法、风险矩阵法、蒙特卡洛模拟法等，这些方法基于不同的理论和假设，可用于对不同类型的天然气管道进行风险评价[4-5]；在风险评价指标方面，研究人员针对天然气管道运行风险特点，提出了一系列适用的风险评价指标，这些指标能够客观反映天然气管道运行风险的程度，有助于制定相应的风险控制策略[6]。通过对众多的评价方法进行分析发现，这些方法在使用的过程中需要专家进行打分，而专家在决策过程中可能会受到心理因素的影响，其决策结果具有很强的主观性，导致最终的评价结果缺乏客观性[7-8]。

本次研究提出了一种基于组合赋权和后悔理论的西南油气田含硫管道运行风险评价方法。该种方法在使用的过程中需要利用改进层次分析法和熵权法确定评价指标的主观权重和客观权重，以此防止出现评价指标权重确定主观性较强的问题；引入后悔理论，对专家的评分结果进行主客观差异性分析，以此防止出现专家评分过程中客观性不足的问题，全面提高了风险评价结果的客观性。以西南油气田某含硫管道为例进行实例应用分析，证明该种方法的应用可行性及先进性。

1 后悔理论

后悔理论所采用的理论模型属于感知效应函数，在使用该理论的过程中，假设x、y为两种类型的方案，f(x)、f(y)为两种方案的效用值。此时可以将R()f(x)-f(y) 看做后悔-信息值，如果R ＞0，则表明决策者选择y方案心理将会处于欣喜状态；如果R ＜0，则表明决策者选择y方案心理将会处于后悔状态，该项数值可以看作为后悔程度[9]。在开展评价的过程中，如果在原来效用值的基础上增加R值，则可以达到规避后悔心理的目标，最终选择的方案将会更加接近最佳方案，此种评价过程中可以使用感知效应函数进行表示[10]。如果将x看作为理想方案，但是决策者选择的方案为y，此时的感知效应函数G(y)为

假设存在P个方案xi(i=1，2，…，p)，理想方案为x*，评价过程中的感知效应函数为

通过使用该种类型的方法，避免出现后悔心理，假设f(xi)=min{f(xi)}，此时R(f(x*)-f(xi))＜0，决策者的后悔心理将会处于最大值，在规避后悔心理以后，最终的决策结果将更加接近最佳方案。

2 含硫管道运行风险评估模型

使用后悔理论对西南油气田含硫管道进行运行风险评价，需要根据相关理论以及管道的特性来确定风险评价的指标体系，分别使用改进层次分析法和熵权法确定主观权重和客观权重，通过建立后悔理论模型最终确定管道的风险等级。此次研究的评价流程如图1所示。

图1 西南油气田含硫管道运行风险评价模型Fig.1 Operation risk assessment model of sulfur-containing pipeline in Southwest Oil and Gas Field

2.1 运行风险评估指标体系

结合GB/T 13861—2022《生产过程危险和有害因素分类与代码》及西南油气田管理实际，将其安全威胁因素划分为六个方面，六个方面的因素可以反映出管道的设计建设情况、运行情况、人员情况以及管理情况等全面的信息，评价指标体系具有科学性与实用性。西南油气田含硫管道运行风险评估指标体系见表1。

表1 西南油气田含硫管道风险评价指标体系Tab.1 Risk assessment index system for sulfur-containing pipeline in Southwest Oil and Gas Field

2.2 确定指标权重

常见的指标权重确定方法可以分为两种类型：主观方法和客观方法。主观方法在使用的过程中对于专家经验知识的依赖性相对较强，容易受到专家思想的影响；客观方法在使用的过程中虽然具有很强的数学理论基础，但是容易忽视专家的主观能动性。此次研究将两种类型的方法相互结合，引入了组合赋权的方式，该种类型的方式可以充分利用专家的经验和知识，还可以融合客观的理论信息。

2.2.1 改进层次分析法确定指标主观权重

对于传统的层次分析而言，其采用的方法可以分为三标度法和九标度法两类，使用两种类型的方法都可以建立判断矩阵[11]，但这两种方法在使用的过程中均存在一定的缺陷。为了克服缺陷，此次研究引入了五标度法进行判断矩阵的构建，为了保障判断矩阵最优和客观性，在各个方案中选择最大后悔值对应的方案为决策依据，最大后悔值对应的矩阵作为判断矩阵。使用改进层次分析法对主观权重进行确定的步骤为：

（1）引入五标度法，建立此次评价的判断矩阵An×n，其赋值表见表2。

表2 五标度法赋值Tab.2 Assignment by the five scale method

（2）对评价过程中判断矩阵的最大特征值λmax进行求解，并确定其特征向量，对其进行归一化处理，最终得到各个指标的主观权重。

（3）为了保障判断矩阵的合理性，对其进行一致性检验。一致性检验的公式为

式中：CR为一致性检验的比率；CI为开展一致性检验的指标；RI为开展检验的平均随机一致性指标，其赋值表见表3。

表3 平均随机一致性指标赋值Tab.3 Assignment of average random consistency index

如果CR ＜0.1，则说明判断矩阵可以通过一致性检验。

2.2.2 熵权法确定指标客观权重

熵权法的使用步骤为：

构建判断矩阵An×n，并对其进行归一化处理，进而得到矩阵Pn×n；对各项指标的信息熵Ei进行求解；最终确定各项指标的权重。

2.2.3 确定指标组合权重

假设评价指标的主观权重为ω1，评价指标的客观权重为ω2，θ1、θ2表示两种权重的系数，θ*表示最优组合权重的系数，根据文献[12]可以对最佳权重进行求解。

2.3 基于后悔理论的风险评估模型建立

使用后悔模型开展西南油气田含硫管道运行风险评价的步骤为：

（1）建立评价矩阵Hn×k。由k位专家根据表4中的准则对此次研究构建的风险评价体系中的n个指标进行打分，将各个专家的打分结果记为hij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，k)，通过专家的打分进而确定原始评价矩阵Hn×k。

表4 风险等级划分Tab.4 Risk level classification

（2）根据原始评价矩阵Hn×k，建立理想方案I=[I1，I2，…，Ii，…，In]，根据f(x*)=min{f(xi)}，第i个指标的理想数值Ii可以通过下式进行计算：

（3）建立效用值矩阵Fn×k，效用函数有两种表示形式，分别是幂函数和指数函数，此次研究使用幂函数构建效用值函数F，其公式为

式中：0＜α ＜1，α值的确定参考文献[13]，最终确定其取值为0.9。

（4）建立后悔-欣喜函数矩阵Rn×k，该种类型的函数为单调递增函数，其公式为

式中：0＜β ＜1，β值的确定参考文献[14]，最终确定其取值为0.013 3。

（5）建立原始评价结果的感知效用值矩阵Gn×k，gij表示该矩阵中的某一项元素，其公式为

（6）对评价结果进行计算，对感知效用值和组合权重值进行求和处理，进而得到各项指标的评价值，评价体系中第m个准则层的评价值Sm为

式中：ωmi为评价体系中第m个准则层中第i个指标的权重。

通过对各项指标的评价值进行求和，可以得到西南油气田含硫管道总风险的评价值，其公式为

式中：ωm为评价体系中第m个准则层的权重。

3 模型应用与检验

西南油气田某含硫天然气管道运行时间已达五年，邀请五位行业内专业性较强、现场经验丰富、知识结构全面的专家对影响该管道安全运行的评价指标进行打分，并根据此次建立的后悔理论模型进行风险评价。

3.1 指标权重的计算

3.1.1 指标主观权重的计算

使用改进层次分析法确定该含硫管道运行安全评价指标的主观权重，对于各项一级指标而言，根据专家打分结果，建立初始判断矩阵A。

利用Matlab软件对该矩阵的最大特征值进行求解，得到λmax=6.368 8，通过查阅表3，在n=6时，平均随机一致性比率的数值为RI=1.24，根据公式（3）和公式（4），可以对一致性比率进行计算，得到CR=0.059 48＜0.1，说明该矩阵具有很强的一致性。对矩阵对应的特征向量进行归一化处理，进而得到该含硫管道运行安全一级评价指标的主观权重ω1=(0.17，0.37，0.24，0.06，0.11，0.05) 。按照同样的步骤，可以确定该含硫管道运行安全二级评价指标的主观权重，其数值为（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 指标客观权重的计算

使用改进层次分析法确定该含硫管道运行安全评价指标的客观权重，对于各项一级指标而言，根据专家打分结果，建立初始判断矩阵，并对其进行归一化处理，得到矩阵P。

通过该种矩阵可以得到信息熵为(0.799 25,0.900 69,0.752 24,0.870 36,0.922 94,0.925 96)，对该含硫管道运行安全一级评价指标的客观权重进行求解，得到ω2=(0.24,0.12,0.29,0.12,0.14,0.09) 。按照该步骤，可以确定该含硫管道运行安全二级评价指标的客观权重，其数值为（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 指标组合权重的计算

根据组合赋权法的应用步骤，进而确定该含硫管道运行安全一级评价指标的组合权重ω*=(0.19,0.30,0.25,0.08,0.12,0.06)，通过同样步骤，可以确定该含硫管道运行安全二级评价指标的组合权重，其数值为（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 模型应用

使用所建立的后悔理论模型对该含硫管道开展运行风险评价以确定最终的风险等级。对于“设计施工风险”准则层而言，建立的原始评分矩阵HA为

利用公式（5）对“设计施工风险”准则层评分矩阵对应的理想方案进行计算，得到IA=[4,3,6,5 ]。利用公式（6）对“设计施工风险”准则层评分效用值矩阵进行计算得到

利用公式（7）对“设计施工风险”准则层的后悔-欣喜矩阵进行求解得到

利用公式（8）对“设计施工风险”准则层的感知效用值矩阵进行求解得到

同理，可以对其他五个准则层的感知效用值矩阵进行求解。

利用公式（9）对“设计施工风险”准则层的属性值进行加权求和得到

同理，对其他五个准则层的属性值进行加权求和，其数值分别为4.97、5.19、6.46、5.57、6.29。利用公式（10）对所有准则层的属性值进行加权求和，进而得到最终的风险评价值为

通过以上研究可以发现，在使用后悔理论开展风险评价的过程中，不但可以得到最终的风险评价结果，还可以了解不同类型因素的风险情况，例如，根据六个准则层的属性值可以得到腐蚀风险（属性值最大）对于管道运行安全的影响最大。因此，可以从减缓腐蚀的角度出发制定合理的风险防范措施。

3.3 模型检验

为了对后悔理论的评价结果进行验证，根据同一风险的等级划分标准，引入模糊综合评价模型、集对分析评价模型两种评价方法对该管道开展同类型的风险评估，并将三种方法的评价结果与基于风险概率理论的定量风险评价结果进行对比。因为定量风险评价模式的评价结果相对较为客观，可以将该评价结果看作为该管道的实际风险值。不同类型模型与实际风险值之间的差异性见表5。

表5 不同方法评价结果对比Tab.5 Comparison of evaluation results by different methods

通过对表5进行分析发现，四种类型模型的评价结果风险值分别为5.06、5.23、5.64、5.74，评价结果都表明该管道处于中级风险状态，评价结果一致，这说明使用后悔理论开展西南油气田含硫管道运行风险评价具有很强的可行性。同时，与模糊综合评价模型和集对分析评价模型相比，后悔理论评价模型的评价结果与实际风险值的差距相对较小，该种模型的评价结果更加接近实际的风险值，证明使用后悔理论开展西南油气田含硫管道运行风险评价具有一定的先进性。通过对定量风险分析方法和基于后悔理论的分析方法进行对比发现，定量分析方法的应用过程较为繁琐，对于应用人员的能力要求较高，而基于后悔理论的分析方法使用简单，因此有必要采用基于后悔理论风险评价方法。

4 结论

本次研究针对西南油气田含硫管道运行风险评价问题，引入了后悔理论，构建组合赋权和后悔理论结合的风险评价方法。通过此次研究主要可以得出以下结论：

（1）根据后悔理论建立西南油气田含硫管道运行风险评估模型，将该种模型的评价结果与模糊综合评价模型、集对分析评价模型、定量风险评价结果进行对比，通过实例验证分析发现，后悔理论评价方法的评价结果与其他常见方法的评价结果一致，证明使用后悔理论开展西南油气田含硫管道运行风险评价具有很强的可行性。

（2）使用后悔理论开展风险评价可以防止出现专家判断主观性过强的问题，进而可以解决由专家判断主观性问题引发的主、客观差异，保障评价结果的客观化，后悔理论评价模型的评价结果与实际风险值的差距相对较小，证明使用后悔理论开展西南油气田含硫管道运行风险评价具有一定的先进性。

（3）在确定评价指标权重的过程中，引入了改进层次分析法和熵权法，使用两种方法进行组合赋权，可以对专家的主观能动性进行充分利用，还结合了客观理论信息，可以充分反映各种评价指标的客观规律，弥补两种方法存在的缺陷，最终确定的权重更加符合实际情况。