基于两种组合赋权法的天然气长输管道安全风险评估比较

黄敏 周德红 樊旭岩 陈锦辉 李晓柯 李嘉琦

（武汉工程大学资源与安全工程学院，湖北 武汉 430070）

管道运输作为最实用、最经济的危险易燃物运输方式，已成为我国五大运输行业之一。长距离管道运输是天然气运输的最主要方式，其运输量大、适用范围最广。据统计，至2020年底，我国天然气长输管道总里程已达到10.2万km。然而，由于管道腐蚀、材料不合格、焊接作业不合格、开挖损伤、自然灾害等原因，近年来天然气长输管道事故时有发生。据统计，仅2021年前三季度就发生天然气管网事故240起，引起了社会的广泛关注。天然气长输管道压力高、运输量大，又因为天然气易燃的特性，在输气过程中一旦发生泄漏或者燃爆事故，后果极为严重。根据欧洲输气管道事故数据组织（EGIGdatabase）2020年发布的第11次天然气管道事故报告，1970年至2019年的1 411起陆上天然气管道事故中，外部干扰、腐蚀、施工缺陷和材料失效是造成事故的主要原因。

亓东民［1］利用灰色系统理论对油气长输管道进行了风险评价研究；
张华兵等［2］使用定量风险评价法（简称QRA）对油气长输管道进行评价；
张启波等［3］基于模糊层次分析法对四川省天然气长输管道进行了危险性分析；
张京国等［4］基于模糊层次分析的方法对天然气长输管线进行了简单的风险评价模型的建立，但是指标因素不够丰富；
许谨等［5］基于改进的Kent法对长输管道进行安全评价；
林媛媛［6］基于故障树方法对天然气长输管道进行了安全风险分析。本文通过相关研究分析，借鉴前人经验，建立起一种天然气长输管道的风险评估体系，通过分析各种因素对天然气管道失效的影响，并计算其相对重要度，从而获得评价体系模型的权重，针对天然气长输管道研究背景对AHP-熵权法组合赋权和AHP-变异系数组合赋权的模糊层次分析进行比较。

1.1 层次分析法（AHP）

美国匹兹堡大学教授萨蒂在20世纪70年代提出了层析分析法（简称AHP）。这种方法根据系统的性质和总目标，将评价因素层次分解为多个级别和指标，综合计算各级指标的相对权重，是一种基于主观赋值的系统分析方法，在系统分析中得到广泛运用［7］。但该方法具有主观性较强的缺点。

1.2 熵权法

熵权法是一种客观赋权法，是依靠指标变异性来确定权重的一种方法，人为干扰较小，可以作出较为客观的评价。指标的信息熵小，说明其变异程度大，所含的信息量多，权重就大；
而信息熵大，说明其变异程度小，所含的信息量少，其相应权重也就小。将熵权法与层次分析法结合在一起，可对层次分析法的主观性进行修正。熵值法权重的计算过程如下［8］：

1）选用越小越优型函数对数据进行标准化处理。设指标集Xi={x1，x2，…，xn}，标准化后为Yi=

2）Yij为已标准化的非负区间。记矩阵pij为第i个评价对象第j项指标下的特征权重：

1.3 变异系数法

变异系数法（简称CV）是一种客观赋权法，利用各指标包含的数据信息，通过计算得到相应指标权重。在这种标准下，取值差异越大的指标更有价值，更能反映被评价体系的差距。可以使用变异系数对主观赋权法进行修正。变异系数法权重计算过程如下：

下式中，i是第i项的标准差系数，是第i项指标的平均数。各项指标的变异系数可以表示为：

1.4 组合权重计算

将层次分析法权重Aij与熵权法或变异系数法权重Pi结合，得到综合权重Qi。

其中Ai为主观赋权得到的权重集，Pi为客观赋权得到的权重集；
为偏好系数，本文取0.5［8］。

1.5 模糊综合评价

1）建立评价体系。通过查阅资料文献，设计建立天然气长输管道失效风险评价指标体系。

2）建立因素集、评语集。采用量化值1—5的5等级法建立评价集。建立评价集为{Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级，Ⅴ级}，分别代表风险量化值为1，2，3，4，5。

3）确定隶属度函数，根据评分的均值来确定隶属度函数对应的隶属度。运用模糊数学的方法，本文采用梯形函数来确定隶属度。

4）矩阵合成，模糊综合评价［9］。模糊判断关系矩阵分别与AHP-熵权法得到的权重与AHP-变异系数法得到的权重进行模糊合成，公式为Ti=Qi×Rij。

2.1 工程概况

某地乡村公园项目与A天然气管道工程存在交叉，交叉区域的建设内容包括住宅、商业等建筑、水系景观（池塘等）、农业及园林种植、园区道路、给排水、供电设施等。该项目规划用地1.7万hm2，属于省内重点输气管道项目。线路全长71.45 km，管道公称直径DN400，壁厚7.1 mm，设计压力6.3 MPa。该工程管道敷设地区等级为二类、三类和四类地区。其中，全线以三类地区为主，少部分为二类、四类地区。全线管道采用直缝双面埋弧焊钢管（UOE或JCOE），钢级为L415（X60）。

2.2 风险评价指标体系的设计

查阅文献，采用某地天然气长输管道进行分析，设定其目标层为“天然气长输管道风险分析”，一级因素层包括6个方面，即设计风险、腐蚀风险、操作风险、第三方破坏风险、材料风险、敷设施工风险，二级因素层包括24个风险因素，天然气长输管道失效风险分析AHP评价体系如图1所示［10］。

图1 天然气长输管道风险分析指标体系

2.3 AHP计算

根据风险评估小组建议，采用常用的9标度法（如表1所示）构造判断矩阵。将各个指标两两之间重要性对比进行定量分析。对同一层次的几个因素进行两两比较构建判断矩阵：矩阵中rij>0，rij=1（当i=j时），表示指标i相对指标j的重要性强弱，rij越大，指标i比指标j越重要，rij=1时表示指标i和指标j同等重要。

表1 1—9数字标度

表2 平均一致性指标RI取值

表3 一级指标判断矩阵及权重（A）

表4 二级指标判断矩阵及权重（B1）

表9 二级指标判断矩阵及权重（B6）

表5 二级指标判断矩阵及权重（B2）

表6 二级指标判断矩阵及权重（B3）

表7 二级指标判断矩阵及权重（B4）

表8 二级指标判断矩阵及权重（B5）

2.4 两种方法分别赋权与组合赋权

选用1—5的量化值评价风险等级（如表10所示），对所有指标进行赋权，运用熵权计算公式（式（1）—（3））和变异系数计算公式（式（4）—（5）），利用Excel计算熵权及变异系数权重，并分别与层次分析法得到的主观权重进行组合赋权（式6），得到表11所示数据。

表10 风险等级赋值

2.5 赋权结果比较

由表11作两种赋权方法的比较图，如图2所示。

表11 天然气长输管道评价体系组合权重

图2 熵权-AHP与变异系数AHP权重比较

在本例AHP-熵权法组合赋权中，内腐蚀、焊接质量、安装质量、恶意破坏盗油的数据无序程度小，信息熵小，权重大，本例AHP-变异系数法中，内腐蚀、应力腐蚀、恶意破坏盗油的数据波动较大，区分程度较高，权重较大。

从图2可以直观的看到，使用不同的赋权方法得到的权重结果虽然不同，但是其大体趋势差别不大。例如在对因素序号为1、2、3、4、6、11、12、13、14、15、20、21的权重分配上，两种组合赋权方式的差距微乎其微，AHP-变异系数法对因素序号为5、7、8、16、17、18、23的赋权高于AHP-熵权法，而AHP-变异系数法在对因素序号9、10、19、22、24的赋权低于AHP-熵权法。

天然气长输管道的主要事故原因是第三方破坏、腐蚀、自然灾害等，不管是AHP-熵权法，还是使用AHP-变异系数法，得到的权重值都符合统计特征，此模型具有合理性。

2.6 模糊综合评价

1）选用1—5量化值，划分5个风险等级（表10）。

2）选用直线型梯形分布函数来确定隶属度，各风险因素对应的隶属度见表12。

表12 各因素对应的风险等级隶属度

3）将组合赋权评价权重集Qi与隶属度矩阵Rij合成，得到综合评价结果Ti。两种方法模糊评价结果如下所示：

AHP-熵权法：Ti"=（0.053 1，0.340 5，0.307 0，0.230 5，0.069 7）

AHP-变异系数法：Ti″=（0.053 0，0.336 6，0.383 0，0.187 3，0.040 7）

根据最大隶属度原则，AHP-熵权法评价结果为风险较低，AHP-变异系数法评级结果为风险一般。

1）运用熵权-层次分析法和变异系数-层次分析法分别得出了两种评价权重值，对两种赋权方法得出的权重结果作图比较；
并根据模糊综合评价法对某地天然气长输管道进行了综合评价，根据最大隶属度原则，两种组合赋权方法得出的模糊评价结果风险分别为较低和一般，验证了组合赋权方法的合理性。

2）由专家评价小组打分构造判断矩阵，这种主观权重值与客观权重值相结合的组合赋权方式既充分借鉴了专家经验，又有一定的客观性，修正了传统的主观赋权方式的不足。

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