同濟(jì)大學(xué) 劉東京 周偉國(guó) 潘新新

基于區(qū)間層次分析法的城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

同濟(jì)大學(xué) 劉東京 周偉國(guó) 潘新新

用區(qū)間數(shù)描述城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜性、模糊性及不確定性，對(duì)評(píng)價(jià)體系各層因素進(jìn)行群體判斷，得出群決策判斷區(qū)間上三角矩陣；以區(qū)間層次分析法確定評(píng)價(jià)體系各底層因素的權(quán)重值，通過(guò)權(quán)重的分配率計(jì)算出各底層因素的最大評(píng)分區(qū)間，并得到系統(tǒng)的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間。再以城市天然氣輸配系統(tǒng)為例，構(gòu)建了區(qū)間指數(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，通過(guò)系統(tǒng)靈敏度分析建立風(fēng)險(xiǎn)決策系統(tǒng)。

燃?xì)?風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 層次分析法 區(qū)間指數(shù) 群決策

0 前言

關(guān)于城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了較多研究，提出了故障樹(shù)法、KENT評(píng)分法等風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，并將各種方法進(jìn)行組合運(yùn)用，形成了很多新的評(píng)估方法，如模糊層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等。管道風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法是各種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)的綜合，部分隸屬于主觀風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法類。由于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法如指數(shù)評(píng)分法、故障樹(shù)法等，無(wú)法全面合理地表達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及不確定性，本文在管道風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法的基礎(chǔ)上提出了區(qū)間指數(shù)分析法，并采用這種方法對(duì)城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)進(jìn)行不確定性風(fēng)險(xiǎn)管理。

1 群決策判斷區(qū)間

在進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)判時(shí)，由于系統(tǒng)的模糊性以及不確定性，評(píng)價(jià)結(jié)果很難用精確的數(shù)值進(jìn)行表示，如果專家給出一個(gè)評(píng)判區(qū)間，則可以很好地表達(dá)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的客觀性。評(píng)判區(qū)間可以用區(qū)間數(shù)來(lái)表達(dá)，記為，該區(qū)間表示不確定性因素導(dǎo)致評(píng)價(jià)對(duì)象的可能判斷范圍，當(dāng)時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果為唯一值。

假設(shè)m位專家對(duì)某一評(píng)價(jià)對(duì)象分別做出判斷，判斷結(jié)果x={xi}={x1,x2,···xm}，xi=[xi-,xi+]，i=1,2,···m。

建立區(qū)間數(shù)判斷矩陣

設(shè)評(píng)價(jià)結(jié)果的目標(biāo)權(quán)重向量W1={wi1}，i=1,2,···m，則區(qū)間判斷矩陣目標(biāo)權(quán)重的計(jì)算公式可用矩陣形式(式(2)、(3))表示：

求解可得專家意見(jiàn)的目標(biāo)權(quán)重向量：

綜合各專家意見(jiàn)的過(guò)程中必須反映各專家評(píng)判水平的差異，因此在計(jì)算系統(tǒng)評(píng)價(jià)綜合權(quán)重的過(guò)程中需要探討各專家的評(píng)判水平，即專家權(quán)重，記為wi2。專家權(quán)重向量表示為W2={wi2}，i=1,2,···m，。專家權(quán)重可通過(guò)對(duì)專家的職稱、本專業(yè)工齡、學(xué)歷、年齡等屬性進(jìn)行綜合評(píng)分并歸一化處理求得。

區(qū)間判斷矩陣的綜合權(quán)重向量為W={wi}，i=1,2,···m，wi由下式計(jì)算得到：

群決策做出的判斷p可由下式計(jì)算得到：

2 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

層次分析法在確定系統(tǒng)各層因素權(quán)重的過(guò)程中采用兩兩比較的方法。設(shè)P=(pij)m×m為上三角區(qū)間數(shù)判斷矩陣，pij表示評(píng)判者認(rèn)為方案Pi、Pj相對(duì)重要性程度存在的范圍，pij取值范圍在1/9和9之間，則區(qū)間層次分析法的區(qū)間數(shù)權(quán)重可由下式計(jì)算得到：

3 區(qū)間指數(shù)評(píng)價(jià)法

根據(jù)城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因素，先通過(guò)聚類分法確定評(píng)價(jià)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（評(píng)價(jià)對(duì)象），評(píng)價(jià)對(duì)象的層次可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，層數(shù)越多，操作越復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性越差，一般以2~3層為宜。以3層為例，首先對(duì)系統(tǒng)各層因素進(jìn)行群體判斷，求出群決策判斷區(qū)間，然后由層次分析法計(jì)算評(píng)價(jià)系統(tǒng)各底層(第3層)因素的權(quán)重值：

對(duì)于燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的輸配子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)、燃?xì)馕：Α⑿孤顩r、環(huán)境影響的各底層子因素最大評(píng)分值分別表示為、推薦值分別為400、7、6、4。

G、L、V分別表示燃?xì)馕：υu(píng)分、泄漏狀況評(píng)分以及環(huán)境影響評(píng)分。

燃?xì)夥N類不同，相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間也不相同。城市高壓天然氣輸配系統(tǒng)的運(yùn)行階段，根據(jù)推薦值計(jì)算可知，相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間為[0，330]；設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，由于不考慮施工運(yùn)行缺陷的影響，相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間為[22，330]。相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值越大，系統(tǒng)越安全，所以設(shè)計(jì)階段的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)最小值要大于運(yùn)行階段，即設(shè)計(jì)階段的安全可靠性比運(yùn)行階段要高。

為增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的可比性，建議將風(fēng)險(xiǎn)分值統(tǒng)一在[0，100]之間：

同理可得城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)其他子系統(tǒng)的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值。假設(shè)風(fēng)險(xiǎn)有n 個(gè)等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)Rank屬于第i級(jí)，如果，則風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可由下式計(jì)算判斷：

4 系統(tǒng)靈敏度分析

系統(tǒng)靈敏度主要考察系統(tǒng)各底層評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分變化對(duì)城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)貢獻(xiàn)度，即反映了風(fēng)險(xiǎn)可變因素在現(xiàn)有基礎(chǔ)上采取更安全的措施后，評(píng)價(jià)對(duì)象安全性提高的程度。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)可變因素各指標(biāo)在現(xiàn)有分值的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)施相應(yīng)的有效風(fēng)險(xiǎn)緩解措施后，發(fā)生的評(píng)分變化，稱之為評(píng)分增益

則靈敏度βijk可由下式計(jì)算得到：

靈敏度最高的風(fēng)險(xiǎn)可變因素必須優(yōu)先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理，及時(shí)有效地執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)管理措施，緩解風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，最大程度降低系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)。

5 實(shí)例分析

以運(yùn)行階段的上海浦西天然氣供應(yīng)系統(tǒng)中燃?xì)廨斉渥酉到y(tǒng)為例，建立風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，如圖1所示。圖中列出系統(tǒng)1層因素(第三方損壞等)及部分2層風(fēng)險(xiǎn)因素(如覆蓋層)，3層風(fēng)險(xiǎn)因素略。

圖1 城市天然氣輸配系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

城市天然氣輸配系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)因素很多，構(gòu)成指標(biāo)體系也比較龐大，各項(xiàng)指標(biāo)共邀請(qǐng)3位專家(均為高級(jí)工程師，工齡20年以上，專家水平很高，α=0.9)進(jìn)行群決策系統(tǒng)評(píng)價(jià)，得出上三角區(qū)間數(shù)判斷矩陣。由式(6)~(8)進(jìn)行群判斷，以式(9)~(10)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，本文給出第三方損壞下一級(jí)指標(biāo)(覆蓋層)的權(quán)重及評(píng)分結(jié)果(表1、2)，其他各級(jí)指標(biāo)在此就不一一描述。覆蓋層的子因素包括：覆蓋層性質(zhì)、最小埋深、最大跨距、管溝情況、地形情況、管道轉(zhuǎn)彎情況。

表1 群判斷區(qū)間建立層次分析上三角矩陣

表2 覆蓋層權(quán)重及評(píng)分

假設(shè)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為：

對(duì)上海浦西天然氣輸配系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析(表3)，由式(13)~(17)計(jì)算得出系統(tǒng)的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)為[34.3，42.0]，并通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)程度屬于中等風(fēng)險(xiǎn)；以式(18)~(19)計(jì)算系統(tǒng)各因素的靈敏度，其中建筑活動(dòng)的靈敏度最大，需要及時(shí)地實(shí)施相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理措施“消除違章建筑活動(dòng)，制定合乎規(guī)范的建設(shè)活動(dòng)，加強(qiáng)法制宣傳教育活動(dòng)”，以提高系統(tǒng)的安全可靠度。

表3 上海浦西天然氣輸配系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及決策管理

6 結(jié)語(yǔ)

提出了區(qū)間指數(shù)評(píng)價(jià)法，利用區(qū)間數(shù)學(xué)理論，對(duì)傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了修正和改進(jìn)。該法可以解決故障樹(shù)分析法時(shí)效差的問(wèn)題，并能充分考慮評(píng)價(jià)過(guò)程中的復(fù)雜性、模糊性以及不確定性，減少了評(píng)價(jià)中的人為因素，保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。區(qū)間指數(shù)評(píng)價(jià)法適用于設(shè)計(jì)階段、新建成階段以及運(yùn)行初期的城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)，即事故發(fā)生概率未知，依賴于專家判斷的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。對(duì)于在專家評(píng)價(jià)的同時(shí)，存在部分可靠的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素歷史數(shù)據(jù)，或者詳盡數(shù)據(jù)的情況，如已運(yùn)行一段時(shí)間的城市天然氣供應(yīng)系統(tǒng)，則最好結(jié)合實(shí)際情況充分考慮數(shù)據(jù)信息與專家評(píng)價(jià)的綜合影響。

Risk Assessment for Urban Natural Gas Supply System Based on I AHP

Tongji University Liu Dongjing Zhou Weiguo Pan Xinxin

Interval mathematics was used to describe the complexity, fuzziness and uncertainty of city natural gas supply system. Judgment interval upper triangular matrix based on group decision was obtained by the group judgment of each system factor whose weight value was determined by AHP (Analytic Hierarchy Process). The maximum grading intervals of each lower layer factor were computed by the appointment ratio of weight, and then the system relative risk intervals can be ensured. An interval index risk assessment model based on city natural gas transmission and distribution system was presented, the risk decision system was developed by sensitivity analysis.

gas, supply system, risk assessment, interval index, group decision