基于熵權(quán)法和AHM法的地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案優(yōu)選研究

董鳳娟

(西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

盧學(xué)飛

(西安石油大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710065)

陳小寧

(新疆特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

辛通海

(塔里木油田銷售事業(yè)部，新疆 庫爾勒 841000)

基于熵權(quán)法和AHM法的地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案優(yōu)選研究

董鳳娟

(西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西 西安 710065)

盧學(xué)飛

(西安石油大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710065)

陳小寧

(新疆特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

辛通海

(塔里木油田銷售事業(yè)部，新疆 庫爾勒 841000)

以某城市擬建造天然氣地下儲(chǔ)氣庫為例，選取墊層氣量、注氣結(jié)束時(shí)的最大地層壓力、注采井?dāng)?shù)、壓氣站功率、工程投資、使用壽命6個(gè)參數(shù)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用屬性層次分析法(AHM)和熵權(quán)法確定各指標(biāo)的綜合權(quán)重，對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，優(yōu)選出最佳設(shè)計(jì)方案，并將設(shè)計(jì)方案的總排序結(jié)果與灰色關(guān)聯(lián)分析法、AHP-MCZ法進(jìn)行比較。結(jié)果表明，該數(shù)學(xué)模型簡單,計(jì)算量少，不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)及對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整判斷，對(duì)多因素、多層次的復(fù)雜問題評(píng)判效果較好，評(píng)價(jià)結(jié)果既體現(xiàn)科學(xué)性、又不失主觀性。

地下儲(chǔ)氣庫；熵權(quán)；AHM；權(quán)重；設(shè)計(jì)方案；綜合評(píng)價(jià)

天然氣具有易燃性和易爆性，在儲(chǔ)存的過程中，一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)造成嚴(yán)重危害。因此，制定天然氣地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案非常關(guān)鍵，必須在建設(shè)前期對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行充分的技術(shù)和工程論證。目前，有許多研究者提出各種地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案優(yōu)選方法[1-7]，上述方法具有一個(gè)共同特征，即均涉及到確定評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)權(quán)重的問題，并存在一定的局限性。為了使天然氣地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果既體現(xiàn)科學(xué)性、又不失主觀性，筆者采用屬性層次分析法(AHM)[8]和信息熵方法主、客觀相結(jié)合的方法確定出各指標(biāo)的綜合權(quán)重，對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并將設(shè)計(jì)方案的總排序結(jié)果與灰色關(guān)聯(lián)分析法、AHP-MCZ法的總排序結(jié)果進(jìn)行比較，最后確定最佳設(shè)計(jì)方案。

1 應(yīng)用屬性層次分析法確定主觀權(quán)重

圖1 天然氣地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案綜合評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型

1.1建立層次結(jié)構(gòu)模型

研究中，選取墊層氣量、注氣結(jié)束時(shí)的最大地層壓力、注采井?dāng)?shù)、壓氣站功率、工程投資、使用壽命6個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)天然氣地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案的主要指標(biāo)。通過綜合分析各因素之間的相互影響關(guān)系，應(yīng)用AHM法的基本思想將各個(gè)指標(biāo)按支配關(guān)系分組形成層次結(jié)構(gòu)模型(見圖1)。

1.2主觀權(quán)重的確定

設(shè)B為一個(gè)準(zhǔn)則，c1，c2，…，cn為n個(gè)元素，對(duì)于準(zhǔn)則B，比較2個(gè)不同元素ci和cj(i≠j,1≤i,j≤n)，ci和cj對(duì)準(zhǔn)則B的相對(duì)重要性分別記為uij和uji。按屬性測度的要求，uij和uji應(yīng)分別滿足：

uij≥0uji≥0uij+uji=1i≠j

(1)

uij=0i=j

(2)

滿足式(1)和式(2)的uij稱為相對(duì)屬性測度，其組成的n階矩陣(uij)1≤i,j≤n稱為屬性判斷矩陣。(uij)1≤i,j≤n可由層次分析法的判斷矩陣(aij)1≤i,j≤n轉(zhuǎn)換得到：

(3)

式中，k≥1,k∈z；aij的值可由1～9比例標(biāo)度[9]確定。

屬性判斷矩陣(uij)1≤i,j≤n具有一致性，因而不需要計(jì)算矩陣的特征根和特征向量，也不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其中，主觀權(quán)重Wc的計(jì)算公式為：

(4)

式中，Wc(n)表示第n個(gè)指標(biāo)的相對(duì)主觀權(quán)重。

2 應(yīng)用熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

2.1初始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于天然氣地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案所涉及的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不同，數(shù)值差異比較大，為了使各指標(biāo)具有可比性，需要對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(即無量綱化)處理[10]：

(5)

式中，zij為第i個(gè)方案的第j個(gè)指標(biāo)無量綱化后的值；m為方案的數(shù)量；xij為第i個(gè)方案的第j個(gè)指標(biāo)值。

由此，可以得到標(biāo)準(zhǔn)化處理后的矩陣：

Z=(zij)m×n

(6)

2.2客觀權(quán)重的確定

在信息系統(tǒng)中，熵是用來衡量信息不確定性的指標(biāo)，其值越大，表明數(shù)據(jù)分布越分散，其不確定性也越強(qiáng)。將其應(yīng)用于權(quán)重分析時(shí)，若第j項(xiàng)指標(biāo)的指標(biāo)值分布越分散，說明相應(yīng)指標(biāo)的相對(duì)重要度也越高。但是，還存在一種極端的情況，即如果指標(biāo)值都相等，則所有指標(biāo)絕對(duì)的集中于一點(diǎn)，表明該指標(biāo)值在天然氣地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案優(yōu)選時(shí)不起任何作用，因而可以不予考慮。

根據(jù)信息熵值的定義[11]計(jì)算各指標(biāo)差異度hj：

(7)

式中，hj表示第j個(gè)指標(biāo)的差異度;ej表示第j個(gè)指標(biāo)的熵值

從式(7)可以看出，第j項(xiàng)指標(biāo)的指標(biāo)值分布越分散,其相應(yīng)的hj值就越大,表明第j項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)重要度也越高。在所涉及的n個(gè)指標(biāo)值中,第j項(xiàng)指標(biāo)的客觀權(quán)重為:

(8)

3 綜合權(quán)重的確定

引入一個(gè)組合權(quán)重w=[w1,…,w6]T，該組合權(quán)重不僅考慮了專家的經(jīng)驗(yàn)(主觀性)，同時(shí)也考慮了客觀因素的影響，能夠比較全面地反映天然氣地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要程度[12]：

w=ηwc+μw*

(9)

式中,μ為客觀權(quán)重的影響因子；μ、η為主觀權(quán)重的影響因子，取μ=η=0.5。

4 實(shí)例分析

某城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的季節(jié)調(diào)峰負(fù)荷量為1.2×108m3，擬在該城市近郊利用枯竭氣藏建造一天然氣地下儲(chǔ)氣庫以滿足城市調(diào)峰的需要，共設(shè)計(jì)了6個(gè)方案，每種方案均考慮了6個(gè)不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)，引用文獻(xiàn)[12]中天然氣地下儲(chǔ)氣庫建庫方案的有關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),(見表1)。屬性層次結(jié)構(gòu)模型分為A、B、C、D4個(gè)層次,其中，A為目標(biāo)層，B為準(zhǔn)則層，C為指標(biāo)層，D為方案層。

表1 某天然氣地下儲(chǔ)氣庫的6種設(shè)計(jì)方案

4.1構(gòu)造判斷矩陣及主觀權(quán)重的確定

1)準(zhǔn)則層的AHM屬性判斷矩陣：

(10)

由式(10)計(jì)算出B1、B2對(duì)于目標(biāo)層A的相對(duì)主觀權(quán)值為Wc1=[0.5，0.5]T。

2)工程效果的AHM屬性判斷矩陣：

(11)

由式(11)計(jì)算出元素C1～C4的對(duì)準(zhǔn)則層B1的相對(duì)主觀權(quán)重為Wc2=[0.153,0.292,0.402,0.153]T。

3)經(jīng)濟(jì)效果的AHM屬性判斷矩陣：

(12)

由式(12)計(jì)算出元素C5、C6對(duì)準(zhǔn)則層B2的相對(duì)主觀權(quán)重為Wc3=[0.75，0.25]T。

由于評(píng)價(jià)系統(tǒng)由多個(gè)目標(biāo)層次構(gòu)成,計(jì)算主觀權(quán)重時(shí)需考慮同一層次中所有因素對(duì)最高目標(biāo)的相對(duì)重要性,例如C1對(duì)總目標(biāo)的主觀權(quán)重Wc=0.5×0.153=0.0765，則各指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的主觀權(quán)重值為Wc=[0.0765，0.146，0.201，0.0765，0.375，0.125]。

4.2確定客觀權(quán)重

標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣為：

(14)

由式(7)～(9)計(jì)算得到各指標(biāo)客觀權(quán)重為：

4.3不同設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)

表2 利用3種研究方法得到的設(shè)計(jì)方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果比較

首先，通過式(10)計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重值為w=[0.0556,0.2552,0.2827,0.1522,0.1888,0.14055]T，從綜合權(quán)重值可以看出，在評(píng)價(jià)的過程中，所選取的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要性依次為：注采井?dāng)?shù)>壓氣站功率>工程投資>墊層氣量>使用壽命>注氣結(jié)束時(shí)的最大地層壓力。然后，對(duì)天然氣地下儲(chǔ)氣庫各設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)利用灰色關(guān)聯(lián)分析法[12]、AHP-MCZ法[9]得到天然氣地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，并將利用3種研究方法得到的設(shè)計(jì)方案從優(yōu)到劣進(jìn)行排序，具體情況如表2所示。

從表2可以看出，方案1、2、4要優(yōu)于其他設(shè)計(jì)方案，且利用熵權(quán)和AHM法、灰色關(guān)聯(lián)分析法得到的設(shè)計(jì)方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果均認(rèn)為方案1為最優(yōu)方案，因而確定方案1為最佳設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié) 論

1)應(yīng)用熵權(quán)和AHM法對(duì)天然氣地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)選，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣排序結(jié)果與運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法、AHP-MCZ法得出的結(jié)果吻合很好，說明該評(píng)價(jià)方法對(duì)天然氣儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。

2)AHM模型簡單，計(jì)算量小，不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)及對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整判斷，且對(duì)于多因素、多層次的復(fù)雜問題的主觀評(píng)判效果較好。

[1]譚羽非，陳家新.天然氣地下儲(chǔ)氣庫最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的確定[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34(2)：207-210.

[2]陳家新，譚羽非.應(yīng)用灰色物元法確定地下儲(chǔ)氣庫設(shè)計(jì)方案[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2002，21(4)：18-21.

[3]楊毅，李長俊，張紅兵，等.模糊綜合評(píng)判法優(yōu)選地下儲(chǔ)氣庫方案設(shè)計(jì)研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25(8)：112-114.

[4]蘇欣，趙宏濤，袁宗明，等.基于模糊綜合評(píng)判法的地下儲(chǔ)氣庫方案優(yōu)選[J].石油學(xué)報(bào)，2006，27(2)：125-128.

[5]劉忠偉，羅小武，唐恂，等.地下儲(chǔ)氣庫方案的模糊綜合優(yōu)選[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(5)：16-19.

[6]蘇欣，袁宗明，范小霞.模糊變權(quán)法在地下儲(chǔ)氣庫方案優(yōu)選中的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25(3)：23-28.

[7]董鳳娟，馮兵，何光渝，等.應(yīng)用層次分析法確定地下儲(chǔ)氣庫最優(yōu)設(shè)計(jì)方案[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26(10)：18-21.

[8]李萬慶,馬利華,孟文清.綜采工作面安全性的未確知- AHM 綜合評(píng)價(jià)模型[J].煤炭學(xué)報(bào)， 2007，32(6): 614-616.

[9]程乾生.層次分析法AHP和屬性層次模型AHM [J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，1997(11): 25-28.

[10]羅建強(qiáng)，韓玉啟，張銀萍.基于熵權(quán) TOPSIS 的客戶訂單分離點(diǎn)定位研究[J].工業(yè)工程與管理，2008(5)：83-87.

[11]馬小明，楊樹合，史長林，等.為解決北京市季節(jié)調(diào)峰的大張坨地下儲(chǔ)氣庫[J].天然氣工業(yè)，2001(1)：105-107.

[12]梁光川，蒲宏斌，鄭云萍，等.地下儲(chǔ)氣庫優(yōu)化設(shè)計(jì)的灰色關(guān)聯(lián)分析法[J].天然氣工業(yè)，2004，24(9)：142-144.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.12.043

TE822

A

1673-1409(2012)12-N133-04