基于FAHP-FCE的天然氣管網風險評價方法

徐 媛 魚永強 高崗崗 王慶輝

(1.中國石油集團安全環保技術研究院有限公司；2.中國石油慶陽石化公司)

0 引 言

因天然氣具有熱值高、安全環保等優點，目前已經在國內各城市居民生活中得到廣泛使用。但伴隨著天然氣管道建設的增多，若不重視安全防控，有發生著火爆炸、中毒等事故的風險，并有可能造成災難性的后果，如2017年“7·4”天然氣管道泄漏爆炸事故造成7人死亡(當場死亡5人，住院醫治無效死亡2人)，85人受傷(重傷13人，輕傷72人)，事故造成直接經濟損失4 419萬元[1]。臺灣的“8·1”高雄市天然氣泄漏爆炸事故[2]等，均造成災難性的后果。因此，對天然氣管網進行風險評價并找出可能事故原因對保障管網安全平穩運行具有重要意義。

目前，常用的風險分析方法有事故樹(Fault Tree，FT)分析、事件樹分析及層次分析法等[3]。其中因事故樹分析過程思路清晰、表現形式直觀、結果合理可靠，而得到廣泛應用[4-5]。但該方法更適用于具體事故的分析，難以應用于系統的風險評價。事件樹分析法主要是用于具體事故后果演化推理分析，同樣不適用于系統的風險分析和評價。而層次分析法是一種通過構建指標體系從而實現對整個系統進行風險分析的方法，該方法原理簡單，又能克服傳統方法中評價人員主觀性影響分析結果的不足[6]。但該方法主要用于識別系統中主要風險影響因素，不能進行風險量化，且存在評價矩陣一致性差的問題。本文針對目前存在的問題提出了基于FAHP-FCE的天然氣管網風險評價方法。通過構建天然氣管網風險評價體系，識別系統各風險因素的重要程度，并量化系統的風險水平，以期能夠為天然氣管網風險管控、事故預防等提供參考依據。

1 FAHP-FCE評價模型

1.1 模糊層次分析法

模糊層次分析方法主要用于復雜系統的量化分析，根據分析對象的特點將分析目標整理成若干條關鍵要素，再將這些要素進行逐層分析，形成一個多層分析模型，利用因素間的邏輯關系得到各因素重要度的過程[7-9]。傳統的層次分析法在求解過程中會存在難以滿足一致性的問題，因此本文對該方法進行了改進，利用模糊數學來規范判斷矩陣的構造，以保證求解結果的可靠性，該方法的主要流程如下。

1.1.1 建立指標體系

指標體系構建是將所分析的問題進行整理，明確分析的總目標，并歸納與總目標相關的獨立子因素，再進行逐層分析，最終形成一個多層次的結構模型，并將該層次結構按照邏輯關系分為目標層、準則層和指標層。

1.1.2 構建模糊判斷矩陣

將指標體系中目標層下的準則層、準則層各因素下對應的指標層因素分別進行兩兩對比，形成的對比矩陣稱為判斷矩陣，如某因素C的子因素集包括(a1，a2，…，an)，則C-a的判斷矩陣可表示為：

Ca1a2…ana1r11r12…r1na2r21r22…r2n……………anrn1rn2…rnn

其中因素rij表示的是一種相對重要度的比較關系，即表示兩個子因素ai和aj相對于其上層指標C進行比較時這兩個因素的相對重要度。為了使比較結果能夠進行定量描述和計算，在實際應用中將相互間的重要度按照表1所示的0.1～0.9標度給予數量標度。

表1 0.1～0.9標度及含義

為了保證所構建的判斷矩陣求解結果滿足一致性的要求(本質是人員對事物認知的一致性)，需要保證矩陣中任意行間對應因素的絕對差值為常數，當為非常數時按照少數服從多數的原則進行調整。

1.1.3 計算各因素相對權重

通過對所構建的模糊判斷矩陣進行求解得到各因素對應的權重值，即因素集{a1，a2，…，an}所對應的權重值集{W1，W2，…，Wn}，為了保證各子因素集在同一尺度下比較，需要進行歸一化處理，即可求得評價因素權重向量。

1.1.4 風險因素層次總排序

為了判斷指標層因素相對于目標層因素的相對重要度，還需要進行風險因素的總排序。這一求解過程是由指標層相對于準則層權重和準則層相對于目標層權重組合計算得到，計算過程如公式(1)所示。

W=W0·L0

(1)

式中：W0為準則層因素對于目標層的權重向量，L0為各指標層因素相對于上一層準則層的權重組合。

1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法[10-11]是一種基于模糊數學進行系統總體狀態評價的分析方法，通過行業專家對分析系統所建立指標體系的底層因素進行狀態判定，再結合這些因素的權重值得到系統的總體狀態得分，從而判斷系統的當前狀態。該方法的模型見公式(2)。

F=C·ST

(2)

式中：F為系統總得分；C為系統的判斷矩陣；S為各因素安全等級加權值。

C=A·B

(3)

式中：A為各因素權重分配集，由各因素影響決定；B為總評價矩陣。

Bi=Ai·Ri

(4)

式中：Ri為各因素的評價矩陣，通常由若干專家進行打分得到。另外，根據相關文獻[12-13]制定了相應的安全等級加權值和安全等級判斷標準，分別見表2和表3。

表2 安全等級加權值S

表3 安全等級判斷

1.3 評價分析

首先根據計算結果確定所分析天然氣管網系統的安全等級。其次，按照風險因素權重大小進行總排序，找出對系統安全性影響較大的因素集(權重越大，影響越大)。最后再根據評價結果對系統的安全狀況作出客觀綜合評價，并依此為安全管理的依據，可以針對性地提出風險管控措施。

2 實例分析

以某市天然氣管網系統為例，對所提出的方法進行實例驗證。將該市天然氣管網系統中涉及安全的因素從人、機、環、管4個方面進行全方位的分析，確定該市天然氣管網系統的安全等級，并找出主要影響因素，進行針對性地處理。

2.1 指標體系建立

通過對天然氣管網系統中人、機、環、管4個方面的細化分析，以天然氣管網風險系統為目標層構建了風險評價指標體系，體系中共包括25個指標層因素，見圖1。

圖1 天然氣管網風險評價指標體系

2.2 指標權重計算

通過行業從業人員或領域內專家對各指標因素間的相對重要度進行兩兩對比，得到各層次間的判斷矩陣，其中準則層相對于目標層的T-D判斷矩陣如下所示：

TD1D2D3D4D10.50.40.60.5D20.60.50.70.6D30.40.30.50.4D40.50.40.60.5

由上述判斷矩陣可求得向量W0，歸一化處理后為：W0=(0.250，0.301，0.199，0.250)。

同理，分別求得指標層相對準則層歸一化的權重向量W1、W2、W3、W4。最終得到指標層因素相對與目標層的權重：

W=(0.067 7，0.033 4，0.056 3，0.067 7，0.044 8，0.052 6，0.026 0，0.052 6，0.038 9，0.030 6，0.019 9，0.018 6，0.019 9，0.041 9，0.038 0，0.037 3，0.026 3，0.029 9，0.045 8，0.021 7，0.046 0，0.063 5，0.054 7，0.054 7，0.031 1)。

從計算結果可以得出，各因素對天然氣管網安全性影響的重要度如下所示：

I1>I4>I22>I3>I23>I24>I6>I8>I21>I19>I5>I14>I9>I15>I16>I2>I25>I10>I18>I17>I7>I20>I11>I13>I12。

2.3 系統安全等級確定

首先對專家打分結果進行統計，得到各因素的評價矩陣(共邀請了10位專家進行打分，打分結果按照比例關系進行歸一化處理)，再依據公式(4)和表3求得各因素綜合評判向量Bi，將Bi進行組合得到系統的總評價矩陣B，B=(B1，B2，B3，B4，B5)T。某市天然氣管網安全性綜合評價結果見表4。

利用公式(3)求得系統的安全評價矩陣C=(0.219 1，0.346 2，0.254 7，0.149 9，0.030 1)，計算可得該市天然氣管網系統安全總得分為81.31。依據評價標準，該市的天然氣管網系統的當前安全等級為“較好”。

經驗證，基于本文所提出的FAHP-FCE模型進行的天然氣管網風險評價結果與該市天然氣管網當前狀態一致，同時可以得到目前對該市天然氣管網系統風險影響較大的因素有“領導安全意識”“安全規章制度”“安全教育和培訓”“管網設計”和“管道完整性”。表明了這幾個方面是影響該市天然氣管網系統安全水平的主要因素，需要重點關注。

分析發現影響天然氣管網安全的關鍵因素主要集中在人員因素和管理因素上，說明在當前階段，加強人員安全意識培養和提高管理水平更能降低天然氣管網的風險水平。

表4 某市天然氣管網安全性綜合評價

3 結 論

本文主要針對天然氣管網安全系統具有多層次、多因素、復雜性的特點，提出基于FAHP-FCE模型的風險綜合評價模型。基于該模型既能定量評價系統的總體安全狀態，同時又能找出影響系統安全的主要因素，為天然氣管網安全管理人員提供科學指導。最后論文以某市天然氣管網為例，從人、機、環、管4個方面多方位進行了綜合分析，分析結果與實際狀態一致，驗證了模型的實用性。