基于EW-SPA模型的天然氣管道安全評價技術研究*

中國石油管道局工程有限公司第四分公司

天然氣管道在運行過程中，受到多種因素的影響，其安全性存在相對較大的隱患，但是天然氣又是我國發展的動力所在，也是推動社會發展和保護生態環境的關鍵能源，由此可見，保障天然氣管道的運行安全十分重要[1-2]。近年來，隨著科技的發展，天然氣管道的安全狀況已經得到了明顯的改善，但是與發達國家相比仍然存在較大的差距[3]。因此，對天然氣管道的運行狀況進行安全評價，對于降低管道運行風險具有重大意義。

目前，國內外學者對于天然氣管道安全評價問題進行了深入研究，應用的方法有層次分析法、模糊評價法以及聚類分析法等[4-6]。有相關學者建議將云模型以及系統動力法應用到天然氣管道安全評價中，但是，上述方法都不能解決天然氣管道運行過程中的不確定性問題[7-8]。由于熵權法（Entropy Weight，EW）可以很好地解決權重計算過程中的主觀性問題，同時，集對分析法（Set Pair Analysis，SPA）可以解決整個系統中的不確定性問題，因此，在本次研究中，通過建立EW-SPA模型，對天然氣管道安全評價問題進行深入研究，為保障天然氣管道的運行安全奠定基礎。

1 評價指標體系及評價標準

根據天然氣管道行業內的相關標準以及天然氣管道運行的特點，對管道運行中存在的諸多風險因素進行識別，并結合4M1E基本原理，將天然氣管道運行過程中的風險因素分為5個一級指標和25個二級指標，進而得到了天然氣管道安全評價指標體系，如圖1所示。首先，天然氣管道沿線的工作人員是影響管道安全的重要因素，人員的技術水平以及安全意識等都會對管道的安全產生重要的影響；其次，管道內介質所處的狀態以及對管道進行的安全管理也會影響管道的運行安全，如果可以提高管道的安全管理水平必然會提高管道所處的安全狀態；最后，管道設計的技術水平以及管道所處的環境會對管道的運行安全產生影響，如果管道所處的環境較為惡劣，則管道的安全性必然會下降。在本次研究中考慮的管道運行安全因素相對較為全面，可以進行下一步的研究。

圖1 天然氣管道安全評價指標體系Fig.1 Natural gas pipeline safety evaluation index system

各種評價指標的重要程度主要是通過問卷調查的方式得出結果，然后對各種指標的離散程度和重要程度進行分析。問卷調查表中包含了本次研究所考慮的所有因素，以對管道運行安全的影響進行研究。在重要程度分析的過程中采用了Likert 5 點法，1 表示非常重要，2 表示重要，3 表示一般重要，4 表示不重要，5 表示非常不重要。此次的問卷調查共發放120 份，其中現場工作人員發放40份，管理人員發放40 份，高校教師及專家發放40分，問卷調查收回有效問卷115份，有效回收率達到了95.8%。其中現場工作人員收回38份，管理人員收回39份，高效教師及專家收回38份。用SPSS軟件對回收調查問卷數據進行信度檢驗，通過對檢驗結果進行分析發現，一、二級指標的重要程度均高于3，證明在天然氣管道安全評價中一、二級指標都十分重要，這兩級指標的Cronback Alpha 系數都高于0.7，證明回收調查問卷數據信度相對較高，指標體系建立相對較為合理。

評價標準的確定也會對最終的評價結果產生重要影響，在上文分析的基礎上對安全評價標準劃分為5 個等級，分別是非常安全、安全、一般安全、危險以及非常危險，各個等級的取值范圍分別是[0，60）、[60，70）、[70，80）、[80，90）、[90，100]。

2 相關概念

2.1 EW法

在信息論中，熵是表示相關數據重要程度的重要信息，一般情況下，數據的熵越小，表示該數據的重要程度越高[9]。

2.2 SPA法

在對不確定性問題進行分析的過程中，SPA方法十分常見，該種方法主要是將問題的所有影響因素整合為一個由確定性和不確定性共同組成的系統，然后將確定性化為兩個部分，分別是同一和對立，在對不確定性進行描述的過程中采用了差異性原則[10-11]。應用SPA 方法的具體思路為：在相關背景下，將兩個集合A和B構成集對H(A，B)，然后對集對的特性進行分析，假設集合A和B中一共存在K個元素，兩個集合中共有S個元素重合，P個元素處于對立的局面，則F(F=K-S-P)個元素就屬于既不重合也不對立的部分。因此，集對的聯系度計算可以用公式（1）表示，即

3 天然氣管道安全評價模型

在建立天然氣管道安全評價模型的過程中，首先使用EW方法對各項指標的權重進行確定，然后使用SPA方法對每個指標的聯系度和綜合的聯系度進行計算，最后得到天然氣管道的安全評價等級，這是基于EW-SPA天然氣管道安全評價模型的簡單步驟，在此基礎上，還需要使用由五元連讀數所組成的集對對天然氣管道未來的安全形勢進行全面分析[12]。

3.1 建立模型

使用EW方法和SPA方法建立天然氣管道安全評價模型。

3.1.1 確定指標權重

EW 方法主要是通過用評價指標所建立的矩陣對權重進行計算，該種計算模式可以有效地克服權重確定前提下的主觀性，得到的結果將具有更強的客觀性[13-14]。EW方法計算步驟如下：

（1）建立判斷矩陣U，在該矩陣中，一級指標m個，二級指標n個，因此，判斷矩陣U可以表示為

（2）對判斷矩陣進行歸一化處理，進而得到矩陣R，公式為

對于數值越大越占優勢的指標而言，根據公式（4）進行處理。

對于數值越小越占優勢的指標而言，根據公式（5）進行處理。

（3）對第β個評價指標的熵值進行計算，公式為

如果Fαβ=0，此時的lnFαβ將無意義，因此Fαβ的計算公式可以修改為

（4）對第β個評價指標的權重進行計算，公式為

3.1.2 計算單指標聯系度

在確定了各種評價指標的權重后，可以將天然氣管道安全評價指標的集合A和安全評價標準的集合B相結合，進而得到集對H(A，B)，對集對H(A，B)的同一度、對立度以及差異度進行計算[15-16]。由于天然氣管道安全評價過程中存在諸多的不確定性，但是多元聯系數在處理該過程時具有很強的應用優勢，因此，本次研究將三元聯系數轉化為五元聯系數，五元聯系數的表達式為

對于數值越大越占優勢的指標而言，根據公式（11）對單指標聯系度進行計算。

對于數值越小越占優勢的指標而言，根據公式（12）對單指標聯系度進行計算。

式中：xd為評價指標d的實測值；s1～s5為評價指標d的分級臨界值。

3.1.3 計算綜合聯系度

通過引入集對H(A，B) 的同一度、對立度以及差異度矩陣的方式，將每個指標的權重矩陣、單指標聯系度矩陣、同一度、對立度以及差異度矩陣相乘就可以得到綜合聯系度，計算公式為

式中：μAB為綜合聯系度；W為每個指標的權重矩陣；R為單指標聯系度構成的矩陣；E為同一度、對立度以及差異度矩陣乘積。

3.2 集對勢分析

利用五元聯系數就可以對天然氣管道未來的安全發展趨勢進行評價，如果安全狀態屬于同勢范圍，則表示天然氣管道安全狀態與理想的狀態具有同一趨勢，管道的安全性相對較高，證明未來管道將具有較好的安全形勢。如果安全狀態屬于均勢范圍，則表示天然氣管道安全與否處于勢均力敵的狀態，管道安全性存在一定的高低變化。如果安全狀態屬于反勢范圍，則證明天然氣管道安全性相對較低。利用五元聯系數進行同勢、均勢以及反勢劃分和排序的方法參考文獻[17]。

4 應用實例

以我國某條天然氣長輸管道為例，通過構建EW-SPA模型的方式對其安全性進行分析，該條管道的長度為219.53 km，管徑為356 mm，已經連續使用8年，十分有必要對其安全性進行分析。

表1 各項評價指標的熵值及權重Tab.1 Entropy value and weight of each evaluation index

4.1 指標權重計算

根據上文建立的評價指標和收回的問卷調查結果，利用公式（1）～（7）對評價指標進行歸一化處理，進而得到歸一化處理后的矩陣，然后對指標的熵值以及權重進行計算，計算結果見表1。

4.2 聯系度計算

4.2.1 單指標聯系度

根據調查文件得到每個指標的平均值作為該指標的評判值，根據公式（10）～（11）對單指標聯系度進行計算，以人員因素C1為例，計算結果如表2所示。

表2 人員因素C1 的單指標聯系度Tab.2 Single index connection degree of personnel factor C1

4.2.2 綜合聯系度

根據公式（12），對綜合聯系度進行計算，進而得到：

在對i、j進行取值的過程中，采用了均分原則，最終確定i1=0.5、i2=0.01、i3=-0.5、j=-1，將四項數值代入公式中，進而得到綜合聯系度μ=0.541。使用比例取值的原則，將綜合聯系度所對應的天然氣管道安全評價等級區間進行劃分，即將[-1，1]分為了五個等級（表3），由于目標所對應的聯系度為μ=0.541，屬于區間Ⅱ，因此，該條管道處于安全狀態。

表3 等級安全判斷區間Tab.3 Level safety judgment interval

4.3 計算結果分析

4.3.1 EW分析

通過對EW法計算結果進行分析可以發現，環境因素和管理因素在整個安全評價體系中所占的權重相對較大，對天然氣管道運行安全產生的影響相對較大，因此，建議管道管理公司從這兩個角度入手，采取相關措施，對安全隱患進行有效的控制，降低天然氣管道運行風險。

4.3.2 SPA分析

通過對天然氣管道安全的發展趨勢進行分析，并結合五元聯系數的同勢、均勢以及反勢劃分和排序情況，根據公式 （14）可以得到：a＞c，a＜b1，b1＞b2，b2＞b3，b3＞c。這種情況屬于同勢，證明天然氣管道正處于同勢狀態，天然氣管道的實際安全狀態和理想安全狀態相同，管道的理想安全狀態即為未來管道將會安全運行。由于管道的實際安全狀態與理想安全狀態一致，所以實際運行中管道也將朝著非常安全的方向發展，由此可見，該條天然氣管道的管理企業需要繼續保持高效的安全管理狀態。

4.4 對比分析

為了對EW-SPA模型的合理性進行評價，將該模型的評價結果與其他模型的評價結果進行對比（表4）可以發現，這幾種天然氣管道安全評價技術的評價結果相同。EW方法主要是通過信息熵的方式確定各種指標的權重，該評價方法具有根強的客觀性；SPA方法在進行安全評價的過程中充分考慮了等級邊界的模糊性問題，在進行不確定性問題分析時具有很強的應用優勢，同時，五元聯系數的集對可以對天然氣管道未來的安全趨勢進行分析，進而為管道安全管理指明方向。綜合而言，基于EW-SPA 的天然氣管道安全評價模型十分合理可行。

表4 多種評價方法對比Tab.4 Comparison of various evaluation methods

5 結論

通過建立EW-SPA模型對天然氣管道安全評價問題進行了深入研究，并對該模型評價結果的合理性進行了分析，通過本次研究可以得出以下結論：

（1）基于EW-SPA的天然氣管道安全評價技術可以很好地解決天然氣管道安全評價過程中的不確定性問題，同時可以實現定性評價和定量數據之間的轉換，進而達到評價結果更加直觀的目的。

（2）通過使用五元聯系數集對分析的方式，在充分考慮天然氣管道運行安全等級邊界的基礎上，對天然氣管道未來的安全發展趨勢進行預測，可以為天然氣管道的安全管理提供方向支持。

（3）通過使用EW-SPA模型對我國某條天然氣管道進行評價發現，評價結果相對較為準確，同時還預測出該條管道將朝著非常安全的方向發展，評價結果與其他評價模型一致。該模型評價方法還可以克服其他模型存在的諸多不足，應用優勢明顯。

（4）為了保障天然氣管道的運行安全，仍然需要對天然氣管道安全評價方法進行研究，未來需要完善天然氣管道安全評價指標，以便開展更加全面的安全評價工作。