基于改進層次分析法的石油運輸安全風險評估研究

李 菁

(西安職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710077)

石油是一種重要的應(yīng)用資源，其產(chǎn)出具有區(qū)域性特征，因此石油運輸對于保障石油供應(yīng)、促進經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義[1-2]。石油運輸中存在大量風險因素，易導(dǎo)致危險產(chǎn)生，需研究一種有效的石油運輸安全風險評估方法[3]，以衡量石油運輸?shù)陌踩浴?/p>

當前普遍使用的評估方法多以人工蜂群算法或風險評估集對模型為核心，評估結(jié)果普遍存在誤差[4-5]。主要是因為這種方法都沒有考慮石油運輸?shù)亩鄬哟涡裕m然層次分析法也是一種普遍使用的評估方法，在評估應(yīng)用中具有突出優(yōu)勢，但在實際事物分析過程中，層次分析法存在較為顯著的主觀性問題。本文利用熵權(quán)法對其進行改進，并將其應(yīng)用于石油運輸安全風險評估中，降低權(quán)值計算的主觀性，提升評估結(jié)果客觀性。

1 改進的安全風險評估方法

1.1 層次分析法實現(xiàn)流程

以層次化形式呈現(xiàn)不同因素的層次分析法，通過逐一對比不同關(guān)聯(lián)因素為分析或預(yù)測事物未來趨勢提供依據(jù)，該方法具體實現(xiàn)流程如圖1所示。層次分析法分析影響事物的各個因素，依照一定邏輯劃分這些影響因素的組別，構(gòu)建具有一定秩序性的層次結(jié)構(gòu)，并在其中對比各層內(nèi)不同影響因素的相對關(guān)鍵度，構(gòu)建判斷矩陣。確定矩陣內(nèi)特征上限值即其對應(yīng)的特征向量，獲取一層內(nèi)不同影響因素對上層內(nèi)某影響因素的關(guān)鍵度次序[6]，由此獲取相應(yīng)的權(quán)重向量。

圖1 層次分析法實現(xiàn)流程Fig.1 Implementation flow of AHP

1.2 構(gòu)建層次化結(jié)構(gòu)體系

造成石油運輸安全風險的因素較多，可分為運輸工具的安全性、運輸路線的安全性、運輸管理能力3個一級因素以及若干二級因素。石油運輸安全風險評估的詳細分層如圖2所示。

1.3 判斷矩陣構(gòu)建

兩兩對比全部影響因素(即圖2內(nèi)所示的各評估指標)，同時通過相對尺度對比法統(tǒng)一量化對比不同單位量綱等難以對比的因素，是層次分析法的核心。利用判斷矩陣能夠描述當前層內(nèi)全部影響因素對上層內(nèi)某影響因素相對關(guān)鍵度的對比情況[7]，對比結(jié)果可通過1～9標度法表示。

圖2 石油運輸安全風險評估指標層次結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchy structure of oil transportation safety risk assessment index

判斷矩陣內(nèi)全部元素均需實施n(n-1)/2次對比(其中n為全部影響因素數(shù)量)，考慮矩陣絕對一致性較難實現(xiàn)，可在不完全一致條件下確定不同影響因素對上層某影響因素的權(quán)重。以一致性指數(shù)RCI為標準確定判斷矩陣一致性，其計算公式為：

(1)

式中，λmax為判斷矩陣特征上限值。

在RCI值為0的條件下即可定義矩陣具備完全一致性，由此在矩陣階數(shù)小于等于2的條件下，其具備完全一致性。矩陣階數(shù)大于2的條件下，可以隨機一致比RCR為標準，在RCR值小于0.1的條件下可定義判斷矩陣具有近似一致性；相反，需再次構(gòu)建判斷矩陣，令其符合一致性標準。

1.4 權(quán)向量計算

影響因素的熵值與其變異水平之間呈反比例相關(guān)，同指標信息量與關(guān)鍵度之間呈反比例相關(guān)，也就是某一影響因素的熵值越大，其變異水平越小，包含的信息量與關(guān)鍵度就越低[10-13]。這也說明此影響因素的權(quán)重越小。實際評估過程中，依照不同影響因素的變異水平，通過熵確定不同影響因素的熵權(quán)，基于不同影響因素的熵權(quán)分析評估全部影響因素，提升最終評估結(jié)果的精度[14]。判斷矩陣構(gòu)建與權(quán)向量計算的具體過程如下。

針對m個待評估石油運輸方法和n個評估指標，構(gòu)建初始判斷矩陣R=(rij)：

(2)

式中，aij為第j個影響因素下第i個石油運輸方案的評估值。

(3)

利用式(4)確定第j個影響因素的熵值：

(4)

式中，k值為1/lnm。

利用式(5)確定第j個影響因素的熵權(quán)：

(5)

將上述所獲取的熵權(quán)同層次分析法所獲取的主觀權(quán)重相結(jié)合可獲取綜合權(quán)重。依照最小相對信息熵概念，利用式(6)確定綜合權(quán)重：

(6)

利用上述過程即可獲取石油運輸安全風險評估體系內(nèi)不同影響因素的權(quán)重。

1.5 風險綜合計算模型

根據(jù)綜合權(quán)重wi同圖2內(nèi)各影響因素無量綱化處理后的值yi實施計算，獲取石油運輸安全風險評估值：

(7)

為分析石油運輸?shù)膶嶋H安全情況，劃分風險評估值等級[15]，相應(yīng)量化值采取10分制，風險等級劃分情況見表1。在風險等級為A級和B級時，說明石油運輸方案安全風險極高，需即時實施風險規(guī)避；在風險等級為C級時，說明石油運輸方案安全風險較高，需制定針對性風險管控措施；在風險等級為D級時，說明石油運輸方案安全風險等級中等，需制定相應(yīng)風險管控措施；在風險等級為E級時，說明石油運輸方案安全風險等級較低，可定期通過相應(yīng)措施進行風險管控；在風險等級為F級和G級時，說明石油運輸方案安全風險極低，無需進行風險管理。

表1 風險等級劃分Tab.1 Risk grade classification

2 應(yīng)用實例

為測試基于改進層次分析法的石油運輸安全風險評估評估效果，以某省石化公司為研究對象，在當前所使用的汽車陸運、地下管道運輸以及海上郵輪運輸3類不同石油運輸方案中分別選取對應(yīng)的石油運輸方案，分別命名為汽1、汽2、地1、地2、海1、海2，采用本文方法評估不同石油運輸方案。

2.1 評估結(jié)果與分析

以汽車陸運石油運輸方案為例，采用本文方法評估其安全風險，針對圖2內(nèi)所示的石油運輸安全風險評估指標層次結(jié)構(gòu)內(nèi)各評估指標，計算其綜合權(quán)重值，結(jié)果如圖3所示。

基于圖3所示的各指標權(quán)重，計算研究對象汽車陸運石油運輸方案安全風險評估值為5.34分，安全風險等級為D級。采用相同過程獲取地下管道運輸以及海上郵輪運輸方案安全風險評估值與安全風險等級，結(jié)果如圖4所示。

圖3 指標權(quán)重Fig.3 Index weights

分析圖4得到，采用本文方法評估研究對象汽車陸運、地下管道運輸以及海上郵輪運輸方案安全風險等級分別為D級、E級和D級。同時由于本文方法中采用2種不同權(quán)值計算方法獲取的綜合權(quán)值，提升不同影響因素權(quán)值計算的精度。因此，本文方法評估結(jié)果與所選方案實際風險情況基本一致，由此驗證了本文方法的可用性。

圖4 不同石油運輸方案安全風險評估結(jié)果Fig.4 Safety risk assessment results of different oil transportation schemes

2.2 應(yīng)用性分析

應(yīng)用性分析可從2方面進行，分別是評估結(jié)果的波動性和最優(yōu)運輸通道選取。

2.2.1 評估結(jié)果波動性

針對圖4內(nèi)本文方法對3種石油運輸方案安全風險評估結(jié)果，對3種石油運輸方案進行風險管控與方案優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，采用本文方法進行二次評估，對比前后2次評估結(jié)果(圖5)，確定本文方法的應(yīng)用效果。分析圖5得到，二次評估后，汽車陸運方案的安全風險等級降低2級，地下管道運輸方案安全風險等級不變，但風險值下降，海上郵輪運輸方案的安全風險等級降低1級。由此說明，采用本文方法能夠顯著抑制石油運輸風險，提升石油運輸安全性與經(jīng)濟性。

圖5 評估結(jié)果波動情況Fig.5 Fluctuation of evaluation results

2.2.2 最優(yōu)運輸通道選取

基于本文方法風險評估結(jié)果選取最優(yōu)安全運輸路線同樣是本文方法應(yīng)用目標之一。選取一個項目，對該目標待選的6個運輸方案進行風險評估(表2)。

表2 待評估方案規(guī)劃Tab.2 Scheme planning to be evaluated

以表2的待評估方案規(guī)劃為基礎(chǔ)，根據(jù)綜合權(quán)重wi同圖2內(nèi)各影響因素無量綱化處理后的值yi獲取石油運輸安全風險評估值，所得結(jié)果如圖6所示。分析圖6得到，采用本文方法評估6個不同運輸方案的風險值，汽2方案和海1方案風險評估值與其他4個運輸方案相比較低。由于該石油運輸項目中運輸距離較遠，因此地下管道運輸方案并不適用；考慮石油運輸?shù)某霭l(fā)地與目的地所在區(qū)域，選擇汽1方案時，雖考慮了輸運工具的安全性，但運輸路線的安全性和運輸管理能力的風險顯著提升，因此汽1方案風險高于汽2方案；海上運輸方案中，海1著重考慮基礎(chǔ)建設(shè)投入度與運輸路線，卻忽略了區(qū)域地形特點影響與途經(jīng)區(qū)域的政治穩(wěn)定性，因此其風險高于海2。汽2和海1相比，在運輸工具安全性以及通道容量上具有一定差異性。通過以上分析得到，海1方案風險值最低，是待評估的6個運輸方案中的最優(yōu)運輸方案。

圖6 不同運輸方案Fig.6 Different transport schemes

3 結(jié)語

為了得到更優(yōu)的石油運輸安全風險評估結(jié)果，提出了基于改進層次分析法的石油運輸安全風險評估方法，結(jié)合熵權(quán)法改進層次分析法中權(quán)值計算的主觀性問題，通過綜合權(quán)重計算提升評估結(jié)果精度。實驗結(jié)果顯示，本文方法的應(yīng)用效果較好，可在一定程度上提升石油運輸?shù)慕?jīng)濟效益與安全性。