基于AHP-DEMATEL法綜合管廊天然氣管道風險評估

楊 林， 高文學， 李顏強， 嚴榮松， 苗慶偉，王 艷， 戶英杰， 楊明暢， 張 文

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司， 天津 300384； 2.國家燃氣用具質量檢驗檢測中心， 天津 300384)

1 概述

綜合管廊是城市道路下集約化的隧道空間，將電力、通信、供水排水、熱力、燃氣等多種市政管線集中在一起，實行“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設、統(tǒng)一管理”，并設有專門的檢修、吊裝、通風、照明、排水、監(jiān)測等相關配套系統(tǒng)的城市綜合管線工程[1]。隨著我國邁入大規(guī)模建設城市地下綜合管廊的新時代，全國已有一些城市建成相當規(guī)模的地下綜合管廊，盡管已經在制度、法規(guī)、技術、經濟等方面給出了綜合管廊建設的參考建議，但就天然氣管道安全風險評估問題，都以概念性、原則性、引導性為主，未細化至具體的操作層面。天然氣管道受自身屬性、介質特性和管理調度影響，運行過程存在泄漏風險，威脅附近城市生命線管道和綜合管廊的正常運行，屬于高危管道。天然氣管道一旦失效，不僅影響天然氣供應、危及人員安全，還有可能造成其他管線的破壞，甚至引發(fā)管廊本體坍塌，帶來不可估量的損失。科學準確地進行風險評估是城市地下綜合管廊天然氣管道建設和運行過程中必須面對和亟待解決的緊迫問題。

2 風險評估指標及方法

城市地下綜合管廊天然氣管道風險評估指標(簡稱風險評估指標)是定量研究廊內天然氣管道風險等級的基礎。目前在管道風險評估常用方法中，KENT評分法是最為完整和系統(tǒng)的一種方法，其通過相關管線事故歷史統(tǒng)計數據，將管道事故的原因歸納為第三方破壞、腐蝕、設計、誤操作，由此計算管道風險值[2]，此方法容易掌握、便于推廣，后續(xù)相關學者建立的風險評估指標體系大部分是在KENT評估指標的基礎上進行改進和優(yōu)化[3-5]。但此方法基于管線事故歷史統(tǒng)計數據，而綜合管廊天然氣管道運行時間較短，管道事故案例較少，同時廊內天然氣管道與埋地管道和室外架空管道運行環(huán)境不同，不能完全借用現有燃氣管道事故分析總結的影響因素與失效概率。因此本文基于城市地下綜合管廊整體系統(tǒng)，對影響城市地下綜合管廊天然氣管道正常運行的危險、有害因素進行科學性、系統(tǒng)性、全面性地識別，確定風險評估影響因素。

經過咨詢行業(yè)專家，結合綜合管廊天然氣管道特點，將影響城市地下綜合管廊天然氣管道安全運行的因素歸結為綜合管廊、周邊環(huán)境、天然氣管線系統(tǒng)、其他因素類，構建城市地下綜合管廊天然氣管道安全運行風險評估指標體系，見圖1。

圖1 綜合管廊天然氣管道安全運行風險評估指標體系

目前，常用的指標權重確定方法有主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權法是指一定程度上依靠專家或評估者的知識和經驗來確定指標權重，包括德爾菲法、層次分析法、環(huán)比評分法等。客觀賦權法主要是利用樣本數據自身的特征信息確定各指標權重，包括主成分分析法、灰色關聯度法、熵值法等。層次分析法(AHP法)采用定性分析和定量分析相結合，構建評價指標間重要性兩兩比較矩陣，是一種科學有效的權重確定方法，但此方法未考慮各因素之間的影響關系[6]。本文引入決策試驗法(DEMATEL法)，該方法運用圖論和矩陣進行系統(tǒng)要素分析，揭示要素間的復雜關系，構建基于AHP-DEMATEL法的管道風險評估模型。

3 管道風險評估模型

3.1 AHP法確定指標初始權重

AHP法將要解決的問題系統(tǒng)地、有層次地分解成多個指標，并建立層次結構，進行有效定性和定量分析，具體計算步驟如下。

3.1.1構建判斷矩陣

將指標重要程度劃分為9個等級，并進行兩兩比較，其中1、3、5、7、9級分別表示兩個指標同等重要、略微重要、相當重要、明顯重要、絕對重要，2、4、6、8級介于兩個重要程度之間；相對不重要則采用倒數取值的方式，如1/3、1/5、1/7、1/9等[7]。可以采用專家問卷調查等方式，構建管道安全運行風險評估的判斷矩陣A。如：判斷矩陣A的第i行第j列元素為9，表示第i個風險評估指標比第j個風險評估指標絕對重要。

3.1.2計算第i個初始權重

首先計算判斷矩陣每一行元素的乘積，再對乘積進行求e次方根計算，最后進行歸一化處理，具體計算式[7]如下：

(1)

(2)

(3)

式中Mi——判斷矩陣A第i行元素的乘積

e——判斷矩陣A的階數，即風險評估指標數量

Aij——判斷矩陣A的元素

mi——判斷矩陣A第i行元素乘積的e次方根

基于上述步驟得出的初始權重矩陣，計算判斷矩陣的最大特征值λmax，并對其進行一致性檢驗，具體計算式[8]如下：

Q=AW1

(4)

(5)

(6)

(7)

式中Q——新構建矩陣(e×1矩陣)

A——判斷矩陣

W1——風險評估指標初始權重矩陣(e×1矩陣)

λmax——最大特征值

Qi——新構建矩陣Q的第i個元素

CI——一致性指標

CR——一致性比例

RI——隨機一致性指標

當e為1、2、3、4、5、6、7、8、9時，RI分別為0、0、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45。當CR小于0.1時，滿足一致性檢驗。

3.1.3風險評估指標初始權重的確定

第i個初始權重的內涵：對于準則層對目標層A的判斷矩陣，第i個初始權重就是第i個準則層初始權重，i的變化范圍為1～4；對于每個指標層對準則層的判斷矩陣，第i個初始權重就是第i個指標層初始權重，i的變化范圍隨風險評估指標數量而定。

第i個風險評估指標初始權重等于該風險評估指標所在的準則層的準則層初始權重與相應的指標層初始權重的乘積，i的變化范圍為1～14。

3.2 DEMATEL法確定指標影響權重

決策試驗法(DEMATEL法)是通過指標之間的邏輯關系與直接影響矩陣，計算各指標對其他指標的影響程度以及被影響程度，具體計算步驟如下。

3.2.1構建直接影響矩陣

將指標之間的關系分為5個等級，其中0、1、2、3、4級分別代表沒有影響關系、影響弱、影響比較弱、影響較強、影響很強[6]，同樣可以利用專家打分法確定風險評估指標直接影響矩陣B。

3.2.2計算指標影響權重

首先將風險評估指標直接影響矩陣B規(guī)范化處理得出矩陣R，進而計算綜合影響矩陣T，確定風險評估指標影響度、被影響度、中心度、原因度，然后計算風險評估指標影響權重。具體計算式[7-9]如下：

(8)

T=R(I-R)-1

(9)

(10)

(11)

Oi=Di+Cj(j=i)

(12)

Pi=Di-Cj(j=i)

(13)

Si=DiCj(j=i)

(14)

(15)

式中R——規(guī)范化的風險評估指標直接影響矩陣

B——風險評估指標直接影響矩陣

n——全部風險評估指標數量，本文n=14

Bij——風險評估指標直接影響矩陣B的元素

T——綜合影響矩陣

I——單位矩陣

Di——影響度矩陣D的第i個元素，為綜合影響矩陣T的列元素之和

Tij——綜合影響矩陣T的元素

Cj——被影響度矩陣C的第j個元素，為綜合影響矩陣T的行元素之和

Oi——中心度矩陣O的第i個元素

Pi——原因度矩陣P的第i個元素

Si——關系矩陣S的第i個元素

3.3 AHP- DEMATEL法確定指標綜合權重

AHP- DEMATEL法是將上述2種方法結合，充分考慮上下層及同層之間的綜合影響，使風險評估指標權重的確定更加科學與客觀。基于上述步驟得出的初始權重與影響權重計算風險評估指標綜合權重，具體計算式[9]如下：

(16)

式中Wi——第i個風險評估指標綜合權重

3.4 基于綜合權重的風險評估

借鑒相關文獻中的管道風險等級劃分原則[8]，將綜合管廊天然氣管道風險等級劃分為低風險、中等風險、中高風險、高風險。為將定性指標評價轉換為定量評價，確定天然氣管道風險評估模型評語集，綜合管廊天然氣管道風險等級劃分標準見表1。

表1 綜合管廊天然氣管道風險等級劃分標準

根據風險等級劃分標準，確定綜合管廊天然氣管道風險評估指標風險等級隸屬度，得出風險評估指標風險等級隸屬度矩陣U：

(17)

式中U——風險評估指標風險等級隸屬度矩陣

Uij——第i個風險評估指標風險等級為j的隸屬度，i=1～n，j=1～m

m——風險等級數量

將風險評估指標綜合權重與隸屬度矩陣進行模糊運算，得到廊內管道風險等級隸屬度矩陣V：

V=WTU

(18)

式中V——被評估管道風險等級隸屬度矩陣(1×m矩陣)

W——風險評估指標綜合權重矩陣(n×1矩陣)

U——風險評估指標風險等級隸屬度矩陣

根據最大隸屬度原則，確定管道風險等級[9-10]。

綜上所述，基于AHP-DEMATEL法進行綜合管廊天然氣管道風險評估流程見圖2。

4 案例研究

基于本文提出的風險評估指標及方法，對某城市地下綜合管廊天然氣管道進行風險評估，為日常的安全管理提供參考。

4.1 風險評估指標綜合權重

4.1.1風險評估指標初始權重

基于城市地下綜合管廊天然氣管道風險評估指標，采用專家問卷調查的方法構建準則層B對目標層A和指標層C對準則層B的判斷矩陣，見表2～6。采用式(1)～(7)計算風險評估指標初始權重并進行一致性檢驗，計算結果見表7。

表2～6判斷矩陣的最大特征值λmax分別為4.116 9、3.038 5、4.077 4、3.038 5、4.116 9，一致性比例CR均小于0.1，滿足一致性檢驗。

表2 準則層B對目標層A的判斷矩陣

表3 指標層C對準則層B1的判斷矩陣

表4 指標層C對準則層B2的判斷矩陣

表5 指標層C對準則層B3的判斷矩陣

表6 指標層C對準則層B4的判斷矩陣

4.1.2風險評估指標影響權重

基于風險評估指標，采用DEMATEL法，結合采用專家問卷調查構建風險評估指標直接影響矩陣，見表8。根據式(8)～(15)，得到影響度、被影響度、中心度和原因度等，最終確定風險評估指標影響權重，計算結果見表9。

表8 風險評估指標直接影響矩陣

續(xù)表8

表9 城市地下綜合管廊天然氣管道風險評估指標影響權重

4.1.3風險評估指標綜合權重

將初始權重和影響權重按式(16)進行計算，得到風險評估指標綜合權重，計算結果見表10。

表10 城市地下綜合管廊天然氣管道風險評估指標綜合權重

4.1.4風險評估指標權重分析

基于上述研究，得出風險評估指標初始權重、影響權重和綜合權重，將其由大到小排序，見表11。

通過分析表11可知，分別按照初始權重、影響權重和綜合權重進行排序，風險評估指標順序有一定的變動。

表11 風險評估指標權重排序

續(xù)表11

綜合權重與初始權重相比，風險評估指標權重排序前5位沒有變動，主要變動情況如下：管廊附屬設施C13從第9位提升到第7位，單位及人員資質C42從第10位提升到第9位，建設過程的程序合規(guī)性C41從第13位提升到第10位，周邊地下空間情況C24從第14位提升到第12位。

安全應急措施及裝備C44體現預防和處置事故的能力，對提高管道運行安全、降低風險的作用應大于天然氣管道附件C32；管廊附屬設施C13中包含綜合管廊的消防系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等，其對保障廊內天然氣管道正常運行的作用應大于運維管理制度C43、地質條件C21等。通過分析可知，按照綜合權重的指標排序與現實情況比較接近。

4.2 風險評估指標風險等級隸屬度

根據上述城市地下綜合管廊天然氣管道風險評估指標和風險等級劃分標準，基于綜合管廊天然氣管道實際情況，確定風險評估指標風險等級隸屬度，見表12。

表12 綜合管廊天然氣管道風險評估指標風險等級隸屬度

4.3 風險評估結果

基于上述計算得出的風險評估指標綜合權重矩陣，結合天然氣管道風險評估指標風險等級隸屬度矩陣，計算得到管道風險等級隸屬度矩陣V，V=(0.872 2,0.126 9,0.000 9,0.000 0)。可以看出，基于AHP-DEMATEL法得到的綜合管廊天然氣管道風險評估結果低風險等級的隸屬度為0.872 2，根據最大隸屬度原則，此綜合管廊天然氣管道的風險等級為低風險。

5 結論

① 針對綜合管廊內天然氣管道特點，構建了以綜合管廊、周邊環(huán)境、天然氣管線系統(tǒng)、其他因素為準則層的城市地下綜合管廊天然氣管道風險評估指標體系。

② 采用層次分析-決策試驗(AHP-DEMATEL)法建立綜合管廊天然氣管道風險評估模型，綜合考慮上下層級與同層級風險評估指標之間的影響關系，有效提升指標權重賦值的科學性和客觀性。

③ 提出的風險評估模型可以對綜合管廊天然氣管道風險進行定量計算，案例分析證明該方法能夠有效評估綜合管廊天然氣管道風險。