模糊层次分析法确定管线风险因素权重

摘要： 详细介绍了模糊层次分析法的应用步骤，提出将其应用于确定管线风险因素的权重。以美国W. K. Muhlbauer提出的管道风险因素为例，用模糊层次分析法和改进层次分析法两种方法来计算其权重，并将已知通过层次分析法得到的权重和这两种方法计算得到的结果进行比较，得出如下结论：（1）层次分析法和改进层次分析法计算得到的结果并不理想，甚至严重偏离W. K. Muhlbauer提出权重；（2）模糊层次分析所计算得到的结果和W. K. Muhlbauer提出权重的非常吻合；（3）层次分析法存在需要检验判断矩阵一致性的缺陷，改进层次分析法步骤繁琐，操作不便的缺陷；（4）模糊层次分析法可以应用于类似于管线风险因素等因素权重的确定。
 关键词：模糊层次分析法  改进层次分析法  管线风险  因素  权重  计算
引言
 管线风险因素的权重，是对整个管线风险进行定量评价的基础，因此如何正确确定其权重，具有重大意义。美国W. K. Muhlbauer提出的管道风险评分法是迄今为止较为完整和系统的管道风险评价方法, 已经成为国际上开展油气管道风险评价的指导性方法[1]。虽然W.K.Muhlauer提出的方法和数据一应成为国际上的指导性方法，但是管道风险因素在不同的地区不同的时间下有可能会增加或者减少，那么当因素增加或者减少的时候，怎么确定它们的权重，是一个值得研究的问题。俞树荣[2]等人采用经典层次分析法来确定Muhlbauer 提出管道风险因素的权重，但是将两种权重进行比较，发现俞树荣他们所确定的权重和W. K. Muhlbauer提出的权重存在较大误差，同时由于层次分析法在实际比较过程中存在标度调整困难的缺陷[2][3]，因此笔者考虑采用模糊层次分析法[4]和“改进的层次分析法[5]来确定其权重。
1. 管线风险因素权重确定
 美国W. K. Muhlbauer提出的管道风险评分法将造成管道事故的原因分为第三方破坏、腐蚀、设计、操作四类,每类的分值都在0～100 ,每类都有若干个影响次因素, 对每一影响次因素都有较严格的评分标准。根据历史记录和现场调查,对照评分标准,给各影响次因素打分,再求和得指数和,经泄漏冲击指数修正后得到相对风险指数。各影响次因素层次结构图如图1 [1][6]。
  
      图1   管线风险因素层次结构
 
1.1 模糊层次分析法（FAHP）
 1）建立优先关系矩阵
                                                     （1）
其中和分别表示指标和的相对重要性程度。
 定义  若矩阵满足，则称为模糊一致矩阵。
 2）将优先关系矩阵F改造成模糊一致矩阵R，即先对F按行求和，记为
                                                     （2）
然后作行变换：
                                                           （3）
   3）指标权重计算
 模糊一致矩阵每行元素的和（不含自身比较）：
                     （4）
不含对角线元素的总和：
                                                           （5）
 由于表示指标i相对于上层目标的重要性，所以对归一化即可得到各指标权重：
                                               （6）
以第三方破坏因素下的七个子因素为例说明模糊层次分析法确定权重的应用，其优先关系矩阵如表1。
                           表1  优先关系矩阵
       
 0.5 0.5 1 1 1 1 1
 0.5 0.5 1 1 1 1 1
 0 0 0.5 0 0 0 0
 0 0 1 0.5 0.5 0.5 0.5
 0 0 1 0.5 0.5 0.5 0.5
 0 0 1 0.5 0.5 0.5 0.5
 0 0 1 0.5 0.5 0.5 0.5
 然后按照上述公式（2）-（6）便可求出最小埋深、地面活动水平、地上设施、电话通知制度、公共教育、线路状况和巡线频率7个子因素的权重，结果求得的权重是：
 （W1，W2，W3，W4，W5，W6，W7）=（0.202，0.202，0.0714，0.131，0.131，0.131，0.131）同理可以求出所有因素的权重，计算结果见表3。
1.2 改进层次分析法（IAHP）
 改进层次分析法的一般步骤是：（1）.建立比较矩阵；（2）计算重要性排序指数；（3）构造判断矩阵；（4）求判断矩阵的传递矩阵；（5）求传递矩阵的最优传递矩阵；（6）求判断矩阵的拟优一致矩阵；（7）求拟优一致矩阵的特征向量；（8）对特征向量进行归一化处理得到权重。方法详见文献[4]，还是以第三方破坏因素下的七个子因素为例，其比较矩阵如表2。
                            表2  比较矩阵
       
 1 1 2 2 2 2 2
 1 1 2 2 2 2 2
 0 0 1 0 0 0 0
 0 0 2 1 1 1 1
 0 0 2 1 1 1 1
 0 0 2 1 1 1 1
 0 0 2 1 1 1 1
 结果求得的权重是：
（W1，W2，W3，W4，W5，W6，W7）=（0.367，0.367，0.015，0.0627，0.0627，0.0627，0.0627）
 同理可以求出所有因素的权重，计算结果见表3。
1.2 计算结果及分析
 两种方法计算所得因素的权重如下表3。
 
                             表3  各因素权重计算结果
 第三方破坏因素  腐蚀因素
  Muhlbauer FAHP IAHP   Muhlbauer FAHP IAHP
最小埋深 0.20 0.202 0.367 大气腐蚀 0.2 0.25 0.308
地面活动水平 0.20 0.202 0.367 内腐蚀 0.2 0.25 0.308
地上设施 0.10 0.071 0.015 外腐蚀 0.6 0.50 0.385
电话通知制度 0.15 0.131 0.063 - - - -
公共教育 0.15 0.131 0.063 - - - -
线路状况 0.15 0.131 0.063 - - - -
巡线频率 0.15 0.131 0.063 - - - -
 
 
      （续）                 表3  各因素权重计算结果
 设计因素  误操作因素
  Muhlbauer FAHP IAHP   Muhlbauer FAHP IAHP
管子安全系数 0.20 0.20 0.203 设计误操作 0.30 0.292 0.263
系统安全系数 0.20 0.20 0.203 施工误操作 0.20 0.208 0.118
疲劳 0.15 0.15 0.102 运行误操作 0.35 0.375 0.564
水击可能性 0.10 0.10 0.052 维护误操作 0.15 0.125 0.055
水压试验状况 0.25 0.25 0.387 - - - -
土壤移动状况 0.10 0.10 0.052 - - - -
 
 从以上计算结果可以看出，模糊层次分析法计算所得到的各因素权重和W. K. Muhlbauer提出的权重非常吻合，特别是设计因素下的六个子因素计算所得的权重和W. K. Muhlbauer完全吻合；改进层次分析法计算所得到的权重明显使得那些不太重要的因素的权重过小，例如第三方破坏因素中的电话通知制度、公共教育、线路状况和巡线频率W. K. Muhlbauer给出的权重是0.15，而改进层次分析法计算得到的是0.063；误操作因素中维护误操作W. K. Muhlbauer给出的权重也是0.15，而改进层次分析法得到的是0.055。这样使得这些因素权重过分偏小，容易在管线风险评价中忽略这些因素而造成意想不到危险的后果；而文献[2]采用层次分析法得到的第三方破坏因素下子因素最小埋深、地面活动水平、地上设施、公共教育的权重分别为（0.5548，0.1369，0.0996，0.2086），这一结果严重偏离了W. K. Muhlbauer给出的权重。
2. 结论
 通过上述分析，笔者得到如下结论：
 （1）层次分析法采用了九标度，在实际操作过程中由于评判者的主观因素、知识水平等因素，容易使得评价结果含有的主观成分过重，而且评判者对于选取哪级标度相当困难；另外它还需要检验判断矩阵的一致性，一旦一致性检验不成立，那么调整判断矩阵也是非常困难的。
 （2）模糊层次分析法和改进层次分析法都是采用三标度，使得评判者很容易对两两因素作出谁相对重要的决策，而且都不需要对判断矩阵进行一致性检验；但是模糊层次分析法比改进层次分析法简单，更容易掌握，而且通过计算分析得到模糊层次分析法计算的结果比改进层次分析法计算得到的结果更加合理和准确，可以将其应用于管线风险因素权重的确定，同样也可用于类似因素权重的确定。
参考文献
[1] 杨林娟 沈士明．工业风险分析与评价方法综述（二）[J]．压力容器．2005，22（8）：35-39
[2] 俞树荣 马欣 梁瑞等.基于层次分析法的管道风险因素权数确定[J].天然气工业.2005，25（6）：132-133
[3] 秦寿康.综合评价原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2003
[4] 苏欣 袁宗明 胡安鑫等.城市CNG汽车加气站安全评价模型[J].天然气工业.2006，26（2）（待刊） [5] 苏欣 黄坤 杨华等. 模糊层次分析法在优选管道穿越方案中的应用[J].江汉石油学院学报（待刊）
[6] Muhlbauer W kent. Pipeline Risk Management Manual – A Systematic Approach to Loss Prevention and Risk Management (Second Edition) [M] . Houston : Gulf Publishing Company ,1992.