基于层次分析与集对势分析的城市燃气管道安全评价研究①

潘庚

(金汇（天津）清洁能源有限公司 天津 300000)

随着我国城镇化建设，城市燃气作为一种清洁能源已经实现大规模的普及应用，而作为城市燃气的主要载体，燃气管道已渗透到各个角落。安全评价作为燃气管道的风险管控的重要技术之一，众多学者进行了深入地探讨。段正肖等[1]基于燃气管道泄露射流火灾的事故分析，构建了公众可接受的伤亡风险标准评估模型，减小了公众风险感知偏差引发的负面效应；朱庆杰等[2]通过对燃气管网的影响因素分析，建立了风险评价因子体系，并通过人工神经网络模型，对常州市埋地燃气管网的安全防护提供了建议；巴振宁等[3]将改进的AHP和模糊综合分析法应用在城市燃气管道腐蚀评价中，对燃气管道的风险等级进行判断，揭示了该模型在城市燃气管道腐蚀风险评价中的可行性。

虽然上述学者对燃气管道的评价进行了分析，但仍缺乏对燃气管道的整体性安全评价研究，为此，本文从文献研读角度出发，总结燃气管道安全影响因素，构建燃气管道安全评价指标体系，进而建立燃气管道安全评价模型，为燃气管道安全整体性评价提供一定的思路。

图1 燃气管道安全评价体系

图2 基于层次分析的指标权重计算过程

1 燃气管道安全评价指标体系分析

燃气管道安全状态影响因素众多，因此，笔者在综合多位学者研究成果基础之上[4-7]，并结合安全管理理论[8-9]，将燃气管道安全评价指标体系划分，一级评价指标分为人员因素、装备因素以及环境因素等3类，二级指标分为外力影响、燃气管道压占等共9项，具体指标体系如图1所示。

2 燃气管道安全评价模型构建

层次分析法[10]是将与决策具有一定联系的元素分解成目标层、主因子层、次因子层的方法。在利用层次分析法解决问题时，首先要建立层次结构模型，在深入分析问题后，对面临问题中的因素进行不同层次的划分，利用图形对层次结构以及各因素之间的隶属关系进行表征。若某一层次有相对过多的元素，则可将此层次再次划分为若干个子层次，再构造判断矩阵。在判断矩阵中对各个因素进行赋值，而因素的数值代表了各个因素的重要性，一般情况下，采用1-9及其倒数对各个因素进行标度，当相互比较因素的重要性能够用具有实际意义的比值说明时，判断矩阵相应元素的值可以取此数值[11]。然后求取判断矩阵中的最大特征根及所对应的特征向量，归一化后求取各评价指标的权重，在经过一致性检验之后，进而再对一致性比率进行判断，层次分析法具体方法流程如图2所示。

为了更好地对安全形势进行判断，在结合多位学者研究成果基础上，引入集对分析法。

图3 燃气管道安全评估趋势分析

集对分析法[12](Set Pair Analysis，SPA)的基本思想是将事物的确定性与不确定性看作一个对立系统，从同、异、反3个角度进行分析。算法运用联系度对不确定性进行描述，将不确定性的辩证认识转换为直观的数学模型，用来分析解决不确定问题。

在一定问题背景下将具有相关联系的两个集合A、B组成集对H(A,B)，分析H(A,B)得到N个特征要素，其中S个具有同一性特征要素，P个具有对立性特征要素，F=N-S-P个具有差异性特征要素。S/N表示集对的同一度，简化为a；F/N表示集对的差异度，简化为b；P/N表示集对的对立度，简化为c。集对H(A,B)的联系度表达式为：

式中i为差异度系数，i∈[-1,1]；j为对立性系数，一般情况下设定j=1。

集对分析法中对于联系度的计算存在考虑权重和不考虑权重两种情况，根据文献[13]结论不考虑指标权重比考虑指标权重的安全程度要低，论文采用考虑权重计算联系度。计算公式为：

最终，结合层次分析法和集对势分析，构建基于AHP-SPA的燃气管道安全评估体系。

3 安全评价模型应用

现将AHP-SPA方法对某地区燃区管道安全评价做具体分析，将人员因素、装备因素以及环境因素看作一级指标，三者的主要度如表1所示。由表可以看出，CR的值符合一致性要求，将人员因素、装备因素以及环境因素是可行的。

二级指标的相对重要度确定由行业专家进行确定，各指标的权重值如表2所示。

根据综合权值情况分析，在燃气管道安全中应加强对装备因素的关注，尤其应对管道防护以及管道服务年限进行重点管控，以避免安全事故的发生。

将燃气管道安全等级分为“安全”“一般安全”“不安全”3个等级（如表3所示），基于均分原则取值，按式（2）计算出联系度μ，进行归一化处理，用于表示安全评价结果。

在获取该地区的燃气管道相关年度数据的基础之上，结合指标体系，对各项指标进行评价，并计算出各区域联系度：

通过分析集对势和悲观势，得到各区域的安全管理趋势分析图（如图3所示）。从图中可以看出燃气管道安全由不安全状态向安全状态转变，由于b值一直较大，该区域安全状态不确定较高。根据平均联系度=0.3284+0.3864i+0.2852j可知，该区域燃气管道总体处于一般安全状态，需加强燃气安全风险管控工作。

4 结语

（1）在文献研读的基础之上，建立了以人员因素、环境因素、装备因素为核心的多层燃气管道安全评价指标体系；依据指标体系结构，在对AHP和SPA模型进行综合阐述的基础之上，结合各自的优缺点，构建了AHP-SPA燃气管道安全评价模型。

表1 一级指标主要度表

表2 各级指标权重

表3 燃气管道安全等级划分

（2）选取某地区的燃气管道相关数据，采用模型对该区域的燃气管道安全进行评价分析，分析结果与实际相符，表明了AHP-SPA模型在城市燃气管道安全评价中的普适性。

（3）作为城市重大管控风险，城市燃气管道的安全评价具有重要的理论意义与实践价值，笔者针对综合性的燃气管道安全评价做了初步探索，但仍需在数据定量分析以及智慧评价层面进行更多的研究。