基于熵权理论的管道风险评分法的研究与应用

戴 光，苗婷婷，赵俊茹

(东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318)

0 引言

管道风险评分法是目前较为完整与系统的一种风险评价方法［1］。该方法由美国学者肯特提出，主要将影响管道的失效因素划分为第三方损坏、腐蚀、设计因素、误操作四大方面，同时这四方面又分别细化分了几方面影响因素，并按照一定规则对细化因素进行了逐项评分［2］，将各分值相加得到影响因素的指数和，指数和的大小与管道的危险性成反比［3］，最后根据求得的指数和与泄漏冲击指数计算出相对风险数，通过相对风险数对管道的风险状况进行风险评价［4］。在管道风险评分法中，各因素权重是相同的，而管道实际情况却是复杂多变的，因此各因素对管道风险影响程度不同，导致评价结果的准确性有所下降［5］，所以有必要对管道风险评分法作适当的改进，确定各因素在影响管道失效中所占的比重，使其更真实地反映出管道所具有的风险。为此将熵权理论应用到管道风险评分法中，通过计算事故因素熵权值的大小进行风险排序，得出各个事故因素在整个管道系统事故因素中所占比例的大小，这样得出的风险数值所反映管道的风险情况更为真实、合理。

1 基于熵权理论的管道风险评分法的研究

1.1 熵权理论的数学模型

德国物理学家克劳修斯最早提出了熵的概念，随后熵这一概念被广泛应用于各方面［6］。在信息论里，熵表示出了信息的价值，它反映了信息的多少及其对系统的影响，这为人们在判断决策过程中提供了重要信息［7］。它依据各因素的样本数据，通过计算其熵权值的大小，来判断各因素对系统的影响程度。如果一个因素提供给决策者的有用信息较大，对系统影响也较大，那么由此得出的权值也较大［8］;反之则较小。因此，在改进的管道风险评分法中，应用熵权值来确定各风险因素的权重。

(1)对m个管段的n个因素进行专家打分，则xij为第i个管段的第j个因素的打分值(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)。

(2)指标的标准化处理。

为消除量纲影响，对数据要进行标准化处理，其标准化处理公式如下:

(3)求因素熵Hj。

其中:

(4)求熵权。

且有:

1.2 基于熵权理论的管道风险评分法的评价步骤

由于管道风险评分法中4类因素所占比重相同，而管道环境复杂各异，这样的比重分配会直接影响管道风险评价的准确性，影响管理者对后续部分管道维修和防护的决策。基于熵权理论的管道风险评分法更加科学合理地确定出各因素所占权重，符合管道实际风险评价过程。把熵权理论引入管道的风险评分法中，其步骤如下:

(1)管道分段。根据对管道的历史维修记录的研究以及对其沿途环境的实地考察分析，将管道适当分段［9－11］。

(2)根据现场调研，采集的数据，将所分的各管段进行专家评分。

(3)计算各事故因素的熵权值。根据式(2)，(3)中Hj与wj的计算公式，分别计算各事故因素所对应的熵权值，并对其进行排序，了解各因素对管道的影响程度。

(4)根据权重调整各因素的风险评分，计算各因素的最后得分，其计算公式如下［12］:

式中 Pj——改进后的第j项因素得分

rj——原风险评分法中第j项因素的得分

(5)根据新的各因素所得分，计算新的指数和。

(6)计算各管段的相对风险值。

本方法只对原管道评分法权重做出合理的改进，其评价原理没有改变，因此其最终指数和仍然在0～400分之间，最后再与泄漏冲击指数结合，得到最终的相对风险值。该方法易于实现，且能较好地反映出管道的真实风险程度。

2 基于熵权理论的管道风险评分法的应用

2.1 北一线输油管道概况

以北一线输油管道为例，此管道已服役42年，只有两座输油站，即首站北油库和末站南三油库。全程无阀室，在距离北油库4 km处有1个阀门。全程穿越公路6条、铁路1条、河流1条。自运行以来管线均未做过内检测。

北一线输油管道沿线情况较为复杂，管道总体走向为由西向东，沿途多为农舍草地，同时途经高压杆附近以及人口密集处。

2.2 北一线管道的风险评估

通过对管道的概况仔细研究以及对其沿途环境的实地考察分析，把管道划分为9个管段，并通过现场调研、数据采集、对9个管段的4个事故因素下的各次级因素进行逐级评分，最后整理出这四类事故因素中每项因素最终的得分，同时采用了评分法计算此时的相对风险值，其结果如表1所示。

表1 原始评分法各管段指数和

首先，根据式(1)将数据进行标准化处理，处理后的数据如表2所示。

表2 标准化处理数据

然后，根据式(2)计算出各指标对应的因素熵为:H1=0.895507，H2=0.782485，H3=0.924577，H4=0.956543;按照式(3)计算得出各熵权值为:第三方破坏权重w1=0.237005、腐蚀权重 w2=0.493357、设计权重 w3=0.171071、误操作权重w4=0.098567。通过计算可知，在北一线管道中，腐蚀因素对管道影响最大;其次是第三方破坏、设计;而误操作对管道影响最小。由北一线输油管道的概况可知，其途经多处草地、水泡，因此其管道腐蚀情况较重，同时其途经多处村屯，人口较密集，因此第三方的破坏因素对其影响也较大。鉴于北一线注重于员工的风险培训，因此其误操作因素影响较小，由此可知新方法确定的权重符合管道实际情况。

最后，根据新的权重值重新计算了指数和，并计算了各管段相应的相对风险值，其结果如表3所示。

根据结果绘制两种方法的相对风险值柱形图，如图1所示。

表3 调整权重后各指数和

图1 各管道相对风险值

管道风险与相对风险数的数值成反比，即当管道的相对风险数值较高时，表明管道的风险较低，管道的运行状况较好，较安全。从图1中可以看出，改进的评分方法计算的风险值与原评分法计算的风险值相近，但均略有下降，根据文献［9］中管段风险划分的原则可知，管段 1，2，6，8，9 相对风险系数较低，属高风险管段;管段3，4，5，7相对风险系数较高，属中等风险管段［13］;新的管段的风险排序为:6＞1＞9＞8＞2＞4＞3＞5＞7，同时，通过图1相对风险值的对比可知，计算后的相对风险值均有所降低，且对于中等风险的3，4，5，7管段其值降低相比较大，表明管段的实际风险较大。

鉴于新方法中对管道的风险因素在结合管道实际情况下，进行了权重确定，而非原评分法的对风险因素权重均等的处理，因此其表明的风险状态更加接近实际风险状态，同时明确化的权重有助于管道管理者更加准确地了解管道失效的主要因素，有针对性地根据各因素造成的影响程度，采取相应的维修保护等措施对管道进行管理，保障管道的安全，延长管道的寿命。

3 结语

对管道现场情况复杂多变的问题，采用风险评分法对其进行风险评价时各事故因素应用的权重相同，不能很好地反映出管道的真实风险状态，针对风险评分法的这一缺点，对其进行了改进，引入了熵权理论对其各事故因素重新确定了权重，明确了各因素对管道的影响程度。该方法在北一线输油管道中进行了应用，结果表明由此得出的新的指数和更为合理，有利于管理者对管道进行维护和管理。

［1］ 丁明江，吴长春.专家评分法在油气管道风险分析中的应用［J］.油气田地面工程，2004，23(1):10－11.

［2］ 杨林娟，沈士明.天然气配气管网定量风险分析［J］.压力容器，2007，24(9):29 －34.

［3］ 唐寅超，张阳，史宝成.管道风险评价方法比较及改进［J］.内江科技，2010，12(12):18 －19.

［4］ 赵俊茹，戴光，张颖，等.管道风险评分法及在输油管道中的应用［J］.压力容器，2007，24(9):35 －38.

［5］ 谢丽婉.基于模糊综合评价的聚乙烯(PE)管道安全预警程序［J］.压力容器，2012，29(2):67－71.

［6］ 张俊，张彼德，敬海兵.基于熵权理论和灰色评估理论的变压器绝缘状态评估方法［J］.电气开关，2012(2):24－25.

［7］ 李佑莲，谢大勇.熵权理论在工程投标项目决策中的应用［J］.基建优化，2007，28(2):32 －34.

［8］ 邱菀华.管理决策与应用熵学［M］.北京:机械工业出版社，2002:46－47.

［9］ 严大凡，翁永基，董少华.油气长输管道风险评价与完整性管理［M］.北京:化学工业出版社，2005:164－171.

［10］ 方华灿.油气长输管线的安全可靠性分析［M］.北京:石油工业出版社，2002:25－67.

［11］ 孙海疆，偶国富，肖定浩，等.煤液化多相流输送弯管冲蚀磨损数值研究［J］.流体机械，2013，41(8):45－47.

［12］ 赵俊茹，戴光，刘冬妹，等.基于灰色理论的管道风险评分法的研究及应用［J］.压力容器，2010，27(5):51－53.

［13］ 杨嘉瑜，张德彦，李钦华.管道风险管理手册［M］.北京:中国石化出版社，2005:123－125.