基于信息修正的城市天然气供应系统风险评价

同济大学 刘东京 周伟国 潘新新

基于信息修正的城市天然气供应系统风险评价

同济大学 刘东京 周伟国 潘新新

引入无需评价指标风险概率分布的概率预测模型，计算天然气供应系统各评价指标的最大风险概率；通过主客观混合评价法对系统进行较为完整的评价；充分利用已有数据信息，对系统评价结果进行基于风险发生概率的修正；通过熵值权重法和概率权重法计算系统的主、客观权重，应用加法、乘法等运算得到基于风险概率变化度的组合权重，从而建立具有组合权重的城市天然气供应系统混合风险评价体系。

天然气 风险评价 熵权 概率权重 客观度 信息修正

0 前言

对城市燃气输配系统的风险评价，国内外已进行了较多研究。近年来，为了提高风险评价的客观性和可靠性，国内外研究人员将区间数、熵等概念引入评价过程中，计算风险指标的权重，并应用于具体工程实践中，如水资源短缺风险评价、地震灾害风险评价、硫化矿石自燃倾向判定等，但在天然气供应系统风险评价领域中的应用还比较少。本文以基于信息修正的风险概率预测模型，计算城市天然气供应系统未来各评价指标的最大风险概率；引入熵值权重和概率权重，分别计算系统各评价指标的主、客观权重，基于评价指标的单因素模糊评价及组合权重，建立了具有组合权重的天然气供应系统混合风险评价体系。

1 概率预测法

1.1 最大概率模型

假设F0为初始时刻评价指标的概率，Ft为t时刻的评价指标的概率，则在置信度1-α下t时刻最大发生概率MF定义为：

其中，MF为置信水平在1-α下的风险概率，表明评价指标经过t时间后其故障概率大于MF的概率不超过α。

1.2 信息化风险概率

如果系统具有较为完备的风险评价信息数据库，假定系统的第i个子系统第j个评价指标的风险概率为xij，则有：

其中，K表示风险修正因子，反映了评价周期内维护工作对系统安全性的影响，Nt为由评价指标导致的风险量，F表示分析对象研究范围的大小，T为系统运行时间。

1.3 概率预测模型

假设系统存在n1个子系统，第i个子系统中包括n2个评价指标。则第i个子系统第j个评价指标风险概率xijt的时间序列可表示为

如果MF为xijt在置信水平1-α下的最大风险发生概率，则有：

根据EWMA不等权重假设，距离评价时刻越远的评价指标历史数据，对指标预测的贡献越小，即随着序列时间的增加，权重减小。显而易见，t0时刻的权重μ0最小，tm-1时刻的权重μm-1最大，各时刻权重满足关系

那么核密度估计函数可以转变为：

其中，hm为窗宽，φ()为核函数，表示第i个子系统第j 个评价指标在时刻的风险概率加权平均值。

对方程(4)两边同时积分，则有：

由式(6)可得：

那么在置信水平1-α下，可求得临界值为：

即tm时刻第i个子系统第j个评价指标的预测风险概率。实际风险概率密度分布不一定是正态分布，故对风险概率的密度分布函数难以确定，采用上式可在风险概率密度函数未知的情况下进行风险概率预测。

2 风险指标混合评价法

混合评价法同时采用主观评价和客观评价两种方式，通过对主观评判和客观评价两种模式的综合分析，可得出系统风险评价指标的评价结果。

则评价指标总评价结果为：

当xij=0时，风险评价不包含客观评价，评价结果全部来自主观评价；当xij=1时，系统的评价指标不存在主观评价，全部为客观已知值。

3 基于风险概率修正的风险指标评价

结合风险数据库中各评价指标的风险概率对风险评价结果进行修正，假设系统第i 个子系统第j 个评价指标基于数据库分析的风险概率修正评价结果为，那么修正结果有下面三种形式：(1)当数据库信息时间差即工作时间时(Ts 为数据库达到高可靠性的时限），由于数据积累时间有限，不能充分说明系统各指标的概率变化特性，因此不做概率修正，即：

4 风险指标权重

4.1 概率权重

假设系统第i 个评价指标的概率信息随时间变化，取系统时间节点前的一定时间段t 内的评价指标概率进行分析。评价时刻记为，设评价时刻前的m个时间点均匀分布在时间段t内，其评价指标概率分别为，基于距离现在越远的概率分析时刻，对现在风险评价的影响越小的原则，假定各时刻评价指标的概率权重分别为各时刻概率权重的关键度为且满足条件：

4.2 熵权计算

计算第j项指标下，第i个系统中的特征比重：

计算第j项指标的熵值：

ωj为归一化的权重系数。

4.3 组合权重

通过熵值权重和概率权重可分别得到系统的主、客观权重，因此两种权重计算方法的优缺点就十分明显。概率权重法虽然利用比较完善的数学理论与方法，但忽略了对于评价问题来说非常重要的决策者主观信息，而且在信息不全的情况下不能完整地反应系统各指标的影响。熵权计算法是对专家权重的不确定处理，反映了评价者的主观判断，但在综合评价结果中可能产生一定的主观随意性。因此，寻找一种主观权重和客观权重相契合的组合权重法十分必要。组合权重法是主客观权重的结合，是一种能同时体现主、客观信息的权重确定方法，一般可应用加法、乘法、指数运算得到基于风险概率变化度的组合权重。

5 基于信息系统的风险评价模型

假定城市天然气供应系统的总风险量为Q，系统存在n1个子系统，用qi表示系统第i个子系统的风险，系统总风险量Q=f (q1,q2,…,qn)，f 表征各子系统与总系统的关系。如果n1个子系统互不相关，则系统总风险量为：

如果第i 个子系统的风险量存在如下假设：

第i个子系统第j个评价指标的客观风险量占该评价指标总风险量的比值用λij表示：

6 结语

建立了城市天然气供应系统基于信息修正不确性分析的风险评价体系，该体系的特点是在专家评价的同时，存在部分可靠的系统各风险因素的历史事故数据，或者具有详尽的数据，需要结合实际情况充分考虑数据信息与专家评价的综合影响。

通过对城市天然气供应系统的主、客观信息进行综合处理，基于评价指标的风险概率修正评价，简化了系统概率计算的复杂性，应用具有组合权重的混合评价模型对系统进行风险评价。

该模型在主观评价的基础上引入客观度的概念，通过主客观混合模型对系统进行较为完整的评价，适用于城市天然气供应系统运行阶段。

Risk Assessment for Urban Natural Gas Supply System Based on Information Revision

Tongji University Liu Dongjing Zhou Weiguo Pan Xinxin

Probabilistic prediction model without risk probability distribution of evaluation indexes was employed to calculate the maximum risk probability of each evaluation index of city natural gas supply system and to establish the risk evaluation system of combination weights for city natural gas supply system.

natural gas, risk assessment, entropy weight, probability weight, objectivity, information revision