基于EW-SPA模型的天然气管道安全评价技术研究*

中国石油管道局工程有限公司第四分公司

天然气管道在运行过程中，受到多种因素的影响，其安全性存在相对较大的隐患，但是天然气又是我国发展的动力所在，也是推动社会发展和保护生态环境的关键能源，由此可见，保障天然气管道的运行安全十分重要[1-2]。近年来，随着科技的发展，天然气管道的安全状况已经得到了明显的改善，但是与发达国家相比仍然存在较大的差距[3]。因此，对天然气管道的运行状况进行安全评价，对于降低管道运行风险具有重大意义。

目前，国内外学者对于天然气管道安全评价问题进行了深入研究，应用的方法有层次分析法、模糊评价法以及聚类分析法等[4-6]。有相关学者建议将云模型以及系统动力法应用到天然气管道安全评价中，但是，上述方法都不能解决天然气管道运行过程中的不确定性问题[7-8]。由于熵权法（Entropy Weight，EW）可以很好地解决权重计算过程中的主观性问题，同时，集对分析法（Set Pair Analysis，SPA）可以解决整个系统中的不确定性问题，因此，在本次研究中，通过建立EW-SPA模型，对天然气管道安全评价问题进行深入研究，为保障天然气管道的运行安全奠定基础。

1 评价指标体系及评价标准

根据天然气管道行业内的相关标准以及天然气管道运行的特点，对管道运行中存在的诸多风险因素进行识别，并结合4M1E基本原理，将天然气管道运行过程中的风险因素分为5个一级指标和25个二级指标，进而得到了天然气管道安全评价指标体系，如图1所示。首先，天然气管道沿线的工作人员是影响管道安全的重要因素，人员的技术水平以及安全意识等都会对管道的安全产生重要的影响；其次，管道内介质所处的状态以及对管道进行的安全管理也会影响管道的运行安全，如果可以提高管道的安全管理水平必然会提高管道所处的安全状态；最后，管道设计的技术水平以及管道所处的环境会对管道的运行安全产生影响，如果管道所处的环境较为恶劣，则管道的安全性必然会下降。在本次研究中考虑的管道运行安全因素相对较为全面，可以进行下一步的研究。

图1 天然气管道安全评价指标体系Fig.1 Natural gas pipeline safety evaluation index system

各种评价指标的重要程度主要是通过问卷调查的方式得出结果，然后对各种指标的离散程度和重要程度进行分析。问卷调查表中包含了本次研究所考虑的所有因素，以对管道运行安全的影响进行研究。在重要程度分析的过程中采用了Likert 5 点法，1 表示非常重要，2 表示重要，3 表示一般重要，4 表示不重要，5 表示非常不重要。此次的问卷调查共发放120 份，其中现场工作人员发放40份，管理人员发放40 份，高校教师及专家发放40分，问卷调查收回有效问卷115份，有效回收率达到了95.8%。其中现场工作人员收回38份，管理人员收回39份，高效教师及专家收回38份。用SPSS软件对回收调查问卷数据进行信度检验，通过对检验结果进行分析发现，一、二级指标的重要程度均高于3，证明在天然气管道安全评价中一、二级指标都十分重要，这两级指标的Cronback Alpha 系数都高于0.7，证明回收调查问卷数据信度相对较高，指标体系建立相对较为合理。

评价标准的确定也会对最终的评价结果产生重要影响，在上文分析的基础上对安全评价标准划分为5 个等级，分别是非常安全、安全、一般安全、危险以及非常危险，各个等级的取值范围分别是[0，60）、[60，70）、[70，80）、[80，90）、[90，100]。

2 相关概念

2.1 EW法

在信息论中，熵是表示相关数据重要程度的重要信息，一般情况下，数据的熵越小，表示该数据的重要程度越高[9]。

2.2 SPA法

在对不确定性问题进行分析的过程中，SPA方法十分常见，该种方法主要是将问题的所有影响因素整合为一个由确定性和不确定性共同组成的系统，然后将确定性化为两个部分，分别是同一和对立，在对不确定性进行描述的过程中采用了差异性原则[10-11]。应用SPA 方法的具体思路为：在相关背景下，将两个集合A和B构成集对H(A，B)，然后对集对的特性进行分析，假设集合A和B中一共存在K个元素，两个集合中共有S个元素重合，P个元素处于对立的局面，则F(F=K-S-P)个元素就属于既不重合也不对立的部分。因此，集对的联系度计算可以用公式（1）表示，即

3 天然气管道安全评价模型

在建立天然气管道安全评价模型的过程中，首先使用EW方法对各项指标的权重进行确定，然后使用SPA方法对每个指标的联系度和综合的联系度进行计算，最后得到天然气管道的安全评价等级，这是基于EW-SPA天然气管道安全评价模型的简单步骤，在此基础上，还需要使用由五元连读数所组成的集对对天然气管道未来的安全形势进行全面分析[12]。

3.1 建立模型

使用EW方法和SPA方法建立天然气管道安全评价模型。

3.1.1 确定指标权重

EW 方法主要是通过用评价指标所建立的矩阵对权重进行计算，该种计算模式可以有效地克服权重确定前提下的主观性，得到的结果将具有更强的客观性[13-14]。EW方法计算步骤如下：

（1）建立判断矩阵U，在该矩阵中，一级指标m个，二级指标n个，因此，判断矩阵U可以表示为

（2）对判断矩阵进行归一化处理，进而得到矩阵R，公式为

对于数值越大越占优势的指标而言，根据公式（4）进行处理。

对于数值越小越占优势的指标而言，根据公式（5）进行处理。

（3）对第β个评价指标的熵值进行计算，公式为

如果Fαβ=0，此时的lnFαβ将无意义，因此Fαβ的计算公式可以修改为

（4）对第β个评价指标的权重进行计算，公式为

3.1.2 计算单指标联系度

在确定了各种评价指标的权重后，可以将天然气管道安全评价指标的集合A和安全评价标准的集合B相结合，进而得到集对H(A，B)，对集对H(A，B)的同一度、对立度以及差异度进行计算[15-16]。由于天然气管道安全评价过程中存在诸多的不确定性，但是多元联系数在处理该过程时具有很强的应用优势，因此，本次研究将三元联系数转化为五元联系数，五元联系数的表达式为

对于数值越大越占优势的指标而言，根据公式（11）对单指标联系度进行计算。

对于数值越小越占优势的指标而言，根据公式（12）对单指标联系度进行计算。

式中：xd为评价指标d的实测值；s1～s5为评价指标d的分级临界值。

3.1.3 计算综合联系度

通过引入集对H(A，B) 的同一度、对立度以及差异度矩阵的方式，将每个指标的权重矩阵、单指标联系度矩阵、同一度、对立度以及差异度矩阵相乘就可以得到综合联系度，计算公式为

式中：μAB为综合联系度；W为每个指标的权重矩阵；R为单指标联系度构成的矩阵；E为同一度、对立度以及差异度矩阵乘积。

3.2 集对势分析

利用五元联系数就可以对天然气管道未来的安全发展趋势进行评价，如果安全状态属于同势范围，则表示天然气管道安全状态与理想的状态具有同一趋势，管道的安全性相对较高，证明未来管道将具有较好的安全形势。如果安全状态属于均势范围，则表示天然气管道安全与否处于势均力敌的状态，管道安全性存在一定的高低变化。如果安全状态属于反势范围，则证明天然气管道安全性相对较低。利用五元联系数进行同势、均势以及反势划分和排序的方法参考文献[17]。

4 应用实例

以我国某条天然气长输管道为例，通过构建EW-SPA模型的方式对其安全性进行分析，该条管道的长度为219.53 km，管径为356 mm，已经连续使用8年，十分有必要对其安全性进行分析。

表1 各项评价指标的熵值及权重Tab.1 Entropy value and weight of each evaluation index

4.1 指标权重计算

根据上文建立的评价指标和收回的问卷调查结果，利用公式（1）～（7）对评价指标进行归一化处理，进而得到归一化处理后的矩阵，然后对指标的熵值以及权重进行计算，计算结果见表1。

4.2 联系度计算

4.2.1 单指标联系度

根据调查文件得到每个指标的平均值作为该指标的评判值，根据公式（10）～（11）对单指标联系度进行计算，以人员因素C1为例，计算结果如表2所示。

表2 人员因素C1 的单指标联系度Tab.2 Single index connection degree of personnel factor C1

4.2.2 综合联系度

根据公式（12），对综合联系度进行计算，进而得到：

在对i、j进行取值的过程中，采用了均分原则，最终确定i1=0.5、i2=0.01、i3=-0.5、j=-1，将四项数值代入公式中，进而得到综合联系度μ=0.541。使用比例取值的原则，将综合联系度所对应的天然气管道安全评价等级区间进行划分，即将[-1，1]分为了五个等级（表3），由于目标所对应的联系度为μ=0.541，属于区间Ⅱ，因此，该条管道处于安全状态。

表3 等级安全判断区间Tab.3 Level safety judgment interval

4.3 计算结果分析

4.3.1 EW分析

通过对EW法计算结果进行分析可以发现，环境因素和管理因素在整个安全评价体系中所占的权重相对较大，对天然气管道运行安全产生的影响相对较大，因此，建议管道管理公司从这两个角度入手，采取相关措施，对安全隐患进行有效的控制，降低天然气管道运行风险。

4.3.2 SPA分析

通过对天然气管道安全的发展趋势进行分析，并结合五元联系数的同势、均势以及反势划分和排序情况，根据公式 （14）可以得到：a＞c，a＜b1，b1＞b2，b2＞b3，b3＞c。这种情况属于同势，证明天然气管道正处于同势状态，天然气管道的实际安全状态和理想安全状态相同，管道的理想安全状态即为未来管道将会安全运行。由于管道的实际安全状态与理想安全状态一致，所以实际运行中管道也将朝着非常安全的方向发展，由此可见，该条天然气管道的管理企业需要继续保持高效的安全管理状态。

4.4 对比分析

为了对EW-SPA模型的合理性进行评价，将该模型的评价结果与其他模型的评价结果进行对比（表4）可以发现，这几种天然气管道安全评价技术的评价结果相同。EW方法主要是通过信息熵的方式确定各种指标的权重，该评价方法具有根强的客观性；SPA方法在进行安全评价的过程中充分考虑了等级边界的模糊性问题，在进行不确定性问题分析时具有很强的应用优势，同时，五元联系数的集对可以对天然气管道未来的安全趋势进行分析，进而为管道安全管理指明方向。综合而言，基于EW-SPA 的天然气管道安全评价模型十分合理可行。

表4 多种评价方法对比Tab.4 Comparison of various evaluation methods

5 结论

通过建立EW-SPA模型对天然气管道安全评价问题进行了深入研究，并对该模型评价结果的合理性进行了分析，通过本次研究可以得出以下结论：

（1）基于EW-SPA的天然气管道安全评价技术可以很好地解决天然气管道安全评价过程中的不确定性问题，同时可以实现定性评价和定量数据之间的转换，进而达到评价结果更加直观的目的。

（2）通过使用五元联系数集对分析的方式，在充分考虑天然气管道运行安全等级边界的基础上，对天然气管道未来的安全发展趋势进行预测，可以为天然气管道的安全管理提供方向支持。

（3）通过使用EW-SPA模型对我国某条天然气管道进行评价发现，评价结果相对较为准确，同时还预测出该条管道将朝着非常安全的方向发展，评价结果与其他评价模型一致。该模型评价方法还可以克服其他模型存在的诸多不足，应用优势明显。

（4）为了保障天然气管道的运行安全，仍然需要对天然气管道安全评价方法进行研究，未来需要完善天然气管道安全评价指标，以便开展更加全面的安全评价工作。