基于改进层次分析法的石油运输安全风险评估研究

李 菁

(西安职业技术学院，陕西 西安 710077)

石油是一种重要的应用资源，其产出具有区域性特征，因此石油运输对于保障石油供应、促进经济发展具有重要意义[1-2]。石油运输中存在大量风险因素，易导致危险产生，需研究一种有效的石油运输安全风险评估方法[3]，以衡量石油运输的安全性。

当前普遍使用的评估方法多以人工蜂群算法或风险评估集对模型为核心，评估结果普遍存在误差[4-5]。主要是因为这种方法都没有考虑石油运输的多层次性，虽然层次分析法也是一种普遍使用的评估方法，在评估应用中具有突出优势，但在实际事物分析过程中，层次分析法存在较为显著的主观性问题。本文利用熵权法对其进行改进，并将其应用于石油运输安全风险评估中，降低权值计算的主观性，提升评估结果客观性。

1 改进的安全风险评估方法

1.1 层次分析法实现流程

以层次化形式呈现不同因素的层次分析法，通过逐一对比不同关联因素为分析或预测事物未来趋势提供依据，该方法具体实现流程如图1所示。层次分析法分析影响事物的各个因素，依照一定逻辑划分这些影响因素的组别，构建具有一定秩序性的层次结构，并在其中对比各层内不同影响因素的相对关键度，构建判断矩阵。确定矩阵内特征上限值即其对应的特征向量，获取一层内不同影响因素对上层内某影响因素的关键度次序[6]，由此获取相应的权重向量。

图1 层次分析法实现流程Fig.1 Implementation flow of AHP

1.2 构建层次化结构体系

造成石油运输安全风险的因素较多，可分为运输工具的安全性、运输路线的安全性、运输管理能力3个一级因素以及若干二级因素。石油运输安全风险评估的详细分层如图2所示。

1.3 判断矩阵构建

两两对比全部影响因素(即图2内所示的各评估指标)，同时通过相对尺度对比法统一量化对比不同单位量纲等难以对比的因素，是层次分析法的核心。利用判断矩阵能够描述当前层内全部影响因素对上层内某影响因素相对关键度的对比情况[7]，对比结果可通过1～9标度法表示。

图2 石油运输安全风险评估指标层次结构Fig.2 Hierarchy structure of oil transportation safety risk assessment index

判断矩阵内全部元素均需实施n(n-1)/2次对比(其中n为全部影响因素数量)，考虑矩阵绝对一致性较难实现，可在不完全一致条件下确定不同影响因素对上层某影响因素的权重。以一致性指数RCI为标准确定判断矩阵一致性，其计算公式为：

(1)

式中，λmax为判断矩阵特征上限值。

在RCI值为0的条件下即可定义矩阵具备完全一致性，由此在矩阵阶数小于等于2的条件下，其具备完全一致性。矩阵阶数大于2的条件下，可以随机一致比RCR为标准，在RCR值小于0.1的条件下可定义判断矩阵具有近似一致性；相反，需再次构建判断矩阵，令其符合一致性标准。

1.4 权向量计算

影响因素的熵值与其变异水平之间呈反比例相关，同指标信息量与关键度之间呈反比例相关，也就是某一影响因素的熵值越大，其变异水平越小，包含的信息量与关键度就越低[10-13]。这也说明此影响因素的权重越小。实际评估过程中，依照不同影响因素的变异水平，通过熵确定不同影响因素的熵权，基于不同影响因素的熵权分析评估全部影响因素，提升最终评估结果的精度[14]。判断矩阵构建与权向量计算的具体过程如下。

针对m个待评估石油运输方法和n个评估指标，构建初始判断矩阵R=(rij)：

(2)

式中，aij为第j个影响因素下第i个石油运输方案的评估值。

(3)

利用式(4)确定第j个影响因素的熵值：

(4)

式中，k值为1/lnm。

利用式(5)确定第j个影响因素的熵权：

(5)

将上述所获取的熵权同层次分析法所获取的主观权重相结合可获取综合权重。依照最小相对信息熵概念，利用式(6)确定综合权重：

(6)

利用上述过程即可获取石油运输安全风险评估体系内不同影响因素的权重。

1.5 风险综合计算模型

根据综合权重wi同图2内各影响因素无量纲化处理后的值yi实施计算，获取石油运输安全风险评估值：

(7)

为分析石油运输的实际安全情况，划分风险评估值等级[15]，相应量化值采取10分制，风险等级划分情况见表1。在风险等级为A级和B级时，说明石油运输方案安全风险极高，需即时实施风险规避；在风险等级为C级时，说明石油运输方案安全风险较高，需制定针对性风险管控措施；在风险等级为D级时，说明石油运输方案安全风险等级中等，需制定相应风险管控措施；在风险等级为E级时，说明石油运输方案安全风险等级较低，可定期通过相应措施进行风险管控；在风险等级为F级和G级时，说明石油运输方案安全风险极低，无需进行风险管理。

表1 风险等级划分Tab.1 Risk grade classification

2 应用实例

为测试基于改进层次分析法的石油运输安全风险评估评估效果，以某省石化公司为研究对象，在当前所使用的汽车陆运、地下管道运输以及海上邮轮运输3类不同石油运输方案中分别选取对应的石油运输方案，分别命名为汽1、汽2、地1、地2、海1、海2，采用本文方法评估不同石油运输方案。

2.1 评估结果与分析

以汽车陆运石油运输方案为例，采用本文方法评估其安全风险，针对图2内所示的石油运输安全风险评估指标层次结构内各评估指标，计算其综合权重值，结果如图3所示。

基于图3所示的各指标权重，计算研究对象汽车陆运石油运输方案安全风险评估值为5.34分，安全风险等级为D级。采用相同过程获取地下管道运输以及海上邮轮运输方案安全风险评估值与安全风险等级，结果如图4所示。

图3 指标权重Fig.3 Index weights

分析图4得到，采用本文方法评估研究对象汽车陆运、地下管道运输以及海上邮轮运输方案安全风险等级分别为D级、E级和D级。同时由于本文方法中采用2种不同权值计算方法获取的综合权值，提升不同影响因素权值计算的精度。因此，本文方法评估结果与所选方案实际风险情况基本一致，由此验证了本文方法的可用性。

图4 不同石油运输方案安全风险评估结果Fig.4 Safety risk assessment results of different oil transportation schemes

2.2 应用性分析

应用性分析可从2方面进行，分别是评估结果的波动性和最优运输通道选取。

2.2.1 评估结果波动性

针对图4内本文方法对3种石油运输方案安全风险评估结果，对3种石油运输方案进行风险管控与方案优化。在此基础上，采用本文方法进行二次评估，对比前后2次评估结果(图5)，确定本文方法的应用效果。分析图5得到，二次评估后，汽车陆运方案的安全风险等级降低2级，地下管道运输方案安全风险等级不变，但风险值下降，海上邮轮运输方案的安全风险等级降低1级。由此说明，采用本文方法能够显著抑制石油运输风险，提升石油运输安全性与经济性。

图5 评估结果波动情况Fig.5 Fluctuation of evaluation results

2.2.2 最优运输通道选取

基于本文方法风险评估结果选取最优安全运输路线同样是本文方法应用目标之一。选取一个项目，对该目标待选的6个运输方案进行风险评估(表2)。

表2 待评估方案规划Tab.2 Scheme planning to be evaluated

以表2的待评估方案规划为基础，根据综合权重wi同图2内各影响因素无量纲化处理后的值yi获取石油运输安全风险评估值，所得结果如图6所示。分析图6得到，采用本文方法评估6个不同运输方案的风险值，汽2方案和海1方案风险评估值与其他4个运输方案相比较低。由于该石油运输项目中运输距离较远，因此地下管道运输方案并不适用；考虑石油运输的出发地与目的地所在区域，选择汽1方案时，虽考虑了输运工具的安全性，但运输路线的安全性和运输管理能力的风险显著提升，因此汽1方案风险高于汽2方案；海上运输方案中，海1着重考虑基础建设投入度与运输路线，却忽略了区域地形特点影响与途经区域的政治稳定性，因此其风险高于海2。汽2和海1相比，在运输工具安全性以及通道容量上具有一定差异性。通过以上分析得到，海1方案风险值最低，是待评估的6个运输方案中的最优运输方案。

图6 不同运输方案Fig.6 Different transport schemes

3 结语

为了得到更优的石油运输安全风险评估结果，提出了基于改进层次分析法的石油运输安全风险评估方法，结合熵权法改进层次分析法中权值计算的主观性问题，通过综合权重计算提升评估结果精度。实验结果显示，本文方法的应用效果较好，可在一定程度上提升石油运输的经济效益与安全性。