基于AHP-DEMATEL法综合管廊天然气管道风险评估

杨 林， 高文学， 李颜强， 严荣松， 苗庆伟，王 艳， 户英杰， 杨明畅， 张 文

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司， 天津 300384； 2.国家燃气用具质量检验检测中心， 天津 300384)

1 概述

综合管廊是城市道路下集约化的隧道空间，将电力、通信、供水排水、热力、燃气等多种市政管线集中在一起，实行“统一规划、统一建设、统一管理”，并设有专门的检修、吊装、通风、照明、排水、监测等相关配套系统的城市综合管线工程[1]。随着我国迈入大规模建设城市地下综合管廊的新时代，全国已有一些城市建成相当规模的地下综合管廊，尽管已经在制度、法规、技术、经济等方面给出了综合管廊建设的参考建议，但就天然气管道安全风险评估问题，都以概念性、原则性、引导性为主，未细化至具体的操作层面。天然气管道受自身属性、介质特性和管理调度影响，运行过程存在泄漏风险，威胁附近城市生命线管道和综合管廊的正常运行，属于高危管道。天然气管道一旦失效，不仅影响天然气供应、危及人员安全，还有可能造成其他管线的破坏，甚至引发管廊本体坍塌，带来不可估量的损失。科学准确地进行风险评估是城市地下综合管廊天然气管道建设和运行过程中必须面对和亟待解决的紧迫问题。

2 风险评估指标及方法

城市地下综合管廊天然气管道风险评估指标(简称风险评估指标)是定量研究廊内天然气管道风险等级的基础。目前在管道风险评估常用方法中，KENT评分法是最为完整和系统的一种方法，其通过相关管线事故历史统计数据，将管道事故的原因归纳为第三方破坏、腐蚀、设计、误操作，由此计算管道风险值[2]，此方法容易掌握、便于推广，后续相关学者建立的风险评估指标体系大部分是在KENT评估指标的基础上进行改进和优化[3-5]。但此方法基于管线事故历史统计数据，而综合管廊天然气管道运行时间较短，管道事故案例较少，同时廊内天然气管道与埋地管道和室外架空管道运行环境不同，不能完全借用现有燃气管道事故分析总结的影响因素与失效概率。因此本文基于城市地下综合管廊整体系统，对影响城市地下综合管廊天然气管道正常运行的危险、有害因素进行科学性、系统性、全面性地识别，确定风险评估影响因素。

经过咨询行业专家，结合综合管廊天然气管道特点，将影响城市地下综合管廊天然气管道安全运行的因素归结为综合管廊、周边环境、天然气管线系统、其他因素类，构建城市地下综合管廊天然气管道安全运行风险评估指标体系，见图1。

图1 综合管廊天然气管道安全运行风险评估指标体系

目前，常用的指标权重确定方法有主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法是指一定程度上依靠专家或评估者的知识和经验来确定指标权重，包括德尔菲法、层次分析法、环比评分法等。客观赋权法主要是利用样本数据自身的特征信息确定各指标权重，包括主成分分析法、灰色关联度法、熵值法等。层次分析法(AHP法)采用定性分析和定量分析相结合，构建评价指标间重要性两两比较矩阵，是一种科学有效的权重确定方法，但此方法未考虑各因素之间的影响关系[6]。本文引入决策试验法(DEMATEL法)，该方法运用图论和矩阵进行系统要素分析，揭示要素间的复杂关系，构建基于AHP-DEMATEL法的管道风险评估模型。

3 管道风险评估模型

3.1 AHP法确定指标初始权重

AHP法将要解决的问题系统地、有层次地分解成多个指标，并建立层次结构，进行有效定性和定量分析，具体计算步骤如下。

3.1.1构建判断矩阵

将指标重要程度划分为9个等级，并进行两两比较，其中1、3、5、7、9级分别表示两个指标同等重要、略微重要、相当重要、明显重要、绝对重要，2、4、6、8级介于两个重要程度之间；相对不重要则采用倒数取值的方式，如1/3、1/5、1/7、1/9等[7]。可以采用专家问卷调查等方式，构建管道安全运行风险评估的判断矩阵A。如：判断矩阵A的第i行第j列元素为9，表示第i个风险评估指标比第j个风险评估指标绝对重要。

3.1.2计算第i个初始权重

首先计算判断矩阵每一行元素的乘积，再对乘积进行求e次方根计算，最后进行归一化处理，具体计算式[7]如下：

(1)

(2)

(3)

式中Mi——判断矩阵A第i行元素的乘积

e——判断矩阵A的阶数，即风险评估指标数量

Aij——判断矩阵A的元素

mi——判断矩阵A第i行元素乘积的e次方根

基于上述步骤得出的初始权重矩阵，计算判断矩阵的最大特征值λmax，并对其进行一致性检验，具体计算式[8]如下：

Q=AW1

(4)

(5)

(6)

(7)

式中Q——新构建矩阵(e×1矩阵)

A——判断矩阵

W1——风险评估指标初始权重矩阵(e×1矩阵)

λmax——最大特征值

Qi——新构建矩阵Q的第i个元素

CI——一致性指标

CR——一致性比例

RI——随机一致性指标

当e为1、2、3、4、5、6、7、8、9时，RI分别为0、0、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45。当CR小于0.1时，满足一致性检验。

3.1.3风险评估指标初始权重的确定

第i个初始权重的内涵：对于准则层对目标层A的判断矩阵，第i个初始权重就是第i个准则层初始权重，i的变化范围为1～4；对于每个指标层对准则层的判断矩阵，第i个初始权重就是第i个指标层初始权重，i的变化范围随风险评估指标数量而定。

第i个风险评估指标初始权重等于该风险评估指标所在的准则层的准则层初始权重与相应的指标层初始权重的乘积，i的变化范围为1～14。

3.2 DEMATEL法确定指标影响权重

决策试验法(DEMATEL法)是通过指标之间的逻辑关系与直接影响矩阵，计算各指标对其他指标的影响程度以及被影响程度，具体计算步骤如下。

3.2.1构建直接影响矩阵

将指标之间的关系分为5个等级，其中0、1、2、3、4级分别代表没有影响关系、影响弱、影响比较弱、影响较强、影响很强[6]，同样可以利用专家打分法确定风险评估指标直接影响矩阵B。

3.2.2计算指标影响权重

首先将风险评估指标直接影响矩阵B规范化处理得出矩阵R，进而计算综合影响矩阵T，确定风险评估指标影响度、被影响度、中心度、原因度，然后计算风险评估指标影响权重。具体计算式[7-9]如下：

(8)

T=R(I-R)-1

(9)

(10)

(11)

Oi=Di+Cj(j=i)

(12)

Pi=Di-Cj(j=i)

(13)

Si=DiCj(j=i)

(14)

(15)

式中R——规范化的风险评估指标直接影响矩阵

B——风险评估指标直接影响矩阵

n——全部风险评估指标数量，本文n=14

Bij——风险评估指标直接影响矩阵B的元素

T——综合影响矩阵

I——单位矩阵

Di——影响度矩阵D的第i个元素，为综合影响矩阵T的列元素之和

Tij——综合影响矩阵T的元素

Cj——被影响度矩阵C的第j个元素，为综合影响矩阵T的行元素之和

Oi——中心度矩阵O的第i个元素

Pi——原因度矩阵P的第i个元素

Si——关系矩阵S的第i个元素

3.3 AHP- DEMATEL法确定指标综合权重

AHP- DEMATEL法是将上述2种方法结合，充分考虑上下层及同层之间的综合影响，使风险评估指标权重的确定更加科学与客观。基于上述步骤得出的初始权重与影响权重计算风险评估指标综合权重，具体计算式[9]如下：

(16)

式中Wi——第i个风险评估指标综合权重

3.4 基于综合权重的风险评估

借鉴相关文献中的管道风险等级划分原则[8]，将综合管廊天然气管道风险等级划分为低风险、中等风险、中高风险、高风险。为将定性指标评价转换为定量评价，确定天然气管道风险评估模型评语集，综合管廊天然气管道风险等级划分标准见表1。

表1 综合管廊天然气管道风险等级划分标准

根据风险等级划分标准，确定综合管廊天然气管道风险评估指标风险等级隶属度，得出风险评估指标风险等级隶属度矩阵U：

(17)

式中U——风险评估指标风险等级隶属度矩阵

Uij——第i个风险评估指标风险等级为j的隶属度，i=1～n，j=1～m

m——风险等级数量

将风险评估指标综合权重与隶属度矩阵进行模糊运算，得到廊内管道风险等级隶属度矩阵V：

V=WTU

(18)

式中V——被评估管道风险等级隶属度矩阵(1×m矩阵)

W——风险评估指标综合权重矩阵(n×1矩阵)

U——风险评估指标风险等级隶属度矩阵

根据最大隶属度原则，确定管道风险等级[9-10]。

综上所述，基于AHP-DEMATEL法进行综合管廊天然气管道风险评估流程见图2。

4 案例研究

基于本文提出的风险评估指标及方法，对某城市地下综合管廊天然气管道进行风险评估，为日常的安全管理提供参考。

4.1 风险评估指标综合权重

4.1.1风险评估指标初始权重

基于城市地下综合管廊天然气管道风险评估指标，采用专家问卷调查的方法构建准则层B对目标层A和指标层C对准则层B的判断矩阵，见表2～6。采用式(1)～(7)计算风险评估指标初始权重并进行一致性检验，计算结果见表7。

表2～6判断矩阵的最大特征值λmax分别为4.116 9、3.038 5、4.077 4、3.038 5、4.116 9，一致性比例CR均小于0.1，满足一致性检验。

表2 准则层B对目标层A的判断矩阵

表3 指标层C对准则层B1的判断矩阵

表4 指标层C对准则层B2的判断矩阵

表5 指标层C对准则层B3的判断矩阵

表6 指标层C对准则层B4的判断矩阵

4.1.2风险评估指标影响权重

基于风险评估指标，采用DEMATEL法，结合采用专家问卷调查构建风险评估指标直接影响矩阵，见表8。根据式(8)～(15)，得到影响度、被影响度、中心度和原因度等，最终确定风险评估指标影响权重，计算结果见表9。

表8 风险评估指标直接影响矩阵

续表8

表9 城市地下综合管廊天然气管道风险评估指标影响权重

4.1.3风险评估指标综合权重

将初始权重和影响权重按式(16)进行计算，得到风险评估指标综合权重，计算结果见表10。

表10 城市地下综合管廊天然气管道风险评估指标综合权重

4.1.4风险评估指标权重分析

基于上述研究，得出风险评估指标初始权重、影响权重和综合权重，将其由大到小排序，见表11。

通过分析表11可知，分别按照初始权重、影响权重和综合权重进行排序，风险评估指标顺序有一定的变动。

表11 风险评估指标权重排序

续表11

综合权重与初始权重相比，风险评估指标权重排序前5位没有变动，主要变动情况如下：管廊附属设施C13从第9位提升到第7位，单位及人员资质C42从第10位提升到第9位，建设过程的程序合规性C41从第13位提升到第10位，周边地下空间情况C24从第14位提升到第12位。

安全应急措施及装备C44体现预防和处置事故的能力，对提高管道运行安全、降低风险的作用应大于天然气管道附件C32；管廊附属设施C13中包含综合管廊的消防系统、通风系统、供电系统、照明系统等，其对保障廊内天然气管道正常运行的作用应大于运维管理制度C43、地质条件C21等。通过分析可知，按照综合权重的指标排序与现实情况比较接近。

4.2 风险评估指标风险等级隶属度

根据上述城市地下综合管廊天然气管道风险评估指标和风险等级划分标准，基于综合管廊天然气管道实际情况，确定风险评估指标风险等级隶属度，见表12。

表12 综合管廊天然气管道风险评估指标风险等级隶属度

4.3 风险评估结果

基于上述计算得出的风险评估指标综合权重矩阵，结合天然气管道风险评估指标风险等级隶属度矩阵，计算得到管道风险等级隶属度矩阵V，V=(0.872 2,0.126 9,0.000 9,0.000 0)。可以看出，基于AHP-DEMATEL法得到的综合管廊天然气管道风险评估结果低风险等级的隶属度为0.872 2，根据最大隶属度原则，此综合管廊天然气管道的风险等级为低风险。

5 结论

① 针对综合管廊内天然气管道特点，构建了以综合管廊、周边环境、天然气管线系统、其他因素为准则层的城市地下综合管廊天然气管道风险评估指标体系。

② 采用层次分析-决策试验(AHP-DEMATEL)法建立综合管廊天然气管道风险评估模型，综合考虑上下层级与同层级风险评估指标之间的影响关系，有效提升指标权重赋值的科学性和客观性。

③ 提出的风险评估模型可以对综合管廊天然气管道风险进行定量计算，案例分析证明该方法能够有效评估综合管廊天然气管道风险。