基于改进CRITIC 修正AHP 的长输油气管道风险评估方法

赵俊茹 张美玲 田峻东 孟凡想 吴 青

（东北石油大学机械科学与工程学院）

长输油气管道普遍具有浅埋、薄壳、内含易燃易爆有毒介质的特点， 一旦发生泄漏等事故，后果不堪设想，因此开展风险评估对于提高长输油气管道的安全性具有重要意义［1］。 在不同的管道风险评估方法中，风险指标的确定是基础，且不同的风险指标对管道的影响程度均有所不同［2，3］。近年来，许多学者利用改进后的肯特打分法对管道进行了风险评估，如田思祺等针对跨越管道的特殊性，在原肯特打分法风险因素基础上增加了结构安装和自然灾害因素，并运用云模型确定了各指标的权重［4］；骆吉庆等在原风险因素基础上增加了自然环境指标， 运用Mamdani算法计算了海底管道风险值，结果准确且计算方便，但其未确定各二级指标［5］。 现有研究在确定风险指标权重时大多是将主客观权重线性结合起来［6～8］，虽然能够同时反映专家的经验知识和数据的客观信息，但无法科学反映各评估指标间的相互影响程度，且其中的组合系数难以合理确定［9～11］。

由于长输油气管道途经地区自然环境复杂多变且恶劣［12］，因此对自然环境因素的风险评估十分重要，然而原肯特打分法中并未考虑这一因素，且忽略了各项指标对管道影响程度的差异性而导致风险评估结果不准确［13］。 为此，笔者在肯特打分法原失效因素的基础上增加自然环境这项一级指标，并针对各因素权重相同会导致评估结果准确性下降、组合赋权法中组合系数难以合理分配的问题，构建了一种基于改进指标相关性指标权重确定方法 （Criteria Importance Though Intercrieria Correlation，CRITIC） 修正层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP） 的肯特评估模型，并将该模型应用于庆哈输油管道中以验证模型的有效性。

1 改进肯特打分法

肯特打分法是在分析总结案例和专家丰富经验的基础上形成的。 该方法将管道按照实际沿线状况分段，对第三方破坏、腐蚀、设计与本体、误操作4类失效因素逐项评分后累加得到指数和， 再除以泄漏影响系数后得到相对风险评估值，风险评估值与管道风险程度成反比［14］。 肯特打分法计算式为：

其中，R为相对风险评估值；S为失效指数和（0≤S≤400）；T、C、D、I分别为4项风险指标指数（各项指标满分均为100分）；A、B分别为介质危险性指数和影响系数指数。 目前，我国对油气管道风险评估的风险等级划分中，多采用SCHLECHTER W P G提出的管道风险等级划分标准（表1）［15］。

表1 管道风险等级划分标准

长输油气管道要穿越不同规模的河沟、水渠、公路等，沿线情况复杂，灾害类型多，对管道安全运行的影响不容忽视［16］。 为此，笔者在原肯特打分法的基础上，构建包含第三方破坏、腐蚀、设计与本体、误操作、自然环境5类风险因素的风险指标体系。

通过现场调研与资料收集分析［17］，确定各一级指标的二级因素，得到改进后的评估模型如图1所示， 改进后的管道风险指标体系如图2所示，其中红色虚线框内为新增的风险指标。

图1 改进肯特打分法风险评估模型

图2 改进肯特打分法管道风险指标体系

对肯特打分法中各风险指标重新赋予权重，计算式变为：

其中，E为自然环境指数；ωj（j=1，2，3，4，5）为各指标权重值；L为泄漏冲击指数和。 为保证文献［15］中的管道风险等级划分标准仍适用于改进后的方法，使改进后的失效指数和（400分）不变，则5项指标其各自满分变为80分。

2 基于改进CRITIC修正AHP的评估指标权重优化

2.1 计算各指标改进CRITIC信息量

与原方法相比改进CRITIC采用均值消除了标准差的量纲影响［18］，并将其绝对值代入计算消除相关系数的正负号影响［19］，使得计算过程更加简便，同时计算得到的信息量越大说明该指标对评估对象的影响越大。

计算指标所含信息量公式为：

其中，Cj表示第j个指标的信息量；rjk表示指标j和k之间的相关系数；δj和μj分别为第j个指标的标准差和均值；m为被评价指标个数。各指标层的信息量用该指标层内各指标信息量的均值代替。

2.2 修正AHP的权重计算方法

AHP可以作为风险评估中确定指标重要程度的一种有效方法［20］，其中权重的确定需计算判断矩阵的最大特征根λmax进行一致性检验。 基于改进CRITIC修正AHP的权重ωj计算步骤如下。

第1步，建立判断矩阵。根据式（4）计算得到的改进CRITIC信息量对同层次指标按重要程度排序，消除主观排序带来的误差，构造出更准确的判断矩阵。 设判断矩阵中第k个指标对第j个指标的重要性标度为akj（k=1，2，…，m；j=1，2，…，m）。

第2步，一致性检验。 对判断矩阵进行一致性检验：

其中，CI为一致性指标，RI为平均随机一致性指标，当m=5时，RI=1.12。 若CI<0.10，则代表判断矩阵通过一致性检验，否则需要对判断矩阵进行重新调整。

第3步，对判断矩阵进行归一化处理，并将归一化后所得的矩阵按行相加：

其中，αkj为判断矩阵中第k个指标对第j个指标的重要性标度，bj为第1个指标到第m个指标的重要性标度之和。

第4步，计算权重：

3 应用实例

3.1 庆哈输油管道概况

以庆哈输油管道为例，该管道位于中国黑龙江省，冬季气候寒冷，目前已服役23年，全线共有4座输油站、5座阀室，管线穿越安肇新阿什河、松花江，多处穿越水渠、公路，实际情况复杂。

3.2 庆哈输油管道的风险评估

根据截断阀室和输油站的位置、河流的穿越位置、沿线的人口密度、土壤状况与常年气候差异将庆哈输油管道分为12个管段。 邀请专家对5项一级指标进行打分，结果见表2。

计算各风险指标改进CRITIC信息量。 通过式（5） 计算得出各项风险指标改进CRITIC信息量（表3）。

表3 各风险指标信息量

由表3可知，按照信息量排序为第三方破坏腐蚀＞自然环境＞设计与本体＞误操作。

邀请专家结合信息量排序来确定指标之间的重要性标度和判断矩阵，然后根据式（8）计算各风险指标权重占比，结果如图3所示；同时计算各管段的相对风险值与风险等级（表4）。

图3 各风险指标权重占比

表4 基于改进肯特打分法的风险等级计算结果

3.3 评估结果分析

将改进前后的庆哈输油管线风险评估结果进行对比，如图4所示，可以看出，改进后的风险评估方法得到的风险评估值均低于改进前的，即风险增大，其中管段5、7、8均由低风险管段修正为中风险管段。 另外，由于管线所处位置常年气候变化较大，尤其冬季气候寒冷，自然环境恶劣，因此应加强对相关管段的监管。

图4 改进前后的庆哈输油管线风险评估结果

4 结论

4.1 管道的自然环境会对管道的安全运行产生影响，所以在管道风险评估过程中，增加自然环境因素， 并根据实际情况确定相应因素的权重，然后利用基于改进CRITIC修正AHP的肯特评估模型确定管道风险等级。

4.2 采用改进CRITIC信息量之比 （用于反映各评估指标间的相互影响程度）代替专家主观确定评估指标之间的重要程度之比（本层所有指标针对上一层某一指标的相对重要性的比较即为重要程度之比）， 并基于改进的CRITIC修正AHP赋权法，使评估结果既反映了专家丰富的经验又反映了数据的客观信息，同时避免了组合赋权法中组合系数无法合理分配的问题。

4.3 将改进后的肯特打分法应用于庆哈输油管线， 结果表明改进后的风险评估方法更加合理，管道管理人员在气候严寒时可增加对管线的巡检力度以确保管线的安全运行。