油气管道风险因素的权重赋值方法研究天然气工业期.doc

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油气管道风险因素的权重赋值方法研究
赵忠刚1 姚安林2 赵学芬3 薄英4
（1. 中国石油天然气管道科学研究院 河北廊坊 065000；2. 西南石油大学 四川成都 610500；3.重庆科技学院 重庆400000；4.中国石油管道公司科研究中心 河北廊坊 065000；）
摘要:对油气管道进行风险分析的一个核心问题就是对评价因子的赋权，赋权的合理与否直接影响到评价结果的科学性和准确性。本文首先介绍了权重的定义、作用以及赋权原则。并针对油气管道风险分析所涉及到的众多评价因素都具有模糊随机性的特点，从尽量减少当前各种权重确定方法对人为主观性依赖的原则出发，对目前管道行业风险评价中赋权方法进行了归纳总结，详细讨论了近十种主客观赋权方法的应用原理、步骤和效果，并指出它们各自不足和改进方法。最后，结合当前赋权研究的实际，指明了今后开展相关研究的方向。
关键词:权重；赋权方法；风险因素；油气管道
0 引言
对在役装置进行风险评价，可以预先发现导致事故的危险因素，以便采取措施消除或控制这些危险因素，从而保证装置安全平稳运行。目前，风险分析技术已被广泛地用于电子、石油、化工和许多工业领域的压力容器和管道安全评价问题中。具体到油气管道的风险分析，其目的在于辨识出影响管道安全的最基本因素，并依据最终分析结论对管道进行风险管理。
对油气管道进行风险分析，美国的W.Kent Muhlbauer 提出了较为完整的评分指标体系法[1]。其方法的主要步骤是建立风险模型、确定风险因素权重，进而制定相应的评分标准，采用总得分的大小对可能影响管道安全的各因素进行评价，最后根据评价结果采取相应的管理对策。虽然此方法具有比较经济、简单直观和易于理解等优点，但这种风险分析方法的某些局限性会降低了所得评价结果的质量，尤其是核心步骤中评价因素权重的确定受主观性影响等方面。进而使人们对基于风险分析的油气管道风险管理方法到底在多大程度上可以削减油气管道的事故风险产生了怀疑。
在油气管道风险评价指标体系确定的前提下，影响管道安全综合评价的首要任务是评价因子的赋权。权重的确定本质应该是客观的，于是权系数的选取应该满足一定的限制，可也允许一定的人为技巧，但当确定各项指标之间的相对重要性时，主观因素将起很大的作用。过去主要通过专家打分来确定，但是管道安全影响是一个多因素耦合而又模糊多变的综合体，因子权重的确定很复杂，具有很大模糊性与不确定性。在对油气管道进行风险评价中，对评价因子权重的分配，直接影响到评价结果的准确性和科学性。于是如何消除权重确定的主观性，合理对评价因子赋权，使其符合客观实际，不仅在提高风险分析的评价精度与灵敏度方面，而且在提高评价结果的质量可信度上，都有着十分重要的意义。
1 权重的定义与作用
“权”出自数理统计学。权威的韦氏大辞典中，对权（weight）的解释是：“在所考虑的群体或系列中赋予某一项目的相对值”。参考其它辞典的释意，可以知道：“权”是通过统计得出的频率分布中的频率，而且是表示因素重要性的相对数值[2]。此外由于统计资料的缺乏，再加上因素的重要程度一般需要人们根据因素事物中所处的客观地位及其贡献大小主观确定，因此，权重的确定具有明显的随机模糊性的特点。
对油气管道进行风险分析时，其风险因素在评价体系中的权重是指某个因子在所有评价因子中占有的比重。其量度包括两个方面，主观方面是指人们对评价因子的关心程度，客观方面是指评价因子对风险评价结果的影响程度。风险分析的过程实际上也就是多目标或多方案的综合比较的过程，于是常需要对描述该方案的各个指标赋予相应的权重，权重不同，就有可能导致评价结果的差异，甚至与实际状况相违背，因此权重的确定事关风险分析结果的可靠性与有效性。
2 确定风险因素权重的可选方法
权重的确定方法很多，目前指标权重的确定方法主要有主观赋权法和客观赋权法[3]。主观赋权法是由评价分析人员根据各项试验指标的重要性(主观重视程度)而赋权的一类方法，这类方法是基于对各项指标重要性的主观认知程度，免不了带有一定程度的主观随意性；客观赋权法是利用测试指标值所反映的客观信息确定权重的一种方法。下面所讨论的确定方法都是以n个参评因子，m个监测点(或专家)组成的n×m样本为对象，且所有因子的权重之和为1。即。
2.1　以专家咨询值为判定依据的主观赋权法
这类方法并非油气管道风险分析所特有，几乎所有领域的赋权问题都可应用它。它是以定性判断开始，通过座谈、通讯方式，向有关专家、领导等咨询参评因子的权重分配。然后进行数学解析，以确定权重。根据数学解析的不同，又可分为以下几种类型。
2.1.1　统计分析法[4]
它是采用德尔菲（Delphi）调查程序，通过连续几轮的咨询，最终得到各位专家的赋权方案，然后进行统计分析，得到各参评因子的权重。
若表示第个参评因子由第为专家所给的权重咨询值，且，则因子的权重公式为：
； （1）
统计分析法依据具体实施方法的不同又分为：特征向量法(CVM)、信息量模型法(IMM)[5]等。
但是这种方法没有考虑到专家们各自的差异，于是汤万金等[6]提出了改进方法，建立了“专家可信度”的概念，将评价因素的权表示为随机模糊数，其目的就是为了用随机数的峰值作为这个因素的“准确值”权，以专家的咨询平均值与“准确值”的贴近程度来表示专家的可信度，将可信度差的专家的咨询值剔除，然后再重新计算贴近度，直至达到贴近度小于临界贴近度后，才认可各专家对评价因子的权重咨询值。这样，就很大程度上提高了统计分析法确定权重的可靠性。
2.1.2层次分析法
层次分析法(AHP)[7]是一种定性和定量分析相结合的评价与决策方法，它将评价者或决策者对复杂系统的评价思维过程数学化，其优点在于具有较强的逻辑性、实用性和系统性。应用此法确定权重的原理是借用AHP的层次结构模型中的任一层次上各因子两两比较，构造比较判断矩阵，然后求解而得权重。
首先，根据重要性比较1-9标度法，将各评价因子进行两两比较，并赋予相应的重要性值（由专家咨询值确定），依此为基础构造判断矩阵A：
（2）
矩阵A中，，且；,为整数，且。
则各因子的权重为：
（3）
层次分析法对权重的确定需要对矩阵A的最大特征根计算来进行一致性检验，若检验不满意，则需重新判断因素间的重要程度，改写判断矩阵A的元素，直至满意为止。鉴于这个工作的繁琐程度，魏一鸣等[8]提出了应用层次行列元素法对层次分析法的权重分配的模型进行了改进，从而避免了做一致性检验的繁复工作，提高了计算过程简洁性和效率。类似的研究成果还可见杨敏的改进层次分析法（IAHP）[9]、罗志辉的判断矩阵启发式生成法[10]和何斌等人的权重最优估计层次分析法[11]。
为了减少1-9标度法的人为主观性，谢崇宝等[12]建立了由初始判断矩阵经过Fuzzy几何平均形成的具有完全一致性矩阵的理论解，简化了求取权向量的计算。
2.1.3灰色关联法
灰色关联是指事物之间的不确定关系，或者系统各因子之间，或者各因子对评价行为本身之间的不确定性关联。此法利用灰色系统原理[13]，基于评价因子序列的微观或者宏观接近，以分析和确定因子间的影响程度，或因子对最终评价结果的贡献程度，依此确定评价样本的权重分配[14]。
以因子的专家咨询值作为比较数列，所有权值中的最大者构造参考数列(数列项数与相同，都为)，即：
；；
差数列 （4）
关联系数为： （5）
关联度为： （6）
权重为： （7）
这种方法在管道风险分析权重确定中应用还不多见，其效果有待进一步检验。
2.1.4模糊综合评判逆方程法[2]
对油气管道进行风险评价，通常需要考虑到许多方面的因素及其相互影响，鉴于油气管道系统的复杂性和评价信息的欠缺，于是风险因素对整体评价结果的影响贡献难以用精确的概念表述，从而应用模糊集综合评判法来确定其权重是当前较为通行的做法。模糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清，不易定量的因素定量化，进行综合评价的一种方法。
综合评判数学模型一般步骤为：
（1）构造已知因素集和评价集；
（2）设因素的权分配为上的模糊子集；
（3）构造第个因素的单因素模糊评判为上的模糊子集，于是单因素评判矩阵(是上的一个模糊关系)为：
（8）
则模糊变换：称为综合评判的数学模型，是评判结果，其中，，它是上模糊子集即模糊向量。
模糊综合评判的逆问题是：根据专家的给出的咨询值，构造判断矩阵和评价结果，求因素的权分配。通常采用比较选择法。方法如下：
（1）人为选择个因素的权分配;（2）求出，其中
（3）按照模糊集的择近原则，求出与最贴近的模糊集，且，式中是与的贴近度，且，则所对应的即为理想的权分配方案。其中，合成运算为－取小取大，为－取大取小。
在这种常规的模糊综合评判逆方程赋权法应用中，由于常用的取大取小算法，信息丢失很多，常常出现结果不易分辨（即模型失效）的情况，所以，文献[15]针对模糊法中常用的最大隶属度原则进行了改进，提出了加权平均原则方法。此外，专家给出的结论是一个精确的数值，这显然与决策信息欠缺的实际情况不符，文献[16]采用采用数据分析包洛法（DEA），将定性指标处理成模糊数来提高精度；而文献[17]在精确赋权的情况下引入了置信因子；文献[18]提出将专家的评判结果表示为区间数，但改进有限。基于允许专家用模糊语言直接给出影响因素赋权，则构造的权重集将会更加合理的观点出发，于是文献[19]提出了一种用三角模糊数量化模糊语言的赋权方法；而文献[20]又将置信因子与梯形模糊数（TFN）结合起来，提出了一种新的模糊语言量化方法，下面对这种方法进行简介。
设某专家在做出评价时，因专家对自己做出的判断并没有绝对把握，因此，还给出了该评价的可能性 (≤≤ 1，视实际情况而定)，则可将该专家的评价信息记为。
若第j位专家给类因素 评定的模糊权重为 （9）
则该专家的期望评价可定义为常规的期望评价乘以可能性，即
（10）
于是位专家的平均期望值也可以求得，，最后将做归一化处理 (其中为类因素对权重集的隶属度)，得到类因素的权重集。同样可以得到其它因素集的权重集。这种方法又进一步的消除了专家主观性对评价结果的影响。
2.2　以评价因子标准值为判定依据的客观赋权法
标准是评价的尺度，如果在进行油气管道风险分析时，某一评价因子被赋予一定的标准时（比如说泄漏气体的毒性），可以将分级标准确定为该评价因子的权重，主要有以下两种类型：
2.2.1简单赋权法
若某因子的标准值为，则其相应的权重为
（11）
如果此评价因子的分级体系有个级别，那么应用简单赋权法就有相应的个权重向量。这种方法虽然简单易行，但因素较多时，评价者一旦无视各因素间的细微差别，将导致评价结果相对粗糙，于是权重需要进一步依据实际情况进行调整。
如果给定评价因子的严格等级较为困难，则可以利用专家经验划分大致等级，于是便能应用聚类法来确定评价因子权重，但聚类法没有考虑主要因子的影响，有时会导致平均化的结果[21]，应用时一般还需要结合其它方法。
2.2.2阈域赋权法[22]
此法是根据评价标准中因子在各级别间的平均相对差值的大小来赋权，其依据是若因子的各级标准间差值较大，则表明该因子只有增加一个较大的值才能引起该因素评价结果档次上的变化，说明该指标对评价结果的影响较小，故而权值也应较小，反之则大。其公式为：

（12）
式中，为评价因子的第级标准值，，为级别数；实质上是因子的各级标准间的平均差值。
2.3　以评价因子实测值为判定依据的客观赋权法
对油气管道进行分析，若实测不易操作或者定性的评价因子我们多采用专家咨询值法，实施各种方法对权重进行分配。而对于那些容易得到的评价因子的数据（比如说土壤腐蚀性等），我们多采用实际测量值作为判定依据进行权重分配。设评价指标数为，实测点数为，各点的实测值为，以此为样本便可确定评价因子的权重。
2.3.1熵赋权法[23]
在信息论中，熵是系统无序程度的度量，它还可以度量数据所提供的有效信息量。因此可以用熵来确定权重。当评价对象在某项指标熵的值相差较大时，熵值较小，说明该指标提供的有效信息量较大，该指标的权重也应该越大，反之亦然。所以，“熵权”理论是一种客观赋权方法。
使用熵权法确定权重主要有以下三个步骤：
原始数据矩阵进行标准化。即
（13）
对该矩阵标准化得到： （14）
式中为第个评价对象在第个评价指标上的标准值，。其中
（15）
定义熵。在有个指标，个被评价对象的评估问题中，第个指标的熵定义为：
， （16）
式中，，当时，令
定义熵权。定义了第个指标的熵之后，可得到第个指标的熵权定义，即
（17）
使用熵权法赋权，计算一次就可以得到适用于所有监测点的权重，于是可以减少评价过程所需的工作量，同时可将同一监测指标的多个监测样本点结合确定权重，这样就考虑了多个样本间的联系，可削弱异常值的影响，使评价结果更准确、合理。
2.3.2主分量分析法
鉴于油气管道风险分析需要考虑许多因素，如果将所有的因素考虑进去，自然会提高分析结果的准确性，但这样无疑会增加评价工作量，同时也是不必要和不现实的。于是采用主分量分析法将主要影响因素提取出来进行评价是合理的。因各主成分变量之间彼此非正交且独立，于是其特征是在不损失主要信息的前提下，反而会综合反映原来较多变量信息。
主成分分析法是一种多元统计分析法[22]。其步骤如下：①对各因子进行相关分析，确定相关系数矩阵;②计算矩阵的特征值与特征向量，即通过正交变换将矩阵化为对角阵，对角阵中的对角元素即为所求特征根，按其大小排列，分别称为第一、二特征值（）；③由特征值按雅可比（JACOBI）程序计算相应的特征值向量；④计算主分量的累积方差贡献率，以此确定的主分量数；⑤计算主分量中的载荷系数（即特征值的方根与相应的特征向量的乘积）；⑥将主分量中载荷系数归一化，即得各参评因子的权重值。
主分量的求解方法是求矩阵的特征值和特征向量，目前多采用JACOBI旋转变换标准算法来求取。而文献[24]在监测样本信息的基础上，利用正交旋转变换方法，提出确定权重的改进方法。该法避免了人为决定权重的主观性，能够比较客观合理地确定出各因子的权重。
2.4　其它赋权法
2.4.1　回归系数法
回归系数法赋权是将评价因子作为自变量()，以经济损益值等作为因变量（），建立多元回归方程:
（18）
根据回归系数计算标准回归系数，则权重公式为:
（19）
此法赋权在理论上是完善的，但它需要大量而又准确的实验数据和调查资料，因此可操作性较弱，执行起来较困难。
2.4.2 多目标二级决策法[25~26]
二级决策法是多目标决策的一类特殊问题，它在有限个指标情况下，对具体有限个方案进行综合排序，确定各指标的权重系数。下面以管道防腐为第一级决策，各个因素（大气或者二氧化碳等）防腐为第二级决策进行说明。
这种方法主要分两步：第一步，确定一级管道防腐决策的权重分配。将基础决策矩阵规范化和同向化得到矩阵，令，定义决策矩阵中各指标的理想值：
（20）
将影响腐蚀评价要素的质量定义为它与理想值间的距离，用下式描述：
（21）
越小，说明评价要素的质量越好，通过构造多目标模型，然后改造为等价的单目标最优化模型，借助于拉格朗日函数可以解得：
（22）
式中，是权系数，为决策矩阵中各指标的理想值。
第二步，将权重分配进行二级决策。将管道防腐要素作为指标集，将预防各个因素所引起的腐蚀作为方案集。求得各评价要素加权综合指数,然后继续按照第一步确定二级决策矩阵,经级差规范化处理形成决策矩阵，然后通过式（22）计算各要素的权重系数，即完成了管道防腐各因素的权重分配。
3 赋权问题的讨论
在油气管道风险分析中，权重赋值是影响评价结果质量好坏的重要指标之一，其合理与否，直接关系到风险评价过程的准确性和科学性，从而决定着以评价结果为依据所制订的风险管理的成败，于是今后有必要对赋权问题在下述方向上进行更深入的研究：
1）油气管道风险因素的权重不仅涉及到是多维赋权（比如对管道泄漏气体的毒性和危害性进行赋权就是二维赋权），而且还涉及到多层赋权问题。如何对涉及面广泛的评价因素进行赋权，还需要消化其它研究领域的赋权研究成果，结合管道风险评估的实际情况进行移植、调整和深化等方面的研究。
2）每种单一的赋权方法都难以将人为主观性完全消除，于是将多种赋权方法进行融合和集成是必要的。这个过程既涉及到主观赋权法和客观赋权法，又涉及到具体某几种赋权方法（比如模糊理论与层次分析理论，聚类理论与特征向量[27]等）相结合的赋权技术。虽然已有主客观赋权相融和方面的初步研究成果[28~30]，但是目前的方法在进行权重融合时往往又会引入一个偏好系数，这又在权重融合中添加了人为影响。于是如何使多种权重确定的方法浑然一体，最大程度的消除主观性，仍然是以后着重研究的重点。
3）赋权技术的择优问题。本文主要介绍了常用的近十种赋权方法，但随着油气管道风险分析研究的不断深入，相信还将会涌现出新的赋权方法。面对这些方法，如何选择最优，也是评价者应考虑的问题。除了遵循赋权原则以外，还应结合管道安全评价问题的实质，选择那种技术成熟可操作性强的赋权方法，从而得到满意的评价结果。
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The study of methods of assigning weight of oil & gas pipeline risk elements
Zhao Zhonggang1 Yao Anlin2 Zhao Xuefen3 Bo Ying4
(1. China Petroleum Pipeline Bureau Langfang Hebei 065000；2.Southwest Petroleum university Chengdu Sichuan 610500；3.ChongQing university of science and technology ChongQing 400000； 4. R&D Center of Petrochina Pipeline Company Langfang Hebei 065000)
Abstract：The nuclear issue of oil & gas pipeline risk analysis is how to assign weight to risk element. Whether assigned weight is reasonable or not will directly affect scientificity and accuracy of the risk analysis result. In this article, first of all the definition, function of weight and the rule of assigning weight to risk element are introduced. Further more, aiming at the feature that the numerous risk element concerned with risk analysis of oil & gas pipeline is of fuzzy randomicity, from the principal that try to reduce the dependency of methods of identifying weight on subjectivity of human, giving generalization of many kinds of ways of assigning weight among current oil & gas pipeline risk evaluate methods, discussing in detail application theory, steps and effect of ten sorts of subjective and objective assigning weight methods, and pointing out their limitations and improvement methods respectively .Finally, indicating the direction of relevant research for the future, Combined with the current practice of assigning weight study.
Key words: weight; methods of assigning weight; risk element; oil & gas pipeline

作者简介：赵忠刚（男），河北唐县人，国家注册安全工程师。2006年7月获得西南石油大学油气储运专业硕士学位，现在在中石油天然气管道科学院工作，研究方向为管道安全和风险评价技术，迄今为止已发表论文二十余篇。

联系方式：zherenshi@；通讯地址：河北省省廊坊市金光道22号管道科学研究院安评所 赵忠刚 邮编：065000 电话：[phone]

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