The Application of Fuzzy Variable Weighting Method in Project Selection of Underground Gas Storage
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摘要: 模糊变权法是一种利用权重随评估向量变化而变化的方法, 它能够很好地解决实际中评价极低的项目对全局的影响及其在何种程度下会被评估决策者放弃。指出在用模糊综合评价优选地下储气库的设计方案时, 应用变权法加大得分过低项目的权重, 可突出评价得分过低的项目引起决策者的注意。通过对计算实例采用常权法和变权法计算的最终方案排序不同的分析对比, 表明采用变权法计算的方案排序结果更加合理。Abstract: In fuzzy variable weighting method, evaluation weight varies with evaluation vector. This method can help policy makers to find the impact of the low-level evaluation on the whole plan and the degree to abandon it. In this paper, fuzzy variable weighting method is used to select design project of underground gas storage, the weight of the aspect in low-level on the comprehensive evaluation is added and the abnormally low-level projects are stuck out to attract the policy makers' attention. Through the example, it is proved that the sorting of constant weight and variable weight are different and the latter is more reasonable. Therefore, fuzzy variable weighting method can be applied to the same project selection.
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国内外对于天然气站场设备管理的研究主要集中在以可靠性为中心的维修(Reliability Centered Maintenance，RCM)和基于风险的检验(Risk Based Inspection，RBI)，以及将设备完整性管理技术应用于站场设备的精细化管理。研究对象主要集中在大型燃气发动机、离心式压缩机、往复式高压注气压缩机等，而对于阀门等工艺设备的维护维修策略的优化研究相对较少。天然气站场阀门等工艺设备起着分离、调节(压力和流量等)、截断、放空等作用，关系到下游用户能否安全平稳用气，因此其是否安全可靠至关重要。但是目前的工艺设备维护方式采用相对简单的检查手段，即定期维护保养，且日常管理主要依靠报表形式，信息传递慢；设备故障或维护保养缺乏知识库支持，数据记录不够规范；设备维护缺少一定的理论依据。ERP(Enterprise Resource Planning)系统的功能很强大，但对于天然气管道领域的设备维护和维修管理功能尚不完善，需要二次开发。因此，管理者迫切希望找到一种科学有效的设备检查、维护方法，作为ERP系统二次开发的技术支撑，在保证工艺设备设施安全、可靠运行的条件下，使工艺设备处于科学有效的监督管理之下，最大程度地保障下游用户的正常供气。
1. 评价指标因素确定
对站场各种工艺设备的重要程度做出科学合理的分类是有一定难度的。在考虑评价指标因素时不是越多越好，要本着既具有代表性又有较强的可操作性的原则。重点从优化维护维修策略方面考虑，确定了影响工艺设备重要度的因素，主要分为安全环保和生产运行两个方面，其中，每个方面又考虑了多项具有代表性的指标因素。安全环保风险评价因素包括危险环境类别、介质危害度[1]、污染探测系统级别、影响范围等；生产运行风险评价因素包括位置、冗余、功能、复杂系数、备件、价格、服役时间、供气影响等，每个因素又包含多个子因素。
2. 评价标准制定
确定设备重要度评价指标因素权重系数的方法有多种，冯世元等[2]采用模糊聚类分析法，于洪亮等[3]针对船舶机械设备重要度等级采用一种简易算法，包晓静等[4-5]采用了模糊综合评判法，李常有等[6]采用改进的TOPSIS法等。考虑现场人员的可操作性和易于理解性，采用层次分析法来确定各指标因素的权重系数，将决策者的意见和难以量化的因素用数学形式表达出来，避免了管理者以往采用主观意识直接赋予指标因素分值方法的不足，使之更加科学化。为便于工程应用，将层次分析法的算法在excel中编程，只需输入判断矩阵即可自动计算各因素权重系数，并进行一致性判断。层次分析法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法，尤其适合于对结果难以直接准确计量的场合，其主要步骤如下：建立阶梯层次结构，即第1节确定的各层次因素；构造两两比较判断矩阵；针对某一个指标因素，计算各子因素的权重；最后，进行一致性判断。
根据层次分析法原理[7]，最关键的步骤是构造判断矩阵。由于指标因素较多，决策者对每两个指标之间的重要程度进行判断时可能较困难，容易出现一致性检验不能通过的现象。为了减少或避免这种情况发生，对两两比较的过程进行了改进，不直接构造判断矩阵，而是将指标因素的重要程度分成9个级别(表 1)。决策者通过分析为每个指标因素赋予一个级别即可，然后结合层次分析法中判断矩阵的9个标度构造判断矩阵。
表 1 指标因素重要度分级描述
以实际生产运行中的位置因素为例：企业组织站场站长、生产科长、安全员等多名经验丰富的人员作为决策者，经过商议后，给出4种位置因素的重要度级别(表 2，其中u1=7，u2=5，u3=3，u4=1)。在构造判断矩阵时，u12=u1- u2+1=3，依此类推构造判断矩阵如下：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2006/3/href="yqcy-34-12-1315-FE1.png")
表 2 决策者对于位置因素重要度的主观判别结果
计算权重系数随机一致性比率为0.043 977，小于0.1，因此一致性验证通过。在评价时位置因素中4个子因素只能选择其一，“与输气干线直接相连的设备”位置最重要，取位置因素的最高分，其他选项分值根据权重系数比值确定(表 3)。
表 3 位置因素中各子因素权重系数及分值计算结果
其他指标因素应用同样的方法构造判断矩阵，并计算权重系数，计算结果显示：一致性验证全部通过。可见，采用该方法避免了由于一致性验证未通过需要多次调整判断矩阵的情况，简化了计算过程。因为指标因素数量较多时，如果某个相对重要度取值出现错误，查找起来将非常困难。
假设安全环保和生产运行两项因素的分值均为100分，其他各项因素分值根据其相对于上一层次的权重系数计算而得，并由此确定工艺设备重要度评分标准(表 4、表 5)。根据确定的评分标准对站场工艺设备进行评价，计算方法如下。
表 4 生产运行评价标准
表 5 安全环保评价标准
(1) 单台设备安全环保得分：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2006/3/href="yqcy-34-12-1315-E1.png")
(1) 式中：f1~f4为安全环保评价标准中4个评价指标所得分值。
(2) 单台设备生产运行得分：
![](/fileYQCY/journal/article/yqcy/2006/3/href="yqcy-34-12-1315-E2.png")
(2) 式中：F1~F9为生产运行评价标准中9个评价指标所得分值。
对试点站场阀门等工艺设备逐台打分，然后安全环保和生产运行两项评分结果分别按照分值由高到低进行排序。基于“二八原则”[8]划分设备风险等级，假设设备总数量为n，分值由高到低的n×20%台设备为高风险设备，分值由低到高n×50%台的设备为低风险设备，其他分值的设备为中风险设备。安全环保和生产运行两项风险均按照该方法计算风险高低，某设备两项风险中只要有一项是高风险，则该设备属于高风险设备，如果两项均为低风险，则该设备属于低风险设备，其他情况下属于中风险设备。计算结果显示：设备风险等级基本符合实际情况。
3. 维护维修优化建议
站场工艺设备种类多，尤其是阀门设施数量庞大，逐台精细管理不太现实，建议采取设备风险管理的方式：对于高风险设备重点管理，采取状态监测和定期维护相结合的方式进行管理；对于低风险设备采取事后维修或简单定期维护保养的管理方式；对于中风险设备的管理方式介于二者之间。设备维护周期[9]应该基于设备平均故障间隔时间[10]进行优化，但是站场工艺设备数量庞大，以上研究的某天然气管道全线工艺设备约1.7×104台，统计单台设备的平均故障间隔时间存在一定难度，暂时将一类设备作为一个整体进行故障统计。设全线站场某类设备数量为m，某年该类设备故障次数为x，则该类设备该年份的平均故障频率为f=x/m，平均故障间隔时间为T=1/f。T作为该类设备维护周期的推荐值。
目前站场工艺设备故障的信息化管理还不完善和规范，ERP等管理系统应用时间尚短，风险评估需要的故障及可靠性数据缺失较多。鉴于此，下一步工作将是优化ERP设备故障词典，严格要求站场工程师按照规范的故障词典准确、及时地记录每次故障信息，为今后更加准确地计算各类设备的平均故障间隔时间，从而优化维护维修任务奠定基础。为了更好地掌握各类设备的故障规律，需要增加ERP系统的故障统计功能，可以根据设备类型、制造厂家、年度等关键信息进行统计分析查询。
4. 结论
(1) 采用层次分析法计算评价指标因素权重系数和分值，避免了以往主观赋值的弊端，使评价准则更加科学化、合理化；层次分析法构造判断矩阵过程改进后，使其应用更加简便高效。
(2) 试点站场阀门的评价结果显示：制定的工艺设备评价标准可操作性强，便于现场人员应用，且设备重要度分类结果符合实际情况，具有可行性。
(3) 针对站场阀门等工艺设备种类多、数量庞大的特点，提出了基于风险维护管理的方法，并对维护周期优化提出了建议。
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[1] 彭祖赠等: 模糊数学及其应用, 武汉大学出版杜(武汉), 2002。 [2] 陈家新 谭羽非: 天然气地下储气库规划设计要点, 油气储运, 2001, 20(7)。 http://yqcy.paperonce.org/oa/DArticle.aspx?type=view&id=20010704 [3] 周士华: 天然气地下储气库地面工程的工艺设计, 石油规划设计, 1994, 5(4)。 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYGH404.012.htm [4] 梁光川 蒲宏斌: 地下储气库优化设计的灰色关联分析法, 天然气工业, 2004, 24(9)。 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TRQG200409047.htm [5] 赵树栋 王皆明: 天然气地下储气库注采技术, 石油工业出版社(北京), 2000。
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