CN112712284A - 基于ahp-熵权法的城市燃气管道风险评价系统及方法 - Google Patents

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CN112712284A CN202110053495.4A CN202110053495A CN112712284A CN 112712284 A CN112712284 A CN 112712284A CN 202110053495 A CN202110053495 A CN 202110053495A CN 112712284 A CN112712284 A CN 112712284A
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Abstract

本发明涉及一种基于AHP‑熵权法的城市燃气管道风险评价系统，包括管道风险评价体系模块，用以完整识别、归纳燃气管道的各种风险因素，并表征评价的各方面特性及其相互联系；管道风险评价准则模块，用以确定燃气管道所有风险因素的评价准则；管道风险因素权重确定模块，用以确定燃气管道所有风险因素的权重，所述管道风险因素权重确定模块包括主观权重确定、客观权重确定及组合权重确定；管道风险评价模块，用以对燃气管道所有风险因素评价等级的评定，并将风险评价结果通过风险评价矩阵直观显示出来。本发明实现对城市燃气管道科学有效地风险评估。

Description

基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价系统及方法
技术领域
本发明涉及燃气管道的风险评估领域，具体涉及一种基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价系统及方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，能源的消耗逐渐增加，人们对城市燃气的依赖程度越来越高，使得城市燃气管道的使用日趋普及。可是，伴随着城市燃气管道铺设里程的日益增加，以及部分管道的破损及老化，城市燃气管道事故频发，对国民经济和人民生命财产造成重大损失。因此，我们必须加强城市燃气管道安全运行的管理，采用科学有效的风险评价方法。目前国内关于燃气管道风险评价法中权重确定是主观权重法或者客观权重法之一，也尚未形成完整的风险评价体系。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价系统及方法，实现对城市燃气管道科学有效地风险评估。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价系统，包括
管道风险评价体系模块，用以完整识别、归纳燃气管道的各种风险因素，并表征评价的各方面特性及其相互联系；
管道风险评价准则模块，用以确定燃气管道所有风险因素的评价准则；
管道风险因素权重确定模块，用以确定燃气管道所有风险因素的权重，所述管道风险因素权重确定模块包括主观权重确定、客观权重确定及组合权重确定；
管道风险评价模块，用以对燃气管道所有风险因素评价等级的评定，并将风险评价结果通过风险评价矩阵直观显示出来。
进一步的，所述管道风险评价体系模块根据预设标准，并基于燃气管道的特点和事故历史数据，建立燃气管道的风险评价体系，所述燃气管道风险评价体系包括管道失效可能性评价体系和失效后果评价体系。
进一步的，所述管道风险评价准则包括管道失效可能性评价准则和失效后果评价准则。
进一步的，所述管道风险因素权重确定模块运用AHP确定管道风险因素的主观权重，并运用熵权法确定管道风险因素的客观权重。
进一步的，所述管道风险评价模块的评价算法基于模糊数学模型，运用模糊综合评价法评估燃气管道风险等级，并选择加权平均模型M(·,+)进行模糊运算。
一种基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价方法，包括以下步骤：
步骤S1:构建燃气管道的风险评价体系；
步骤S2:根据预设管道失效可能性评价准则和失效后果评价准则，并基于实际情况确定N个评分等级；
步骤S3:采用AHP确定管道风险因素的主观权重，采用熵权法确定管道风险因素的客观权重；
步骤S4根据得到的主观权重和客观权重，采用组合权重法确定综合权重模型；
步骤S5:基于模糊数学模型，运用模糊综合评价法评估燃气管道风险等级，并根据预设加权平均模型进行模糊运算；
步骤S6:构建管道风险值确定模型,并进一步得到管道风险评价结果。
进一步的，采用AHP确定管道风险因素的主观权重具体为：
(1)采用9标度法构造判断矩阵；
(2)对构造的判断矩阵中数据进行处理，运用方根法求取评价因素的相对权重值，计算权重向量近似值：
Figure BDA0002900017490000031
将上式计算的权重向量近似值进行归一化处理，得到风险评价因素权重向量：
Figure BDA0002900017490000032
式中：bij和bkj均为表1判断矩阵中两两因素之间的相对重要性的标度；
(3)对构造出的判断矩阵作一致性检验，计算最大特征值λmax和计算一致性指标CI；
(4)根据专家预设权重，计算风险因素的主权权重值：
Figure BDA0002900017490000041
式中：α1，α2，…，αn依次为第1,2，…，n位专家的自身权重；Wnm为第n个专家对第m个因素评价的权重值；Wm为考虑专家自身权重的综合权重值。
进一步的，采用熵权法确定管道风险因素的客观权重，具体为：
(1)建立n个样本m个评价指标判断矩阵R＝(xij)nm(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m)。
(2)将判断矩阵归一化处理，得到归一化判断矩阵Y＝(yij)nm
Figure BDA0002900017490000042
式中：xij为第i个样本第j个评估指标测度值；yij为矩阵Y第i行第j列的元素；xmin，xmax分别为同一指标下不同样本中的最大值和最小值；
(3)计算第j个评价指标的熵
Figure BDA0002900017490000043
式中：
Figure BDA0002900017490000044
(4)计算评价指标的熵权
Figure BDA0002900017490000051
式中：
Figure BDA0002900017490000052
0≤wj≤1。
进一步的，所述综合权重模型，具体为：
W＝αWAHP+(1-α)W熵权法
式中：WAHP是通过AHP计算的主观权重，W熵权法是通过熵权法计算的客观权重，W为组合权重，α是权重折衷系数，α越大，表示AHP确定的权重对综合权重的影响越大；反之，则表示熵权法确定的权重对综合权重的影响大。
进一步的，所述管道风险值确定模型具体为：
Figure BDA0002900017490000053
Figure BDA0002900017490000054
R＝PC
式中：R为风险值，P为失效可能性，C为失效后果，Q为加权集，B为失效可能性模糊综合评价，B’为失效后果模糊综合评价。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明利用AHP与熵权法相结合确定综合权重，既有效地避免了人为主观因素的影响，又反映出了风险因素信息变化对权重的影响，因此具有较好的适用性。并引入模糊数学思想和方法，采用基于模糊理论的管道风险综合评价法，使风险评价结更能反映实际燃气管道现场状况，实现对城市燃气管道科学有效地风险评估。
附图说明
图1是本发明实施例的模块组成图；
图2-3是本发明实施例中管道失效可能性评价指标体系图；
图4是本发明实施例中管道失效后果评价指标体系图；
图5是本发明实施例中确定三种权重对比图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价系统，包括
管道风险评价体系模块，用以完整识别、归纳燃气管道的各种风险因素，并表征评价的各方面特性及其相互联系；
管道风险评价准则模块，用以确定燃气管道所有风险因素的评价准则；
管道风险因素权重确定模块，用以确定燃气管道所有风险因素的权重，所述管道风险因素权重确定模块包括主观权重确定、客观权重确定及组合权重确定；
管道风险评价模块，用以对燃气管道所有风险因素评价等级的评定，并将风险评价结果通过风险评价矩阵直观显示出来。
在本实施例中，管道风险评价体系模块根据预设标准，并基于燃气管道的特点和事故历史数据，建立燃气管道的风险评价体系，所述燃气管道风险评价体系包括管道失效可能性评价体系和失效后果评价体系。
在本实施例中，管道风险评价准则包括管道失效可能性评价准则和失效后果评价准则。根据实际情况确定2至7个评分等级，并用扎德记号表示评语。
针对城市燃气管道失效因素评价，选定的评价等级：
2个等级＝(大、小)
3个等级＝(大、中等、小)
4个等级＝(很大、较大、较小、很小)
5个等级＝(很大、大、中等、小、很小)
6个等级＝(很大、大、较大、较小、小、很小)
7个等级＝(很大、大、较大、中等、较小、小、很小)
针对城市燃气管道失效后果因素评价，选定的评价等级：
2个等级＝(严重、轻微)
3个等级＝(严重、一般、轻微)
4个等级＝(很严重、较严重、较轻微、很轻微)
5个等级＝(很严重、严重、一般、轻微、很轻微)
6个等级＝(很严重、严重、较严重、较轻微、轻微、很轻微)
7个等级＝(很严重、严重、较严重、一般、较轻微、轻微、很轻微)
用查德记号表示评语“大”和“小”
Figure BDA0002900017490000071
Figure BDA0002900017490000072
根据模糊语言关系的计算方法可知：
Figure BDA0002900017490000081
Figure BDA0002900017490000082
Figure BDA0002900017490000083
Figure BDA0002900017490000084
Figure BDA0002900017490000085
因此，可得失效可能性的评判集
很大＝(1,1,0.64,0.36,0.16,0.04,0)
大＝(1,1,0.8,0.6,0.4,0.2,0)
较大＝(1,1,0.85,0.68,0.5,0.3,0)
中等＝(0,0.8,0.2,0.4,0.2,0.8,0)
较小＝(0,0.3,0.5,0.68,0.85,1,1)
小＝(0,0.2,0.4,0.6,0.8,1,1)
很小＝(0,0.04,0.16,0.36,0.64,1,1)
同理，可得失效后果的评判集
很严重＝(1,1,0.64,0.36,0.16,0.04,0)
严重＝(1,1,0.8,0.6,0.4,0.2,0)
较严重＝(1,1,0.85,0.68,0.5,0.3,0)
一般＝(0,0.8,0.2,0.4,0.2,0.8,0)
较轻微＝(0,0.3,0.5,0.68,0.85,1,1)
轻微＝(0,0.2,0.4,0.6,0.8,1,1)
很轻微＝(0,0.04,0.16,0.36,0.64,1,1)
在本实施例中，还提供一种基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价方法，包括以下步骤：
步骤S1:构建燃气管道的风险评价体系；
步骤S2:根据预设管道失效可能性评价准则和失效后果评价准则，并基于实际情况确定2至7评分等级；
步骤S3:采用AHP确定管道风险因素的主观权重，采用熵权法确定管道风险因素的客观权重；
步骤S4根据得到的主观权重和客观权重，采用组合权重法确定综合权重模型；
步骤S5:基于模糊数学模型，运用模糊综合评价法评估燃气管道风险等级，并根据预设加权平均模型进行模糊运算；
步骤S6:构建管道风险值确定模型,并进一步得到管道风险评价结果。
在本实施例中，AHP计算主观权重模型：
(1)构造判断矩阵
判断矩阵表示针对上一层次某元素，本层次有关元素之间的相对重要程度。本研究采用“9标度法”构造判断矩阵如表1。其中bij表示对于因素层U而言，bi对bj的相对重要性，构造的判断矩阵满足：bij＝1/bji；bij＞0；bii＝1。
表1判断矩阵
Figure BDA0002900017490000091
Figure BDA0002900017490000101
(2)确定权重向量
对构造的表1判断矩阵中数据进行处理，运用“方根法”求取评价因素的相对权重值，计算权重向量近似值：
Figure BDA0002900017490000102
将上式计算的权重向量近似值进行归一化处理，得到风险评价因素权重向量：
Figure BDA0002900017490000103
式中：bij和bkj均为表1判断矩阵中两两因素之间的相对重要性的标度。
(3)一致性检验
对构造出的判断矩阵作一致性检验，最大特征值λmax和计算一致性指标CI。
Figure BDA0002900017490000104
式中：λmax为判断矩阵的最大特征根；A为判断矩阵；Wi为第i个特征向量；n为判断矩阵中的因素个数。
检验矩阵的一致性为
Figure BDA0002900017490000111
平均随机一致性指标RI的取值，见表2，判断矩阵随机一致性比例为CR＝CI/RI。若CR<0.10时，则判断矩阵通过一致性检验。
(4)确定主观权重值
评价的每位专家的预设权重进行分级：丰富、较丰富、中等、一般，分别给其赋值1、0.8、0.5、0.2。再综合所有专家的自身权重，计算风险因素的主权权重值：
Figure BDA0002900017490000112
在本实施例中，熵权法计算客观权重模型，具体为：
(1)建立n个样本m个评价指标判断矩阵R＝(xij)nm(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m)。
(2)将判断矩阵归一化处理，得到归一化判断矩阵Y＝(yij)nm。
Figure BDA0002900017490000113
式中：xij为第i个样本第j个评估指标测度值；yij为矩阵Y第i行第j列的元素；xmin，xmax分别为同一指标下不同样本中的最大值和最小值。
(3)计算第j个评价指标的熵
Figure BDA0002900017490000114
式中：
Figure BDA0002900017490000121
(4)计算评价指标的熵权
Figure BDA0002900017490000122
式中：
Figure BDA0002900017490000123
0≤wj≤1。
运用组合权重法确定综合权重模型
W＝αWAHP+(1-α)W熵权法
式中：WAHP是通过AHP计算的主观权重，W熵权法是通过熵权法计算的客观权重，W为组合权重，α是权重折衷系数，α越大，表示AHP确定的权重对综合权重的影响越大；反之，则表示熵权法确定的权重对综合权重的影响大。综合考虑实际管道运行环境影响，取α＝0.6。
在本实施例中，基于模糊数学模型，运用模糊综合评价法评估燃气管道风险等级，并选择加权平均模型M(·,+)进行模糊运算。
B＝WR＝(b1,b2,...,bi)
式中：W为影响因素的综合权重，R为模糊评价矩阵，B为模糊综合评价。
在本实施例中，管道风险值确定模型，具体为：
Figure BDA0002900017490000124
Figure BDA0002900017490000125
R＝PC
式中：R为风险值，P为失效可能性，C为失效后果，Q为加权集，且Q＝(q1,q2,q3,q4,q5,q6,q7)T＝(1,0.8,0.6,0.5,0.4,0.2,0.1)T，B为失效可能性模糊综合评价，B’为失效后果模糊综合评价。
最后，将管道风险评价结果通过API581风险矩阵直观显示在系统中，API581风险矩阵如表3所示。
表3风险矩阵等级表
Figure BDA0002900017490000131
实施例1：
对厦门华润燃气管道有限公司某地的燃气管道进行资料调研与分析，并聘请7位专家进行风险评价。以四级因素中的地面活动频繁程度U112的模糊评价为例，其中，地面活动频繁程度U112又可分为建设活动频繁程度U1121，交通繁忙程度U1122，地质勘探活动U1123等3个评价子因素，同时它们也是最底层评价因素。评价的每位专家根据经验程度都有其自身权重见表4。
表4专家自身权重
Figure BDA0002900017490000141
运用AHP计算燃气管道风险因素的主观权重，结合专家自身经验采用九标度法构造两两因素判断矩阵，且判断矩阵通过一致性检验，七位专家对地面活动频繁程度U112各子因素构成的判断矩阵及权重见表5至表11。
表5专家1构造的地面活动频繁程度指标下的判断矩阵
Figure BDA0002900017490000142
表6专家2构造的地面活动频繁程度指标下的判断矩阵
Figure BDA0002900017490000143
表7专家3构造的地面活动频繁程度指标下的判断矩阵
Figure BDA0002900017490000144
表8专家4构造的地面活动频繁程度指标下的判断矩阵
Figure BDA0002900017490000151
表9专家5构造的地面活动频繁程度指标下的判断矩阵
Figure BDA0002900017490000152
表10专家6构造的地面活动频繁程度指标下的判断矩阵
Figure BDA0002900017490000153
表11专家7构造的地面活动频繁程度指标下的判断矩阵
Figure BDA0002900017490000154
因此，得到各位评价专家的计算权重依次为
W1＝(0.4286,0.1429,0.4286)，
W2＝(0.4286,0.1429,0.4286)，
W3＝(0.4286,0.1429,0.4286)，
W4＝(0.2684,0.1172,0.6144)，
W5＝(0.2684,0.1172,0.6144)，
W6＝(0.2684,0.1172,0.6144)
W7＝(0.4286,0.1429,0.4286)。
运用熵权法计算燃气管道的客观权重值，结合评价管道实际运行工况与统计的管道事故数据采用百分制的形式对地面活动频繁程度U112所包含的三个子因素进行评分，分值越高说明该评价因素越有利于降低管道的事故概率。地面活动频繁程度各子因素采用熵权法计算熵值和熵权见表12。
表12地面活动频繁程度各子因素计算熵值和熵权
Figure BDA0002900017490000161
运用组合权重法计算地面活动频繁程度U112所属三个子因素的综合权重,取α＝0.6。
WU112＝αWAHP+(1-α)W熵权法＝0.6·(0.3740,0.1341,0.4919)+0.4·(0.3011,0.6922,0.0067)＝(0.34484,0.35734,0.29782)
运用模糊综合评价法对管道失效可能性和后果严重性分别按照失效可能性评价集和后果严重性评价集进行等级评定，并将各专家的评价结果进行加权运算。
rU1121＝(0,0.0254,0.0672,0.1254,0.2000,0.2910,0.2910)
rU1122＝(0,0.0693,0.1155,0.1570,0.1963,0.2309,0.2309)
rU1123＝(0,0.0500,0.1000,0.1500,0.2000,0.2500,0.2500)
再采用模型M(·,+)进行模糊运算，则有
Figure BDA0002900017490000171
同理，可得其他各风险因素的模糊评价向量，第三方破坏因素的模糊评价向量
Figure BDA0002900017490000174
腐蚀因素的模糊评价向量
Figure BDA0002900017490000173
设备及操作因素的模糊评价向量
Figure BDA0002900017490000176
管道本质安全质量因素评价向量
Figure BDA0002900017490000175
管道失效可能性因素评价向量B及管道失效后果因素的模糊评价向量B′采用模糊运算分别如下。
第三方破坏因素的模糊评价向量为
Figure BDA0002900017490000181
腐蚀破坏因素的模糊评价向量为
Figure BDA0002900017490000182
设备及操作因素的模糊评价向量为
Figure BDA0002900017490000183
管道本质安全质量因素的模糊评价向量为
Figure BDA0002900017490000184
管道失效可能性因素的模糊评价向量为
B＝(0.0043,0.0742,0.0947,0.1460,0.1879,0.2605,0.2323)
管道失效后果因素的模糊评价向量为
B′＝(0.0249,0.2130,0.1024,0.1584,0.1315,0.2710,0.0988)
失效可能性P：P＝BQ＝0.3440
失效后果C：C＝B′Q＝0.4526
相对风险值R＝PC＝0.1557，将评价结果与风险矩阵相对照，可知：该评价管道属于中等风险。
参考图4，是本实施例中确定三种权重对比图，运用AHP，熵权法，组合权重法分别计算的风险评价指标的权重，依次为第三方破坏所包含的各评价指标，腐蚀所包含的各评价指标，设备及操作所包含的各评价指标，管道本质安全质量所包含的各评价指标以及失效后果所包含的各评价指标。从图中可以看出组合权重法综合了AHP和熵权法的特点，使得结果更贴合实际。本实施例将AHP与熵权法相结合的组合权重法确定综合权重，在充分尊重专家经验的基础上，最大限度的削弱了权重确定的主观性，该方法既有效地避免了人为主观性的影响，又反映出了风险因素信息变化对权重的影响，使计算结果更加客观、合理。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价系统，其特征在于，包括
管道风险评价体系模块，用以完整识别、归纳燃气管道的各种风险因素，并表征评价的各方面特性及其相互联系；
管道风险评价准则模块，用以确定燃气管道所有风险因素的评价准则；
管道风险因素权重确定模块，用以确定燃气管道所有风险因素的权重，所述管道风险因素权重确定模块包括主观权重确定、客观权重确定及组合权重确定；
管道风险评价模块，用以对燃气管道所有风险因素评价等级的评定，并将风险评价结果通过风险评价矩阵直观显示出来。
2.根据权利要求1所述的基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价系统，其特征在于，所述管道风险评价体系模块根据预设标准，并基于燃气管道的特点和事故历史数据，建立燃气管道的风险评价体系，所述燃气管道风险评价体系包括管道失效可能性评价体系和失效后果评价体系。
3.根据权利要求1所述的基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价系统，其特征在于，所述管道风险评价准则包括管道失效可能性评价准则和失效后果评价准则。
4.根据权利要求1所述的基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价系统，其特征在于，所述管道风险因素权重确定模块运用AHP确定管道风险因素的主观权重，并运用熵权法确定管道风险因素的客观权重。
5.根据权利要求1所述的基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价系统，其特征在于，所述管道风险评价模块的评价算法基于模糊数学模型，运用模糊综合评价法评估燃气管道风险等级，并选择加权平均模型M(·,+)进行模糊运算。
6.一种基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:构建燃气管道的风险评价体系；
步骤S2:根据预设管道失效可能性评价准则和失效后果评价准则，并基于实际情况确定N个评分等级；
步骤S3:采用AHP确定管道风险因素的主观权重，采用熵权法确定管道风险因素的客观权重；
步骤S4根据得到的主观权重和客观权重，采用组合权重法确定综合权重模型；
步骤S5:基于模糊数学模型，运用模糊综合评价法评估燃气管道风险等级，并根据预设加权平均模型进行模糊运算；
步骤S6:构建管道风险值确定模型,并进一步得到管道风险评价结果。
7.根据权利要求6所述基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价方法，其特征在于，采用AHP确定管道风险因素的主观权重具体为：
(1)采用9标度法构造判断矩阵；
(2)对构造的判断矩阵中数据进行处理，运用方根法求取评价因素的相对权重值，计算权重向量近似值：
Figure FDA0002900017480000031
将上式计算的权重向量近似值进行归一化处理，得到风险评价因素权重向量：
Figure FDA0002900017480000032
式中：bij和bkj均为表1判断矩阵中两两因素之间的相对重要性的标度；
(3)对构造出的判断矩阵作一致性检验，计算最大特征值λmax和计算一致性指标CI；
(4)根据专家预设权重，计算风险因素的主权权重值：
Figure FDA0002900017480000033
式中：α1，α2，…，αn依次为第1,2，…，n位专家的自身权重；Wnm为第n个专家对第m个因素评价的权重值；Wm为考虑专家自身权重的综合权重值。
8.根据权利要求6所述的基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价方法，其特征在于，采用熵权法确定管道风险因素的客观权重，具体为：
(1)建立n个样本m个评价指标判断矩阵R＝(xij)nm(i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m)。
(2)将判断矩阵归一化处理，得到归一化判断矩阵Y＝(yij)nm
Figure FDA0002900017480000041
式中：xij为第i个样本第j个评估指标测度值；yij为矩阵Y第i行第j列的元素；xmin，xmax分别为同一指标下不同样本中的最大值和最小值；
(3)计算第j个评价指标的熵
Figure FDA0002900017480000042
式中：
Figure FDA0002900017480000043
(4)计算评价指标的熵权
Figure FDA0002900017480000044
式中：
Figure FDA0002900017480000045
9.根据权利要求6所述基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价方法，其特征在于，所述综合权重模型，具体为：
W＝αWAHP+(1-α)W熵权法
式中：WAHP是通过AHP计算的主观权重，W熵权法是通过熵权法计算的客观权重，W为组合权重，α是权重折衷系数，α越大，表示AHP确定的权重对综合权重的影响越大；反之，则表示熵权法确定的权重对综合权重的影响大。
10.根据权利要求6所述基于AHP-熵权法的城市燃气管道风险评价方法，其特征在于，所述管道风险值确定模型具体为：
Figure FDA0002900017480000051
Figure FDA0002900017480000052
R＝PC
式中：R为风险值，P为失效可能性，C为失效后果，Q为加权集，B为失效可能性模糊综合评价，B’为失效后果模糊综合评价。
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