油氣管道第三方破壞風險等級劃分方法研究*

趙新好 姚安林 蔣宏業(yè)

西南石油大學 石油工程學院 （四川 成都 610500）

油氣管道第三方破壞風險等級劃分方法研究*

趙新好 姚安林 蔣宏業(yè)

西南石油大學 石油工程學院 （四川 成都 610500）

基于油氣管道第三方破壞半定量風險評估，利用已獲得的大量的半定量風險值，結合物元與可拓集合理論對管道第三方破壞風險等級進行劃分。通過輸入第三方破壞評價指標不同的評分值，運用層次分析法對各評價指標權重賦值，計算可拓集合關聯函數得到相應的風險等級，進而為管道運營單位風險管理提供理論上的決策依據。該分析方法具有較強的普適性與可操作性，能很好地結合評價人員的專業(yè)知識，綜合評價管道第三方破壞的風險水平，使油氣管道第三方破壞風險等級的劃分更加科學合理。

第三方破壞 物元 可拓集合 層次分析法 風險等級

在油氣管道事故風險可能性的影響因素中，第三方破壞是管道失效的重要因素之一[1]。隨著我國能源需求加劇，油氣管道建設步伐的不斷加快，油氣管道越來越多地需要通過經濟發(fā)達人口稠密的地區(qū)，由此引起的第三方破壞事故大有不斷上升的趨勢[2]。因此，合理評估油氣管道第三方破壞的風險程度，并通過科學可行的方法對管道第三方破壞風險等級進行劃分，從而為預防第三方破壞的發(fā)生提供理論依據。

目前，油氣管道的第三方破壞大多采用半定量風險評估的方法，由此可以得到不同管段的半定量風險值。如何對這些風險值進行合理等級劃分，還沒有比較統(tǒng)一的認識。筆者將物元與可拓集合理論引入到油氣管道第三方破壞風險等級劃分中來。該理論由廣東工業(yè)大學蔡文教授于1983年創(chuàng)立，經過多年的研究應用，在管理學、人工智能、故障診斷等多個領域取得一定的效果[3]。基于物元和可拓集合理論，通過建立第三方破壞多指標參數的評定模型，并以定量化的數值對管道第三方破壞風險等級進行評定，較真實地反映了待評管道的風險水平。

1 物元與可拓集合理論

物元理論的基本單位是物元，是由事物N、事物特征c和該特征的量值v所組成的三元組，記作R=（N,c,v）。它把事物、特征和量值放在一個統(tǒng)一體中考慮，要求人們在處理實際問題時既要考慮量，又要考慮質，正確地反應了質與量之間的關系，更貼切的描述了客觀事物的變化過程。

物元的可拓性是指事物變化的可能性。事物的變化以物元的變換來描述，物元理論研究的核心是物元的可拓性和物元的變換以及物元變換的性質。

物元理論既可以利用物元可拓性的方法，又可以采用可拓集合理論，通過關聯函數進行定量計算來解決實際問題。

可拓評價法的基本思想是根據日常管理中積累的數據資料，把評價對象劃分為若干等級，綜合專家意見給出各等級的數值范圍，再將評價對象的指標代入各等級集合中進行多指標評定。評定結果取決于它與各等級的綜合關聯度大小，綜合關聯度越大，表示評價對象處于該等級的可能性越大。

2 第三方破壞風險等級的劃分標準

油氣管道第三方破壞誘因錯綜復雜，隨機性高且不易預測和控制[4]。為了科學地采取相應的防范和風險管理措施，需要對管道第三方破壞的風險等級進行劃分。油氣管道通過地區(qū)按沿線居民戶數和建筑物的密集程度，將管道所經之處分為4類地區(qū)等級，1類地區(qū)人口最少，4類地區(qū)人口最多[5]。

參照國內外半定量研究的經驗，依據大量的半定量風險值，可將管道第三方破壞風險等級分為5個層次。各等級定義如下：

（1）低風險

處于該風險等級的管道安全，管道目前的各項保護條件好，不存在第三方破壞的歷史記錄，應維持現有管理水平，注意監(jiān)視環(huán)境條件的變化。

（2）較低風險

處于該風險等級的管道安全，管道目前的各項保護條件較好，存在個別第三方破壞的歷史記錄，應維持現有管理水平，注意監(jiān)視環(huán)境條件的變化。

（3）中等風險

處于該等級的管道第三方破壞跡象正在萌生，該管道一般處于2、3類地區(qū)，大多數管道目前的保護條件基本滿足正常使用的要求，有較少的第三方破壞歷史記錄，需要加強日常檢查維護或考慮必要的防控方案。

（4）較高風險

處于該等級的管道第三方破壞事故發(fā)生可能性具有增大趨勢，該管道一般處于2、3、4類地區(qū)，管道目前的保護條件大多數喪失其功能，有較多的第三方破壞歷史記錄，管道可靠性降低，考慮必要的防控和維護方案。

（5）高風險

處于該等級的管道屬于即將發(fā)生事故或人口稠密區(qū)段，出現大量第三方破壞事件跡象，該管道一般處于3、4類地區(qū)，大多數管道目前的保護條件已喪失應有的保護功能，有較多的第三方破壞歷史記錄，應及時采取防控和維護措施。

3 基于物元理論的油氣管道第三方破壞風險等級評定

3.1 確定與第三方破壞有關的評價指標

根據物元理論定義，將油氣管道的第三方破壞視為事物N，第三方破壞的各評價指標視為事物特征ci（i=1,2,…,n）；筆者將管道第三方破壞的評價指標分為：社會環(huán)境與公共關系c1，管道敷設狀況c2，破壞與防控c3，管理與誤操作c4，失效后果影響c5，故n=5。各評價指標分值可由專家打分確定[6]。

3.2 確定待評物元

根據油氣管道第三方破壞所給出的評價指標，把各評價指標對應的分值用物元表示，可以建立物元模型（1）式，稱（1）式為油氣管道第三方破壞的待評物元。

式中：N表示油氣管道第三方破壞；v1為N關于c1的量值，即評價指標ci的具體分值。

3.3 確定經典域與節(jié)域

根據可拓理論，結合油氣管道第三方破壞的5個綜合評價指標的經典域值，可將其表述如（2）式：

式中：R0j為第j（j=1，2，…，5）級物元模型；N0j表示風險等級為第j級；Voji（i=1，2，…，n）為風險等級為第j級時第i項評價指標的量值域，即評價指標關于各等級的取值范圍-經典域。

油氣管道第三方破壞5個評價指標的允許取值范圍即節(jié)域，物元模型如（3）式：

式中：R0為油氣管道第三方破壞評價指標節(jié)域的物元模型；N0為第三方破壞全部風險等級；Voi（i=1，2，…，n）為N0關于ci的取值范圍，即節(jié)域。

3.4 計算各評價指標的關聯函數

由文獻[3]，按（4）式計算評價指標ci在各風險等級下N0j的關聯函數值，Kj(vi)的正負值含義可參見文獻[7]：

設x為實域上一點，即x∈(-∞,+∞)；X0=(a,b)為實數域上任一區(qū)間，則關聯函數ρ(x,X0)的定義如下：

3.5 確定第三方破壞各風險因素的權重

權重確定方法大致可以分為3類[8]：①主觀評價法，如德爾菲法（專家調查法）、專家會議法等；②客觀評價法，如熵權法、主成分分析、灰色關聯法等；③主客觀相結合的評價方法，如ELECTRE法、證據理論、粗糙集等。各種評價方法原理各不相同，方法迥異。

層次分析法是定性與定量相結合的風險系統(tǒng)分析方法，最適宜于解決那些難以完全用定量方法進行分析的風險評價問題，其確定過程主要包括以下幾個步驟：①建立遞階層次結構模型；②通過專家采用1～9標度打分，對各層因素兩兩間量化比較，構造出各層次中所有的兩兩判斷矩陣；③層次單排序及一致性檢驗；④層次總排序及組合一致性檢驗。

利用層次分析法的嚴格邏輯性和兩兩比較法的原理,確定管道第三方破壞風險因素的權重λi(i=1,2,…,5)，并進行歸一化處理，大幅度地減少了主觀因素可能造成的偏差，所以這種方法比較實用可靠[9]。

3.6 計算油氣管道第三方破壞的關聯函數

由公式（1）～（6）計算油氣管道第三方破壞關于各風險等級N0j(j=1,2,…,5)的關聯函數值：

3.7 確定風險等級

根據公式（4）～（6）計算結果，取對應關聯函數最大時的風險等級為評價結果，即：

可以根據（7）結果判定油氣管道第三方破壞風險等級為j0。

4 實例計算與驗證

設由半定量風險評估法計算某天然氣長輸管道部分管段第三方破壞風險因素的分值如表1。

表1 第三方破壞評價指標打分表

4.1 確定待評物元與關聯函數計算

根據物元理論，由表1可確定待評管段1第三方破壞的物元：

并可得到管段1第三方破壞5項評價指標的取值范圍：

為便于計算，將油氣管道第三方破壞5個評價指標在5個等級下的取值范圍V0ji合并，物元模型如下：

由上述分析，按公式（1）～（6）計算管段1的關聯函數，計算結果見表2。

4.2 確定各指標權重

筆者采用層次分析法對各指標的權重進行賦值。根據風險評價的規(guī)定，將失效后果作為評價指標時，其權重為0.5，其他指標的權重之和為0.5。對其它4項指標按層次分析法的一般步驟進行計算。

首先，將管道第三方破壞的風險影響指標分解為5大類（見圖1），每一類反映了一個一般的領域對第三方破壞風險的影響。

其次，構造判斷矩陣。通過各指標對第三方破壞影響相對重要性的兩兩比較，采用Saaty提出的1～9標度法[9]，建立各指標兩兩比較的判斷矩陣。

表2 管段1關聯函數計算結果

圖1 第三方破壞風險因素分解層次圖

最后，可以通過發(fā)放調查表，專家打分法等方式對各風險因素相對重要性排序。假設該管道風險因素排序從高到低為社會環(huán)境與公共關系、管理與誤操作、破壞與防控、管道敷設情況。按1～9標度法構造影響管道第三方破壞的判斷矩陣，如表3所示。

詳細的計算方法參見文獻[9]。根據計算其最大特征根及特征向量，隨機一致性比率CR=0.0056＜0.10，滿足要求。故各指標權重比值為：

在計算出管段1第三方破壞各評價指標與5個風險等級關聯度，以及各評價指標的權重比值后，按公式（6）得出管段1第三方破壞各風險等級的關聯函數值，如表4所示。

因此，管段1的第三方破壞風險等級為：較高風險。

同理：可對管段2、管段3進行評定。評定結果為：管段2為較低風險，管段3為低風險。

4.3 風險管理建議措施

表3 管道第三方破壞判斷矩陣

表4 各等級下管段1的關聯函數值

依據文章第2部分第三方破壞風險等級劃分標準中風險管理建議：管段1應考慮必要的防控和維護方案；管段2、3應維持現有管理水平，注意監(jiān)視環(huán)境條件的變化。

為減少第三方破壞發(fā)生的可能性，管理人員可從以下幾個角度加強工作。首先，從社會環(huán)境與公共關系方面，管道管理人員應經常深入沿線居民中進行法制與公德教育宣傳，加強與沿線政府和居民的溝通，并通過開展一些公益性的建設，在沿線居民受益的同時建立較融洽的企地關系。其次，從管理與誤操作方面，公司應加強對管理人員業(yè)務素質的培訓，提高危險識別能力與巡檢質量，并具備應對第三方破壞突發(fā)事件的協調公關能力。最后，應加強對管道沿線第三方施工的現場監(jiān)測，并通過合理增加管道埋深，加密管道上方標識樁等措施共同預防第三方破壞的發(fā)生。

5 結論

物元與可拓集合理論的引進，為油氣管道第三方破壞的定性與定量風險評估的結合搭建了一座很好的橋梁，通過該理論的關聯函數計算，輸入第三方破壞各評價指標不同的評分值，可得到相應的風險等級。

油氣管道第三方破壞風險評估是一個綜合評價的過程，國內外風險評估研究表明，在風險等級劃分過程中考慮的評價指標越多，其結果就越符合實際。筆者僅對影響管道第三方破壞的5大類一級風險因素進行了綜合評價，而一級風險因素下還有若干二級風險因素，可利用該理論建立更詳細的指標評價體系，以提高風險等級劃分的合理性。

物元與可拓集合理論結合評價人員的專業(yè)知識，綜合判斷管道第三方破壞的風險水平，從而降低了傳統(tǒng)風險等級劃分中的人為主觀影響，實現風險等級劃分科學合理的目的。該方法的可操作性與普適性，有待在實踐中加以驗證。

[1]R.B.Frnacini，R.W.Hyatt，B.N.Leis.Real-time monitoring to detect Third-Party damage.U.S.GTI，April，1997.

[2]趙忠剛,姚安林,李又綠,等.油氣管道第三方破壞研究進展[J].石油工業(yè)技術監(jiān)督,2008(11):5-9.

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[5]輸氣管道工程設計規(guī)范GB 50251-2003[M].北京:石油工業(yè)出版社,2003.

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[7]倪大平,劉金祿,史開泉.可拓集與關聯函數空間[J].信息工程學院學報,1995,14(2):39-44.

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[9]郭金玉,張忠彬,孫慶云.層次分析法的研究與應用[J].中國安全科學學報,2008,18(5):148-153.

Based on the semi-quantitative risk assessment of the third party damage in oil and gas pipelines,the risk ranks of the third party's damage in pipelines are classified by the application of a great deal of obtained semi-quantitative risk value,together with matter-element and extension set theories.The corresponding risk rank are gotten from the input of different scoring values about the assessing standard of the third party's damage,the use of analytic hierarchy process in evaluating the weight of various evaluation indexes and the calculation of correlation function of extension set,and thus offering the theoretical decision basis of risk management to pipeline operation units.The analysis method with stronger generality and operability can comprehensively assess the risk level of the third party's damage in pipelines according to the professional knowledge of evaluating staffs,and finally make it more sensible and scientific to classify the risk ranks of third party's damage in oil and gas pipelines.

the third party's damage;matter element;extension set;analytic hierarchy process;risk ranks

*基金論文：國家科技支撐計劃項目資助（2006BAK02B01）；中國石油西氣東輸管道公司項目資助（XQSGL01423）。

趙新好（1986-），在讀研究生，主要從事于油氣管道完整性管理與評價方面的研究工作。

尉立崗

2011-02-22