基于多級模糊與GIS的天然氣管道風(fēng)險評估

李 卓，李永樹，梁 磊

（西南交通大學(xué) 地理信息工程中心，四川 成都 610031）

天然氣管道由于施工、設(shè)計不合理及自身的腐蝕老化等原因都可能引發(fā)天然氣泄漏、爆炸等安全事故，給群眾的生命與財產(chǎn)造成不可挽回的損失［1］。實時地對燃氣管道系統(tǒng)進行安全性評估并保證安全、平穩(wěn)運行具有重要的現(xiàn)實意義。

影響燃氣管道安全的因素很多，如使用年限、維修次數(shù)、第三方破壞、腐蝕指數(shù)、錯誤指數(shù)［2］等。不能憑單一因素作為評估風(fēng)險等級的依據(jù)，而應(yīng)綜合各種因素進行全面系統(tǒng)的評估，模糊綜合評估是借助模糊數(shù)學(xué)的概念［3］，應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理將一些邊界不清、不易定量的因素定量化后進行綜合評估的一種方法。目前，模糊綜合評估法在旅游資源評估、企業(yè)管理等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，陳浩［4］運用模糊評估提高了企業(yè)環(huán)境管理的績效，鄧俊國［5］利用模糊數(shù)學(xué)的理論建立了隸屬函數(shù)對旅游資源進行了綜合評估與分類等。但將模糊評估應(yīng)用于風(fēng)險評估的研究報道較少，本文利用模糊評估的原理對天然氣管道進行風(fēng)險安全性評估，并結(jié)合GIS技術(shù)論證多級模糊評估用于風(fēng)險評估的可行性，較好地克服了燃氣管道風(fēng)險評估因素考慮不夠全面的缺陷，以便使評估結(jié)果更接近實際情況。

1 管道風(fēng)險評估模型

1.1 多級模糊綜合評估原理

由單一影響因素判定管道老化結(jié)果帶有明顯的片面性，多級模糊綜合評估［6］是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理從多個影響因素對被評估對象的等級狀況進行綜合評估。運用多級模糊綜合評估建立管道風(fēng)險評估模型，能夠為天然氣管道的監(jiān)管建立較完善的評估體系，為管理部門提供科學(xué)決策依據(jù)。

設(shè)U＝｛u1，u2，…，un｝為模糊評估指標(biāo)集，V＝｛v1，v2，…，vn｝為評語等級集，以Yi，j（i＝1，2，…m；j＝1，2，…n）表示評估指標(biāo)ui的一級評估等級，相應(yīng)的對評估內(nèi)容進行單指標(biāo)評估得到對象模糊關(guān)系矩陣

且Yi1＋…＋Yin＝1。設(shè)W＝｛w1，w2，…，w4，wn｝為各指標(biāo)的權(quán)系數(shù)向量（權(quán)重），且wi≥0，w1＋…＋wn＝1。由此得到模糊評語B＝W·R＝（b1，b2，…，bn）。在該模型中，較難確定權(quán)重W和關(guān)系矩陣R。鑒于管道影響因素的復(fù)雜性，權(quán)重的確定采用專家鑒定法，專家對模糊指標(biāo)打分，而關(guān)系矩陣在老化指標(biāo)部分采用數(shù)據(jù)累加原則，其他部分也采用專家鑒定法，由此構(gòu)建權(quán)重比例與關(guān)系矩陣。最后對模糊評語采用最大隸屬度方法，提取Max（Bi）值，匹配相應(yīng)的評語等級集，即為最終的評估結(jié)果。

1.2 風(fēng)險評估指標(biāo)體系

管道風(fēng)險評估的核心是風(fēng)險指標(biāo)的確定。這里所采用的模糊綜合評估是對受多種因素影響的事物做出全面評估的有效的多因素決策方法，其特點是評估結(jié)果不是絕對地肯定或否定，而是以一個模糊集合來表示。根據(jù)影響管網(wǎng)運行安全的各種因素，可以將危險因素分為5大類：老化指標(biāo)，第三方破壞，腐蝕，設(shè)計，誤操作［7］。風(fēng)險評估指數(shù)體系是一個多級體系，每個危險指標(biāo)可以再進一步細分為分指標(biāo)，如腐蝕可以分為管道內(nèi)部腐蝕、大氣腐蝕、埋地管道土壤腐蝕等。各級體系的因素要結(jié)合實際在風(fēng)險評估過程中不斷地完善，使風(fēng)險評估結(jié)果能夠更加真實地反映管道風(fēng)險狀況。如圖1所示，U＝｛老化指標(biāo)，第三方破壞，腐蝕指數(shù)，設(shè)計指數(shù)，錯誤指數(shù)｝，V＝｛安全，一般，安全隱患，次危險，危險｝。

圖1 風(fēng)險評估指標(biāo)體系

風(fēng)險評估指數(shù)體系的各級指標(biāo)的權(quán)重直接影響評估結(jié)果，指標(biāo)權(quán)重要參考國內(nèi)外相關(guān)資料和文獻及專家經(jīng)驗制定權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)。指標(biāo)權(quán)重要在風(fēng)險評估工作中不斷完善，使得評估結(jié)果能更加真實反映管道風(fēng)險狀況。評估結(jié)果如表1所示。

表1 天燃氣管道風(fēng)險評估專家鑒定表格

由表1得到：

計算一級綜合模糊評估結(jié)果：

進行二級模糊綜合評估。二級模糊綜合評估的單因素評估矩陣，應(yīng)為一級模糊綜合評估矩陣，構(gòu)建二級評估的關(guān)系矩陣如下：

而二級指標(biāo)權(quán)重W＝（0.51，0.23，0.07，0.13，0.06）。

得到模糊評語B＝W·R＝（B1，B2，B3，B4，B5）＝（0.26，0.31，0.24，0.13，0.06）。

這說明管道風(fēng)險對模糊評語“安全”的隸屬度為0.26，“一般”的隸屬度為0.31，“安全隱患”的隸屬度為0.07，“次危險”的隸屬度為0.13，“危險”的隸屬度為0.06。按最大隸屬度原則，對模糊評語提取Max（Bi）（i＝1，…，5）的值。即模糊評估值為0.31，得到對該管道的綜合評估為“一般”。

2 風(fēng)險評估流程

為了保證管道風(fēng)險評估過程的完整性和系統(tǒng)性，建立風(fēng)險評估主要流程如下：①前期評估模型設(shè)計，主要是確定引起管道危險的因素、各因素的分指標(biāo)和一些評估模型技術(shù)方案；②收集數(shù)據(jù)，主要是收集與分析管道風(fēng)險評估相關(guān)的圖形和屬性信息，如管道施工、管道巡線頻率、管道防腐措施等；③選取評估模型進行評估實施，根據(jù)評估值劃分管道危險性等級；④根據(jù)評估結(jié)果進行統(tǒng)計分析，利用GIS技術(shù)得到相應(yīng)的管道危險性專題圖。

考慮到風(fēng)險評估指數(shù)體系的各級指標(biāo)的權(quán)重的主觀性，模塊設(shè)計了相應(yīng)的對話框，通過自定義選擇來設(shè)置各個指標(biāo)的權(quán)重，在確定了這些風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重后，讀取數(shù)據(jù)庫管道風(fēng)險數(shù)據(jù)信息，結(jié)合風(fēng)險評估模型計算管道風(fēng)險值，并基于GIS技術(shù)對管道風(fēng)險值進行專題顯示，如圖2所示。

圖2 顯示評估機制的流程

3 實驗與分析

天然氣管道風(fēng)險評估模塊以ArcGIS為平臺，利用CJHJ.NET開發(fā)實現(xiàn)。實驗數(shù)據(jù)為某市天然氣管網(wǎng)地形圖及管道風(fēng)險調(diào)查數(shù)據(jù)。按照管道風(fēng)險評估流程對管道進行分析評估，風(fēng)險評估分析過程如圖3所示，一級指標(biāo)及二級指標(biāo)可以根據(jù)實際需要添加，所對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重可動態(tài)修改，計算得到風(fēng)險評估結(jié)果如圖4所示，并根據(jù)管道風(fēng)險等級將管道以5種顏色進行相對風(fēng)險評估結(jié)果的專題可視化顯示（見圖5），圖中沿道路的管道風(fēng)險等級呈現(xiàn)為次危險，應(yīng)引起足夠重視。

圖5 管網(wǎng)風(fēng)險值可視化

4 結(jié)束語

通過天然氣管道風(fēng)險評估體系研究，建立了多級模糊風(fēng)險評估模型，能夠?qū)艿肋M行風(fēng)險評估，并利用GIS技術(shù)實現(xiàn)了管道風(fēng)險評估結(jié)果可視化，能夠直觀地了解管道運行風(fēng)險程度，并自動劃分管道重點風(fēng)險監(jiān)測區(qū)段，并將管道風(fēng)險評估結(jié)果存儲于管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，技術(shù)管理人員可以實時掌握現(xiàn)有管道安全運營情況。同時，還能夠從GIS數(shù)據(jù)庫中查找管網(wǎng)設(shè)施的空間位置、相關(guān)屬性及安全隱患等信息。在天然氣管道評估過程中，還需要不斷對有關(guān)指標(biāo)體系進行修正、完善，使評估結(jié)果更加切合實際，從而提高天然氣管道運行的安全性。

［1］馬磊，李永樹.城市天然氣管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2010，20（9）：171－176.

［2］鄭津洋，馬夏康，尹謝平.長輸管道安全［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［3］劉春鳳，董建軍.模糊綜合評價法在啤酒口感協(xié)調(diào)性品評中的應(yīng)用［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報，2008，36（3）：213－222.

［4］陳浩，薛聲家.企業(yè)環(huán)境管理績效的多級模糊綜合評價［J］.科技管理研究，2006，56（4）：56－65.

［5］鄧俊國，李加林.旅游資源多級模糊綜合評價探討——以河北省淶源縣為例［J］.資源科學(xué)，2004，26（1）：76－82.

［6］賀北方，于章林，劉正才.多級模糊層次綜合評價的數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，1989（6）：1－6.

［7］徐海宏，夏耀祖.燃氣管道風(fēng)險評估系統(tǒng)概況［J］.上海煤氣，2006，2（1）：1－3