基于熵權(quán)物元理論的管道坡面水毀失效可能性評(píng)價(jià)

蔣常春，李 燦，周福剛

1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探測井公司(重慶400021)

2.中國石油西氣東輸管道公司蘇浙滬管理處(江蘇南京210002)

3.中國石油遼河油田分公司淺海石油開發(fā)公司(遼寧盤錦124011)

基于熵權(quán)物元理論的管道坡面水毀失效可能性評(píng)價(jià)

蔣常春1，李 燦2，周福剛3

1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探測井公司(重慶400021)

2.中國石油西氣東輸管道公司蘇浙滬管理處(江蘇南京210002)

3.中國石油遼河油田分公司淺海石油開發(fā)公司(遼寧盤錦124011)

為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)油氣長輸管道坡面水毀的失效可能性，保障管道運(yùn)行安全，提出一種基于熵權(quán)物元可拓理論的評(píng)價(jià)方法。建立管道坡面水毀的失效可能性評(píng)價(jià)體系;為減少主觀因素影響，采用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重值;引入物元可拓理論定量地評(píng)價(jià)失效可能性等級(jí)。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，4處災(zāi)害點(diǎn)的管道坡面水毀失效可能性等級(jí)分別為Ⅲ級(jí)(中等)、V級(jí)(低)、V級(jí)(低)和Ⅱ級(jí)(較高)，基本與客觀實(shí)際相符。

油氣管道;坡面水毀;失效可能性;熵權(quán);物元理論

由于國內(nèi)油氣管道里程迅猛增加，管道已成為我國五大交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)之一，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不斷注入新鮮血液。但隨之而來的管道安全問題也成為企業(yè)、政府和社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，青島輸油管道11·22特大事故更是將這個(gè)問題推到風(fēng)口浪尖之上。

坡面水毀是油氣長輸管道沿線的一種常見地質(zhì)災(zāi)害，對管道安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，管道坡面水毀失效可能性評(píng)價(jià)是確定油氣管道安全狀況的有效手段，也是修筑坡面水工保護(hù)設(shè)施的重要依據(jù)。文獻(xiàn)［1］采用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法確定了管道水毀的安全等級(jí);文獻(xiàn)［2］從不確定性出發(fā)，采用云模型理論實(shí)現(xiàn)管道坡面水毀的安全評(píng)價(jià);文獻(xiàn)［3］引入變權(quán)原理，采用指標(biāo)體系法計(jì)算管道坡面水毀的嚴(yán)重程度。以上研究都具有一定的借鑒意義，但在權(quán)重確定方面，均以主觀賦權(quán)量化各風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度，具有較強(qiáng)的主觀性，未考慮客觀因素的影響。因此，本文在以上研究的基礎(chǔ)上，采用一種客觀賦權(quán)模型計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重值，然后進(jìn)一步引入物元可拓理論實(shí)現(xiàn)油氣管道坡面水毀的失效可能性評(píng)價(jià)，以期為管道的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理提供理論依據(jù)。

1 建立坡面水毀失效可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

油氣管道坡面水毀是指分布在斜坡表面(地形坡度大于5°)上的季節(jié)性沖溝因降雨等因素影響形成坡面匯流，帶走坡面土壤或者沖刷管道設(shè)施，最終引起管道覆土不足甚至造成管道外露或懸空，具有較強(qiáng)的破壞性。坡面水毀受多種因素影響，借鑒已有研究［1-4］，遵循系統(tǒng)性、客觀性、可操作性、主導(dǎo)性和獨(dú)立性等基本原則［5-6］，從自然因素、管道敷設(shè)狀況、坡面現(xiàn)狀及防護(hù)效果等3大類指標(biāo)出發(fā)，共選取了地形地貌特征等17個(gè)底層評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖1所示。

圖1 油氣管道坡面水毀失效可能性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 坡面水毀失效可能性的熵權(quán)-可拓評(píng)價(jià)

可拓學(xué)中將有序三元組(事物名稱N、事物特征C和事物特征的量值V)進(jìn)行統(tǒng)一［7-9］，組成事物的基本元，記為R=(N，C，V)。首先根據(jù)熵權(quán)法確定管道坡面水毀各因素的相對重要性，再通過可拓模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.1 確定指標(biāo)權(quán)重值

與層次分析法等主觀權(quán)重計(jì)算方法不同，熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，它從樣本數(shù)據(jù)出發(fā)，通過一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行權(quán)重求解，避免了主觀因素的影響［10］。熵權(quán)法是依據(jù)現(xiàn)場客觀數(shù)據(jù)信息計(jì)算各指標(biāo)的信息熵表示指標(biāo)的變化程度，最終得到各要素權(quán)重值的一種方法?，F(xiàn)假設(shè)有待評(píng)價(jià)的m段坡面水毀管道與n個(gè)底層指標(biāo)，xij為第j段管道的第i個(gè)指標(biāo)的得分值，熵權(quán)法計(jì)算步驟如下:

1)計(jì)算第j段管道的第i個(gè)指標(biāo)得分值的比重pij:

2)確定第i個(gè)指標(biāo)的熵值ei:

式中，k=1/lnm。

3)得到所有指標(biāo)的熵值ei之后，可按式(3)計(jì)算第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)值ui:

2.2 確定經(jīng)典域和節(jié)域

按照評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將管道坡面水毀失效可能性評(píng)價(jià)劃分為t種分類等級(jí)(t=1，2，…，s)。當(dāng)N0t為標(biāo)準(zhǔn)事物關(guān)于特征cj量值范圍V0tj=＜a0tj，b0tj＞時(shí)，經(jīng)典域可表示為

式中，R0t為經(jīng)典域物元;N0t為管道坡面水毀失效可能性類別;cj為決定N0t的影響因素(j=1，2，…，n)。

管道坡面水毀失效可能性評(píng)價(jià)的節(jié)域物元，本質(zhì)上是各評(píng)價(jià)因素的從最低值到最高值的取值范圍，見式(5)。

式中，Rp為節(jié)域物元;Np為管道坡面水毀失效可能性評(píng)價(jià)的類別個(gè)體;Vpj=＜apj，bpj＞為節(jié)域物元關(guān)于特征cj的量化取值范圍;＜a0tj，b0tj＞?＜apj，bpj＞，j=1，2，…，n。

2.3 確定待評(píng)物元

根據(jù)實(shí)際情況對待評(píng)對象的物質(zhì)單元的特征指標(biāo)做出評(píng)價(jià)，按指標(biāo)的實(shí)測值或者專家的經(jīng)驗(yàn)值確定指標(biāo)的分值，從而獲得待評(píng)物元，見式(6)。

式中，Ni為管道坡面水毀失效可能性評(píng)價(jià)底層指標(biāo);vi為關(guān)于特征ci的取值。

2.4 確定底層指標(biāo)關(guān)聯(lián)度函數(shù)

底層指標(biāo)關(guān)于分類等級(jí)t的關(guān)聯(lián)度函數(shù)表達(dá)式為:

2.5 確定多指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度

綜合關(guān)聯(lián)度是指待評(píng)價(jià)的管道坡面水毀失效可能性對于各等級(jí)的歸屬程度，可表示為

2.6 確定失效可能性等級(jí)和級(jí)別變量特征值

式中，kt(vi)為底層指標(biāo)相對不同失效可能性等級(jí)的關(guān)聯(lián)度;wi為底層指標(biāo)的權(quán)重值，滿足，則所評(píng)價(jià)的管道坡面水毀N的失效可能性等級(jí)屬于等級(jí)t。

同時(shí)可得到級(jí)別變量的特征值，表示屬于某種失效可能性等級(jí)的程度，見式(9)

3 案例分析

現(xiàn)選取我國東部某管道公司汛前評(píng)估的4處坡面水毀地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行失效可能性評(píng)價(jià)。為便于分析計(jì)算，采用［0，100］論域上分值對各底層指標(biāo)評(píng)價(jià)，分值越高表示失效可能性越低，并將管道坡面水毀失效可能性和底層指標(biāo)劃分為5個(gè)等級(jí)(表1)。

表1 失效可能性等級(jí)劃分

表2 底層因素的評(píng)價(jià)分值及權(quán)重

3.1 指標(biāo)的熵權(quán)值

邀請專家對各災(zāi)害點(diǎn)的底層因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，之后通過2.1節(jié)的方法得到各因素的權(quán)重值(表2)。

3.2 可拓評(píng)價(jià)

以災(zāi)害點(diǎn)A為例，進(jìn)行管道坡面水毀失效可能性評(píng)價(jià)。運(yùn)用2.2～2.4節(jié)中的可拓計(jì)算步驟確定各底層指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度(表3)。

按式(8)和式(9)可得災(zāi)害點(diǎn)A對于各失效可能性等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度和級(jí)別變量特征值，見表4。同理可得其余災(zāi)害點(diǎn)的各等級(jí)關(guān)聯(lián)度和級(jí)別變量特征值(表4)。

從表4中可知，災(zāi)害點(diǎn)A～D的管道坡面水毀失效可能性等級(jí)分別為Ⅲ級(jí)(中等)、V級(jí)(低)、V級(jí)(低)和Ⅱ級(jí)(較高)，評(píng)價(jià)結(jié)果與該公司風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和上報(bào)的修理計(jì)劃一致。

4 結(jié)論

1)坡面水毀是長輸管道所面臨的常見地質(zhì)災(zāi)害之一，從自然因素、管道敷設(shè)狀況、坡面現(xiàn)狀及防護(hù)效果3方面分析了坡面水毀的主要風(fēng)險(xiǎn)因素，建立了相應(yīng)的評(píng)價(jià)體系。

2)引入熵權(quán)-可拓模型評(píng)價(jià)管道坡面水毀的失效可能性，充分發(fā)揮了熵權(quán)法客觀計(jì)算因素權(quán)重和

表3 災(zāi)害點(diǎn)A的底層指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

表4 4處災(zāi)害點(diǎn)的失效可能性等級(jí)關(guān)聯(lián)度和特征值

可拓量化評(píng)價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，減少了主觀因素的影響，使評(píng)價(jià)結(jié)果能夠反映現(xiàn)場實(shí)際情況，能夠?yàn)楣艿赖刭|(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)。

3)以數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)的失效可能性評(píng)價(jià)是管道地質(zhì)災(zāi)害管理的前提和核心，逐步完善各類地質(zhì)災(zāi)害失效數(shù)據(jù)庫是今后管道完整性管理的工作重點(diǎn)。

［1］吳迪.西氣東輸管道沿線水毀災(zāi)害評(píng)價(jià)方法體系［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.

［2］鄭青川，姚安林，關(guān)惠平，等.基于云模型的油氣管道坡面水毀安全評(píng)價(jià)［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2012，12(4):234-238.

［3］郭磊，劉凱，姚安林，等.西氣東輸管道坡面水毀風(fēng)險(xiǎn)變權(quán)綜合評(píng)價(jià)［J］.油氣田地面工程，2011，30(11):1-4.

［4］荊宏遠(yuǎn)，郝建斌，陳英杰，等.管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)半定量評(píng)價(jià)方法與應(yīng)用［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30(7):497-500.

［5］黃亮亮，姚安林，鮮濤，等.考慮脆弱性的油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究［J］.中國安全科學(xué)報(bào)，2014，24(7):93-99.

［6］Muhlbauer K W.Pipeline risk management manual［M］.3rd edition.Houston:Gulf Publishing Company，2004.

［7］談小龍，徐衛(wèi)亞，梁桂蘭.可拓方法在巖石邊坡整體安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(12):2503-2509.

［8］康志強(qiáng)，周輝，馮夏庭，等.大型巖質(zhì)邊坡巖體質(zhì)量的可拓學(xué)理論評(píng)價(jià)［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，28(12): 1770-1774.

［9］趙新好，姚安林，蔣宏業(yè).油氣管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法研究［J］.石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2011，27(4):5-9.

［10］趙新好，姚安林，郭磊，等.基于AHP-熵權(quán)法的輸氣站場區(qū)塊風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重確定方法研究［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8(10):91-96.

In order to accurately evaluate the possibility of long-distance oil/gas pipeline failure caused by flood damage of slope and ensure the safety of pipeline operation，an evaluation method based on entropy weight and extenics theory is proposed，and the evaluation model is established.The weights of indexes are calculated using entropy weight method to reduce the effects of subjective factors.The grades of the failure possibility can be quantitatively evaluated by extenics model.The evaluation results show that，the slope flood damage failure possibility grades of the pipeline at four places are middle，low，low and high respectively，which are in accordance with real circumstances.

oil/gas pipeline;flood damage of slope;failure possibility;entropy weight;matter-element theory

王梅

2015-03-03

蔣常春(1973-)，女，翻譯師，主要從事石油天然氣行業(yè)管理工作。