基于改進模糊層次分析法的海底管道維修方法研究

陳文潔， 余建星， 徐立新， 李志剛,3， 常立勇， 趙志恒

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072； 2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240； 3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

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基于改進模糊層次分析法的海底管道維修方法研究

陳文潔1,2， 余建星1,2， 徐立新1， 李志剛1,3， 常立勇1,2， 趙志恒1,2

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072； 2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240； 3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

提出一種海底管道維修方法，該方法克服了傳統(tǒng)模糊層次分析法需要進行一致性檢驗的不足，在計算精度滿足要求的前提下，可有效減少迭代次數(shù)，提高收斂速度，為多目標(biāo)決策提供可靠的方法。應(yīng)用此方法確定幾種海底管道維修方法評價指標(biāo)的權(quán)重，得到的權(quán)重向量與工程實際基本吻合。通過案例驗證了其實用性，為海底管道的維修方法提供了一種新的選擇。

模糊層次分析法；海底管道；維修方法； 權(quán)重；應(yīng)用

0 引言

海底管道作為海洋油氣輸送的主要工具，在海洋石油工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。海洋工程設(shè)備具有投資大、使用期長、受惡劣的海洋環(huán)境載荷作用等特點[1]，會引發(fā)管道失效。由于海底管道失效而引起的油氣泄漏和爆炸等事故會對人民生命財產(chǎn)安全及生態(tài)環(huán)境造成極大威脅，因此，對海底管道失效的預(yù)防和維修工作十分重要。在管道運行過程中，一旦檢測到損壞時，要及時搶修，最大程度減少由于管道損壞引起的人員傷亡、環(huán)境破壞以及停產(chǎn)、停輸帶來的損失。在調(diào)查分析管道的損壞形式后，需要及時確立維修方式，制定相應(yīng)的維修程序，因此，建立有效的維修方式選擇方法體系對提高維修進度、保證安全性具有重要的意義。

1 海底管道維修技術(shù)

1.1 海底管道維修方法

海底管道的損壞大都是突發(fā)性的，由于管道自身參數(shù)和環(huán)境的不同，維修方式也各不相同。海底管道的維修方法從空間上可分為水上維修和水下維修兩種。水上維修主要是水上焊接維修，水下維修又可分為水下干式維修和水下濕式維修，主要包括水下干式高壓焊接維修法、不停產(chǎn)開口封堵維修法、水下機械連接維修法、臨時卡具式維修法。各種維修方法的優(yōu)缺點及適用范圍見表1[2,3]。

表1 海底管道維修方法優(yōu)缺點分析對照表

2 改進的模糊層次分析法及應(yīng)用

2.1 改進模糊層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是在多目標(biāo)決策中采用頻率較高的一種求解方法[4]。2005年，李永[5,6]將互反型判斷矩陣改為一致性判斷矩陣，并把和行歸一法或方根法與特征向量法結(jié)合使用，提出改進的模糊層次分析法。2008年，Liu[7]等提出了基于遺傳算法的模糊綜合評價新模型，用標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法檢驗、修正判斷矩陣的一致性和計算判斷矩陣各要素的權(quán)重。

改進的模糊層次分析法是以AHP法為基礎(chǔ)，將其運用到模糊環(huán)境中，并將優(yōu)先判斷矩陣改為模糊一致性判斷矩陣，把和行歸一法、方根法、特征向量法與冪法相結(jié)合形成的一種計算精度更高、收斂速度更快且不需要一致性檢驗的新方法。

2.2 改進模糊層次分析法的應(yīng)用

該文運用改進的模糊層次分析法進行海底管道維修方式的選擇，具體步驟如下：

(1) 建立維修方法評價體系層次結(jié)構(gòu)模型

評價體系層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 評價體系層次結(jié)構(gòu)模型

準(zhǔn)則層中的準(zhǔn)則分別為海底管道維修方法的四種指標(biāo)：對作業(yè)裝備其特種設(shè)備的需求程度、修復(fù)后管道的完整性、維修成本的高低和維修工藝復(fù)雜程度。方法層中的方法分別為四種常用的水下維修方法：水下干式高壓焊接維修法、不停產(chǎn)開口封堵維修法、水下機械連接器維修法和臨時卡具式維修法。

(2) 構(gòu)造二元比較矩陣(優(yōu)先判斷矩陣)

首先將備選方案、九標(biāo)度表等材料交于專家，由專家進行評分，對四種待評價維修方法的各項指標(biāo)重要性進行兩兩比較，采用九標(biāo)度法(見表2)構(gòu)造二元比較矩陣：

(1)

表2 九標(biāo)度表

(3) 將優(yōu)先判斷矩陣轉(zhuǎn)化為模糊一致性矩陣

(2)

式(2)中：

(3)

(4) 計算權(quán)重向量

① 和行歸一法

(4)

② 方根法

(5)

③ 排序法

(6)

當(dāng)α取2.3時，

(7)

以上三種計算方法求權(quán)重向量時僅考慮了判斷矩陣中對應(yīng)一行元素的影響，故計算精度不高且與實際情況吻合度較低。

(5) 利用冪法求精度更高的權(quán)重向量

將互補型矩陣R=(rij)n×n轉(zhuǎn)化為互反判斷矩陣E=(eij)n×n，其中，eij=rij/rji。權(quán)重向量W(0)作為初始向量V(0)，利用公式V(k+1)=EY(k)，Y(k)=V(k)/V(k)∞，k=1,2,…)進行迭代。若V(k+1)∞-V(k)∞<ε，(ε為給定的誤差)，則V(k+1)∞即為最大特征值，為權(quán)重向量，否則，繼續(xù)迭代。

根據(jù)上述方法計算得到互反型判斷矩陣：

(8)

分別以和行歸一法、方根法和排序法得到的三個權(quán)重向量作為冪法的初始向量，僅經(jīng)過3次迭代就可以得到：

(9)

該權(quán)重向量計算精度在0.000 1以內(nèi)，備選方法的優(yōu)選順序為：不停產(chǎn)開口封堵維修法>水下機械連接器維修法>水下干式高壓焊接維修法>臨時卡具式維修法。因此，不停產(chǎn)開口封堵維修法較好，可以驗證結(jié)果與實際吻合。

3 結(jié)束語

隨著海洋油氣開發(fā)日益向深海發(fā)展，深水海底管道的應(yīng)急維修優(yōu)化變得尤為重要。通過采用改進的模糊層次分析法，對海底管道維修優(yōu)化問題進行計算，得到一種在滿足計算精度要求的前提下，明顯減少迭代次數(shù)，快速選擇出海底管道維修最佳方法的方案，在工程實際中有應(yīng)用價值。

[1] 余建星，閻宏生，于國友，等.海洋平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的疲勞可靠性研究[J].海洋學(xué)報,1996，18(3)：100-106.

[2] 王常文.深水海底管道維修系統(tǒng)工程應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué),2009.

[3] 劉春厚，潘東民，吳誼山.海底管道維修方法綜述[J].中國海上油氣,2004，16(1)：59-62.

[4] 李永，胡向紅，喬箭.改進的模糊層次分析法[J].西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005，93(1)：11-12.

[5] 徐澤水.AHP中兩類標(biāo)度的關(guān)系研究[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,1999，19(7)：97-101.

[6] 姚敏，黃燕君.模糊決策方法研究[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,1999，19(11)：61-65.

[7] 李壯闊，李寧.基于粒子群算法的模糊層次分析法及其應(yīng)用[D].Proceedings of the 29th Chinese Control Conference, Beijing,2010.

A Maintenance Method for Submarine Pipeline Based on Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process

CHEN Wen-jie1,2, YU Jian-xing1,2, XU Li-xin1, LI Zhi-gang1,3, CHANG Li-yong1,2, ZHAO Zhi-heng1,2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-sea Exploration, Shanghai 200240, China; 3.Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

Traditional Fuzzy Analytic Hierarchy Process(FAHP), which needs consistency check was improved . Under the condition of meeting the same accuracy requirements,the improved FAHP can reduce the number of iterations effectively and improve the convergence rate to provide a reliable decision method. This method was used to determine the evaluation weights of several kinds of maintenance method of submarine pipeline, the results are coincide with the engineering practice . The practicability of the improved FAHP was verified by the cases and submarine a new choice of the submarine pipeline maintenance method was provided.

Fuzzy Analytic Hierarchy Process(FAHP); pipeline; maintenance method; weight; application

2015-10-29

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助(2014CB046804),國家自然科學(xué)基金(51379145),國家自然科學(xué)基金(51239008)。

陳文潔(1992-)，女，碩士研究生。

1001-4500(2016)05-0080-04

P75

A