城市管道系統(tǒng)風(fēng)險分析及閉環(huán)管理研究*

張宇棟，呂淑然，楊　凱

(1. 首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100070；2. 北京石油化工學(xué)院 安全工程學(xué)院， 北京 102617)

0　引言

管道設(shè)施廣泛應(yīng)用于保障城市運(yùn)行的多領(lǐng)域，已成為城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成，并逐漸形成了錯綜復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)。給排水、燃?xì)?、熱力及油氣運(yùn)輸?shù)戎T多管道相互交織布置于城市空間中，構(gòu)成巨大安全風(fēng)險。國內(nèi)外因管道泄漏、爆炸等造成的嚴(yán)重安全事故屢有發(fā)生，2013年11月22日青島中石化東黃輸油管道泄漏爆炸特大事故導(dǎo)致巨大人員傷亡和財產(chǎn)損失。故此，研究城市管道系統(tǒng)可靠性，建立適于城市管道風(fēng)險管控的系統(tǒng)化科學(xué)體系，對城市安全運(yùn)行及可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

當(dāng)前，針對城市管道系統(tǒng)安全問題典型研究有，楊振宏等[1]基于層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)構(gòu)建城市燃?xì)夤艿腊踩：C合評判體系；駱正山等[2]基于天然氣管道事故概率，提出綜合多因素對管道安全影響的定量風(fēng)險評估方法；楊凱等[3]對城市排水涵道油氣混合氣體爆炸事故進(jìn)行分析研究；王春雪等[4]對城市燃?xì)夤芫€泄漏致災(zāi)災(zāi)害鏈開展研究；李軍等[5]基于AHP和模糊數(shù)學(xué)理論，計算燃?xì)夤艿赖谌狡茐氖У娘L(fēng)險。結(jié)合系統(tǒng)可靠性與安全系統(tǒng)工程理論，引入故障模式影響和危害度分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)、事故樹(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)與事件樹(Event Tree Analysis，ETA)、故障報告分析及糾正措施系統(tǒng)(Failure Report Analysis and Corrective Action System，F(xiàn)RACAS)用于構(gòu)建系統(tǒng)風(fēng)險管理模式是行之有效的，且取得了一些有益實(shí)踐：陳業(yè)朋[6]將3F(FMECA-FTA-FRACAS)綜合分析系統(tǒng)應(yīng)用于無人機(jī)飛控系統(tǒng)；張宇棟[7]將正向FTF(FMECA To FTA)及逆向FTF (FTA To FMECA)方法引入承壓特種設(shè)備安全及可靠性分析；楊田等[8]將正向FTF方法用于核級安全閥故障模式分析；卿黎等[9]運(yùn)用綜合模糊FMECA和Bow-tie模型的正向FTF 方法對電站鍋爐承壓部件失效模式進(jìn)行分析；李淑慶等[10-11]研究了3F技術(shù)在產(chǎn)品可靠性工程的應(yīng)用；陳玉超等[12]將Bow-tie 模型結(jié)合改進(jìn)的層次分析法應(yīng)用于城鎮(zhèn)輸油管道風(fēng)險評價。

基于此，盡管城市管道致災(zāi)風(fēng)險多因素耦合機(jī)理的研究取得一定成果，但尚缺乏科學(xué)、完整的風(fēng)險管理體系。筆者對城市管道系統(tǒng)失效故障模式致因分析的基礎(chǔ)上，基于管道安全系統(tǒng)分析時所呈現(xiàn)出“小樣本(少數(shù)據(jù))、貧信息”的數(shù)據(jù)模糊和灰色系統(tǒng)等特性，利用模糊FMECA、模糊灰關(guān)聯(lián)FTA等定量分析方法，優(yōu)化城市管道系統(tǒng)失效故障模式分析，進(jìn)而構(gòu)建遵循PDCA(Plan-Do-Check-Act)閉環(huán)管理原則的科學(xué)、完整的風(fēng)險閉環(huán)管理體系。

1　風(fēng)險閉環(huán)管理體系概述

風(fēng)險閉環(huán)管理體系是將FMECA，Bow-tie模型及FRACAS有機(jī)結(jié)合，利用三者優(yōu)勢互補(bǔ)，涵蓋系統(tǒng)風(fēng)險辨識、風(fēng)險要素構(gòu)成研判、多因素耦合邏輯、致災(zāi)機(jī)理分析、風(fēng)險潛在危害評估、風(fēng)險糾正與消除措施及現(xiàn)實(shí)事故反饋等，形成完整閉環(huán)管理的一系列技術(shù)方法集合?；谙到y(tǒng)安全及可靠性分析的風(fēng)險管理技術(shù)主要有FMECA，F(xiàn)TA & ETA，F(xiàn)RACAS，F(xiàn)TF及3F一體化技術(shù)等，各技術(shù)特征比較如表1所示。

表1　技術(shù)特征比較

FMECA包括故障模式及效應(yīng)分析(Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA)和危害度分析(Criticality Analysis，CA)，是確定失效模式并依據(jù)嚴(yán)酷度及發(fā)生概率分析其危害度的單要素歸納方法；融合FTA與ETA的Bow-tie模型為多要素復(fù)雜系統(tǒng)的邏輯因果關(guān)系圖形演繹和歸納全面分析的系統(tǒng)工程技術(shù)；FRACAS通過分析故障報告，制定實(shí)施有效的糾正措施以防止故障再生，并通過反饋實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性增長。

按照PDCA閉環(huán)管理思路，克服FMECA，Bow-tie及FRACAS單獨(dú)應(yīng)用的局限性，參照3F一體化技術(shù)思路融合構(gòu)建風(fēng)險閉環(huán)管理體系，如圖1所示?；驹矸椒椋和ㄟ^FMEA全面排查系統(tǒng)潛在故障隱患，研判故障模式； CA量化故障模式危害度，識別系統(tǒng)薄弱及關(guān)鍵環(huán)節(jié)；構(gòu)建高危害度故障模式Bow-tie模型并通過定性定量FTA及ETA分析事故風(fēng)險致因機(jī)理；針對FMECA和Bow-tie所得結(jié)果運(yùn)用FRACAS管控系統(tǒng)風(fēng)險事件。此外，現(xiàn)實(shí)事故故障通過FRACAS分析積累完整的失效模式信息，補(bǔ)充及反饋修正FMECA 和Bow-tie模型的應(yīng)用；Bow-tie模型定性定量分析結(jié)果對FMECA的應(yīng)用提供系統(tǒng)失效模式信息的補(bǔ)充。

圖1　風(fēng)險閉環(huán)管理體系模型結(jié)構(gòu)Fig.1　Themodel structure of risk closed loop management system

2　系統(tǒng)失效故障模式風(fēng)險分析

2.1　系統(tǒng)模糊FMECA綜合分析

基于模糊綜合評價(Fuzzy Comprehensive Evaluation，F(xiàn)CE)改進(jìn)FMECA風(fēng)險評價模型，量化分析結(jié)果，對城市管道系統(tǒng)失效模式進(jìn)行系統(tǒng)性的綜合評價[13-14]。

1)綜合FMECA中固有風(fēng)險的影響，構(gòu)建評價要素一級指標(biāo)集合：U={u1,u2,…,um}，其中，ui對應(yīng)各故障模式，i=1,2,…,m。用US，UO，UD分別刻畫嚴(yán)酷度(Severity)、出現(xiàn)度(Occurrence)和察覺度(Detection)，構(gòu)建評價要素二級指標(biāo)集合：U2={US,UO,UD}，對應(yīng)狀態(tài)集合VS，VO，VD分別為故障模式嚴(yán)酷度等級(S)(見表2)、故障模式概率等級(O)(見表3)和故障模式察覺度等級(D)(見表4)。

表2　故障模式影響嚴(yán)酷度等級評分原則參考

表3　故障模式概率等級評分原則參考

表4　故障模式察覺度等級評分原則參考

2)根據(jù)抽樣實(shí)驗(yàn)、調(diào)查統(tǒng)計、文獻(xiàn)統(tǒng)計等方法得出模糊綜合評價矩陣RS。

通常rij為第i個因素ui第j個評價因素vSj對應(yīng)的概率分布，對其歸一化且滿足∑rij=1，矩陣RS滿足無量綱化。同理構(gòu)造矩陣RO和RD。

3)引入要素論域U上的一個要素重要度模糊子集A=(a1,a2,…,am)，用以表征各要素ui(i=1,2,…,m)所占的重要度比重，ai?0且∑ai=1(i=1,2,…,m)。重要度比重分配常利用DELPHI，AHP等方法，雖難免摻雜主觀影響，但邏輯嚴(yán)密的運(yùn)算起到一定濾波和修正作用。

4)一級FCE，利用要素重要度模糊集A與綜合評價矩陣RS模糊線性變換(算子符號記為*)，構(gòu)造論域VS上的一個模糊集BS作為決策集。同理算得BO和BD。

BS=A*RS=

(b1，b2，…，bn)

5)依據(jù)一級FCE結(jié)果，可得二級FCE矩陣R=[RS,RO,RD]T。利用DELPHI，AHP等方法同理確定二級要素指標(biāo)US，UO，UD的重要度模糊子集W，即二級FCE結(jié)果為：B2=W*R。

2.2　基于FCE的CA研究

通過提取模糊評價矩陣RS，RO和RD第i(i=1,2,…,m)行為要素集合US,O,D的評價集合VS,O,D對故障模式ui的評價向量，構(gòu)造各要素對某一故障模式的模糊評價矩陣1R，2R，…，mR?；诙壱刂笜?biāo)重要度模糊子集W計算個故障模式ui(i=1,2,…,m)的FCE：iB=W*iR，i(i=1,2,…,m)。

將VS，VO和VD3組評價集合統(tǒng)一于V=(vi|i=1,2,3,4,5) =(5,4,3,2,1)。對故障模式的FCE結(jié)果清晰化，進(jìn)行故障模式u1的系統(tǒng)全面危害度計算：

式中：1bi(i=1,2,3,4,5)為集合1B中的各元素。進(jìn)而同理得全部失效故障模式的全面危害度集合：C=(1C,2C, …,mC)。

2.3　高危害度故障模式Bow-tie模型分析

基于上述管道系統(tǒng)模糊FMECA綜合分析結(jié)論，以具有高危害度的失效故障模式為頂事件T，演繹和歸納分析其復(fù)雜致因的邏輯關(guān)系，構(gòu)建由FTA和ETA混合的Bow-tie模型。

考慮到城市管道系統(tǒng)失效涉及底事件大多存在“小樣本(少數(shù)據(jù))、貧信息”的數(shù)據(jù)特征，因此利用模糊灰關(guān)聯(lián)FTA定量分析進(jìn)一步對高危害度失效故障模式進(jìn)行計算[15]。

1)利用布爾代數(shù)簡化事故樹并得出最小割集(Minimal Cut-Set，MCS)。n個底事件的事故樹結(jié)構(gòu)函數(shù)表示為：Ф(X1,X2,…,Xn)?；谀：龜?shù)學(xué)理論，使用三角模糊數(shù)通過歸一化處理所有底事件概率值。進(jìn)而計算頂事件三角模糊概率：

三角模糊數(shù)(a,m,b)的中值計算公式為：

即頂事件T的模糊概率(aT,mT,bT)的中值記為zT。當(dāng)某一底事件Xi不發(fā)生，頂事件T被觸發(fā)的模糊概率表示為：

=(aTi，mTi，bTi)

對應(yīng)的中值記為zTi。則底事件Xi的模糊重要度計算為：ei=zT-zTi。

2)灰色關(guān)聯(lián)分析方法按照序列幾何曲線相似程度判斷關(guān)聯(lián)程度緊密。在模糊灰關(guān)聯(lián)FTA的應(yīng)用中，首要確定參考序列。通常均值化各底事件模糊重要度得到參考序列。即：

3)當(dāng)求得事故樹MCS有m個時，構(gòu)造特征向量(Fk) 表征相應(yīng)的MCS，k=1, 2, …,m。進(jìn)而可以得到典型故障的特征矩陣F，中每個特征向量(Fk)k=1, 2, …,m作為比較序列。特征矩陣中的底事件Xi，若其在第k個MCS 對應(yīng)向量Fk中出現(xiàn)時，取xk(i)=1，否則取xk(i)=0。

4)按照灰色關(guān)聯(lián)度的計算方法，計算參考序列的元素x0(i)和比較序列的元素xk(i)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，計算公式為：

式中，Δ0k(i)=|x0(i)-xk(i)|，ρ為分辨系數(shù)，通常取ρ=0.5。

通過MCS對應(yīng)的特征向量Fk計算MCS的灰色關(guān)聯(lián)度，計算公式為：

比較m個MCS的灰色關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度越大，則相應(yīng)故障模式觸發(fā)頂事件T的概率就越大，反之關(guān)聯(lián)度越小，相應(yīng)故障模式觸發(fā)頂事件T的概率就越小。

3　城市管道系統(tǒng)風(fēng)險閉環(huán)管理應(yīng)用

3.1　事故風(fēng)險分析

城市管道系統(tǒng)多由各種壓力管道設(shè)備構(gòu)成，其工況、工質(zhì)差異巨大，系統(tǒng)可靠性受復(fù)雜因素影響。參考美國PRCI(Pipeline Research Committee International)針對歐美長距輸氣管道事故相關(guān)的數(shù)據(jù)分析[16]，結(jié)合國內(nèi)典型城市燃?xì)夤艿朗д{(diào)查[17]，總結(jié)管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失效主要涉及三類致因，如圖2所示。

基于管道系統(tǒng)的工程實(shí)際，建立城市管道系統(tǒng)的模糊FMECA風(fēng)險決策模型。結(jié)合管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失效致因統(tǒng)計分析，確定評價要素一級指標(biāo)集合U={u1,u2,…,u10}，ui對應(yīng)故障模式如表5所示。

表5　評價因素一級指標(biāo)集合

圖2　壓力管道失效基本致因Fig.2　Basic cause of pressure pipe failure

依據(jù)上文2.1及2.2算法運(yùn)算各個故障模式的全面危害度，并得出集合：C=(1C,2C, …,10C)。進(jìn)而比較對應(yīng)各失效故障模式的危害度，確定系統(tǒng)高危害度故障模式。本文以第三方破壞[18]為高危害度故障模式之一，以此為例構(gòu)造其Bow-tie模型如圖3所示，事件說明見表6。

進(jìn)而利用上文2.3構(gòu)建的模糊灰關(guān)聯(lián)FTA算法對第三方破壞失效故障模式進(jìn)行定量分析計算，得出各組MCS所刻畫的第三方破壞致因事件組及其觸發(fā)安全事故的關(guān)聯(lián)度排序。同理，按此方法對全部高危害度故障模式進(jìn)行分析計算，辨識城市管道系統(tǒng)全部風(fēng)險致因。

3.2　FRACAS方法應(yīng)用

將以上辨識城市管道系統(tǒng)全部風(fēng)險致因分類收集，形成故障報告。利用FRACAS閉環(huán)控制的思想對管道系統(tǒng)潛在安全隱患進(jìn)行管控，以此提高系統(tǒng)安全及可靠性。FRACAS閉環(huán)管控流程如圖4所示。

4　結(jié)論

1)分析研究了管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失效的三類主要致因，并以城市管道第三方破壞為例，進(jìn)一步建立了這一高危害度故障模式的Bow-tie模型，描述了定性定量分析過程。

圖3　第三方破壞故障模式Bow-tie模型Fig.3　Bow-tie model of third party damage on pipeline

代碼事件名稱代碼事件名稱代碼事件名稱代碼事件名稱M1直接破壞M11施工過失破壞X4盜竊X14裝配質(zhì)量缺陷M2占壓破壞M12工程過失X5信息溝通不暢X15裝配過程機(jī)械損傷M3蓄意破壞M13運(yùn)行管理失效X6法規(guī)制度不健全X16維檢失效M4管道破壞M14場站施工作業(yè)X7安全責(zé)任未落實(shí)X17操作失誤M5設(shè)施破壞M15巡檢聯(lián)防失效X8安全管控工作失效X18隱患管控失效M6場站破壞M16動土作業(yè)X9施工單位無證作業(yè)X19地上施工M7管理失效M17施工管理缺陷X10施工人員能力不足X20設(shè)備部件裝配M8人為惡意破壞X1管道占壓X11挖掘X21巡檢聯(lián)防制度缺陷M9盜竊破壞X2社會不穩(wěn)定因素X12打樁鉆孔X22巡檢聯(lián)防責(zé)任缺失M10違章施工破壞X3防盜裝置失效X13回填壓實(shí)X23預(yù)警報警系統(tǒng)失效

注：頂事件T為第三方破壞；M1-M17為中間事件；X1-X23為底事件。

圖4　FRACAS閉環(huán)管控流程Fig.4　Closed loop management and control flow

2)模糊FMECA與模糊灰關(guān)聯(lián)FTA等定量計算方法有效的克服了城市管道系統(tǒng)失效故障模式統(tǒng)計信息匱乏、數(shù)據(jù)具有一定模糊性所造成的對其安全及可靠性研究的局限性，提高了針對城市管道系統(tǒng)的多態(tài)、多要素耦合、不確定性復(fù)雜系統(tǒng)整體風(fēng)險分析研究的可信度。

3)融合FCE改進(jìn)的模糊FMECA、引入模糊灰關(guān)聯(lián)FTA 的Bow-tie模型及FRACAS等技術(shù)思想，充分利用三者優(yōu)勢互補(bǔ)，針對城市管道系統(tǒng)安全及可靠性構(gòu)建了涵蓋故障模式辨識、影響及危害度分析、糾正措施執(zhí)行等內(nèi)容的科學(xué)、完整的風(fēng)險閉環(huán)管控體系。

[1]楊振宏, 王璨, 胡世杰. 基于AHP 的城市燃?xì)夤艿腊踩：C合評判體系研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報, 2013, 13(2):257-260.

YANG Zhenhong, WANG Can, HU Shijie. Study on fuzzy comprehensive evaluation system of city gas pipeline based on AHP [J]. Journal of Safety and Environment, 2013, 13(2):257-260.

[2]駱正山, 郜陽, 王宏超,等.城市天然氣管道綜合定量風(fēng)險評估[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2013,32(6): 666-670.

LUO Zhengshan, GAO Yang WANG Hongchao, et al. Comprehensive quantitative risk assessment of urban nature gas pipeline [J]. Fire Science and Technology, 2013,32(6): 666-670.

[3]楊凱, 呂淑然, 楊進(jìn). 城市排水涵道油氣混合氣體爆炸研究現(xiàn)狀及展望[J]. 安全與環(huán)境工程,2015, 22(2): 108-111.

YANG Kai, LV Shuran, YANG Jin. Research status and prospects of oil and gas mixture in urban drainage culvert [J]. Safety and Environmental Engineering, 2015, 22(2): 108-111.

[4]王春雪, 呂淑然. 城市燃?xì)夤芫€泄漏致災(zāi)災(zāi)害鏈研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2016, 12(5): 16-21.

WANG Chunxue，LYU Shuran.Research on disaster chain of leakage disaster in urban gas pipeline[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(5): 16-21.

[5]李軍, 張宏, 梁海濱,等. 基于模糊綜合評價的燃?xì)夤艿赖谌狡茐氖а芯縖J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2016, 12(8): 140-145.

LI Jun, ZHANG Hong, LIANG Haibin, et al.Study on failure of gas pipeline due to third party damage based on fuzzy comprehensive evaluation [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(8): 140-145.

[6]陳業(yè)朋. 3F技術(shù)在無人機(jī)飛控系統(tǒng)上的應(yīng)用[D]. 成都：電子科技大學(xué), 2010, 4.

[7]張宇棟. 基于FTF方法的承壓特種設(shè)備安全及可靠性研究[D]. 昆明：昆明理工大學(xué), 2015, 11.

[8]楊田, 周密, 謝俊,等. 正向FTF方法在核級先導(dǎo)式安全閥故障分析中的應(yīng)用[J]. 核動力工程, 2010, 31(1): 65-69.

YANG Tian, ZHOU Mi, XIE Jun, et al. Application of forward FTF method in failure analysis of pilot-operated safety valve [J]. Nuclear Power Engineering, 2010, 31(1): 65-69.

[9]卿黎, 張勝躍, 張宇棟,等. 電站鍋爐承壓部件失效模式分析[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報, 2016, 16(4): 17-22.

QING Li, ZHANG Shengyue, ZHANG Yudong, et al. Failure mode analysis for the pressure-bearing components of the power-generating boiler [J]. Journal of Safety and Environment, 2016, 16(4): 17-22.

[10]李淑慶, 張根保, 任顯林,等. 基于3F技術(shù)的產(chǎn)品可靠性工程研究[J]. 現(xiàn)代制造工程, 2007(3): 5-7.

LI Shuqing, ZHANG Genbao, REN Xianlin, et al.Research on product reliability engineering based on 3F technology [J].Modern Manufacturing Engineering, 2007(3): 5-7.

[11]李淑慶,高維森,劉曉松. 新產(chǎn)品開發(fā)中3F一體化技術(shù)的應(yīng)用[J]. 核動力工程, 2009, 30(2): 124-128.

LI Shuqing, GAO Weisen, LIU Xiaosong. Application of 3F integrated technology in new product development [J]. Nuclear Power Engineering, 2009, 30(2): 124-128.

[12]陳玉超, 蔣宏業(yè), 吳瑤晗,等. 基于Bow-tie 模型的城鎮(zhèn)輸油管道風(fēng)險評價方法研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2016, 12(4): 148-152.

CHEN Yuchao, JIANG Hongye, WU Yaohan, et al.Study on risk assessment method of urban oil pipeline based on Bow-tie model [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(4): 148-152.

[13]FABIANO B,CURRO F,PALAZZI E,et al.A framework for risk assessment and decision-making strategies in dangerous good transportation [J]. Journal of Hazardous Materials,2002,93: 1-15.

[14]JONKMAN S N, MVAN GELDER P H A J, KVRIJLING J. An overview of quantitative risk measures for loss of life and economicdamage[J]. Journal of Hazardous Materials,2003,A99: 1-30.

[15]周真, 馬德仲, 于曉洋,等. 模糊灰關(guān)聯(lián)分析方法在故障樹分析中的應(yīng)用[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報, 2012(3):60-64.

ZHOU Zhen, MA Dezhong, YU Xiaoyan, et al.Application of fuzzy grey relational analysis in fault tree analysis[J].Electric Machines and Control, 2012(3):60-64.

[16]F.Caleyo, J.L.Gonz6lez, J.M.Hallen. A study on the reliability assessment methodology for pipelines with active corrosion defects[J].Pres. Ves.&Piping, 2002(79):77-86.

[17]黃小美, 彭世尼, 楊俊杰,等. 國內(nèi)典型城市燃?xì)夤艿朗д{(diào)查與分析[J]. 煤氣與熱力, 2010, 30(9): 26-29.

HUANG Xiaomei,PENGShini,YANGJunjie,et al.Investigation and analysison failure of gas pipelinein typical domestic cities [J]. GAS&HEAT, 2010, 30(9): 26-29.

[18]李軍, 張宏, 梁海濱,等. 基于模糊綜合評價的燃?xì)夤艿赖谌狡茐氖а芯縖J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2016, 12(8): 140-145.

LI Jun,ZHANG Hong, LIANG Haibin, et al.Study on failure of gas pipeline due to third party damage basedon fuzzy comprehensive evaluation [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2016, 12(8): 140-145.