基于AHM法的海底輸油管道運行風險定量分析

盧學飛，董鳳娟，陳小寧

1.西安石油大學，陜西西安710065

2.新疆特種設備檢驗研究院，新疆烏魯木齊830000

基于AHM法的海底輸油管道運行風險定量分析

盧學飛1，董鳳娟1，陳小寧2

1.西安石油大學，陜西西安710065

2.新疆特種設備檢驗研究院，新疆烏魯木齊830000

以某海底輸油管道為例，選取漁業(yè)作業(yè)頻繁度、海上交通流量、海水腐蝕、輸送介質腐蝕、管道防腐保護系統(tǒng)失效、海底土壤、海水流態(tài)、地震、誤操作、未定期檢查、設計隱患和施工隱患等12個參數(shù)作為評價海底輸油管道運行風險的主要指標，采用屬性層次分析法（AHM）確定各指標的相對權重，對海底輸油管道運行中存在的風險進行定量分析。計算結果表明：該數(shù)學模型簡單，容易掌握，計算量少，不需要進行一致性檢驗及對矩陣進行調整判斷，對多因素、多層次的復雜問題評判效果較好，評價結果既體現(xiàn)科學性、又不失主觀性。該研究對海底輸油管道運行具有一定的理論和實用價值。

海底輸油管道；AHM；權重；運行風險；定量評價

海底輸油管道作為一種高風險高投入的生產(chǎn)設施，造價昂貴，每千米30～100萬美元[1]。同時，海洋環(huán)境較為復雜、惡劣，存在眾多的不確定性因素。海底輸油管道在運行過程中，不僅受到海流和波浪的不斷沖刷，海水中的溶解氧會對管道產(chǎn)生吸氧腐蝕，而且船舶的拋錨、平臺及船舶的落物會使管道發(fā)生變形失效，設備在運行過程中的振動也會導致管道的疲勞失效[2]。值得注意的是，海底輸油管道所輸送的油品為有害物質，一旦發(fā)生泄漏或斷裂，會對周圍海洋環(huán)境和海生物造成嚴重危害，輕則引起管道泄漏、資源浪費，重則引起嚴重海洋溢油事故，造成巨大的經(jīng)濟損失和環(huán)境污染[3-5]。海底輸油管道是否安全運行已成為影響海洋油氣開發(fā)和生產(chǎn)的一個非常重要的安全問題。

近年來，國內外不少學者采用不同的數(shù)學方法，針對油氣管道存在的風險進行了定性、定性-定量、定量分析與評價[6-7]，其基本原理是將影響管道安全運行的風險因素歸納為：第三方破壞、腐蝕、設計和操作等四大類風險因素，首先按照一定的規(guī)則評分，得到各影響因素的得分，再進行加權相加得到綜合得分，以表征管道運行風險大小。鑒于此，筆者以風險管理技術為基礎，結合我國海底輸油管道所處的復雜環(huán)境（易遭漁業(yè)作業(yè)、潮流、地震等因素影響）以及實際運行情況，對影響海底輸油管道安全運行的風險因素進行重新識別、梳理，再應用屬性層次分析法（AHM）建立海底輸油管道運行風險定量分析模型，從而對影響海底輸油管道安全運行的多種因素進行綜合評價。

1 建立海底輸油管道運行風險定量評價指標體系

應用AHM法解決工程實際問題的關鍵就是將一個較為復雜的評價系統(tǒng)通過分析各個因素之間的相互關系，從而分解為相互支配的若干層次或子系統(tǒng)，即建立層次結構模型，然后構造屬性判斷矩陣[8-10]，最后確定出評價模型中各因素的相對權重。

海底輸油管道安全運行的目標是將海底輸油管道運行風險控制在可接受的范圍內，保證海底輸油管道平穩(wěn)運行，避免對周圍海域環(huán)境、海洋棲息動植物產(chǎn)生不利影響。本次研究中，考慮到我國海底輸油管道所處的環(huán)境比較復雜（易遭漁業(yè)作業(yè)、潮流、地震等因素影響），選取漁業(yè)作業(yè)頻繁度、海上交通流量、海水腐蝕、輸送介質腐蝕、管道防腐保護系統(tǒng)失效、海底土壤、海水流態(tài)、地震、誤操作、未定期檢查、設計隱患和施工隱患等12個參數(shù)作為評價海底輸油管道運行風險的主要評價指標。通過綜合分析各因素之間的相互影響關系，應用AHM法的基本思想將各個指標按支配關系分組，形成的層次結構模型如圖1所示。

圖1 影響海底輸油管道運行風險的因素層次結構模型

2 AHM法確定指標權重的基本步驟[8-10]

設B為一個準則，c1，c2，…，cn為n個元素，對于準則B，比較兩個不同元素ci和cj（i≠j），和對準則B的相對重要性分別記為uij和jji。按屬性測度的要求，uij和uji（i=1，…，m；j=1，…，n）應分別滿足：

滿足式（1）、（2）的uij稱為相對屬性測度，其組成的n階矩陣（uij）1≤i，j≤n稱為屬性判斷矩陣。（uij）1≤i，j≤n可由層次分析法的判斷矩陣（aij）1≤i，j≤n轉換得到，轉換公式如式（3）所示。

式中k為大于等于1的正整數(shù)，aij的值可由1～9的比例標度確定。

屬性判斷矩陣（uij）1≤i，j≤n具有一致性，因此不需要計算矩陣的特征根和特征向量，也不需要進行一致性檢驗。其中，相對權重Wi的計算公式為：

3 海底輸油管道運行風險定量分析

3.1 構造判斷矩陣

在海底輸油管道運行過程中，尤其是港灣附近的海域漁業(yè)作業(yè)、海上交通比較頻繁，對海底輸油管道穩(wěn)定運行造成風險的概率最大，與其他參數(shù)相比具有極強的重要性；由于海水氯離子含量以及溶解氧含量很高，均會加速海底輸油管道的腐蝕，這不僅是金屬資源的浪費，還對金屬結構造成腐蝕破壞，使金屬管道、設備提前退役，參考專家意見，這里視其具有較強的重要性；經(jīng)生產(chǎn)平臺處理完的油品經(jīng)海底管道輸送上岸，海底管道的運行操作靠遠程控制，若出現(xiàn)誤操作或未定期檢查，將會使海底管道停輸，可能引起全線凝管的惡性事故，造成的損失將是不可估量的，這里視工藝因素為很重要；而設計、施工隱患造成的風險相對于地震、海水流態(tài)等環(huán)境因素來說要大得多，因此顯得較為重要。

由于文章篇幅有限，這里僅對構造準則層對目標層的判斷矩陣的過程進行分析。按此原則進行對比分析，兩兩比較按1～9標度法進行重要性評價，可建立準則層對目標層、指標層對準則層的AHP判別矩陣，見式（5）～（10）。

（1）準則層對目標層的AHP判斷矩陣：

（2）第三方破壞的因素的AHP判斷矩陣：

（3）腐蝕因素的AHP判斷矩陣：

（4）環(huán)境因素的AHP判斷矩陣：

（5）工藝因素的AHP判斷矩陣：

（6）設計施工因素的AHP判斷矩陣：

3.2 計算各指標相對權重

通過式（3）把各AHP的判斷矩陣轉換成AHM的屬性判斷矩陣，見式（11）～（16）。

（1）準則層的AHM屬性判斷矩陣：

（2）第三方破壞因素的AHM屬性判斷矩陣：

（3）腐蝕因素的AHM屬性判斷矩陣：

（4）環(huán)境因素的AHM屬性判斷矩陣：

（5）工藝因素的AHM屬性判斷矩陣：

（6）設計施工因素的AHM屬性判斷矩陣：

由式（4）計算出各指標的單層相對權重，即：B1、B2、B3、B4、B5對于A的相對權重為Wa＝[0.259 6，0.285 5，0.642，0.223 2，0.167 5]T；C1、C2對于B1的相對權重為Wb1＝[0.75，0.25]T；C3、C4、C5對于B2的相對權重為Wb2＝[0.486 1，0.138 9，0.375]T；C6、C7、C8對于B3的相對權重為Wb3＝[0.527 8，0.333 3，0.138 9]T；C9、C10對于B4的相對權重為Wb4＝[0.25，0.75]T；C11、C12對于B1的相對權重為Wb5＝[0.25，0.75]T。

3.3 各指標對總目標的相對綜合權重和排序

由于評價系統(tǒng)由多個目標層次構成，因而最終的評價結果需考慮同一層次中所有因素對最高目標的相對重要性（權值）即層次總排序，例如C1對總目標的綜合權重Wc=0.259 6×0.75=0.194 7，各指標對目標層的總排序見表1。

表1 海底輸油管道運行風險定量評價指標對目標層的總排序結果

4 結論與認識

（1）AHM方法是AHP的改進，但是AHM法數(shù)學模型簡單，容易掌握，計算量少，不需要進行一致性檢驗及對矩陣進行調整判斷，同時還考慮到各評價指標的權重差異，使評價結果更加客觀、準確。

（2）應用AHM方法確定海底輸油管道運行風險各因素的相對重要性排序為：漁業(yè)作業(yè)頻繁程度＞未定期檢查＞海水腐蝕＞施工隱患＞管道防腐保護系統(tǒng)失效＞海上交通流量＞誤操作＞設計隱患＞輸送介質腐蝕＞海底土壤＞海水流態(tài)＞地震。

（3）通過對海底輸油管道運行風險定量評價，不難發(fā)現(xiàn)漁業(yè)作業(yè)頻繁程度、未定期檢查及海水腐蝕對海底輸油管道安全平穩(wěn)運行存在極為顯著的威脅作用，需引起管理人員的高度重視和防范，應做好相應的預警機制，從而將海底輸油管道的運行風險控制在最低程度。

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Quantitative analysis on operation risks of submarine oil pipeline based on AHM method

LU Xuefei1，DONG Fengjuan1，CHEN Xiaoning2
1.Xi’an Petroleum University，Xi’an 710065，China
2.Xinjiang Institute of SpecialTest Equipment，Urumqi830000，China

Taking a certain submarine oil pipeline for example，this research chooses 12 parameters as main indexes to evaluate the operation risks of submarine oil pipeline，which are fishery operation frequency，maritime traffic，seawater corrosion，transported medium corrosion，pipeline corrosion protection system failure，seabed soil，seawater flow state，earthquake，misoperation，non-periodic inspection，hidden design and construction troubles.It applies AHM method to determine the relative weights of the indexes and carry out the quantitative analysis of submarine pipeline operation risks.The calculation results show that the mathematic model is simple and easy to grasp，and has the features of less calculation，no consistency check needed and no adjustment for the judgment matrix，better effect of evaluation for the complex problems with multi-factor and multi-hierarchy.Evaluation results reflect the scientificalness and objectivity.The study has certain theoreticaland practicalvalue to submarine oilpipeline operation.

submarine oilpipeline；AHM；weight；operation risk；quantitative evaluation

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.012

盧學飛（1980-），男，寧夏吳忠人，講師，西安石油大學在讀博士，主要從事數(shù)學物理方程、偏微分方程的數(shù)值解法研究。

2016-11-02

Email：luxuefei@xsyu.edu.cn