基于多約束因子識別和層次分析法的油氣管道路由選擇方法研究

田姍姍

中國石油管道局工程有限公司設(shè)計分公司，河北廊坊 065000

截至2016年底，我國油氣長輸管道總里程累計約為12.62萬km，預(yù)計到2020年，我國油氣長輸管道總里程將超過15萬km，在長輸油氣管道高速建設(shè)、助力經(jīng)濟迅猛發(fā)展的背后，管道事故卻層出不窮[1]。這些管道事故也反映出管道選線缺乏合理規(guī)劃、風(fēng)險未經(jīng)充分評價與控制等共性問題。

1 概述

根據(jù)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》與GB50253-2014《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，線路走向應(yīng)根據(jù)工程建設(shè)目的和資源、市場分布情況，結(jié)合沿線城鎮(zhèn)、交通、水利、礦產(chǎn)資源和環(huán)境敏感區(qū)的先后現(xiàn)狀與規(guī)劃，以及沿線地區(qū)的地形、地質(zhì)、地貌水文、氣象、地震等自然條件，通過綜合分析和多方案技術(shù)經(jīng)濟比較確定線路總體走向[2-6]。

隨著社會和經(jīng)濟的不斷發(fā)展，管道周邊的環(huán)境也日益復(fù)雜，因此管道路由選擇的約束條件也越來越多。目前的管道路由選擇和評價過程中主要是由專家對比選路由進行打分，主觀因素影響很大；或者僅僅考慮經(jīng)濟因素，不能客觀和定量地對比選路由進行評價。因此針對多目標約束給路由選擇帶來的復(fù)雜性，分析影響管道路由走向的多約束條件，研究綜合管道環(huán)境影響、安全風(fēng)險和工程造價的定量路由選擇方法是長輸管道線路路由選擇中需要解決的難題。

2 路由選擇工作流程

基于多約束因子識別和層次分析法的管道路由選擇流程如圖1所示。

圖1 路由選擇流程

3 多約束因子識別

多約束因子是指能夠約束管道路由走向的自然地理條件和社會人文環(huán)境，主要包括地形條件、地質(zhì)條件、環(huán)境敏感區(qū)、交通狀況、城鎮(zhèn)規(guī)劃等。這些客觀環(huán)境與相關(guān)的法律法規(guī)、標準規(guī)范形成了對管道敷設(shè)有影響的數(shù)百項約束因子。首先將約束因子按照約束和影響程度進行分類和分層，多約束因子分類識別見表1。

4 層次分析法選擇最優(yōu)路由

層次分析法AHP（Analytic HierarchyProcess）是美國運籌學(xué)家Saaty T L教授于20世紀70年代提出的一種實用的多方案或多目標的決策方法，是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法。AHP的基本思路是把復(fù)雜的問題分解成各個因素，將各個因素按關(guān)系分組，形成有層次的結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較的方式，綜合判斷計算各因素的相對重要性[7-10]。用AHP分析問題大體要經(jīng)過以下五個步驟：

表1 管道線路多約束因子識別

4.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

把最優(yōu)路徑方案作為層次分析的目標層，把各類約束因子作為層次分析的準則層，把待選的路由方案作為層次分析的方案層，建立管道路由方案選擇的遞階層次模型。層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

4.2 構(gòu)造成對比較矩陣

為解決層次結(jié)構(gòu)模型準則層中的各類因子所占比重不易量化的問題，構(gòu)造成對比較矩陣。比較第i個元素與第j個元素相對目標層的重要性，使用量化的相對權(quán)重aij來描述，設(shè)共有n個元素參與比較，則稱為成對比較矩陣A=（aij）n×n，矩陣中aij的取值可參考Saaty T L教授的提議（見表2）進行賦值[11-13]。

圖2 管道最優(yōu)路由選擇層級結(jié)構(gòu)模型

4.3 一致性校驗

從理論上分析得到：如果A是完全一致的成對比較矩陣，應(yīng)該有：

但實際上，在構(gòu)造成對比較矩陣時，受決策人主觀因素影響，因此評價過程中會出現(xiàn)偏差，即出現(xiàn)：aijajk≠aik，因此退而要求成對比較矩陣有一定的一致性，Saaty T L提出用隨機一致性比率CR來衡量成對比較矩陣的一致性，當(dāng)CR＜0.1時，矩陣A的一致性可接受[2-3]。其中：

表2 成對比較矩陣權(quán)重值及含義

式中：CR為隨機一致性比率；C1為一致性指標；R1為平均隨機一致性指標，值見表3[3]；q為判斷矩陣A的階數(shù)。

表3 平均隨機一致性指標值

4.4 層次總排序及決策

為選擇能滿足上述四類二級因子的路由，可以針對每條比選路由（y1，y2，....yn） 分別比較風(fēng)險類因子x1、環(huán)境類因子x2、地形類因子x3和工程類因子 x4，得到成對比較矩陣 Bx1、Bx2、Bx3、Bx4，并對矩陣進行一致性校驗，滿足一致性要求的矩陣計算權(quán)重向量。以風(fēng)險類因子x1為例，計算矩陣Bx1的權(quán)重向量ωx1（y），ωx1（y）可以直觀地視為每條比選路由（y1，y2，....yn） 在風(fēng)險類因子方面的得分。以此類推，分別計算矩陣Bx2、Bx3、Bx4的權(quán)重向量ωx2（y）、ωx3（y）、ωx4（y），它們可分別視為各比選路由（y1，y2，…yn） 的環(huán)境類因子、地形類因子、工程類因子得分，最后計算各比選路由（y1，y2，…yn） 的總得分。y1的總得分 ω（y1）實際上是 y1各條件得分 ωx1（y1）、ωx2（y1），…，ωx4（y1）的加權(quán)平均。

5 實例分析

5.1 路由描述

以國內(nèi)某輸氣管道為例，管道管徑1 219 mm，設(shè)計壓力12 MPa。以該管道通過固原市方案為例，共有3條路由（見圖3）。路由描述如下：

圖3 輸氣管道路由走向

路由1（圖3中粉色路由）：管道在三營鎮(zhèn)甘溝店子與西二線（黑色線條）分開，向東南敷設(shè)，在固原市東部的黃土丘陵溝壑區(qū)通過。該路由中大部分路由在較窄的黃土梁及溝壑中經(jīng)過，較大的黃土梁采取隧道方式通過。

路由2（圖3中藍色路由）：管道在彭堡水源地東側(cè)避開水源地二級保護區(qū)，之后與西二線并行，經(jīng)過彭堡水源地的準保護區(qū)。然后在固原市西側(cè)規(guī)劃區(qū)內(nèi)通過，在海家灣水源地與火燒溝水源地之間穿過省級文物保護區(qū)東海子遺址。

路由3（圖3中紅色路由）：管道自彭堡水源地二級保護區(qū)西側(cè)通過，繞過彭堡水源地二級保護區(qū)后，管道在固原市規(guī)劃區(qū)的西側(cè)敷設(shè)，在中莊鎮(zhèn)附近穿越在建的中莊水源地二級保護區(qū)，之后穿過福銀高速及寶中鐵路后，在東山坡飲用水源地與火燒溝水源地之間通過。

5.2 約束因子識別

對上述3條路由進行多約束因子識別，每條路由的約束因子見表4。

5.3 層次分析法選擇最優(yōu)路由

5.3.1 構(gòu)建成對比較矩陣

針對管道最優(yōu)路徑選擇的問題，將多約束因子中的二級因子即風(fēng)險類因子x1、環(huán)境類因子x2、地形類因子x3和工程類因子x4按照重要程度構(gòu)建成對比較法矩陣A如下：

5.3.2 一致性校驗

根據(jù)式（2），計算矩陣A的隨機一致性比率矩陣CR=0.034 6＜0.1，具有滿意的一致性。

定義A的最大特征值λmax對應(yīng)的特征向量為該矩陣的權(quán)重向量U，通過計算，矩陣A的權(quán)重向量 U=（0.467 3，0.329 7，0.114 5，0）。

5.3.3 方案比選和推薦

針對3條比選路由分別比較4類二級因子，構(gòu)建4個成對比較矩陣Bx1、Bx2、Bx3、Bx4，其中權(quán)重值的比選參照表2選取。

表4 約束因子識別

經(jīng)計算，四個矩陣均通過一致性校驗，四個矩陣的權(quán)重向量分別為：ωx1（y）=（0.1429，0.1429，0.713 4）、ωx2（y）=（0.090 9，0.454 5，0.454 5）、ωx3（y）=（0.454 5，0.090 9，0.454 5）、ωx4（y）=（0.142 9，0.713 4，0.142 9）。

經(jīng)計算，ω（ y1）=0.161 4，ω（y2）=0.290 2，ω（y3） =0.5483，ω（y3） ＞ ω（y2） ＞ ω（y1），因此路由3是三條比選路由中的最優(yōu)路由。

6 結(jié)論

（1）應(yīng)用多約束因子識別，首先將管道沿線的多種約束條件進行分類，然后應(yīng)用層次分析法確定各個影響因子的權(quán)重，可減少直接的專家打分法造成的主觀因素的影響，比選結(jié)果更加科學(xué)客觀。

（2）管道線路路由選擇和評價是一個多目標和多約束的復(fù)雜決策過程。多約束因子識別和層次分析法作為一種多因素綜合評價方法，綜合考慮和衡量影響路由的各種因素的相對重要性，能客觀地刻畫多因素的共同作用，極大提高了路由選擇和評價的科學(xué)性、有效性和可操作性。