管道風(fēng)險評價與決策方法研究進展

鄭啟超，劉 靜

（中國石化銷售股份有限公司華南分公司，廣東 廣州 510000）

近年來，我國油氣需求量呈現(xiàn)遞增趨勢，而管道作為一種較為經(jīng)濟的輸送方式，國家十分重視對管道的建設(shè)。雖然管道輸送較其他運輸方式有著經(jīng)濟、安全的優(yōu)點，但由于管道穿跨越地段較多、周圍環(huán)境多變并且所輸送介質(zhì)具有易燃易爆的特點，對人員安全和周圍生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在的危險［1］。尤其是在管道運行操作過程中，不可避免會出現(xiàn)如腐蝕、誤操作、第三方破壞、泄漏等風(fēng)險。以上任一種風(fēng)險都可能引發(fā)事故，對生命安全和生態(tài)環(huán)境造成損失。因此，為了降低事故發(fā)生的概率，減少事故所造成的經(jīng)濟損失，管道公司將風(fēng)險管理技術(shù)引入到油氣管道管理中。

油氣管道風(fēng)險管理是指在管線運營及維護環(huán)節(jié)中，為降低風(fēng)險水平將其控制在可接受范圍內(nèi)，從而減小事故發(fā)生的概率，經(jīng)濟有效地保證油氣管道安全運行所進行的一系列工作［2］。管道風(fēng)險管理的過程包括風(fēng)險識別、風(fēng)險評價、風(fēng)險決策以及風(fēng)險監(jiān)控［3］。通過管道風(fēng)險管理，即可提出相應(yīng)的管道安全維護措施并優(yōu)化分配用于維護管道安全的資源，從而減少潛在的經(jīng)濟損失，對油氣管道安全平穩(wěn)運行具有重要意義。

1 管道風(fēng)險評價方法研究

管道風(fēng)險評價是指識別對管道安全運行有不利影響的危害因素，評價事故發(fā)生的可能性和后果大小，對風(fēng)險大小進行計算并提出風(fēng)險控制措施的分析過程。它以誘發(fā)管道事故的各種因素為依據(jù)，以影響因素發(fā)展成危險的可能性為條件，以事故后果造成的直接經(jīng)濟損失為評估指標(biāo)，對在役油氣管道的安全程度做出綜合評價，是管道風(fēng)險管理的核心。在國外，油氣管道的風(fēng)險評價已得到普遍推廣和應(yīng)用，且取得了較好的經(jīng)濟和社會效益［4］，而國內(nèi)起步較晚，還處于發(fā)展階段。

目前，管道風(fēng)險評價的方法可分為定性評價法、半定量評價法以及定量評價法［5］。這三種方法中，定性方法比較簡單，易于理解和使用，但具有較強的主觀性，需要大量的經(jīng)驗判斷；而定量評價法所得到的評價結(jié)果準(zhǔn)確性最高，但比較復(fù)雜，采用了大量計算公式和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，需要較多數(shù)據(jù)［6］。下面主要從半定量法和定量法兩個方面進行介紹。

1.1 半定量評價方法研究

半定量評價法是以風(fēng)險的數(shù)量指標(biāo)為指標(biāo)，對損失后果和事故發(fā)生概率按權(quán)重各自分配一個指標(biāo)，將對應(yīng)事故概率和后果指標(biāo)進行組合，形成相對風(fēng)險指標(biāo)［7］。由于該方法操作簡單，不需建立精確的數(shù)學(xué)模型，且可靠度和精確度較定性法高，在各國得到廣泛應(yīng)用。目前使用較多的為肯特打分法，該方法首先根據(jù)管道規(guī)格、土壤類型以及沿線的人口密度等條件對全線管道進行分段，接著按影響層次羅列導(dǎo)致風(fēng)險的因素，并采用百分制逐段、逐項打分，最后進行綜合評比［8］。由于各國建設(shè)管道所處的實際情況不同，不能將肯特打分法直接拿來套用。一些學(xué)者基于該方法，對一些指標(biāo)進行刪減、增補以及修正［9-10］，使得該方法能更加適用于本國的情況。Jing等［11］以地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險為研究對象，建立了淺埋管道地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價模型。由于定性評價和定量評價無法對數(shù)千個地質(zhì)災(zāi)害進行風(fēng)險排序，故采取半定量評價方法來計算相對風(fēng)險，并進行風(fēng)險排序。田娜等［12］向管道半定量風(fēng)險評價中引入了模糊綜合評判法，解決了評分中存在的不確定性問題，同時采用灰色關(guān)聯(lián)分析對各影響因素的權(quán)重進行了分配。除了評分存在不確定因素外，肯特打分法還存在低分值的指標(biāo)被分值累加所隱藏的問題。針對這種情況，張錦偉等［13］改進了肯特法中分值累加的算法。通過引入模糊數(shù)學(xué)理論，首先將評價指標(biāo)得分值劃分為5個區(qū)間，使每個區(qū)間對應(yīng)相應(yīng)的失效可能性等級，然后將失效可能性等級轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)，再將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為指標(biāo)的失效概率，最后把各指標(biāo)的失效概率相加得到管道失效總概率。

1.2 定量評價方法研究

盡管半定量風(fēng)險評價方法已經(jīng)很成熟，且便于操作實施，但其中對風(fēng)險因素的權(quán)重分配受主觀因素影響較大，經(jīng)驗判斷影響評價結(jié)果。此外，這種方法也可能對某些因素考慮不足，使得評價的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。因此，更多的學(xué)者將重心轉(zhuǎn)移到對定量評價方法的研究。管道風(fēng)險定量評價是通過預(yù)先給失效概率并對事故損失后果確定一個具有明確物理意義的單位，通過對單個事故概率的計算得出最終事故的發(fā)生概率，然后再結(jié)合量化后的事故影響后果，計算出管道的風(fēng)險值［14］。根據(jù)目前的文獻，可將這些研究大致分為三類：一類為基于故障樹分析的管道風(fēng)險定量評價研究、一類為基于模糊數(shù)學(xué)的管道風(fēng)險定量評價研究、另一類為基于灰色理論的管道風(fēng)險定量評價研究。

1.2.1 基于故障樹分析的管道風(fēng)險定量評價研究

油氣管道中的故障樹分析是以管道失效為頂事件，以可能引發(fā)管道失效的主要原因為次頂事件，對每個原因進行深入分析，直至將次頂事件分解為各種基本事件并用邏輯圖把這些事件之間的邏輯關(guān)系表達出來。之后，給每個基本事件賦予一個概率值，并計算出中間事件、頂事件發(fā)生的概率以及各基本事件的相對重要程度［15］。目前，故障樹分析法被廣泛應(yīng)用于管道的定量風(fēng)險評價［16-17］。Dawotola等［18］將層次分析法與故障樹分析法相結(jié)合對跨國管道進行了評價。但是，在故障樹的分析計算中，導(dǎo)致管道失效的底部基本事件眾多，而且可能性也很小，難以確定其準(zhǔn)確的發(fā)生概率。此外，傳統(tǒng)的故障樹分析法很難解決油氣管道系統(tǒng)中不確定的因素。因此，一部分學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)理論引入故障樹分析法中。陳揚等［19］以某燃氣公司的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以模糊綜合評價法為基本框架，用故障樹識別、分析了各風(fēng)險因素，并基于模糊數(shù)學(xué)相關(guān)理論對其中難以定量化的因素進行了量化。盡管故障樹分析法具有強大的事故致因分析能力，但它無法對事故風(fēng)險實現(xiàn)動態(tài)分析。因此，有學(xué)者［20］在故障樹分析法的基礎(chǔ)上引入了貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)更新能力可以解決上述問題。

通過構(gòu)建故障樹能清楚的看到引發(fā)管道失效的各種可能原因，可以將復(fù)雜問題簡單化。但對于管道失效這個頂事件而言，其包含的次頂事件以及次頂事件包含的基本事件可能有很多，故障樹包含的內(nèi)容較多且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。在構(gòu)建故障樹時，可能由于疏忽而忽略掉某些基本事件，從而會影響評價結(jié)果。

1.2.2 基于模糊數(shù)學(xué)的管道風(fēng)險定量評價研究

由于管道的風(fēng)險影響因素很多，各項因素并不都能被量化或模型化。并且各因素之間相互關(guān)聯(lián)，它們之間的關(guān)聯(lián)性又隨時間、地點等條件改變，是不確定的，運用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法很難解決上述問題。模糊理論可以很好地解決上述問題。目前，模糊層次分析法［21］、模糊綜合評價法［22］、模糊聚類法［23］多被用于管道風(fēng)險評價。通過將模糊理論引入到管道定量風(fēng)險評價中，可以簡化管道風(fēng)險評價多指標(biāo)之間的相關(guān)性，避免在風(fēng)險評價過程中由于依靠專家打分確定權(quán)重帶來的主觀因素的影響，從而更好地保證權(quán)重系數(shù)的客觀性和準(zhǔn)確性，使評價結(jié)果更精確。Dong等［24］以慶哈管道為對象，采用模糊層次分析法建立了原油管道風(fēng)險評價失效指標(biāo)調(diào)整模型。Jamshidi等［25］提出了一種基于模糊邏輯和相對風(fēng)險評分法的集成方法用于管道風(fēng)險評價。在管道風(fēng)險評價過程中，首先要根據(jù)環(huán)境、管道等屬性的差異，對管道進行合理的分段，如何合理劃分管道直接影響對管道系統(tǒng)風(fēng)險評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，也有學(xué)者基于改進的 Bow-tie模型［26-27］對管道進行評價。Shahriar等［28］采用模糊邏輯對故障樹中的基本事件進行模糊似然，解決了傳統(tǒng)的Bow-tie模型中的不確定性因素。還有學(xué)者選擇引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法［29-30］去解決風(fēng)險評價過程中權(quán)重不易準(zhǔn)確分配的問題。該方法可以根據(jù)各種失效模式的風(fēng)險值，預(yù)測各管段的總風(fēng)險狀況，更可以保證各風(fēng)險因素權(quán)重分配的客觀性。

但是，不論是模糊綜合評價法，還是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，它們在解決非正態(tài)、非線性的失效可能性評價的問題中存在一定的局限性［31］。模糊綜合評價法的隸屬度和權(quán)重分配不易準(zhǔn)確確定，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的參數(shù)難以設(shè)定，評價過程相對復(fù)雜。

1.2.3 基于灰色理論的管道風(fēng)險定量評價研究

管道事故與風(fēng)險影響因素共同構(gòu)成一個灰色系統(tǒng)，解決灰色問題的最佳方法是灰色系統(tǒng)分析法。灰色系統(tǒng)著重研究概率統(tǒng)計，可以解決模糊數(shù)學(xué)所不能解決的少數(shù)據(jù)建模以及貧乏信息不確定問題［16］。因此，可將灰色理論引入管道風(fēng)險評價。目前在定量風(fēng)險評價中，多采用灰色層次分析法［32］和灰色關(guān)聯(lián)分析法［33-34］。上述方法所需數(shù)據(jù)量少、計算量小，不僅可以細化各風(fēng)險因素，還可以靈活處理各個指標(biāo)因素的權(quán)重。馮云飛等［35］將灰色理論與層次分析法相結(jié)合，建立了基于灰色層次分析法的油氣管道定量風(fēng)險評價模型。通過層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重區(qū)間，并結(jié)合專家評分，對管道進行風(fēng)險評定。Hu等［36］提出了一種基于熵權(quán)法和灰色聚類法的新評價方法用于油氣管道的定量風(fēng)險評價。盡管灰色分析法對數(shù)據(jù)要求低，可以解決由于信息缺乏帶來的不確定性問題，但是該方法需要對各項指標(biāo)的最優(yōu)值進行現(xiàn)行確定，主觀性過強，同時部分指標(biāo)最優(yōu)值難以確定。

2 管道風(fēng)險決策優(yōu)化方法研究

管道風(fēng)險決策是以風(fēng)險評價的結(jié)果為基礎(chǔ)，根據(jù)風(fēng)險評價的原則和標(biāo)準(zhǔn)，運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)知識和風(fēng)險管理方面的理論與方法，提出各種可能風(fēng)險解決方案。針對不同的風(fēng)險問題，可采用不同的風(fēng)險決策方法，包括決策樹法、技術(shù)經(jīng)濟評價法和貝葉斯風(fēng)險決策法等［37］。決策優(yōu)化是指從各種方案中選擇出最優(yōu)方案，對管道進行維護，以達到減少事故頻率和合理分配管道維護資源的目的。在管道風(fēng)險決策環(huán)節(jié)，選擇最優(yōu)的維護方案是一個不確定性優(yōu)化問題，如何對評價后的管道進行最優(yōu)的維護資源分配一直是各學(xué)者的研究方向。

陳利瓊等［38］為管線維護決策優(yōu)化問題提出了兩種優(yōu)化方法，即效用函數(shù)法和有限費用優(yōu)化法。有限費用法也可稱為約束成本優(yōu)化［39-40］，是以管段總失效損失期望費用最小為目標(biāo)函數(shù)，以人身安全、環(huán)境破壞還有維護預(yù)算作為約束條件建立決策模型。效用函數(shù)法［41］是采用效用代表管道運營者對維護后果的偏好感覺的數(shù)量指標(biāo)。在管道風(fēng)險維護決策問題中，要從經(jīng)濟損失、環(huán)境損害、人身損失三個方面去考慮，從而定義多準(zhǔn)則效用函數(shù)，以效用值最大的方案為最佳決策。以上兩種方法所得到的最優(yōu)解均可以在經(jīng)濟性、安全性以及環(huán)境保護三方面得到平衡，但是，依據(jù)有限費用優(yōu)化法做出的決策不是從管理者的角度做出的最佳選擇。而效用函數(shù)與決策者對風(fēng)險的偏好有關(guān)，同一問題可能會存在不同的效用函數(shù)，因此，最終決策可能會有所不同。也有學(xué)者向模型中引入損失函數(shù)或者利用智能算法求解模型。尹斌等［42］針對油田集輸管道運距短、口徑小、輸送介質(zhì)、管道內(nèi)外腐蝕嚴(yán)重多等特點，將損失函數(shù)引入到集輸管線的決策優(yōu)化中。近年來，隨著管道數(shù)據(jù)庫的完善以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，有學(xué)者開始利用管道歷史數(shù)據(jù)，挖掘其中的潛在價值，以對管道存在的潛在風(fēng)險進行診斷決策。趙志峰等［43］以管道外腐蝕中的土壤腐蝕數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了管道土壤腐蝕多因素分類決策樹。馬大中等［44］利用管網(wǎng)的壓力、流量等運行數(shù)據(jù)，提出了一種基于大維數(shù)據(jù)驅(qū)動的管網(wǎng)泄漏監(jiān)控模糊決策方法。

目前關(guān)于風(fēng)險決策的研究大多都建立在管道風(fēng)險定量評價的基礎(chǔ)上，且在實際維護工作中，由于維護效能多因素影響，因而不能僅考慮單因素來確定最優(yōu)維護措施組合，這并不能達到真正意義上的最優(yōu)組合，其不屬于全局最優(yōu)維護措施組合。因此，發(fā)展定量風(fēng)險評價，并綜合考慮多因素影響來確定最優(yōu)維護措施組合是一個研究方向。

3 結(jié)論

1）針對管道風(fēng)險評價方法的研究，已經(jīng)逐漸從半定量方法向定量方法發(fā)展。目前，大部分學(xué)者已經(jīng)開始致力于定量風(fēng)險評價方法的研究。由于管道設(shè)計、運行的歷史數(shù)據(jù)是管道風(fēng)險評價的基礎(chǔ)，評價過程所建立的數(shù)學(xué)模型以及結(jié)果的準(zhǔn)確性皆取決于歷史數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，尤其是定量評價更是需要大量的數(shù)據(jù)。因此，以數(shù)據(jù)驅(qū)動為核心的風(fēng)險定量評價是未來的研究方向之一。各管道公司應(yīng)繼續(xù)完善管道信息數(shù)據(jù)庫，以為定量評價法的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2）針對管道風(fēng)險決策優(yōu)化問題的研究，許多學(xué)者都采用不同的方法以得到最優(yōu)維護措施組合。但是目前大多數(shù)研究均是建立管道風(fēng)險定量評價的基礎(chǔ)上，且由于維護效能多因素影響，不能僅考慮單因素來確定最優(yōu)維護措施組合。因此，如何綜合考慮多因素影響，得到全局最優(yōu)維護措施組合有待進一步研究。