基于未確知測度和博弈論集對理論的油氣管道維搶修站隊選址評價

曹俊杰工程師

(國家管網(wǎng)集團西部管道有限責任公司甘肅輸油氣分公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

油氣管道維搶修站隊是石油與天然氣管道儲運系統(tǒng)的重要組成部分，其主要職責是在油氣管道風險事故或險兆事件發(fā)生時，第一時間對所轄區(qū)域管道或儲運站場的維檢修、應(yīng)急搶險工作提供技術(shù)支援。因此，科學(xué)合理的油氣管道維搶修站隊選址方案能夠有效地追蹤應(yīng)急預(yù)警信息并及時做出可靠的應(yīng)急響應(yīng)與處置，對油氣管道儲運系統(tǒng)的安全管理與應(yīng)急決策具有重要意義。

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者和工程技術(shù)人員對油氣管道維檢修作業(yè)進行大量研究，石蕾等分析美國油氣管道維搶修應(yīng)急響應(yīng)程序；薛光等通過構(gòu)建川氣東送數(shù)字化管道系統(tǒng)，分析提高維搶修反應(yīng)速度和組織水平的具體措施；張仕民等綜述現(xiàn)階段維搶修裝備技術(shù)水平；張乃祿等為減少維檢修作業(yè)人員的失誤事故，采用灰色—模糊理論對人員可靠性進行綜合評價；張乃祿等為提高油氣管道維搶修公司應(yīng)急響應(yīng)與處置能力，應(yīng)用結(jié)構(gòu)熵權(quán)法與多級可拓理論對應(yīng)急搶險能力進行評估。國內(nèi)外對于未確知測度理論的研究也較為成熟，廣泛應(yīng)用于礦山、交通領(lǐng)域，但在油氣儲運行業(yè)應(yīng)用較少。宮鳳強等將未確知測度理論應(yīng)用于采空區(qū)危險性評價；穆成林等利用未確知測度理論對巖體圍巖穩(wěn)定性進行預(yù)測評估；王衛(wèi)東等將未確知測度理論分別應(yīng)用于車輛基地的選址規(guī)劃與公路交通效率評價中。

綜上所述，油氣管道維檢修作業(yè)評價模型較為成熟，而維搶修站隊選址規(guī)劃評價研究較少，為進一步提高油氣管道維搶修站隊在油氣儲運應(yīng)急響應(yīng)與處置方面的能力，保障油氣管道的安全運行，本文從影響維搶修站隊的自然條件、工程作業(yè)條件、工程可實施性以及工程經(jīng)濟性等因素入手，建立油氣管道維搶修選址評價指標體系，基于未確知測度和博弈論組合賦權(quán)技術(shù)構(gòu)建維搶修站隊選址評價模型，最后將成果應(yīng)用于某維搶修站隊的選址規(guī)劃評價。

1 評價指標體系的建立

1.1 評價指標的篩選

以《石油天然氣工程總圖設(shè)計規(guī)范》(SY/T0048-2016)為基礎(chǔ)，現(xiàn)場調(diào)研國家管網(wǎng)公司甘肅輸油氣分公司所轄的蘭州、古浪、武威等10余個油氣儲運站場及維搶修中心的實際建設(shè)與運營情況。依據(jù)科學(xué)性與實事求是原則、系統(tǒng)性與全面性、定量與定性分析相結(jié)合的評價指標設(shè)計原則，采用現(xiàn)場調(diào)研和文獻查閱以及專家決策的方法，建立油氣管道維搶修站隊選址三級評價指標體系(如圖1)，該體系包括自然環(huán)境條件、工程作業(yè)條件、工程可實施性、工程經(jīng)濟性4方面共12個三級指標。

圖1 油氣管道維搶修站隊選址指標體系的構(gòu)建Fig.1 The construction of site selection index system for oil andgas pipeline maintenance and repair station

1.2 評價指標的定義

1.2.1 自然環(huán)境條件

(1)地理位置

I

。油氣管道維搶修站隊選址應(yīng)考慮選址區(qū)域與周圍建筑物(如居民區(qū)、相鄰廠礦等)的安全間距，由于周圍建筑物種類繁多，較難實現(xiàn)對其的量化評價，通過文獻[12]與現(xiàn)場調(diào)研，以人口密度作為定性評價準則，人口密度越低的區(qū)域評價等級越優(yōu)。(2)地質(zhì)條件

I

。油氣管道維搶修站隊選址應(yīng)滿足相應(yīng)的地質(zhì)要求，參考相應(yīng)的國家標準、行業(yè)標準以及企業(yè)規(guī)范，維搶修站隊應(yīng)設(shè)在地形平緩、地勢較高的區(qū)域，同時應(yīng)避開不良工程地質(zhì)地段、避開地震或斷層區(qū)、避開堤壩等地區(qū)。(3)水文條件

I

。國家管網(wǎng)公司西部管道分公司所轄的油氣管道維搶修站隊設(shè)站選址大多地處我國西北地區(qū)，受天山山脈、昆侖山脈等積雪的影響，維搶修站隊選址應(yīng)考慮選址區(qū)域充水難度的影響，對于充水難度較高的區(qū)域，評價等級較優(yōu)。

1.2.2 工程作業(yè)條件

(1)交通運輸條件

I

。交通運輸條件是指維搶修站隊選址區(qū)域與周圍道路的連接情況，即在選址過程中應(yīng)考慮維搶修站隊與周圍埋地油氣管道、油氣儲運站場或截斷閥室的交通是否便捷、暢通，該交通便利性越好，評價等級越優(yōu)。(2)作業(yè)地幅條件

I

。以《油氣長輸管道維搶修作業(yè)坑開挖技術(shù)規(guī)范》(Q/SY XG 0031-2018)的相關(guān)要求以及現(xiàn)場調(diào)研為基礎(chǔ)，將維搶修作業(yè)過程中的地基坡度作為衡量作業(yè)地幅的評價準則，作業(yè)時地基坡度越低，評價等級越優(yōu)。(3)維搶修出警時間

I

。在油氣管道維搶修作業(yè)過程中，保證維搶修站隊出警時間的高效是選址評價過程中應(yīng)考慮的重要一環(huán)，合理有效的規(guī)劃維搶修站隊選址范圍能有效保證出警效率，避免事故的后續(xù)發(fā)展。(4)維搶修出警距離

I

。維搶修站隊的出警距離規(guī)劃是基于具有拓撲結(jié)構(gòu)的道路網(wǎng)格，選擇合適、最佳的維搶修站隊出警路徑的過程，能夠及時、有效、迅速地出警至維搶修現(xiàn)場。

1.2.3 工程可實施性

(1)選址巖石體積

I

。油氣管道維搶修站隊選址區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、水文條件以及地形地勢將直接決定工程施工的巖石體積，將對工程建設(shè)施工的可行性帶來較大影響，因此可依據(jù)單位面積巖土的填挖體積進行定量評價。(2)選址范圍符合性

I

。維搶修站隊的選址應(yīng)根據(jù)土地使用的總體規(guī)范，從土地用途的利用范圍以及長遠利益出發(fā)，對選址范圍的開發(fā)、利用及保護應(yīng)滿足《土地管理法》等相關(guān)要求。(3)離儲運站場距離

I

。除滿足《石油天然氣管道安全規(guī)程》(SY/T 6186-2007)、《石油天然氣工業(yè)管道輸送系統(tǒng)》(GB/T 24259-2009)等的相關(guān)要求，油氣管道維搶修站隊選址還應(yīng)考慮與周圍輸油站場、壓氣站場等相關(guān)站場的距離，在本研究中，以量化的距離為標準對其進行定量評價。

1.2.4 工程經(jīng)濟性

(1)選址征地費用

I

。油氣管道維搶修站隊的設(shè)站選址可由維搶修站隊的規(guī)模建筑面積確定單位面積征地費用，在征地成本較高的市區(qū)與郊區(qū)，維搶修站隊的工程建設(shè)需要大量的征地和拆遷成本，因此可根據(jù)拆遷類型、選址面積進而確定單位面積的征地費用。(2)選址建設(shè)費用

I

。選址區(qū)域的地表起伏程度將直接影響到工程建設(shè)的造價及施工難度，因此維搶修站隊選址范圍內(nèi)的工程建設(shè)費用可依據(jù)適宜建設(shè)和處理后可建設(shè)2方面進行等級劃分，單位面積處理費用越高則選址評價等級越低。

1.3 評級指標定性與定量分級

為實現(xiàn)對油氣管道維搶修站隊選址規(guī)劃的優(yōu)選，減少選址評價中的主觀性，結(jié)合相關(guān)研究與現(xiàn)場調(diào)研10余個儲運站場及維搶修站隊的現(xiàn)狀特點，對選址評價指標體系內(nèi)的各指標采用定性與定量分級方法進行衡量，使其能夠反映評價的真實含義，并將量化等級劃分為優(yōu)(

N

)、良(

N

)、中(

N

)、差(

N

)、劣(

N

)5個級別，每個級別均有規(guī)定的數(shù)值區(qū)間，在三級選址評價指標體系中，5個定性指標，7個定量指標，通過合理、有效的分級標準實現(xiàn)定性評價向定量評價轉(zhuǎn)化，見表1。

2 基于未確知測度的選址模型

本研究采用組合權(quán)重理論與未確知測度理論構(gòu)建未確知測度選址評價模型，對油氣管道維搶修站隊選址方案進行決策評價，其評價流程，如圖2。

設(shè)油氣管道維搶修站隊選址決策有

m

個待評價方案，用

X

,

X

,…,

X

表示，則評價方案空間

X

={

X

,

X

,…,

X

}；每個評價方案有

n

個評價指標，用

I

,

I

,…,

I

表示，則評價指標空間

I

={

I

,

I

,…,

I

}；每個評價指標有

p

個評價等級，用

N

,

N

,…,

N

(

p

=1,2,…，5)表示，則評價等級空間

N

={

N

,

N

,…,

N

}。

表1 油氣管道維搶修站隊選址指標評價準則Tab.1 Evaluation criteria for site selection of oil and gas pipeline maintenance and repair station

圖2 基于未確知測度的維搶修站隊選址評價模型Fig.2 Site selection evaluation model for maintenance andrepair station based on unascertained measure

定義

x

為第

i

個選址方案

X

關(guān)于第

j

個評價指標的實測值，

u

=

u

(

x

∈

N

)為

x

屬于第

k

個評價等級

N

的程度 (

i

=1,2,…,

m

；

j

=1,2,…,

n

；

k

=1,2,…,

p

)，若同時滿足：0≤

u

(

x

∈

N

)≤1

(1)

u

(

x

∈

N

)=1

(2)

(3)

則稱

u

為未確知測度，式(1)為“非負有界性”，式(2)為“歸一性”，式(3)為“可加性”。

2.1 單指標未確知測度構(gòu)造

依據(jù)未確知測度的定義構(gòu)造單指標測度函數(shù)，構(gòu)造測度函數(shù)的方法有直線法、二次曲線構(gòu)造法、指數(shù)構(gòu)造法等，均符合“非負有界、歸一、可加”的基本原則，但針對油氣管道維搶修站隊選址規(guī)劃問題，直線法具有計算簡便、應(yīng)用廣泛，且滿足定性與定量相結(jié)合的精度要求，因此選用直線法作為測度函數(shù)，在區(qū)間[

a

,

a

+1]上對應(yīng)的函數(shù)表達式為：

(4)

(5)

式中：

x

—各評價指標實測值；

u

(

x

)、

u

+1(

x

)—指標實測值

x

關(guān)于

N

、

N

+1的測度；

a

、

a

+1—

N

、

N

+1上指標實測值

x

的中間值。則各指標測度值

u

構(gòu)成的單指標測度評價矩陣為(

u

)×：

(6)

2.2 多指標未確知測度構(gòu)造

油氣管道維搶修站隊選址規(guī)劃評價指標的權(quán)重為

W

，若

u

∈[0,1]且滿足：

(7)

則多指標未確知測度評價矩陣(

u

)×為：

(8)

2.3 置信度準則識別

引入置信度

λ

∈[0.5,1)，若

N

>

N

>…>

N

，令：

(9)

則認為選址方案

x

屬于第

k

個評價等級

N

。

3 組合權(quán)重確定指標權(quán)重

油氣管道維搶修站隊的選址方案是一個多層次、多目標的復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，各指標權(quán)重確定的合理性直接影響到整個評價模型的結(jié)果。主觀賦權(quán)法(如德爾菲法等)往往未考慮評價指標間的內(nèi)在聯(lián)系，客觀賦權(quán)法(如熵權(quán)法等)較多忽略決策者的知識、經(jīng)驗與閱歷，因此，為使選址評價指標更加準確與符合現(xiàn)場實際，本文提出主客觀相結(jié)合的博弈論組合賦權(quán)法進行權(quán)重計算，該方法可實現(xiàn)主客觀賦權(quán)的統(tǒng)一，彌補單一賦權(quán)法導(dǎo)致指標權(quán)重精確度偏低情況的局限性。

3.1 主觀權(quán)重計算

(1)指標序關(guān)系確定。通過專家群體決策，對維搶修站隊的選址評價指標{

I

,

I

,…,

I

}中決策出最為重要的指標

I

'；在余下的

n

-1個指標中決策出最為重要的指標

I

'；依次類推，最終確定優(yōu)選后的指標排序分別為：

I

'>

I

'>…>

I

'。(2)指標相對重要度計算。依據(jù)賦權(quán)規(guī)則計算相鄰指標序

I

'-1與

I

'的重要性程度比值

r

，即：

(10)

(3)主觀權(quán)重計算。若指標相對重要度

r

滿足：

(11)

則主觀權(quán)重可由式(12)計算：

(12)

3.2 客觀權(quán)重計算

(1)數(shù)據(jù)標準化處理。對于油氣管道維搶修站隊選址規(guī)劃指標體系，對于定性指標

I

，

I

，

I

，

I

，

I

，分為1-5等級實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的量化處理；而對于其余定量指標，均是指標值越大，評價等級越低，且指標間的數(shù)量級、量綱以及量綱單位往往不一致，為消除量綱對選址規(guī)劃評價的影響，利用式(13)對定量指標進行標準化處理，以解決數(shù)據(jù)指標間的可比性問題。

(13)

式中：

max{

u

}—指標測度值的最大值；min{

u

}—指標測度值的最小值；

r

—指標測度值的標準化值。(2)信息熵值與信息效用值計算。維搶修站隊選址規(guī)劃指標的信息效用值

d

由該指標的信息熵值

e

與1之間的差值決定，其值的大小反映了對選址規(guī)劃的影響程度。

(14)

式中：

f

—第

i

個指標中第

j

個評價者的比例。

(15)

d

=1-

e

(16)

(17)

3.3 博弈論組合權(quán)重計算

為彌補主客觀權(quán)重之間既沖突又協(xié)調(diào)的矛盾，基于博弈論思想對油氣管道維檢修站隊選址指標權(quán)重進行組合優(yōu)化，進而得到更為合理有效的組合權(quán)重。

(1)各級權(quán)重向量計算。對于多層次維修站隊選址評價體系，選用

M

種賦權(quán)方法得到各級權(quán)重向量記為

W

對(

h

=1,2,…,

M

)：

W

[

w

1,

w

2,…,

w

]

(18)

同時引入線性組合系數(shù)

α

記為：

α

=(

α

,

α

,…,

α

)

(19)

則以選址三級評價指標為例，

M

種權(quán)重向量線性組合為：

(20)

(2)組合權(quán)重優(yōu)化。為使

W

與

W

的距離差值達最小值，利用式(21)對系數(shù)

α

進行優(yōu)化，即有：

(21)

則由矩陣的微分性質(zhì)，可推導(dǎo)出式(21)的最優(yōu)化一階導(dǎo)數(shù)條件為：

(22)

(3)歸一化處理。對系數(shù)

α

利用式(23)進行歸一化處理，則有：

(23)

(24)

4 案例分析

4.1 工程實例

選取國家管網(wǎng)公司西部分公司所轄的武威某維搶修站隊為研究對象，該維搶修站隊地處河西走廊，隸屬黃土高坡，地勢南高北低、地形平緩，具有較優(yōu)的地質(zhì)條件與水文條件，周圍人口密度稀疏；負責轄區(qū)4個作業(yè)區(qū)、9座油氣儲運站場、48座截斷閥室的各類設(shè)備維護、檢修；承擔轄區(qū)范圍內(nèi)雙蘭線、西氣東輸一、二、三線和3條分輸支線(金昌天然氣分輸支線、武威天然氣分輸支線、武威成品油分輸支線)共計1 870.48km的事故及管道應(yīng)急搶維修工作。

目前，對于該維搶修站隊的應(yīng)急搶險任務(wù)，交通運輸條件便捷，一般可由先遣組攜帶先遣設(shè)備、儀器10min內(nèi)裝車出發(fā)趕赴現(xiàn)場，建設(shè)基地坡度平均約為7°，出警最大距離為33km，選址面積約為105m×68m，存在約150m的拆遷量，巖土體積約為25萬立方米，距離最遠油氣儲運站場約為123km，單位面積征地費用約為0.5萬元/m，單位面積建設(shè)費用約為68萬元/m。

4.2 選址評價

4.2.1 單指標測度函數(shù)構(gòu)造

由單指標位置測度構(gòu)造的定義及式(4)-(5)，結(jié)合油氣管道維搶修站隊選址評價指標體系及分級標準，采用直線型測度函數(shù)，構(gòu)造選址評價單指標測度函數(shù)，如圖3。其中，圖3(a)是對于定性評價指標地理位置、地質(zhì)條件、水文條件、交通運輸條件、選址范圍符合性，依據(jù)指標的評價準則及分級標準進行定性與定量的轉(zhuǎn)化。而對于作業(yè)地幅條件、維搶修出警時間、維搶修出警距離、選址巖石體積、離儲運站場距離、選址征地費用、選址建設(shè)費用等7個定量評價指標的單指標測度函數(shù)分別，如圖3(b)-(h)。

4.2.2 單指標測度評價矩陣計算

根據(jù)國家管網(wǎng)公司西部分公司所轄的武威某維搶修站隊選址及現(xiàn)場調(diào)研的實際結(jié)果，結(jié)合前文所述的未確知測度選址評價模型(見表2)，對該維搶修站隊選址進行評價。

注：(a)：I1，I2，I3，I4，I9；(b)：I5；(c)：I6；(d)：I7；(e)：I8；(f)：I10；(g)：I11；(h)：I12圖3 油氣管道維搶修站隊單指標測度函數(shù)Fig.3 Single index measurement function of maintenance and repair station of oil and gas pipeline

表2 某油氣管道維搶修站隊選址評價指標值Tab.2 Evaluation index value of site selection for an maintenance and repair station of oil and gas pipeline

依據(jù)表2取值結(jié)果以及構(gòu)造的油氣管道維搶修站隊單指標測度函數(shù)，可計算得該維搶修站隊的單指標評價矩陣(

u

1)：

4.2.3 組合權(quán)重及多指標測度計算

結(jié)合單指標評價矩陣(

u

1)，利用前文所述主觀權(quán)重法(G1法)和客觀權(quán)重法(熵權(quán)法)分別計算油氣管道維搶修站隊選址評價體系指標權(quán)重值，見表3。

由表3可知，主客觀權(quán)重存在一定差異，因此需要利用博弈論組合賦權(quán)法對選址評價權(quán)重值進行集成運算。根據(jù)式(22)可計算得最優(yōu)化一階線性方程組為：

表3 油氣管道維搶修站隊選址評價指標權(quán)重值Tab.3 Weight value of evaluation index for site selection of maintenance and repair station of oil and gas pipeline

表4 油氣管道維搶修站隊選址評價指標組合權(quán)重值Tab.4 Weight value of evaluation index combination for site selection of maintenance and repair station of oil and gas pipeline

由所得組合權(quán)重值，結(jié)合式(7)及單指標評價矩陣(

u

1)，可計算得油氣管道維搶修站隊選址評價的多指標綜合測度評價向量

U

：

U

=[0.271,0.404,0.093,0.231,0]

4.2.4 置信度識別和評價等級排序

由多指標綜合測度評價向量

U

及置信度評價準則，取置信度

λ

=0.6，于是從小到大有

k

=0.675>0.6，油氣管道維搶修站隊選址評價為良(

N

)，從大到小有

k

=0.728>0.6，油氣管道維搶修站隊選址評價也為良(

N

)。由此可知，二次判別的結(jié)果一致，即認為該維搶修站隊的選址規(guī)劃評價等級為良(

N

)。

根據(jù)調(diào)研資料顯示，將該評價結(jié)果與武威某維搶修站隊的選址規(guī)劃論證結(jié)果進行對比分析發(fā)現(xiàn)，基于未確知測度模型和博弈論組合權(quán)重的選址模型評價結(jié)果與實際論證結(jié)果基本一致，也即所構(gòu)建的選址評價模型具有一定的有效性與實用性。

5 結(jié)論

(1)通過分析影響選址規(guī)劃決策的各種因素，構(gòu)建自然環(huán)境條件、工程作業(yè)條件、工程可實施性與工程經(jīng)濟性等4個方面的油氣管道維搶修站隊選址規(guī)劃綜合評價指標體系，并以現(xiàn)場調(diào)研與文獻查閱為手段，研究各指標的定性與定量分級準則，為維搶修站隊選址評價提供一定基礎(chǔ)。

(2)為彌補主客觀賦權(quán)法的各自缺陷，基于博弈論組合賦權(quán)法實現(xiàn)對油氣管道維搶修站隊選址評價指標權(quán)重耦合計算，通過熵權(quán)法考慮選址評價過程中數(shù)據(jù)信息的包含量，基于G1法綜合專家的知識、經(jīng)驗、閱歷以及主觀能動性，二者結(jié)合能夠使評價結(jié)果更符合現(xiàn)場實際、更具有代表性。

(3)針對維搶修站隊選址規(guī)劃評價的不確定性問題，基于未確知測度理論建立油氣管道維搶修站隊選址評價模型。該模型選用直線法構(gòu)造單指標測度函數(shù)，結(jié)合博弈論確定指標權(quán)重并計算多指標測度，利用置信度準則對選址評價等級進行排序。將評價模型應(yīng)用于國家管網(wǎng)公司所轄的武威某維搶修站隊選址評價，應(yīng)用結(jié)果表明該評價模型評價結(jié)果與實際論證結(jié)果較為吻合，具有較高的實用性與可操作性，為站隊選址評價與安全決策提供一種新的借鑒和參考思路。