基于修正DEMATEL的同橋并行管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

張鵬 唐銘 范潮海 秦國(guó)晉

摘要：目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者僅針對(duì)埋地并行管道安全進(jìn)行了大量的探索性研究，其他類(lèi)型管道鮮有涉及。為此，建立同橋并行油氣管道間風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并基于DEMATEL方法分析同橋并行管道因素相互影響關(guān)系，構(gòu)建各指標(biāo)因素間的綜合影響權(quán)重模型。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：結(jié)合DEMATEL方法與變權(quán)理論建立了動(dòng)態(tài)權(quán)重計(jì)算模型，精確反映了各指標(biāo)的相互影響關(guān)系；建立了同橋并行管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，基于灰色關(guān)聯(lián)法建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，精確反映了修正前后的并行管道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其評(píng)價(jià)結(jié)果符合工程實(shí)際，印證了并行管道內(nèi)部影響因素的重要性。所得結(jié)論可為制定更為有效的管道敷設(shè)風(fēng)險(xiǎn)防范策略提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：同橋并行管道；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；內(nèi)部因素；灰色關(guān)聯(lián)法；指標(biāo)權(quán)重

0 引 言

在管道建設(shè)路線受限、節(jié)能防災(zāi)的背景下，并行管道敷設(shè)技術(shù)的發(fā)展提升了土地的利用率，保障了我國(guó)能源安全，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)“能源進(jìn)口多地區(qū)、進(jìn)口方式多元化”戰(zhàn)略具有重要意義［1］。然而，并行管道沿線地質(zhì)條件和地理環(huán)境十分復(fù)雜，一旦發(fā)生事故可能引起多米諾效應(yīng)，造成不可挽回的后果。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)并行管道安全進(jìn)行了大量的探索性研究。2009年，向波［2］為了做好油氣管道的布局建設(shè)，分析了并行敷設(shè)管道的安全影響因素，研究了并行敷設(shè)管道的安全間距及保護(hù)措施，為并行管道的設(shè)計(jì)建設(shè)提供了寶貴建議。2016年，E.P.SILVA等［3］為了防止地下并行管道失效后引起多米諾效應(yīng)，提出了一種新的基于事故的彈坑模型，完善了彈坑模型的性能。2017年，李鎮(zhèn)裕［4］對(duì)并行天然氣管道噴射火進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬了在不同風(fēng)速作用下，噴射火速度、溫度及熱輻射變化規(guī)律，為并行天然氣管道火災(zāi)事故應(yīng)急維護(hù)提供了技術(shù)支持。2018年，GUO Y.B.等［5］為了確定合適的埋地管道并行間距，建立了一種基于TNT當(dāng)量的埋地平行輸氣管道泄漏爆炸模型，為埋地并行輸氣管道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供指導(dǎo)。2019年，ZHANG P.等［6］提出了同溝敷設(shè)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，在保障同溝敷設(shè)管道及周?chē)h(huán)境安全方面具有重要意義。2019年，徐濤龍等［7］對(duì)比分析了不同模擬方法描述爆波在土壤中的傳播規(guī)律，用SPH-FEM耦合方法從不同層面研究了爆炸對(duì)并行管道的動(dòng)力響應(yīng)，評(píng)估了已有數(shù)值模擬方法的優(yōu)缺點(diǎn)。然而，上述研究存在兩方面的局限性：①關(guān)注點(diǎn)在埋地并行管道，未涉及如跨越橋梁等其他并行敷設(shè)方式。同橋敷設(shè)下天然氣管道失效發(fā)生燃燒爆炸時(shí)，熱量和沖擊波會(huì)直接作用于相鄰管道和管橋設(shè)施，對(duì)并行油氣管道以及管橋設(shè)施造成破壞，易引發(fā)二次事故。②未考慮管道內(nèi)部風(fēng)險(xiǎn)因素及其相互影響關(guān)系，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致決策失誤。1971年，Gabus和Fontela提出了動(dòng)態(tài)模糊決策試驗(yàn)與評(píng)價(jià)方法，它是一種利用矩陣工具分析系統(tǒng)要素的方法，可以確定復(fù)雜系統(tǒng)中的多層次影響因素間關(guān)系，被廣泛運(yùn)用于復(fù)雜系統(tǒng)中各因素的重要性分析［8］。

鑒于上述研究，筆者結(jié)合資料分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研等方式，建立同橋并行油氣管道間風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并基于DEMATEL方法分析同橋并行管道因素相互影響關(guān)系，構(gòu)建各指標(biāo)因素間的綜合影響權(quán)重模型；考慮到管間因素權(quán)重變化受季節(jié)性變化影響，引入變權(quán)理論修正各指標(biāo)的綜合權(quán)重模型，以精確反映管道間風(fēng)險(xiǎn)因素相互影響的規(guī)律，為制定更有效的風(fēng)險(xiǎn)防范策略提供理論指導(dǎo)。

1 基于DEMATEL方法的指標(biāo)權(quán)重分析

1.1 DEMATEL方法

DEMATEL方法是美國(guó)學(xué)者Gabus和Fontela提出的運(yùn)用圖論和矩陣工具的系統(tǒng)分析的方法［9-10］。通過(guò)邏輯關(guān)系與矩陣計(jì)算每個(gè)因素的中心度與原因度，將因素分為原因與結(jié)果2大類(lèi)，原因度大的表示該因素對(duì)其他因素影響大，中心度大的表示因素在系統(tǒng)中的重要程度高。具體步驟如下。

1.2 基于變權(quán)理論的動(dòng)態(tài)權(quán)重分析

固定權(quán)重對(duì)不同環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，評(píng)價(jià)結(jié)果無(wú)法反映真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)情況［11-12］。為此，本文基于變權(quán)理論對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，以得到更加精確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.2.1 因素變權(quán)

在實(shí)際情況下，指標(biāo)權(quán)重會(huì)隨環(huán)境的變化隨時(shí)變動(dòng)，為了適應(yīng)變化，引入變權(quán)模型。變權(quán)向量ωi2是一個(gè)客觀存在的狀態(tài)，一般滿(mǎn)足以下3個(gè)條件：① 歸一性，即∑ni=1ωi2=1；② 連續(xù)性，即ωi2（i=1，2，…，n）關(guān)于每個(gè)變量連續(xù)；③ 單調(diào)性，即ωi2（i=1，2，…，n）關(guān)于指標(biāo)均衡函數(shù)S（X）中的變量X單調(diào)。

1.2.2 變權(quán)計(jì)算

2 同橋并行油氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

為真實(shí)反映并行管道的風(fēng)險(xiǎn)情況，應(yīng)對(duì)內(nèi)部影響因素進(jìn)行分析，以有效掌握并行管道當(dāng)前安全狀態(tài)，預(yù)測(cè)未來(lái)安全態(tài)勢(shì)。為此，本文引入灰色關(guān)聯(lián)法建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并對(duì)每個(gè)因素建立不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為動(dòng)態(tài)權(quán)重中因素狀態(tài)值的確定提供指導(dǎo)。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

管道運(yùn)行的安全狀態(tài)受多種因素的影響。由于各影響因素之間復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性導(dǎo)致指標(biāo)難以選取，所以選取過(guò)程中應(yīng)當(dāng)遵循合理、適用及可操作等原則，立足于法律法規(guī)、安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、參考文獻(xiàn)及安全管理等相關(guān)資料［13］，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)研，將具有危險(xiǎn)性的因素作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，從運(yùn)行條件、內(nèi)環(huán)境及外環(huán)境3方面構(gòu)建同橋并行管道間風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

油管道與天然氣管道間距越大，天然氣管道失效發(fā)生噴射火對(duì)油管道的熱影響越小，油管道越安全。輸送方式根據(jù)介質(zhì)種類(lèi)而定，分為等溫輸送與加熱輸送，其帶走熱量的能力也不同。不同的管道徑厚比與運(yùn)行壓力，其抵御爆炸沖擊波的能力也不同：允許范圍內(nèi)運(yùn)行壓力越大，抵御沖擊能力越強(qiáng)；徑厚比越小，管道越不容易失效［14］。管道介質(zhì)流速具有快速流動(dòng)時(shí)帶走熱量的特性。架空高度越高，噴射氣流與空氣摻混密切，噴射火燃燒越旺。大氣穩(wěn)定度越高，失效后果對(duì)油管造成的影響越大；相反，大氣穩(wěn)定度低，爆炸可能性低，噴射火焰射流穩(wěn)定度低，油管則更加安全。緊急截?cái)鄷r(shí)間越長(zhǎng)，油管接收天然氣管道產(chǎn)生噴射火的熱影響時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致其失效可能性增加。

2.2 各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定

結(jié)合文獻(xiàn)［13］、GB32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》和英國(guó)焊接學(xué)會(huì)（TWI）對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為Ⅰ級(jí)（低風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅱ級(jí)（較低風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅲ級(jí)（中風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅳ級(jí)（中高風(fēng)險(xiǎn)）和Ⅴ級(jí)（高風(fēng)險(xiǎn)）。根據(jù)某管線實(shí)際工況，參考前人對(duì)部分因素做出的敏感性分析，與專(zhuān)家反復(fù)商討，對(duì)各等級(jí)臨界值進(jìn)行調(diào)整，如表1所示。

2.3 基于灰色關(guān)聯(lián)法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

關(guān)聯(lián)分析法是由鄧聚龍教授提出的一種處理不確定關(guān)聯(lián)性因素的有效方法，通過(guò)比較參考數(shù)列與比較數(shù)列的關(guān)聯(lián)程度，得到因素在發(fā)展過(guò)程中相對(duì)變化趨勢(shì)。關(guān)聯(lián)程度大，相對(duì)變化基本一致，反之亦然?；疑P(guān)聯(lián)分析法步驟如下。

（1）確定參考數(shù)列與比較數(shù)列。評(píng)價(jià)管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，首先要確定影響系統(tǒng)行為的因素組成的數(shù)據(jù)序列，也就是將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為比較數(shù)列xi（k），k=1，2，…，m；將各風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)測(cè)值作為參考數(shù)列x0（k），k=1，2，…，n［15］。設(shè)m為并行管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素失效等級(jí)分類(lèi)。n為并行管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素個(gè)數(shù)。

通過(guò)圖2可知，A1、A4、A5、A7、A8為原因因素，影響程度由強(qiáng)到弱依次為A1>A5>A7>A8>A4，其中管道并行間距（A1）、管道輸送方式（A5）能強(qiáng)烈影響其他因素。根據(jù)文獻(xiàn)［16］研究，當(dāng)油管道與天然氣管道并行間距小于4 m時(shí)，熱影響下油管的失效可能性極大。不同的輸送方式對(duì)應(yīng)不同的介質(zhì)，其帶走熱輻射熱量的能力也不同，安裝套管、管身涂抹防火層均能降低管壁溫度和熱應(yīng)力，可有效減緩管道失效，減少對(duì)其他指標(biāo)的影響程度。A2、A3、A6為結(jié)果因素，被影響程度由強(qiáng)到弱依次為A2>A3>A6，緊急截?cái)鄷r(shí)間（A2）、管道內(nèi)介質(zhì)流速（A3）易被其他因素影響。管道發(fā)生事故后，由于不能及時(shí)了解事故發(fā)生地點(diǎn)，或沒(méi)有在有效時(shí)間內(nèi)截?cái)嚅y室，導(dǎo)致油管失效可能性增加。通過(guò)安裝安全預(yù)警裝置，完善地圖與信息系統(tǒng)，準(zhǔn)確定位管道，能有效縮短緊急截?cái)鄷r(shí)間，防止風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大。

基于中心度的大小確定各指標(biāo)的相對(duì)重要程度為A4>A1>A6>A2>A7>A3>A5>A8。從圖2可以看出，A4和A1的中心度值偏大于其他指標(biāo)，由此可得出管道并行間距（A1）、大氣條件（A4）是影響同橋并行管道間風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的關(guān)鍵因素，應(yīng)重點(diǎn)加以防范。為防止惡劣天氣導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害，影響管道安全，應(yīng)監(jiān)控邊坡重點(diǎn)部位，加固邊坡，采用堅(jiān)固的防護(hù)網(wǎng)減少落石威脅。由于管道并行間距已確定，無(wú)法加大并行間距，故應(yīng)加強(qiáng)管間的防護(hù)措施，如增加擋板、隔離板等；此外可增加遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，采用人工與智能控制雙重巡檢管線，有效保障管道的安全運(yùn)行。

3.2 同橋并行管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法對(duì)比

基于現(xiàn)場(chǎng)走訪調(diào)研與相關(guān)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，利用各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)未考慮環(huán)境因素影響的原始評(píng)價(jià)對(duì)象D1和考慮環(huán)境因素影響的修正評(píng)價(jià)對(duì)象D2進(jìn)行打分，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理［17］，以對(duì)比修正前后管道風(fēng)險(xiǎn)水平變化規(guī)律。歸一化結(jié)果如表2所示。研究區(qū)域地處山區(qū)，山區(qū)環(huán)境分析如下：夏季受自然災(zāi)害侵?jǐn)_嚴(yán)重，在并行間距不變的情況下，管道失效可能性越大，相同間距下的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)也越高；管道所在地一旦發(fā)生山崩等地質(zhì)災(zāi)害，救援難度也將直線上升；氣溫較高時(shí)出現(xiàn)火源可能性較大，流速不變則管道失效可能性增加；夏季大氣穩(wěn)定度較低，噴射射流穩(wěn)定性與爆炸可能性均降低，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低；夏季管道外部溫度較高，加熱輸送方式較等溫輸送更容易使管道失效；在夏季山體落石多發(fā)和輸氣管道更易失效的環(huán)境下，相同運(yùn)行壓力與徑厚比抵御外部沖擊壓力能力降低，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)升高；降雨會(huì)大大降低噴射火焰對(duì)油管的影響，抵消了高處噴射火燃燒旺盛形成的熱沖擊。利用式（8）計(jì)算得出評(píng)價(jià)對(duì)象D1、D2在各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表3所示。利用式（5）確定原始評(píng)價(jià)對(duì)象D1的綜合影響權(quán)重，并通過(guò)修正狀態(tài)值帶入式（6）和式（7）得到修正評(píng)價(jià)對(duì)象D2 的均衡函數(shù)值以及動(dòng)態(tài)權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表4。

結(jié)合表3和表4的計(jì)算結(jié)果，利用式（10）可得到原始評(píng)價(jià)對(duì)象D1和修正評(píng)價(jià)對(duì)象D2關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的灰色關(guān)聯(lián)度；并由式（11）確定2種狀態(tài)下并行管道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如表5所示。修正前并行管道間風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均處于Ⅱ級(jí)，D1點(diǎn)灰色關(guān)聯(lián)度最高的為Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)0.825，其次為Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)0.665，高于Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)0.620，說(shuō)明管道間實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)為Ⅱ級(jí)與Ⅲ級(jí)之間；D2點(diǎn)灰色關(guān)聯(lián)度最高的為Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)0.908，其次為Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)0.795，略高于Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)0.725，表明修正后管道間實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)為中等風(fēng)險(xiǎn)。

上述結(jié)果表明，考慮環(huán)境影響后，評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合實(shí)際情況，動(dòng)態(tài)分析指標(biāo)權(quán)重的方法解釋了風(fēng)險(xiǎn)隨環(huán)境變化的特征，為更加客觀有效地評(píng)價(jià)管道風(fēng)險(xiǎn)夯實(shí)了基礎(chǔ)，對(duì)山區(qū)并行管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作提供了指導(dǎo)方法。

4 結(jié) 論

（1）結(jié)合DEMATEL方法與變權(quán)理論建立了動(dòng)態(tài)權(quán)重計(jì)算模型，精確反映了各指標(biāo)的相互影響關(guān)系，提高了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果精度。該方法為同橋并行管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了新的思路。

（2）全面分析并建立了同橋并行管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與各指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，基于灰色關(guān)聯(lián)法建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，精確反映了修正前、后的并行管道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，其評(píng)價(jià)結(jié)果符合工程實(shí)際，印證了并行管道內(nèi)部影響因素的重要性。

（3）山區(qū)并行管道不同的敷設(shè)方式對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)險(xiǎn)因素，本文僅以同橋并行管道為例進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在未來(lái)研究中，對(duì)埋地、隧道的并行管道間風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行針對(duì)性評(píng)價(jià)同樣值得關(guān)注。

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