城市燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價研究綜述

＊楊斯涵許開立

（1.鞍鋼集團礦業(yè)設(shè)計研究院有限公司 遼寧 114004 2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 遼寧 110819）

1.引言

城市燃?xì)夤艿莱袚?dān)著為千家萬戶輸送生產(chǎn)生活用氣的重要任務(wù)，大量燃?xì)夤艿肋M入居民用戶、工業(yè)企業(yè)用戶和各類商鋪用戶中。我國自20世紀(jì)60年代開始鋪設(shè)燃?xì)夤艿?，大多?shù)燃?xì)夤艿婪蹠r間過長導(dǎo)致燃?xì)夤艿朗鹿识喟l(fā)，加之大量燃?xì)夤艿冷佋O(shè)在人口密集處，其受到人為干擾破壞的因素過多，加大了燃?xì)夤艿朗鹿拾l(fā)生的可能性。燃?xì)夤艿朗鹿屎蠊麑Νh(huán)境和社會的影響使人們意識到燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價對事故預(yù)防的重要意義，因此本文對常用于燃?xì)夤艿朗鹿曙L(fēng)險評價的方法進行分類歸納，并闡述各類方法在燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)研究中存在的問題并對未來的研究趨勢提出建議，為后續(xù)的燃?xì)夤艿里L(fēng)險研究提供參考，針對不同燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險分析，幫助有針對性的選擇燃?xì)夤艿里L(fēng)險分析方法，有效預(yù)防燃?xì)馐鹿实陌l(fā)生。

2.燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價研究

(1)傳統(tǒng)燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價

①定性風(fēng)險評價

A.故障樹。故障樹是一種倒立的樹狀圖，在梳理出事故相關(guān)風(fēng)險因素的基礎(chǔ)上，通過邏輯門表達(dá)各因素之間的因果關(guān)系從而找到導(dǎo)致頂事件發(fā)生的基本原因，具有較強的邏輯性。故障樹也可以根據(jù)基本事件的發(fā)生概率預(yù)測頂事件的發(fā)生概率，定量分析事故發(fā)生的可能性，但在實際應(yīng)用中，基本事件準(zhǔn)確概率值的缺失導(dǎo)致該方法在用作定量分析時具有一定的局限性，因此該方法通常被用來進行定性風(fēng)險分析。

B.蝴蝶結(jié)模型。該模型集故障樹與事件樹兩種模型的優(yōu)點于一身，既能完整地描述事故發(fā)生原因又能清晰地表達(dá)事故發(fā)生的后果。部分學(xué)者為解決管道資料缺失的問題，將模糊理論引入該模型實現(xiàn)定量化分析或?qū)Y(jié)模型進行改進。Anjuman利用蝴蝶結(jié)模型結(jié)合集成模糊合成評價和模糊規(guī)則庫技術(shù)考慮多維度風(fēng)險，通過三角模糊數(shù)獲取基本事件的模糊概率，評估天然氣管道的社會、環(huán)境和經(jīng)濟后果，經(jīng)過該方法計算可知在獨立關(guān)系下，“安裝不良”“施工缺陷”和“涂層失效”的基本失效事件發(fā)生概率降低20%。P.Heyrani利用Likret量表量化蝴蝶結(jié)模型中的定性數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，第三方損害、材料的初始缺陷和對管道影響最大，有毒影響和環(huán)境破壞是突出的失效后果。

C.故障模式和影響分析法。該方法將系統(tǒng)分為幾個子單元，通過識別系統(tǒng)子單元的故障部位及其發(fā)生故障的模式來分析子單元故障對系統(tǒng)的影響并預(yù)估故障產(chǎn)生的后果，利用故障模式的風(fēng)險優(yōu)先值判斷風(fēng)險排序以確定系統(tǒng)的風(fēng)險程度。王睿[1]采用直覺乘法偏好信息與FMEA結(jié)合的方法評估城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的風(fēng)險，利用IMA和IMWA算子結(jié)合給定的專家權(quán)重集結(jié)確定風(fēng)險因子權(quán)重和故障模式的綜合評估信息，得出故障模式風(fēng)險順序。張夏[2]通過相關(guān)算子確定權(quán)重進行RPN的計算以避免專家群決策的主觀性和模糊性，得到城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)系統(tǒng)管道泄漏、管道破裂、閥門泄漏、過濾器失效、放散管泄漏5種故障模式的風(fēng)險優(yōu)先次序。

②半定量風(fēng)險評價

A.專家評分法。該方法能根據(jù)管道的失效數(shù)據(jù)資料和專家經(jīng)驗建立完整的燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價指標(biāo)體系，結(jié)合專家意見判斷管段的風(fēng)險等級。由于該方法考慮的風(fēng)險因素主要針對長輸油管道，因此可以改進該方法并與其他方法結(jié)合使用。吳汶昊[3]將附屬設(shè)備失效因素考慮進去，利用Kent法建立城市燃?xì)夤芫W(wǎng)風(fēng)險評價體系，結(jié)合PHAST軟件模擬的失效后果危害程度得出實際燃?xì)夤芏蔚南鄬︼L(fēng)險值。靳書斌[4]將Kent法用于城市PE燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險評價，采用不考慮腐蝕風(fēng)險因素改進Kent法建立適用于城市PE燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險評價體系。

B.層次分析法。該方法能將多目標(biāo)決策問題當(dāng)作復(fù)雜系統(tǒng)進行深入的研究，根據(jù)風(fēng)險因素之間的關(guān)系和對系統(tǒng)的影響程度將系統(tǒng)劃分為若干層次，運用數(shù)學(xué)計算方法構(gòu)造判斷矩陣得到各個層次風(fēng)險因素的權(quán)重值，對各個層次進行優(yōu)劣排序。巴振寧[5]在構(gòu)建矩陣時改進AHP法，運用三標(biāo)度AHP法與模糊綜合評價法相結(jié)合的方式針對燃?xì)夤芫W(wǎng)腐蝕風(fēng)險進行評價，并將該方法應(yīng)用于實例。姚天野[6]利用熵權(quán)法和AHP法對管網(wǎng)風(fēng)險評估體系的指標(biāo)進行組合賦權(quán)，將主觀經(jīng)驗和事故數(shù)據(jù)資料及客觀指數(shù)評價數(shù)據(jù)相結(jié)合，避免了AHP法的主觀性強和熵權(quán)法的指標(biāo)權(quán)重失衡問題。

C.模糊綜合評價法。利用模糊數(shù)學(xué)理論解決實際問題和處理不被精確化的因素，在確定因素集、評分標(biāo)準(zhǔn)和模糊關(guān)系矩陣后，根據(jù)最后一級的評價信息逐步向前綜合，適用于受到多因素影響的評價對象。Jamshidi將相對風(fēng)險評價與模糊推理系統(tǒng)結(jié)合，利用MATLAB結(jié)合專家知識提出管道模糊風(fēng)險評估模型并將其應(yīng)用于天然氣運輸管線的風(fēng)險評估。Layth Kraidi建立CBRAM模型，使用MATLAB分析風(fēng)險影響因素和風(fēng)險緩解措施得到模糊概率值，認(rèn)為恐怖主義、官員腐敗、不安全地區(qū)和違章行為是關(guān)鍵的風(fēng)險因素。

D.灰色關(guān)聯(lián)度分析?！盎疑笨衫斫鉃橐蛩夭淮_定和信息不完全，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)信息數(shù)據(jù)的缺失造成影響管道的部分風(fēng)險因素具有一定的灰性，將該方法用于燃?xì)夤芫W(wǎng)的評價能很好的解決這一問題。朱漢生[7]應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對第三方破壞的人為因素進行關(guān)聯(lián)度分析，根據(jù)灰色語言評估標(biāo)度計算各個因素在不同時刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)，認(rèn)為居民關(guān)系的關(guān)聯(lián)度最大。郭巖寶[8]將FTA、AHP、灰色理論相結(jié)合對城鎮(zhèn)燃?xì)饩垡蚁┕艿肋M行風(fēng)險評價，根據(jù)管道事故故障樹確定的主要風(fēng)險因素構(gòu)建指標(biāo)體系結(jié)合灰色理論得到管道的風(fēng)險等級。

③定量風(fēng)險評價

定量風(fēng)險評價方法是在大量歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)險因素的概率結(jié)合數(shù)學(xué)方法分析系統(tǒng)失效可能性，或通過建立數(shù)學(xué)模型計算系統(tǒng)失效的后果對人員和環(huán)境造成的傷害范圍來量化風(fēng)險。Young-Do Jo引入累計死亡長度和致命長度參數(shù)，利用數(shù)據(jù)庫的風(fēng)險因素故障率結(jié)合管道幾何信息和人口密度計算管道致命長度估計個人風(fēng)險，利用累計長度和故障率估計社會風(fēng)險。Chiara根據(jù)燃?xì)夤芫W(wǎng)埋地管線實況，結(jié)合建模結(jié)果建立管道破裂的氣體泄漏模型，根據(jù)數(shù)據(jù)庫的風(fēng)險因素故障率結(jié)合管徑和運行壓力函數(shù)分析事故后果，認(rèn)為外部干擾是造成當(dāng)?shù)仫L(fēng)險的主要原因，閃火事故對社會風(fēng)險的影響最突出。

(2)動態(tài)燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價

①貝葉斯網(wǎng)絡(luò)。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（BN）能實時更新根節(jié)點的先驗概率預(yù)測系統(tǒng)失效概率，也能反向診斷推理得到根節(jié)點的后驗概率實現(xiàn)動態(tài)因果推理分析，找到影響系統(tǒng)的主要風(fēng)險因素。Donya將離散時間貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（DTBN）技術(shù)用于輸氣管道的脆弱性評估，利用PAND概率分布和SEQ動態(tài)門考慮組件失效概率和事件時間序列的不確定性，通過函數(shù)關(guān)系量化整合管段的引力評估、漏洞評估和后果分析得到不同管段的風(fēng)險。駱正山[9]構(gòu)建FTA-DBN模型，以城市燃?xì)夤艿佬孤┮鸨ㄊ鹿蕿槔?，分析其演化發(fā)展過程，克服傳統(tǒng)故障樹模型進行事件二態(tài)性分析的局限性。

②BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation）。通過模擬大腦處理信息的方式和內(nèi)部神經(jīng)元間的信息變換實現(xiàn)信息正向傳播和誤差反向傳播，可以反復(fù)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，在進行優(yōu)化和縮小誤差的同時，自主學(xué)習(xí)樣本之間的關(guān)聯(lián)以在接收新的評價對象信息時能夠得出新的評價結(jié)果,。趙玲[10]應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行燃?xì)夤芫W(wǎng)的脆弱性分析，選用raindx函數(shù)算法，分別訓(xùn)練風(fēng)險評價指標(biāo)體系中“敏感性程度”和“應(yīng)對能力”的數(shù)據(jù)，建立城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)脆弱性評價模型，并在此基礎(chǔ)上確定了5個脆弱性等級標(biāo)準(zhǔn)。Hamidreza將FIS系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，考慮參數(shù)之間的相對重要性，利用FIS結(jié)合專家知識為風(fēng)險因素賦予權(quán)重并將結(jié)果輸入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，將有效訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于評估南帕爾斯氣田相間管線的風(fēng)險程度。

③系統(tǒng)動力學(xué)。從復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在不同條件下的變化，在應(yīng)用過程中可以根據(jù)系統(tǒng)動力學(xué)原理結(jié)合各個因素之間的因果關(guān)系建立模型，將系統(tǒng)動力學(xué)應(yīng)用于燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險評價能夠解決管道運行過程中風(fēng)險因素耦合作用的復(fù)雜問題。李雪[11]構(gòu)建城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)5個模塊的安全結(jié)構(gòu)模型，利用系統(tǒng)動力學(xué)軟件依據(jù)模型中可變和非可變因素的不同分值和參數(shù)及變量之間的函數(shù)關(guān)系實現(xiàn)城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的動態(tài)運行模擬。楊凱[12]通過燃?xì)夤艿佬孤?zāi)害系統(tǒng)的SD模型，研究了多因素耦合作用下的災(zāi)害系統(tǒng)動態(tài)致災(zāi)機理，認(rèn)為多災(zāi)害模型中子系統(tǒng)間的耦合相比較于單災(zāi)害模型中同質(zhì)耦合和子系統(tǒng)內(nèi)部耦合對系統(tǒng)的影響更大。

(3)新興燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價

①大數(shù)據(jù)技術(shù)。通過挖掘處理管道數(shù)據(jù)并與相關(guān)算法相結(jié)合的方式實現(xiàn)燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險評價和風(fēng)險預(yù)警，很好地解決了傳統(tǒng)風(fēng)險研究方法的主觀性過強的問題，目前大數(shù)據(jù)技術(shù)與GIS技術(shù)、機器學(xué)習(xí)和相關(guān)算法的結(jié)合使用為燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險研究提供了新的思路。張永明[13]以GIS系統(tǒng)為平臺，通過近年來燃?xì)馐鹿蕯?shù)據(jù)確定影響因素的基礎(chǔ)分值，利用系統(tǒng)的打分程序結(jié)合其內(nèi)部管網(wǎng)數(shù)據(jù)評估管網(wǎng)的風(fēng)險等級。陳毓飛[14]采用數(shù)據(jù)挖掘方法，選用與時間因素關(guān)系密切的施工破壞風(fēng)險因子，避免傳統(tǒng)評價方法中風(fēng)險因子采集困難的問題，結(jié)合LSTM方法訓(xùn)練數(shù)據(jù)并建立燃?xì)夤艿朗┕て茐目赡苄阅Ｐ汀?/p>

②物元可拓模型。是一種適用于多因素復(fù)雜系統(tǒng)的評價方法，基于實際數(shù)據(jù)構(gòu)造待評物元，通過計算待評價對象的綜合關(guān)聯(lián)度確定待評價對象的風(fēng)險等級。付邦穩(wěn)[15]考慮燃?xì)夤艿里L(fēng)險因素間的耦合程度，將熵權(quán)法和相互作用矩陣法相結(jié)合，采用方差最大化方法確定各個因素的權(quán)重值，結(jié)合物元可拓模型判斷燃?xì)夤艿朗Э赡苄缘燃墶?/p>

3.結(jié)論與展望

本文對傳統(tǒng)風(fēng)險評價、動態(tài)風(fēng)險評價和新興的大數(shù)據(jù)等方法在燃?xì)夤艿里L(fēng)險評價中的應(yīng)用進行了綜述。目前大部分風(fēng)險評價方法都需要燃?xì)夤艿缹嶋H數(shù)據(jù)的支持，為了克服我國燃?xì)夤艿罃?shù)據(jù)資料殘缺不全的問題，借鑒不完全適用于我國燃?xì)夤艿赖膰鈹?shù)據(jù)庫資料作為參考，易出現(xiàn)評價結(jié)果偏離實際的情況；其次，各地的管道狀態(tài)和鋪設(shè)環(huán)境不同導(dǎo)致各地的管道風(fēng)險因素有差異，現(xiàn)有的風(fēng)險評價方法和模型并不具有通用性；燃?xì)夤艿朗鹿适嵌嘁蛩伛詈献饔玫慕Y(jié)果，不能只考慮風(fēng)險因素的獨立作用。綜合以上問題，在接下來的風(fēng)險研究中，要加強對燃?xì)夤艿赖膶崟r監(jiān)測和數(shù)據(jù)收集，建立完整的管道信息數(shù)據(jù)庫；另外，燃?xì)怙L(fēng)險評價需要著重建立能夠分析不同地區(qū)風(fēng)險因素的通用燃?xì)夤艿绖討B(tài)風(fēng)險評價模型，將時間因素、人為因素和各個地區(qū)隨時間變化的環(huán)境因素考慮進去實現(xiàn)多維度風(fēng)險評價；建議將風(fēng)險研究與GIS系統(tǒng)結(jié)合，推進系統(tǒng)內(nèi)的管道數(shù)據(jù)信息與區(qū)域管線地圖的應(yīng)用，實現(xiàn)管段風(fēng)險水平的可視化表達(dá)和實時更新。未來燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險研究需加強耦合風(fēng)險評估的相關(guān)研究，重點關(guān)注管道數(shù)據(jù)信息的收集與監(jiān)測，整合數(shù)據(jù)庫與不同類型管道的風(fēng)險因素，建立通用的風(fēng)險分析模型。