3DGIS地下燃氣管道風險模糊綜合評價

劉興權，郭珊珊

（中南大學 地學與環境工程學院，湖南長沙 410083）

3DGIS地下燃氣管道風險模糊綜合評價

劉興權，郭珊珊

（中南大學 地學與環境工程學院，湖南長沙 410083）

對地下燃氣管道進行風險評價，可提供有效的輔助決策支持，對于建立城市地下燃氣管網的安全評估綜合管理體系具有十分重要的意義。給出了一種3DGIS地下燃氣管道風險模糊綜合評價方法，闡述了模糊風險評價的流程，基于層次分析法進行管道風險因素權重分析，結合單因素相對隸屬度的模糊評價矩陣，建立了模糊綜合評價模型；最后對研究區域燃氣管道失效的問題，應用測試數據進行了模糊綜合評價，計算出這片區域內管道相對風險值，并在3DGIS場景中進行可視化展示。

GIS；地下燃氣管道；模糊綜合評價

近年來，隨著城市發展和人民生活水平的提高，地下燃氣管道建設進入飛速發展階段。城市地下燃氣管道輸送著易燃、易爆的流體，大多長期埋設于地下，經過人類生活和工作活動密集區域，一旦發生泄露、爆炸等安全事故，將造成巨大的人員傷亡和財產損失。通過管道風險評價技術對管道存在的風險進行預測，找到超過閾值范圍的在役管道，安排施工維修，能夠有效維護人民生命財產的安全。科學合理的對城市地下燃氣管道進行風險評價，是提高管道安全管理水平的重要途徑，能夠對城市地下燃氣管道的危害進行有效地預防和監控。我國對管道風險評價的研究始于20世紀90年代中期，所研究的風險評價體系大部分都是基于英國Muhlbauer的評價方法，基本上都是針對油氣長輸管，對地下燃氣管道風險評價的研究較少。風險評價的常用方法中，定性風險評價和定量風險評價都有一定的局限性，作為定性定量綜合集成方法之一，模糊綜合評價在風險評價的各個方面得到了廣泛應用。隨著信息技術的快速發展，地理信息系統（GIS）技術在國內外許多領域得到應用，GIS強大的數據管理和可視化功能使它在地下燃氣管道的管理方面也得到重要應用。本文研究了建立多級模糊綜合評價數學模型的方法，并在此基礎上給出了一種基于GIS的地下燃氣管道風險模糊綜合評價方法，為城市管理者提供一個掌握全局和決策的輔助工具。

1 多級模糊綜合評價模型

地下燃氣管道風險評價是基于風險影響因素對地下燃氣管道事故發生可能性的綜合評價。其目的是通過計算整個管道系統或者是某段管道的相對風險值，對各個管段進行風險排序，確定最大可能導致管道事故原因和進行預防的手段，制定出合理的維修方案。對地下燃氣管道進行風險評價，需要建立多級模糊綜合評價模型。本文在建立模型時，引入模糊數學的思想，首先建立風險影響因素集，然后建立等級權重集，再確定等級評價矩陣和建立風險影響因素權重集，最后通過模糊綜合評價得到評價指標。

1.1 建立風險影響因素集

風險評價的核心是確定風險影響因素集，這關系到風險評價的結果能否真實反映地下燃氣管網風險狀況。風險影響因素集U包含m個風險影響因素Ui，其中i=1,2,…,m，U=(U1,U2,…,Um)。

1.2 建立等級權重集

1.3 確定等級評價矩陣

單因素評判也即因素等級評判，是指單獨求取某一因素某一等級對于評價集中的某一個評價的隸屬函數，隸屬函數的數值能夠反映事物漸變的整體特征。現有確定隸屬函數的方法包含模糊統計法、專家評分法、二元對比序列法及推理方法等，建立管道單因素評判集的隸屬度rij組成等級評價矩陣R：

1.4 建立影響因素權重集

各個風險影響因素的權重，反映了該因素對地下燃氣管道風險結果的影響程度，將風險影響因素權重=（a1,a2,…,ai）,ai是因素Ui的權重

1.5 模糊綜合評價

1.5.1 一級模糊綜合評價

一級模糊綜合評價，就是指按風險影響因素集中各個因素進行綜合評價。假定按第i個因素實際情況uij進行判斷，得到因素的等級權重集Ai。這樣，對第i個因素進行一級模糊綜合評價，得到評價集Bi=Ai·R。評價結果Bi構成的矩陣B即為單因素模糊評價矩陣：

1.5.2 二級模糊綜合評價

一級模糊綜合評價是對每個因素進行的評價，要得到地下管道的風險狀況，需要對各個因素進行綜合評判，也即二級模糊綜合評價?？紤]到影響因素權重集，得到二級模糊綜合評價指標D=·B。經過二級模糊綜合評價，得到了評價指標D=（d1,d2,…,dj），采用最大隸屬度法，可確定管道失效的嚴重程度級別。

2 3DGIS地下燃氣管道風險模糊綜合評價

在社會城市化建設飛速發展的情況下，城市空間逐漸向空中和地下擴展，管網管理成為當前城市建設和日常管理中非常重要的一環，基于三維數字城市的地下管網管理成為城市建設中的重要課題。開發一套地下燃氣管道風險評價系統，能夠有效地為地下燃氣管道管理提供輔助決策。在實際生產生活中，地下燃氣管道是一個巨大的管網系統，只對某一管段或某片區域的風險評價計算，不能夠滿足城市管理者分析指揮的需求，而利用3DGIS強大的數據管理能力和可視化能力，實現地下燃氣管網風險評價的計算及其分析，能夠更加快速、準確、直觀地為決策者提供預警信息。因此，本文給出了一種3DGIS地下燃氣管道風險模糊綜合評價方法，具體內容包括以下3個部分。

2.1 數據管理

基于GIS的風險評價數據管理，包括3D場景模型創建和管理、錄入數據和管理、專家權重管理和評價數據結果管理。將遙感影像數據、數字高程模型、三維建筑模型等數據導入系統，建立基于三維數字城市的地上、地下管網的綜合集成化管理。采用專家評價法對地下燃氣管道進行模糊評價，將評價數據錄入數據庫中進行管理。在數據庫中建立相應的表格，對權重和評價結果進行存儲和管理。

2.2 分析計算

在進行地下燃氣管道風險評價時，建立科學合理的風險評價指標體系直接影響評價結果的精確程度。由于地下燃氣管道風險影響因素種類多，量化處理較為復雜，因此，在建立因素集時，需要遵循完備性、針對性、主成分性和獨立性原則。地下燃氣管道風險影響因素的辨別，應該由其發生的可能性來確定，這就需要統計地下燃氣管道歷史事故數據，經過數據分析，選取具有代表性的風險影響因素，建立地下燃氣管道風險影響因素集。結合某市某片區地下燃氣管道歷史事故數據，在對片區地下燃氣管道進行風險評價時，管道失效影響因素為管道質量、埋地深度、防腐層質量、操作條件、管理水平和第三方破壞。將所有影響因素劃分為5個評價等級，各因素和因素等級Uij含義如表1所示。

表1 影響因素和因素等級

在對該片區地下燃氣管道進行風險評價時，邀請多位專家進行評判。對某一具體管道進行模糊綜合評價，其影響因素水平如下：管道質量：較好；埋地深度：較深；防腐層質量：一般；操作條件：較安全；管理水平：差；第三方破壞：較嚴重。根據等級隸屬度確定原則，某個等級隸屬于同一等級的隸屬度為 1.0，隸屬于其他等級的隸屬度以等比值2極差的方式獲取，最大差別等級的隸屬度值為0，由此可推得等級權重集：

本文采用線性插值確定隸屬函數值（如圖1所示），橫坐標表示單因素的等級（設有 5個評價等級）所對應的不同評價水平，縱坐標表示隸屬函數的數值，曲線1～曲線5分別為對應于某因素等級對應不同評價水平的隸屬度曲線。

圖1 單因素評判隸屬度函數曲線

結合單因素評判隸屬度函數曲線，等級評價矩陣R取為：

目前我國地下管道風險影響因素權重確定方法有專家調查法、專家評議法、層次分析法等。專家調查法和專家評議法主觀性強，準確性不高，而層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱 AHP）在多目標決策問題中的應用越來越廣泛。AHP是美國運籌學家Saaty教授于20世紀70年代初期提出的一種簡便實用的多準則決策方法，能夠針對一些較為復雜和模糊的問題做出決策，特別適用于那些難于完全定量分析的問題。

AHP首先運用影響因素建立遞階層次結構模型，然后構造出層次中的判斷矩陣，再通過層次單排序一致性檢驗和層次總排序一致性檢驗，綜合判斷出各個影響因素的權重值。應用AHP，將風險影響因素u1，u2，…，u6按照其對管道風險結果的影響程度進行兩兩比較，得到判斷矩陣后，經過一致性檢驗，得到權重集=(a1,a2,…,a6)=(0.21,0.21,0.14,0.18,0.14, 0.12)。

結合多級模糊綜合評價計算方法，得到該管道評價指標D=（0.347 512 40，0.465 124 2，0.573 651 2，0.3654124，0.4578612），根據最大隸屬度法則，東北某市某段地下燃氣管道失效風險值為 0.573 651 2，風險等級為Ⅲ級。

2.3 三維可視化

開發風險評價軟件，程序化模糊綜合評價模型，將地下燃氣管道風險評價結果標示在三維地下管網模型上，對處于不同風險等級的管道標注為不同的顏色進行預警提示，發布結果如圖 2所示，能夠直觀地展示區域管道風險狀況。

圖2基于GIS的地下燃氣管道風險模糊綜合評價展示

3 結論與展望

本文首先介紹了建立多級模糊綜合評價模型的方法，闡述了模糊風險評價的流程，通過建立風險影響因素集、等級權重集、等級評價矩陣和影響因素權重集，建立起模糊綜合評價模型，給出了一種3DGIS的地下燃氣管道風險模糊綜合評價方法；并且詳細闡述了利用本文提出的模糊綜合評價模型、GIS和 3DGIS技術相結合對研究區域地下燃氣管道進行風險評價的過程，得到評價區域內管道的風險評價值及所處風險等級，將評價結果在3D場景中展示。利用這種風險評價方法指導日常維護工作，可以優化社會資源，將目標集中在風險等級較高的管段，給管理層提供合理建議，從而帶來較大的安全和經濟效益。

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Fuzzy Comprehensive Evaluation of Underground Gas Pipeline Risk Based on 3D GIS

by LIU Xingquan

The evaluation of the risk of underground gas pipeline can provide effective decision support aid.It is crucial to the establishment of a comprehensive safety evaluation and management system for the urban underground gas pipeline.This paper present a method of GIS-based fuzzy comprehensive evaluation on underground gas pipeline risk and elaborates the flow of fuzzy risk evaluation in detail.Meanwhile,a fuzzy comprehensive evaluation model was built herein by analyzing the pipeline risk factor weight by means of analytic hierarchy process according to the fuzzy evaluation matrix for relative single-factor membership.Finally,a fuzzy comprehensive evaluation with test data was made on the failure to research the regional gas pipeline issue,the relative risk value of the pipelines in the area was calculated and visualization was made in 3DGIS scene.

3DGIS,underground gas pipeline,fuzzy comprehensive evaluation（Page:23）

P208

B

1672-4623(2011)02-0023-03

2010-09-28

項目來源：湖南省自然科學基金資助項目（07JJ6076）。

劉興權，教授，主要從事城市GIS、礦山GIS方面的教學與研究工作。