基于三角模糊和故障樹理論的西氣東輸管道第三方破壞風險分析*

史 爽 郭 磊 徐濤龍 趙新好

西南石油大學石油工程學院(四川成都610500)

基于三角模糊和故障樹理論的西氣東輸管道第三方破壞風險分析*

史 爽 郭 磊 徐濤龍 趙新好

西南石油大學石油工程學院(四川成都610500)

依據第三方施工對管道造成破壞的影響因素，建立故障樹。針對基本事件發生概率不確定的情況下，引入三角模糊理論，將基本事件的發生概率描述為模糊數，采用正態的R-L模糊數為參照函數，修正了各基本事件的發生概率，通過模糊運算規則得出第三方施工對管道破壞概率的區間值。應用中值法確定各底事件的模糊重要度，并對此進行排序，確定主要影響因素，最后提出相應的措施以減少第三方施工對管道的破壞。

三角模糊故障樹第三方施工風險分析西氣東輸

近年來，隨著天然氣需求的迅速增長，管道建設的步伐逐漸加快，大量的現場資料調查表明，管道第三方破壞造成的事故呈上升趨勢，油氣管道第三方破壞已經成為威脅管道安全的主要影響因素，第三方破壞可能直接導致管道破裂，引起管輸介質泄漏或火災爆炸事故，威脅管道周邊（特別是高后果區）的生命和財產安全[1]。結合西氣東輸管道第三方事故的危害形式研究，分析得到管道第三方破壞的主要危害形式包括：①第三方施工造成的破壞（如：施工造成的開挖破壞、違章施工的開挖破壞、意外施工、河流魚塘以及渠道的清淤破壞等）；②占壓（如：建筑占壓、物料堆放等）；③重型車輛碾壓（如：違章通行、管道保護失效等）；④其他破壞（如：惡意破壞等）。

針對第三方破壞事件概率無法量化成精確值的事實，將三角模糊數引入到故障樹分析方法中，成功地建立了以模糊理論為基礎的管道第三方破壞風險分析模型，該模型有效地克服了傳統故障樹無法對系統的不確定性因素進行定量分析的缺陷，對管道第三方破壞風險管理具有較強的工程意義。

1 原理概述

1.1 三角模糊數簡介

模糊理論是由扎德在1965年提出來的[2]，用來處理現象不精確和模糊的問題。三角模糊數（圖1）在實際應用中較為廣泛，故本文只介紹三角模糊數的方法。

1.2 故障樹分析方法概述

故障樹分析方法，就是對引起系統故障的各種因素進行分析，畫出邏輯框圖（故障樹），從而確定系統故障原因的各種組合方式和發生概率，進而采用相應的改進措施，是提高系統可靠性的一種分析方法[3,4]。

數學描述為：設xi(t)為底事件i在t時刻所處的狀況。如果底事件i在時刻t發生，則xi(t)=1；如果底事件i在時刻t不發生，則xi(t)=0。底事件i在時刻t發生的概率等于隨機事件xi的期望值，因此有：Pi(t)=P{xi(t)=1}。

同理，頂事件的狀態必然是底事件向量X(t)={x1(t),x2(t),…,xn(t)}的函數，設Φ為描述頂事件的隨機變量，則頂事件在時刻t發生的概率PΦ等于：

故障樹的結構函數可用最小割集進行描述，其結構函數一般分為或門（or）、與門（and）兩種。分別表示為：

故障樹分析計算是根據布爾代數原理和概率論進行的，除了可以計算頂事件發生的概率，還可以求出底事件在故障樹中對頂事件所造成的影響重要度系數。

1.3 模糊故障樹理論

傳統的故障樹是把事件發生的概率處理成一個精確值，很難對系統的不確定性因素（如第三方施工對管道造成的破壞發生概率）用數學模型或者公式來分析計算。為此，把三角模糊數理論引入故障樹分析中，建立三角模糊故障樹，并應用模糊計算法則進行分析計算。

應用三角模糊理論進行處理，得到與門算子為：

或門算子為：

式中qi—i事件發生的精確概率；∏—模糊乘法運算。

2 結合西氣東輸管道的實例風險分析

風險分析評估方法相對于確定性評估方法和概率評估方法而言，它將事故發生的概率及其產生的后果相結合，將風險與效益聯系起來進行分析。本文對第三方施工造成管道破壞進行的風險分析，綜合考慮了第三方破壞的可能性和破壞造成的危害程度。

2.1 建立故障樹

故障樹的建立是故障樹分析法中最基本、最關鍵的部分，依據第三方施工造成管道破壞的各因素的不同性質，建立故障樹（圖2）。

從圖2中所列的因素，不但可以找出影響上層事件發生的原因，而且能夠針對這些原因制定出相應的預防措施，為第三方施工造成管道破壞的防止提供了一定的參考。基本事件如表1所示。

2.2 故障樹分析

由于在第三方施工中，各基本事件具有很大的隨機性，發生的可能性也很小，很難得到發生事件的精確概率。因此，應用模糊理論，認為發生的概率是一個模糊數[5]。

由于第三方施工造成的管道泄漏是一個小概率事件，因此基本事件發生的概率統計數據較少，為了較可靠地反映工程實際情況，本文應用專家打分法評定各事件的發生概率的估計值，評定組由4位專家組成。每個專家根據自身情況的不同，權重也有所差異。根據其實際情況，考慮3個權重項，并將各項細分為5個級別，具體分配情況見表2，利用強制比較法對其進行賦值，則第k位專家的重要度為：

表1 故障樹基本事件

表2 專家權重因素表

續表1故障樹基本事件

其中，項目號i=1，2，3；專家號k=1，2，3，4。

設第k位專家對事件n的打分估計值為Mkn，則k位專家對事件n加權平均模糊數為：Mn=R1M1n+R2M2n+…+RkMkn

設估計概率值服從正態分布，取估計均值為m，方差σ，它的值落在區間[u-3σ,u+3σ]的概率為99.7%，故設α=β=3σ，將各概率值表述為(3σ,m,3σ)。基本事件三角模糊處理后的概率如表3所示。

故障樹中基本事件發生與否直接影響著頂事件，但是各事件的發生對頂事件所起的作用并不相同，即各基本事件的重要度不同。應用最小割集分析基本事件的重要度時，認為各底事件發生的概率一樣，在實際中，只能很粗略地判斷各事件的重要度。而中值法能夠克服這個不足，故本文應用中值法[6]確定基本事件的重要度。

設故障樹的結構函數為Φ(x1,x2,…,xn)，xi是故障樹的基本事件，其可能性分布模糊數為則頂事件可能分布概率為中位數記為PZ。

基本事件xi的模糊重要度：

如果Si＞Sj，則認為xi比xj對頂事件影響大。利用3σ法則，認為三角模糊數處理為左右對稱圖形，根據公式（3）得到底事件的排序為：Y5=Y6=Y7＜Y1＜Y10＜X1＜Y2＜Y11＜X2=X3=X4=X5=X6=X7＜Y4＜Y16=Y17=Y18＜X19＜Y19=Y23＜Y9＜Y12＜Y13＜Y14＜X12=X13=X14=X15=X16=X17=X18＜X24=X25＜X20=X21=X22=X23＜X8=X9=X10=X11＜Y3＜Y15＜X26=X27=X28。

表3 基本事件三角模糊處理數據表(10-4)

3 結論及建議

（1）根據頂事件的確定原則，確定“第三方造成管道的破壞”為故障樹頂事件，然后以“管道破壞的可能性”和“管道破壞的嚴重性”為次頂事件，逐次分析其原因，層層深入，最后建立故障樹模型，

（2）引入三角模糊理論，對故障樹進行定量分析，得到頂事件發生的模糊失效概率為5.616×10-6，從而也確定了各底事件對頂事件的影響程度。

（3）管道埋深資料缺失，走向資料缺失，地質資料缺失，當地人口的密度以及保護措施的失效等都對頂事件的發生起著重要的作用，所以，在實際中，應該加大管理力度，盡量減少管道破壞的發生。

[1]趙忠剛,姚安林,蔣宏業,等.油氣管道第三方破壞的研究進展[J].石油工業技術監督,2008,24(11):5-9.

[2]李青,陸廷金,李寧萍,等.三角模糊數的模糊故障樹分析及其應用[J].中國礦業大學學報,2000,29(1):56-59.

[3]毛建,蔣宏業,李又綠,等.油氣管道第三方破壞人為因素分析研究[J].石油工業技術監督,2010,26(1):12-15.

[4]張乃祿,趙曉姣,胡長嶺.油田聯合站故障樹評價研究[J].油氣田地面工程,2007,12(11):3-5.

[5]趙奇峰,劉宏菊.基于模糊影響圖的油氣長輸管道工程環境經濟損益分析研究[J].石油工程建設.2006,32(12):5-8.

[6]伍愛友,施式亮,王從陸.基于事故樹方法與三角模糊理論耦合理論的城市火災風險分析[J].中國安全科學學報,2009,19(7):31-36.

The fault tree is built up based on the influencing factors of third party construction damage to natural gas pipeline.With the uncertainty of the occurrence probability of basic events,the triangle fuzzy theory is introduced into the research.The probability of basic events is described as the fuzzy number while the positive R-L fuzzy number is used as the reference function,and then the occurrence probability of basic events has been modified.Meanwhile,the interval value of the probability of third party construction damage to the pipelines has been concluded from the regulation of fuzzy calculation.The median algorithm is applied to the determination about the fuzzy significant degree of different bottom events,followed by ordering them and determining major influencing factors.At last,some corresponding measures are presented so as to reduce the third party construction damage to pipelines.

triangle fuzzy;fault tree;the third party construction;risk analysis;west-to-east natural gas transmission

2010-08-26▎

*基金論文：中國石油西氣東輸管道公司項目（XQSGL01423）與國家科技支撐計劃項目（2006BAK02B01）資助

史爽（1986-），男，現為西南石油大學油氣儲運工程專業在讀碩士研究生，從事油氣管道的風險評價技術與完整性管理研究工作。