油氣管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法研究*

趙新好 姚安林 蔣宏業(yè)

西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 （四川 成都 610500）

油氣管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法研究*

趙新好 姚安林 蔣宏業(yè)

西南石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 （四川 成都 610500）

基于油氣管道第三方破壞半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，利用已獲得的大量的半定量風(fēng)險(xiǎn)值，結(jié)合物元與可拓集合理論對(duì)管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分。通過輸入第三方破壞評(píng)價(jià)指標(biāo)不同的評(píng)分值，運(yùn)用層次分析法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重賦值，計(jì)算可拓集合關(guān)聯(lián)函數(shù)得到相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)而為管道運(yùn)營單位風(fēng)險(xiǎn)管理提供理論上的決策依據(jù)。該分析方法具有較強(qiáng)的普適性與可操作性，能很好地結(jié)合評(píng)價(jià)人員的專業(yè)知識(shí)，綜合評(píng)價(jià)管道第三方破壞的風(fēng)險(xiǎn)水平，使油氣管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分更加科學(xué)合理。

第三方破壞 物元 可拓集合 層次分析法 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

在油氣管道事故風(fēng)險(xiǎn)可能性的影響因素中，第三方破壞是管道失效的重要因素之一[1]。隨著我國能源需求加劇，油氣管道建設(shè)步伐的不斷加快，油氣管道越來越多地需要通過經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)人口稠密的地區(qū)，由此引起的第三方破壞事故大有不斷上升的趨勢(shì)[2]。因此，合理評(píng)估油氣管道第三方破壞的風(fēng)險(xiǎn)程度，并通過科學(xué)可行的方法對(duì)管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，從而為預(yù)防第三方破壞的發(fā)生提供理論依據(jù)。

目前，油氣管道的第三方破壞大多采用半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法，由此可以得到不同管段的半定量風(fēng)險(xiǎn)值。如何對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行合理等級(jí)劃分，還沒有比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。筆者將物元與可拓集合理論引入到油氣管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分中來。該理論由廣東工業(yè)大學(xué)蔡文教授于1983年創(chuàng)立，經(jīng)過多年的研究應(yīng)用，在管理學(xué)、人工智能、故障診斷等多個(gè)領(lǐng)域取得一定的效果[3]。基于物元和可拓集合理論，通過建立第三方破壞多指標(biāo)參數(shù)的評(píng)定模型，并以定量化的數(shù)值對(duì)管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，較真實(shí)地反映了待評(píng)管道的風(fēng)險(xiǎn)水平。

1 物元與可拓集合理論

物元理論的基本單位是物元，是由事物N、事物特征c和該特征的量值v所組成的三元組，記作R=（N,c,v）。它把事物、特征和量值放在一個(gè)統(tǒng)一體中考慮，要求人們?cè)谔幚韺?shí)際問題時(shí)既要考慮量，又要考慮質(zhì)，正確地反應(yīng)了質(zhì)與量之間的關(guān)系，更貼切的描述了客觀事物的變化過程。

物元的可拓性是指事物變化的可能性。事物的變化以物元的變換來描述，物元理論研究的核心是物元的可拓性和物元的變換以及物元變換的性質(zhì)。

物元理論既可以利用物元可拓性的方法，又可以采用可拓集合理論，通過關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算來解決實(shí)際問題。

可拓評(píng)價(jià)法的基本思想是根據(jù)日常管理中積累的數(shù)據(jù)資料，把評(píng)價(jià)對(duì)象劃分為若干等級(jí)，綜合專家意見給出各等級(jí)的數(shù)值范圍，再將評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)代入各等級(jí)集合中進(jìn)行多指標(biāo)評(píng)定。評(píng)定結(jié)果取決于它與各等級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度大小，綜合關(guān)聯(lián)度越大，表示評(píng)價(jià)對(duì)象處于該等級(jí)的可能性越大。

2 第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)

油氣管道第三方破壞誘因錯(cuò)綜復(fù)雜，隨機(jī)性高且不易預(yù)測(cè)和控制[4]。為了科學(xué)地采取相應(yīng)的防范和風(fēng)險(xiǎn)管理措施，需要對(duì)管道第三方破壞的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分。油氣管道通過地區(qū)按沿線居民戶數(shù)和建筑物的密集程度，將管道所經(jīng)之處分為4類地區(qū)等級(jí)，1類地區(qū)人口最少，4類地區(qū)人口最多[5]。

參照國內(nèi)外半定量研究的經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)大量的半定量風(fēng)險(xiǎn)值，可將管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為5個(gè)層次。各等級(jí)定義如下：

（1）低風(fēng)險(xiǎn)

處于該風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的管道安全，管道目前的各項(xiàng)保護(hù)條件好，不存在第三方破壞的歷史記錄，應(yīng)維持現(xiàn)有管理水平，注意監(jiān)視環(huán)境條件的變化。

（2）較低風(fēng)險(xiǎn)

處于該風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的管道安全，管道目前的各項(xiàng)保護(hù)條件較好，存在個(gè)別第三方破壞的歷史記錄，應(yīng)維持現(xiàn)有管理水平，注意監(jiān)視環(huán)境條件的變化。

（3）中等風(fēng)險(xiǎn)

處于該等級(jí)的管道第三方破壞跡象正在萌生，該管道一般處于2、3類地區(qū)，大多數(shù)管道目前的保護(hù)條件基本滿足正常使用的要求，有較少的第三方破壞歷史記錄，需要加強(qiáng)日常檢查維護(hù)或考慮必要的防控方案。

（4）較高風(fēng)險(xiǎn)

處于該等級(jí)的管道第三方破壞事故發(fā)生可能性具有增大趨勢(shì)，該管道一般處于2、3、4類地區(qū)，管道目前的保護(hù)條件大多數(shù)喪失其功能，有較多的第三方破壞歷史記錄，管道可靠性降低，考慮必要的防控和維護(hù)方案。

（5）高風(fēng)險(xiǎn)

處于該等級(jí)的管道屬于即將發(fā)生事故或人口稠密區(qū)段，出現(xiàn)大量第三方破壞事件跡象，該管道一般處于3、4類地區(qū)，大多數(shù)管道目前的保護(hù)條件已喪失應(yīng)有的保護(hù)功能，有較多的第三方破壞歷史記錄，應(yīng)及時(shí)采取防控和維護(hù)措施。

3 基于物元理論的油氣管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定

3.1 確定與第三方破壞有關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)物元理論定義，將油氣管道的第三方破壞視為事物N，第三方破壞的各評(píng)價(jià)指標(biāo)視為事物特征ci（i=1,2,…,n）；筆者將管道第三方破壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)分為：社會(huì)環(huán)境與公共關(guān)系c1，管道敷設(shè)狀況c2，破壞與防控c3，管理與誤操作c4，失效后果影響c5，故n=5。各評(píng)價(jià)指標(biāo)分值可由專家打分確定[6]。

3.2 確定待評(píng)物元

根據(jù)油氣管道第三方破壞所給出的評(píng)價(jià)指標(biāo)，把各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的分值用物元表示，可以建立物元模型（1）式，稱（1）式為油氣管道第三方破壞的待評(píng)物元。

式中：N表示油氣管道第三方破壞；v1為N關(guān)于c1的量值，即評(píng)價(jià)指標(biāo)ci的具體分值。

3.3 確定經(jīng)典域與節(jié)域

根據(jù)可拓理論，結(jié)合油氣管道第三方破壞的5個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的經(jīng)典域值，可將其表述如（2）式：

式中：R0j為第j（j=1，2，…，5）級(jí)物元模型；N0j表示風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為第j級(jí)；Voji（i=1，2，…，n）為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為第j級(jí)時(shí)第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值域，即評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的取值范圍-經(jīng)典域。

油氣管道第三方破壞5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的允許取值范圍即節(jié)域，物元模型如（3）式：

式中：R0為油氣管道第三方破壞評(píng)價(jià)指標(biāo)節(jié)域的物元模型；N0為第三方破壞全部風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；Voi（i=1，2，…，n）為N0關(guān)于ci的取值范圍，即節(jié)域。

3.4 計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)

由文獻(xiàn)[3]，按（4）式計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)ci在各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)下N0j的關(guān)聯(lián)函數(shù)值，Kj(vi)的正負(fù)值含義可參見文獻(xiàn)[7]：

設(shè)x為實(shí)域上一點(diǎn)，即x∈(-∞,+∞)；X0=(a,b)為實(shí)數(shù)域上任一區(qū)間，則關(guān)聯(lián)函數(shù)ρ(x,X0)的定義如下：

3.5 確定第三方破壞各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重

權(quán)重確定方法大致可以分為3類[8]：①主觀評(píng)價(jià)法，如德爾菲法（專家調(diào)查法）、專家會(huì)議法等；②客觀評(píng)價(jià)法，如熵權(quán)法、主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)法等；③主客觀相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，如ELECTRE法、證據(jù)理論、粗糙集等。各種評(píng)價(jià)方法原理各不相同，方法迥異。

層次分析法是定性與定量相結(jié)合的風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)分析方法，最適宜于解決那些難以完全用定量方法進(jìn)行分析的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)問題，其確定過程主要包括以下幾個(gè)步驟：①建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型；②通過專家采用1～9標(biāo)度打分，對(duì)各層因素兩兩間量化比較，構(gòu)造出各層次中所有的兩兩判斷矩陣；③層次單排序及一致性檢驗(yàn)；④層次總排序及組合一致性檢驗(yàn)。

利用層次分析法的嚴(yán)格邏輯性和兩兩比較法的原理,確定管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重λi(i=1,2,…,5)，并進(jìn)行歸一化處理，大幅度地減少了主觀因素可能造成的偏差，所以這種方法比較實(shí)用可靠[9]。

3.6 計(jì)算油氣管道第三方破壞的關(guān)聯(lián)函數(shù)

由公式（1）～（6）計(jì)算油氣管道第三方破壞關(guān)于各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)N0j(j=1,2,…,5)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值：

3.7 確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

根據(jù)公式（4）～（6）計(jì)算結(jié)果，取對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)函數(shù)最大時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為評(píng)價(jià)結(jié)果，即：

可以根據(jù)（7）結(jié)果判定油氣管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為j0。

4 實(shí)例計(jì)算與驗(yàn)證

設(shè)由半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估法計(jì)算某天然氣長輸管道部分管段第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)因素的分值如表1。

表1 第三方破壞評(píng)價(jià)指標(biāo)打分表

4.1 確定待評(píng)物元與關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算

根據(jù)物元理論，由表1可確定待評(píng)管段1第三方破壞的物元：

并可得到管段1第三方破壞5項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值范圍：

為便于計(jì)算，將油氣管道第三方破壞5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在5個(gè)等級(jí)下的取值范圍V0ji合并，物元模型如下：

由上述分析，按公式（1）～（6）計(jì)算管段1的關(guān)聯(lián)函數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表2。

4.2 確定各指標(biāo)權(quán)重

筆者采用層次分析法對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行賦值。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的規(guī)定，將失效后果作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，其權(quán)重為0.5，其他指標(biāo)的權(quán)重之和為0.5。對(duì)其它4項(xiàng)指標(biāo)按層次分析法的一般步驟進(jìn)行計(jì)算。

首先，將管道第三方破壞的風(fēng)險(xiǎn)影響指標(biāo)分解為5大類（見圖1），每一類反映了一個(gè)一般的領(lǐng)域?qū)Φ谌狡茐娘L(fēng)險(xiǎn)的影響。

其次，構(gòu)造判斷矩陣。通過各指標(biāo)對(duì)第三方破壞影響相對(duì)重要性的兩兩比較，采用Saaty提出的1～9標(biāo)度法[9]，建立各指標(biāo)兩兩比較的判斷矩陣。

表2 管段1關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖1 第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)因素分解層次圖

最后，可以通過發(fā)放調(diào)查表，專家打分法等方式對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素相對(duì)重要性排序。假設(shè)該管道風(fēng)險(xiǎn)因素排序從高到低為社會(huì)環(huán)境與公共關(guān)系、管理與誤操作、破壞與防控、管道敷設(shè)情況。按1～9標(biāo)度法構(gòu)造影響管道第三方破壞的判斷矩陣，如表3所示。

詳細(xì)的計(jì)算方法參見文獻(xiàn)[9]。根據(jù)計(jì)算其最大特征根及特征向量，隨機(jī)一致性比率CR=0.0056＜0.10，滿足要求。故各指標(biāo)權(quán)重比值為：

在計(jì)算出管段1第三方破壞各評(píng)價(jià)指標(biāo)與5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)關(guān)聯(lián)度，以及各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重比值后，按公式（6）得出管段1第三方破壞各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值，如表4所示。

因此，管段1的第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為：較高風(fēng)險(xiǎn)。

同理：可對(duì)管段2、管段3進(jìn)行評(píng)定。評(píng)定結(jié)果為：管段2為較低風(fēng)險(xiǎn)，管段3為低風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 風(fēng)險(xiǎn)管理建議措施

表3 管道第三方破壞判斷矩陣

表4 各等級(jí)下管段1的關(guān)聯(lián)函數(shù)值

依據(jù)文章第2部分第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)險(xiǎn)管理建議：管段1應(yīng)考慮必要的防控和維護(hù)方案；管段2、3應(yīng)維持現(xiàn)有管理水平，注意監(jiān)視環(huán)境條件的變化。

為減少第三方破壞發(fā)生的可能性，管理人員可從以下幾個(gè)角度加強(qiáng)工作。首先，從社會(huì)環(huán)境與公共關(guān)系方面，管道管理人員應(yīng)經(jīng)常深入沿線居民中進(jìn)行法制與公德教育宣傳，加強(qiáng)與沿線政府和居民的溝通，并通過開展一些公益性的建設(shè)，在沿線居民受益的同時(shí)建立較融洽的企地關(guān)系。其次，從管理與誤操作方面，公司應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管理人員業(yè)務(wù)素質(zhì)的培訓(xùn)，提高危險(xiǎn)識(shí)別能力與巡檢質(zhì)量，并具備應(yīng)對(duì)第三方破壞突發(fā)事件的協(xié)調(diào)公關(guān)能力。最后，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管道沿線第三方施工的現(xiàn)場監(jiān)測(cè)，并通過合理增加管道埋深，加密管道上方標(biāo)識(shí)樁等措施共同預(yù)防第三方破壞的發(fā)生。

5 結(jié)論

物元與可拓集合理論的引進(jìn)，為油氣管道第三方破壞的定性與定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)合搭建了一座很好的橋梁，通過該理論的關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算，輸入第三方破壞各評(píng)價(jià)指標(biāo)不同的評(píng)分值，可得到相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

油氣管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一個(gè)綜合評(píng)價(jià)的過程，國內(nèi)外風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究表明，在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分過程中考慮的評(píng)價(jià)指標(biāo)越多，其結(jié)果就越符合實(shí)際。筆者僅對(duì)影響管道第三方破壞的5大類一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，而一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素下還有若干二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素，可利用該理論建立更詳細(xì)的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，以提高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分的合理性。

物元與可拓集合理論結(jié)合評(píng)價(jià)人員的專業(yè)知識(shí)，綜合判斷管道第三方破壞的風(fēng)險(xiǎn)水平，從而降低了傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分中的人為主觀影響，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分科學(xué)合理的目的。該方法的可操作性與普適性，有待在實(shí)踐中加以驗(yàn)證。

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Based on the semi-quantitative risk assessment of the third party damage in oil and gas pipelines,the risk ranks of the third party's damage in pipelines are classified by the application of a great deal of obtained semi-quantitative risk value,together with matter-element and extension set theories.The corresponding risk rank are gotten from the input of different scoring values about the assessing standard of the third party's damage,the use of analytic hierarchy process in evaluating the weight of various evaluation indexes and the calculation of correlation function of extension set,and thus offering the theoretical decision basis of risk management to pipeline operation units.The analysis method with stronger generality and operability can comprehensively assess the risk level of the third party's damage in pipelines according to the professional knowledge of evaluating staffs,and finally make it more sensible and scientific to classify the risk ranks of third party's damage in oil and gas pipelines.

the third party's damage;matter element;extension set;analytic hierarchy process;risk ranks

*基金論文：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助（2006BAK02B01）；中國石油西氣東輸管道公司項(xiàng)目資助（XQSGL01423）。

趙新好（1986-），在讀研究生，主要從事于油氣管道完整性管理與評(píng)價(jià)方面的研究工作。

尉立崗

2011-02-22