指標概率綜合風險評價方法研究

張錦偉，鄭青川，辜冬梅，廖亞奇

1.中國市政工程西南設計研究總院有限公司燃氣熱力設計研究院 (四川 成都 610081)2.四川省化工設計院 (四川 成都 610015)

指標概率綜合風險評價方法研究

張錦偉1，鄭青川1，辜冬梅2，廖亞奇1

1.中國市政工程西南設計研究總院有限公司燃氣熱力設計研究院 (四川 成都 610081)
2.四川省化工設計院 (四川 成都 610015)

針對半定量與定量風險評價方法的優缺點，提出指標概率綜合風險評價新方法(簡稱I-P法)。該方法不僅能夠克服半定量評價法容易產生“避重就輕”現象的弊端，又能克服定量評價法中因缺失指標失效概率而無法應用的不足。I-P法下層指標采用基于專家經驗的指標評價方法，而后利用BP神經網絡方法建立指標相對分值d與失效概率Pf(i)的關系曲線，依據此曲線將指標分值轉化為失效概率，并對上層指標采用基于失效概率的定量評價。采用該方法對某管道的河溝道水毀進行了風險評價，結果表明，該方法能夠解決在某些特殊條件下基于指標評價法的結論與管道實際風險狀態不一致的問題。

風險評價;指標概率綜合法;河溝道水毀;失效概率;BP神經網絡

目前，半定量評價法［1-2］和定量評價法［3］在管道和站場的風險評價中應用較廣。半定量評價法對各層指標進行分值分配，而后采用專家經驗對底層指標進行失效可能性判斷，最后再將指標分值進行加和運算，但加和運算會削弱關鍵指標的作用。定量評價法對底層指標進行失效概率估算，依據是國內外同樣環境下指標的失效概率，但由于指標所處的環境難以一成不變，故失效概率估算還有待完善。筆者根據前2種方法的特點，提出一種綜合指標與概率評價方法的新方法，即指標概率綜合評價方法，簡稱I-P法。I-P法對底層指標采用專家經驗進行失效可能性判斷，而后將其轉化為概率，再進行評價。該方法能突出關鍵指標的作用，并能解決因缺乏底層指標概率而無法進行概率評價的難題。

1 I-P法原理及風險評價方法

1.1 I-P法原理

I-P法是結合指標評價方法與概率評價方法為一體的綜合評價方法，下層指標采用指標評價方法進行分析，上層指標采用概率評價方法分析。將某層指標分值轉換為失效概率，從而計算頂層事件的失效概率，并將其乘以失效后果，如管道泄漏的失效后果可取泄漏影響系數，即得到風險值。

I-P法的難點在于從何層指標開始進行概率轉換，經研究表明，當同時滿足以下2種情況即可進行指標概率間的轉換:

1)同層指標的邏輯關系為邏輯“或”。

2)同層指標均為關鍵指標。關鍵指標是指該指標失效后將很大程度上影響頂層事件失效的指標。

1.2 基于I-P法的風險評價方法

I-P法的計算為下層指標采用指標分值相加，判斷指標是否需要進行概率轉換，而后根據指標間的邏輯關系進行概率運算，從而可算出頂事件概率，再選擇一種后果表示法，將兩者進行綜合分析即可得到風險值，因此可進行風險評價。具體的風險評價流程如圖1所示。

2 指標概率轉換方法

圖1 基于I-P法的風險評價流程圖

本文采用模糊數學的方法進行指標概率轉換。指標分值的大小反映了該指標失效可能性的大小，分值越大表明失效可能性越低。將每個評價指標的得分值(V)與指標分配分值(V0)進行相除，得到相對分值d，根據d的大小進行區間劃分，每個區間對應相應的失效可能性等級，即低(L)、較低(RL)、中等(M)、較高(RH)、高(H)。然后，將指標失效可能性等級轉化為模糊數W，再將模糊數轉化為區間對應的失效概率。

2.1 指標分值與失效可能性等級對應關系

將相對分值d平均劃分為5個區間，分別與失效可能性等級相對應，見表1。其中，當d=1，失效概率為0;當d=0時，失效概率為1。

圖2 失效可能性等級與模糊數對應關系

表1 相對分值d與失效可能性等級對應關系

2.2 指標概率轉換方法

將指標失效可能性等級轉化為模糊數，其對應關系見圖2。模糊數對應的隸屬度函數見式(1)。

其中，a、b分別為模糊數的上下限。

1)將模糊數轉化為模糊可能性值。采用Lin C. T.和Wang M.J.提出的左右模糊數排序法［4］，將模糊數轉化為模糊可能性值。首先定義最大模糊集:

然后，計算模糊數左右模糊的模糊可能性值:

其中，fw(x)為模糊數W所對應的隸屬度函數，W為對應失效可能性等級的模糊數。

最后，計算模糊數的模糊可能性值:

2)將模糊可能性值轉化為失效概率Pf(i)，(i為指標序號)。轉換公式見式(6)。

3)綜合失效概率。綜合失效概率Pf為各層因素失效概率的綜合，按指標間的邏輯關系分邏輯“或”運算、邏輯“與”運算兩種，其計算見式(7)和式(8)。

圖3 Pf(i)與d擬合曲線圖

2.3 指標失效可能性等級與概率對應表

根據小節2.1到2.2介紹的方法可以計算出失效可能性等級對應的概率值，見表2。

表2 失效概率與失效可能性等級對應表

圖4 Pf(i)與d擬合曲線圖

3 指標概率關系曲線

由表2可知，失效概率為離散值，每個點值對應的相對分值d為一區間，其失效概率與相對分值的映射關系為梯形函數，不具有連續性。因此，由相對分值d得到的頂事件概率將會有所偏差。由于相對分值d與失效概率Pf(i)間難以建立線性映射關系，故采用BP神經網絡對其進行擬合［5-6］，建立指標概率映射關系。BP神經網絡一般由3層組成:輸入向量層、隱含層和輸出層。將d的右半區間值作為d的取值，并將其作為輸入向量層，如0＜d≤0.2，即取d= 0.2，顯然，這種取法偏保守。失效概率Pf(i)作為輸出層，建立BP模型并利用MATLAB軟件進行編程計算。利用訓練好的BP網絡進行d與Pf(i)的函數擬合，擬合曲線如圖3所示。

將圖3中相對分值d＞0.2的曲線放大，如圖4所示。由圖3和圖4可知，可以將d等分為10等份，每等份間距為0.1，在每個區間內可近似認為曲線為直線，因此可進行線性插值運算。

4 I-P法應用實例分析

以西氣東輸二線管道某管段為例，該管段上方河床經過2011年汛期沖刷后，河床下切嚴重，下游深潭向上游移動約100m。河床質為卵石，粒徑大者15cm，平均粒徑3cm。深潭兩邊為較大土堆，使得河床過水面變窄，下切嚴重。深潭水深約4m，離深潭上游約30m處為西二線管道，埋深約4.6m。若不及時治理，2012年汛期有露管可能，甚至損壞管道，因此，急需對該管段進行風險評價。管道與河床示意圖如圖5所示。

為了對比分析，首先采用《輸氣管道環境及地質災害風險評估方法》中的指標評價方法來對該管道進行風險評價，指標得分表見表3。

圖5 河床示意圖

為了分析方便，取泄漏影響系數為1，按照《輸氣管道環境及地質災害風險評估方法》中的等級劃分方法，當得分少于30分時，管道處于高風險狀態。顯然該管道得分大于30分，非高風險管道，與事實不符。

現采用I-P法來重新對該管道進行風險評價。在分析了各項指標的得分值后，“設計與誤操作”下的“工程防護措施”和“誤操作”滿足指標概率轉換條件。“工程防護措施”得分為1分，算得相對分值d= 1/19=0.053，根據圖3可得到其轉換后的失效概率為0.95。同理，得到“誤操作”的失效概率為0。采用同樣的方法對一級指標進行失效概率轉換，失效概率Pf(i)見表4，再將Pf(i)代入(7)式即可計算得到管道失效概率為0.951。同樣取泄漏影響系數為1，根據API581中對風險值大于0.1倍失效后果即劃分為高風險［7］，可知該管道處于高風險狀態，與專家現場評價結論一致。

2種評價方法結論不同的原因在于 《輸氣管道環境及地質災害風險評估方法》采用的是指標評價方法，對指標分值進行加和運算，使低得分關鍵指標“工程防護措施”的作用無法突出，從而導致風險評價結論與管道實際風險狀態不一致。

5 結論

1)提出基于I-P法的風險評價方法，克服了指標體系由于指標分值加和運算導致低得分關鍵指標作用無法突出的難點。

2)I-P法底層指標采用專家經驗進行失效可能性評判，克服了底層指標概率難以計算的難題。

表3 指標得分表

表4 一級指標失效概率表

3)建立了相對分值d與失效概率Pf(i)的關系曲線，為指標分值向概率的轉換提供了理論依據。

［1］張錦偉，姚安林，范小霞，等.肯特管道風險評價改進算法研究［J］.石油工業技術監督，2013，29(6):1-4.

［2］施林園，鄭潔，李晶.四川輸氣站場風險評價研究［J］.天然氣工業，2004，24(11):135-138.

［3］馮文興，稅碧垣，李保吉，等.定量風險評價在成品油管道站場的應用［J］.油氣儲運，2009，28(10):10-13.

［4］Lin C.T.，Wang M.J..Hybrid fault tree analysis using fuzzy sets［J］.Reliability Engineering and System Safety，1997，58 (2):205-213.

［5］胡世鵬，吳小林，馬利敏，等.基于BP神經網絡和遺傳算法的天然氣脫水裝置能耗優化 ［J］.天然氣工業，2012，32 (11):84-89.

［6］王英博，王琳，李仲學.基于HS-BP算法的尾礦庫安全評價［J］.系統工程理論與實踐，2012，32(11):2585-2589.

［7］APIRP 581-2008 Risk-based inspection technology［S］.

In view of the advantages and disadvantages of semi-quantitative and quantitative risk assessmentmethods，an index& probability comprehensive risk assessmentmethod (I-Pmethod)is put forward.Thismethod can notonly overcome the disadvantage of semi-quantitative evaluation method＂shying away the important and dwelling on the trivial＂，but also overcome the disadvantage of the quantitative evaluation method that the quantitative evaluation method can not be applied due to lack of the failure probability of indicators.The underlying indexes in I-Pmethod apply index assessmentmethod based on expert’s experience，and then the relationship between the relative score of the indexes and failure probability is established using BP neural network.According to the relationship curve，the relative score of the indexes is transformed into failure probability，and the quantitative evaluation of top indexes is based on the failure probability.The water damage risk of some oil pipeline in river section is evaluated using I-Pmethod，and the result shows that themethod can overcome the problem that the evaluation conclusion of index assessmentmethod is not consistent with the actual risk of pipeline under certain special conditions.

risk assessment;index&probability comprehensive assessmentmethod;water damage in river section;failure probability;BP neural network

梅

2014-12-12

張錦偉(1986-)，男，主要從事油氣長輸管道風險評價與完整性評價研究。