城市埋地管道占壓風險評估實用方法研究*

劉朝峰，姜力本，王　威，郭小東

(1.河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401; 2.河北省土木工程技術研究中心，天津 300401;3. 北京工業大學 抗震減災研究所，北京 100124)

0　引言

燃氣管道屬于城市生命線系統，其安全運行不僅影響經濟的健康發展，還可能涉及公共安全。我國城市燃氣管道多采用埋地方式，隨著經濟的發展和城市建設步伐的加速，占壓埋地管道現象成為威脅管道安全運行最為突出的問題，一旦失效破壞將對沿線的人民生命、財產安全構成嚴重的威脅[1-4]。因此，有必要對城市燃氣埋地管道占壓風險進行排查和評估，以合理安排占壓風險處置的優先次序，消除安全隱患。

對燃氣管道占壓問題的研究主要有燃氣管道占壓隱患排查[5-7]和占壓作用下燃氣管道力學性能[8-9]、失效機理[10-11]、管土相互作用機理[12]等研究。但是針對整個城市層面的燃氣管道占壓隱患風險評估研究較少。牛亞楠等[13]建立了燃氣管道占壓隱患的模糊綜合評價方法。但采用層次分析法確定指標權重，需要對判斷矩陣做一致性檢驗，并且需要求特征值與特征向量來計算權重，運算復雜繁瑣；模糊綜合評價法需要人為確定隸屬函數，計算結果受主觀影響較大。而采用屬性層次模型(AHM)確定指標權重時，只需做加乘運算，不需做判斷矩陣的一致性檢驗，也不需求特征值與特征向量，而且還解決了指標之間相互影響的問題，能夠避免大量運算[14]。采用數理統計理論預測占壓風險發生的可能性及其概率區間分布，補充或修正占壓風險評估的精度[15]。因此，為了實現管道占壓風險評估的實用性、簡便性、科學性，基于屬性層次模型和數理統計理論，提出城市埋地管道占壓風險評估實用方法，以期為埋地管道占壓隱患處治提供技術支撐。

1　評估模型

1.1　影響因素及其指標選取

參考《城鎮燃氣設計規范》(GB 50028-2006)第六章中有關燃氣埋地管道占壓隱患的評判標準，結合國內外占壓隱患特點、占壓事故成因等分析，提取城市燃氣埋地管道占壓隱患的共性特點，確定影響城市燃氣埋地管道占壓隱患的主要因素有占壓物類型、占壓形式、管道設計壓力、管徑、管材、使用時間、占壓隱患發生區域等7個影響因子[5-7,11]。由于管道埋深支撐資料欠缺，這里管道埋深因素未考慮，在以后研究中待完善。根據北京城市燃氣管道占壓風險影響因素和評價指標統計研究，以全面性、簡潔性、可操作性為原則，可得到城市燃氣埋地管道占壓風險評價指標體系，見表1。

表1　燃氣埋地管道占壓隱患風險評價指標體系

1.2　AHM算法計算屬性權重

AHM是基于AHP發展的無結構多準則決策方法[14-15]，極為簡便、靈活且實用，為城市燃氣埋地管道占壓風險評估問題提供了更實用、更科學的依據。AHM算法計算屬性權重的步驟為：在燃氣埋地管道占壓隱患風險評價指標體系構建的基礎上，由AHP構建判斷矩陣(aij)1≤i,j≤n，aij值可由1～9比例標度確定。再將矩陣(aij)1≤i,j≤n由公式(1)轉換為AHM屬性判斷矩陣(uij)1≤i,j≤n，并由公式(2)計算屬性權重ωi。

(1)

(2)

以管道占壓隱患的準則層7個影響因子為例，構造兩兩比較判斷矩陣，見表2所示。

表2　判斷矩陣

利用轉換式(1)和式(2)得到單一準則下的測度判斷矩陣及相對權向量，見表3所示。

表3　屬性測度與屬性權重

同理，可以得到各影響因素下不同指標的權重值，見表4。

1.3　管道占壓風險指數計算

燃氣管道占壓風險指數RI用權重組合值表示。權重組合值是由7個中間層因子所對應的各變量因子相互進行排列組合得到；若權重組合值越高，則意味著管道占壓隱患風險越高。

(3)

表4　評價指標及其權重值

1.4　占壓風險等級劃分標準

根據式(3)，運用matlab軟件fullfact函數計算出25 200個權重組合值，接下來使用數理統計方法得出所有權重組合值的概率分布，見圖1。

直方圖可以近似看成是標準正態分布的概率密度分布曲線，其平均值mu=0.255 1，均方差sigma=0.063 9。

圖1　占壓風險值數的概率密度曲線Fig.1　Probability density curve of occupying riskvalue

檢驗結果：布爾變量h=0，表示不拒絕零假設，說明提出的假設“均值0.255 1”是合理的；95%的置信區間為[0.254 3， 0.255 9]，它完全包括0.255 1，且精度很高；用MATLAB做T檢驗，sig的值為1，遠超過0.5，不能拒絕零假設。

在概率密度分布曲線的基礎上，可以生成累積密度分布曲線，分布趨勢見圖2。

圖2　占壓風險值的累積密度曲線Fig.2　Cumulative density curve of occupying risk value

燃氣管道占壓風險的劃分標準根據RI來確定。根據上述公式以及繪制出的累積密度曲線的分布趨勢，結合實例中收集的資料，采用自然斷點分級法初步判定燃氣管道占壓隱患風險的5個評價等級：

①ERI≤0. 201 3，占壓隱患風險極小。

②0.201 3

③0.238 9

④0.271 3

⑤ERI>0.308 9，占壓隱患風險極大。

2　實例應用

為了驗證該評價方法的有效性和實用性，分別對北京市城市燃氣管道2處占壓隱患[13]進行評價。占壓隱患1特征為：發生在四環區域以內，使用時間不到10 a，管徑300 mm，燃氣集團鋪設的鋼管，中壓管線，磚混平房壓線占壓。根據表4查得：w1=0.234，w11=0.259，w2=0.16，w21=0.8，w3=0.174，w34=0.125，w4=0.083，w45=0.105，w5=0.046，w53=0.1，w6=0.174，w65=0.055，w7=0.129，w71=0.607，代入公式(3)，計算得到此處占壓隱患風險指數為0.312，可以看出此處占壓隱患風險極大。而模糊綜合評價結果為，B1=[ 0.0280.2270.1600.1850.400]，按最大隸屬度原則，處于危險極大等級。

占壓隱患2特征為：發生在四環區域以內，使用時間為10～20 a之間，管徑100 mm，燃氣集團鋪設的鋼管，低壓管線，構筑物(車庫)近線占壓。根據表4查得：w1=0.234，w14=0.167，w2=0.16，w22=0.2，w3=0.174，w35=0.055，w4=0.083，w46=0.068，w5=0.046，w53=0.1，w6=0.174，w64=0.125，w7=0.129，w71=0.607，代入公式(3)，計算得到此處占壓隱患風險指數為0.191，可以看出此處占壓隱患風險極小，但偏向于風險較小等級。而模糊綜合評價結果，B2= [ 0.0510.3480.4410.0300.130]，按最大隸屬度原則，處于危險一般等級，但危險較小等級隸屬度也較大。

綜合分析2處占壓隱患風險評估結果，2種方法的評估結果趨勢基本一致，但風險隸屬等級不完全相同，主要是因為2種方法的風險等級劃分標準不同。模糊綜合評價方法需要人為構造隸屬函數，主觀性較大，風險等級按最大隸屬度劃分忽略了風險的不確定性。而本文方法不需要構造隸屬函數，計算權重也不需要驗證判斷矩陣一致性，風險等級依據數理統計的概率結果進行劃分，更加科學合理，而且計算簡便、實用。

3　結論

1)選取了城市燃氣埋地管道占壓風險評估指標，利用屬性層次模型(AHM)確定其權重，基于權重組合建立城市燃氣埋地管道占壓風險指數，采用數理統計方法計算占壓風險指數概率分布曲線，確定城市燃氣埋地管道占壓風險5個標準等級區間。

2)通過2處占壓隱患風險實例計算，本文方法與模糊綜合評估方法的結果趨勢基本一致，但風險隸屬等級不完全相同。究其原因是2種風險等級的劃分標準和基本原理不同，最大隸屬度劃分忽略了風險的不確定性，本文方法則考慮了風險指標的概率因素。

3)本文方法針對AHP法的不足，考慮指標權重差異，基于權重組合，從概率角度進行風險等級劃分，考慮了不確定性因素的影響，計算簡便易行，結果更為科學可靠。

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