基于改進(jìn)二元語義的滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估*

姚安林，曾躍輝，羅　珊，毛　建，徐濤龍

(1.西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3.中國石油管道公司 西氣東輸分公司，上海 200122)

0　引言

滑坡作為常見地質(zhì)災(zāi)害，其誘發(fā)管道失效的事件時(shí)有發(fā)生。2015年發(fā)生的“12·20”深圳山體滑坡事故使西氣東輸二線廣深支干線受損，導(dǎo)致對港供氣中斷，該事件再次引起社會對管道所經(jīng)地區(qū)滑坡災(zāi)害防治問題的關(guān)注。因此，采用先進(jìn)方法評估滑坡誘發(fā)管道失效的可能性，識別導(dǎo)致管道失效的主要因素，對確保管道安全運(yùn)營具有重要意義。

目前，滑坡作用下管道安全評估主要有管道失效概率預(yù)測及監(jiān)測治理效果分析兩方面。文獻(xiàn)[1-5]在建立滑坡災(zāi)害管道失效可能性指標(biāo)體系時(shí)，將監(jiān)測治理措施劃入災(zāi)害易發(fā)性和管道易損性中，通過對災(zāi)害易發(fā)性和管道易損性兩方面的分析可得出穿滑坡區(qū)管道的失效概率，為評估管道的運(yùn)營狀態(tài)提供一定的理論依據(jù)。但該指標(biāo)體系劃分方式不能分析出監(jiān)測治理措施對管道失效概率的影響，無法評估出管道運(yùn)營單位采取治理措施的效果情況；文獻(xiàn)[6-8]通過監(jiān)測對比采取治理措施前后管道的受力情況，可直接分析出管道在滑坡災(zāi)害下的安全狀態(tài)以及不同治理措施的效果，為是否采取治理措施以及采取何種治理措施提供相應(yīng)的理論依據(jù)，但是這些研究中又未同時(shí)考慮災(zāi)害易發(fā)性和管道易損性對穿滑坡區(qū)管道失效概率的影響。鑒于此，從致災(zāi)影響因素(致)、承災(zāi)敏感程度(承)和監(jiān)測治理情況(監(jiān))3方面分析，建立滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估指標(biāo)體系，以期克服現(xiàn)有研究中不能同時(shí)評估3方面(致、承、監(jiān))對滑坡區(qū)管道失效概率影響的不足。

滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估是典型的多指標(biāo)評估問題，影響因素眾多且難以定量，此類問題評估多憑借有經(jīng)驗(yàn)的評估人員使用專用語言完成?；谡Z言形式偏好分析的二元語義評估方法，在集結(jié)多個(gè)評估者的意見時(shí)，能避免評估信息扭曲和丟失，使評估結(jié)果更加準(zhǔn)確[9-10]。因此，基于最小偏差綜合賦權(quán)及二元語義理論建立滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估模型，以期在降低評估語言轉(zhuǎn)換失真程度的基礎(chǔ)上，識別導(dǎo)致管道失效的主要因素，為管道運(yùn)營單位制定相應(yīng)的防范措施提供科學(xué)依據(jù)。

1　建立滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估指標(biāo)體系

滑坡災(zāi)害發(fā)生時(shí)，監(jiān)測治理措施未達(dá)到相應(yīng)要求且滑坡體施加到管道的應(yīng)力大于管道的屈服極限才會發(fā)生滑坡誘發(fā)管道失效事件?；聻?zāi)害發(fā)生的可能性由環(huán)境地質(zhì)及誘發(fā)因素共同決定；管道承受災(zāi)害的能力由管道本體及管道敷設(shè)因素決定；監(jiān)測治理情況由監(jiān)測情況、滑坡治理措施及管道保護(hù)措施三者決定。因此，借鑒已有研究成果[1-8,11-12]，建立由致災(zāi)影響因素、承載敏感程度和監(jiān)測治理情況3個(gè)一級指標(biāo)構(gòu)成的滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1　滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估指標(biāo)體系Fig.1　Evaluation index system of failure probability of pipeline induced by landslide

2　確定滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估指標(biāo)的權(quán)重

目前權(quán)重確定方法可分為主觀法和客觀法2類。主觀法依靠決策者的經(jīng)驗(yàn)對評估指標(biāo)直接進(jìn)行賦權(quán)，該方法簡單快捷、可解釋性強(qiáng)，但受決策者的主觀影響大?？陀^法在考察各指標(biāo)屬性信息量的基礎(chǔ)上，用概率論的相關(guān)知識確定評估指標(biāo)權(quán)重，該方法雖以數(shù)學(xué)理論作為基礎(chǔ)，能較好反映樣本原始信息，但易受數(shù)據(jù)波動(dòng)干擾，導(dǎo)致結(jié)果偏離工程實(shí)際。為克服上述方法的不足，以下采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)與變異系數(shù)法分別求各指標(biāo)的主客觀權(quán)重，并基于最小偏差理論進(jìn)行權(quán)重優(yōu)化，得出組合權(quán)重值。

2.1　基于ANP的主觀權(quán)重

滑坡誘發(fā)管道失效的評估指標(biāo)體系中，耦合作用使各指標(biāo)既相互影響又相互依存。在滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估指標(biāo)體中，截排水措施及降雨情況都會影響坡腳沖刷情況；巖土體類型直接影響風(fēng)化防護(hù)措施的選擇與實(shí)施；坡體角度及坡體高差決定滑坡體監(jiān)測及抗滑加固措施的實(shí)施。因此，需考慮各指標(biāo)的影響及依存關(guān)系，才能得出更合理的主觀權(quán)重。

2.2　基于變異系數(shù)法的客觀權(quán)重

目前常用的客觀賦權(quán)法有變異系數(shù)法和熵權(quán)法，變異系數(shù)法[14]克服了熵權(quán)法所求權(quán)重均衡化分配的缺陷，因此本文選用變異系數(shù)法確定客觀權(quán)重。變異系數(shù)法通過指標(biāo)數(shù)量決定權(quán)重的大小，所求權(quán)重更加客觀合理，其確定權(quán)重的步驟[14]如下：

1)構(gòu)造評估指標(biāo)特征值矩陣：

設(shè)有l(wèi)個(gè)參評樣本，每個(gè)參評樣本有n個(gè)評估指標(biāo)，則有評估指標(biāo)特征矩陣：X=[xij]nl(i=1,2,…,n;j=1,2,…,l)，其中，xij為第j個(gè)參評樣本的第i個(gè)評估指標(biāo)的特征值。

2)計(jì)算各項(xiàng)評估指標(biāo)的變異系數(shù)：

(1)

(2)

3)計(jì)算各項(xiàng)評估指標(biāo)權(quán)重：

(3)

式中：vi為第i項(xiàng)指標(biāo)的客觀權(quán)重。

2.3　基于最小偏差的優(yōu)化組合賦權(quán)

根據(jù)組合權(quán)重與各單一權(quán)重之間偏差盡可能小的思想，建立基于ANP與變異系數(shù)法的權(quán)重優(yōu)化組合模型[15]：

(4)

式中：wi為第i項(xiàng)指標(biāo)組合權(quán)重；ui為第i項(xiàng)評估指標(biāo)的主觀權(quán)重；vi為第i項(xiàng)評估指標(biāo)的客觀權(quán)重。

3　基于改進(jìn)二元語義的滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估模型

3.1　二元語義原理

二元語義是西班牙Herrera[10]提出的使用二元組(sk,σk)語言表示專家評估信息的分析方法，其核心思想是將復(fù)雜的語言評估信息轉(zhuǎn)化為簡單的數(shù)字評估信息，其中，sk為預(yù)先定義的自然語言術(shù)語集S={s0，s1，…，sm}中第k個(gè)元素，m+1稱為粒度；σk稱為符號轉(zhuǎn)移值，且滿足σk∈[-0.5,0.5)，表示評估結(jié)果與sk之間的差別。二元語義能有效避免評估過程中出現(xiàn)的信息扭曲和丟失現(xiàn)象，目前該方法在多屬性決策[16]和安全評估[9,17]兩方面應(yīng)用廣泛。在應(yīng)用二元語義分析方法的過程中，若轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)換標(biāo)度選擇不當(dāng)，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)換信息提取與合成失真。以下借鑒文獻(xiàn)[18]的研究成果，應(yīng)用改進(jìn)二元語義分析方法進(jìn)行滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估。

3.2　改進(jìn)二元語義評估模型

改進(jìn)二元語義的定義及計(jì)算公式如下[17-18]：

定義1若sk∈S是1個(gè)語言短語，那么相應(yīng)的二元語義形式可通過函數(shù)θ獲得：

θ(sk)∈(sk,0)，sk∈S

(5)

(6)

即：

Δ(β)=(sk,σk)=

(7)

式中：round為四舍五入取整算子；a為等級比率參數(shù)，取a=1.4[18]。

(8)

即：

(9)

(10)

(11)

3.3　基于改進(jìn)二元語義的滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估步驟

步驟2：運(yùn)用公式(9)，將步驟1中的二元語義矩陣轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)值β。

步驟5：運(yùn)用公式(7)，將加權(quán)平均評估值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二元語義形式。

步驟6：重復(fù)上述步驟，得出滑坡誘發(fā)管道失效的評估結(jié)果，并根據(jù)3.4節(jié)中表1所示的失效可能性等級對評估結(jié)果進(jìn)行分析。

3.4　滑坡誘發(fā)管道失效可能性等級及轉(zhuǎn)移數(shù)值區(qū)間

表1　失效可能性等級及轉(zhuǎn)移數(shù)值區(qū)間Table 1　Failure probability level and transition interval

4　實(shí)例分析

根據(jù)第1節(jié)建立的滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估指標(biāo)體系，以我國西南地區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)區(qū)內(nèi)某輸氣管道為例，采用改進(jìn)二元語義評估方法，從致災(zāi)影響因素、承載敏感程度和監(jiān)測治理情況3個(gè)方面進(jìn)行實(shí)例分析。

4.1　指標(biāo)等級劃分和權(quán)重計(jì)算

由2位研究滑坡地質(zhì)災(zāi)害、2位研究油氣管道完整性及1位研究巖土的專家組成的專家組(E1，E2，E3，E4和E5)，根據(jù)所評估管段滑坡災(zāi)害及管道的實(shí)際情況，按照表1中所給的失效可能性等級對底層指標(biāo)進(jìn)行評估。因滑坡誘發(fā)管道失效指標(biāo)體系中的指標(biāo)眾多且多數(shù)難以定量，使用Super Decision軟件求主觀權(quán)重ui；客觀權(quán)重vi通過公式(1)-(3)求出，將ui和vi帶入公式(4)求組合權(quán)重wi。專家組底層指標(biāo)評估結(jié)果和權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表2。

4.2　管道失效可能性評估

根據(jù)3.3節(jié)中改進(jìn)二元語義的評估步驟，以誘發(fā)因素A2為例介紹具體評估過程：

1)將專家底層指標(biāo)評估結(jié)果轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二元語義形式。誘發(fā)因素由降雨情況、地震烈度及工程活動(dòng)情況3方面組成。由表2可知降雨情況的專家組評估結(jié)果為：H，VL，M，L，H，通過公式(5)和表1將其轉(zhuǎn)換成二元語義形式為：(s3,0)，(s0,0)，(s2,0)，(s1,0)，(s3,0)。

2)運(yùn)用公式(9)求出對應(yīng)的β值，如(s3,0)，β=Δ-1(s3,0)=1.4(3-2)-1=0.4。同理，求出降雨情況中其他專家評估結(jié)果的β值分別為：-0.96，0，-0.4和0.4。

表2　指標(biāo)評估結(jié)果及權(quán)重Table 2　Evaluation result and weight of index

注：表中括號內(nèi)的數(shù)值表示該指標(biāo)的組合權(quán)重值。

表3　二元語義評估結(jié)果Table 3　Two-tuple linguistic information of evaluation results

4.3　分析與討論

由表3的計(jì)算結(jié)果與表1的評估等級對比可知：

由致災(zāi)影響因素、承災(zāi)敏感程度、監(jiān)測治理情況和目標(biāo)層的評估等級(低等、低等、高等和中等)可知，該處滑坡導(dǎo)致管道失效的主要因素是監(jiān)測治理情況。因此，為保證管道的安全運(yùn)營應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)完善監(jiān)測治理措施。根據(jù)第1節(jié)建立的滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估指標(biāo)體系可知，監(jiān)測治理情況由監(jiān)測情況、滑坡治理措施和管道保護(hù)措施三者決定。管道地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)的策略之一是提升管道的抗災(zāi)能力，因此應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)管道保護(hù)各項(xiàng)措施；為徹底治理該處滑坡災(zāi)害并消除其對管道造成的影響，還應(yīng)完善滑坡治理措施，如對坡體進(jìn)行抗滑加固以降低坡體滑動(dòng)對管道的影響，完善截排水措施以降低雨水入滲對坡體的促滑作用，同時(shí)為及時(shí)了解管道與坡體的情況，還應(yīng)該對管道和坡體加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)來評判所采取治理措施的效果。

5　結(jié)論

1)把致災(zāi)影響因素、承災(zāi)敏感程度和監(jiān)測治理情況3方面同時(shí)納入滑坡誘發(fā)管道失效可能性評估中，既可分析致災(zāi)影響因素和承災(zāi)敏感程度對滑坡區(qū)管道失效概率的影響，又可同時(shí)評估出監(jiān)測治理措施的效果，有助于檢驗(yàn)管道運(yùn)營單位所采取防范措施的實(shí)際效果。

2)將最小偏差理論和改進(jìn)二元語義用于滑坡誘發(fā)管道失效可能性分析，既能得到更為合理的組合權(quán)重值，又能避免信息失真、扭曲和丟失等問題的出現(xiàn)，使評估結(jié)果更加符合工程實(shí)際。

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