基于AHM法的海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)定量分析

盧學(xué)飛，董鳳娟，陳小寧

1.西安石油大學(xué)，陜西西安710065

2.新疆特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆烏魯木齊830000

基于AHM法的海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)定量分析

盧學(xué)飛1，董鳳娟1，陳小寧2

1.西安石油大學(xué)，陜西西安710065

2.新疆特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆烏魯木齊830000

以某海底輸油管道為例，選取漁業(yè)作業(yè)頻繁度、海上交通流量、海水腐蝕、輸送介質(zhì)腐蝕、管道防腐保護(hù)系統(tǒng)失效、海底土壤、海水流態(tài)、地震、誤操作、未定期檢查、設(shè)計(jì)隱患和施工隱患等12個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的主要指標(biāo)，采用屬性層次分析法（AHM）確定各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，對(duì)海底輸油管道運(yùn)行中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析。計(jì)算結(jié)果表明：該數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，容易掌握，計(jì)算量少，不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)及對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整判斷，對(duì)多因素、多層次的復(fù)雜問(wèn)題評(píng)判效果較好，評(píng)價(jià)結(jié)果既體現(xiàn)科學(xué)性、又不失主觀性。該研究對(duì)海底輸油管道運(yùn)行具有一定的理論和實(shí)用價(jià)值。

海底輸油管道；AHM；權(quán)重；運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；定量評(píng)價(jià)

海底輸油管道作為一種高風(fēng)險(xiǎn)高投入的生產(chǎn)設(shè)施，造價(jià)昂貴，每千米30～100萬(wàn)美元[1]。同時(shí)，海洋環(huán)境較為復(fù)雜、惡劣，存在眾多的不確定性因素。海底輸油管道在運(yùn)行過(guò)程中，不僅受到海流和波浪的不斷沖刷，海水中的溶解氧會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生吸氧腐蝕，而且船舶的拋錨、平臺(tái)及船舶的落物會(huì)使管道發(fā)生變形失效，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致管道的疲勞失效[2]。值得注意的是，海底輸油管道所輸送的油品為有害物質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏或斷裂，會(huì)對(duì)周圍海洋環(huán)境和海生物造成嚴(yán)重危害，輕則引起管道泄漏、資源浪費(fèi)，重則引起嚴(yán)重海洋溢油事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[3-5]。海底輸油管道是否安全運(yùn)行已成為影響海洋油氣開發(fā)和生產(chǎn)的一個(gè)非常重要的安全問(wèn)題。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者采用不同的數(shù)學(xué)方法，針對(duì)油氣管道存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定性、定性-定量、定量分析與評(píng)價(jià)[6-7]，其基本原理是將影響管道安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)因素歸納為：第三方破壞、腐蝕、設(shè)計(jì)和操作等四大類風(fēng)險(xiǎn)因素，首先按照一定的規(guī)則評(píng)分，得到各影響因素的得分，再進(jìn)行加權(quán)相加得到綜合得分，以表征管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大小。鑒于此，筆者以風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合我國(guó)海底輸油管道所處的復(fù)雜環(huán)境（易遭漁業(yè)作業(yè)、潮流、地震等因素影響）以及實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)影響海底輸油管道安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行重新識(shí)別、梳理，再應(yīng)用屬性層次分析法（AHM）建立海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)定量分析模型，從而對(duì)影響海底輸油管道安全運(yùn)行的多種因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 建立海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

應(yīng)用AHM法解決工程實(shí)際問(wèn)題的關(guān)鍵就是將一個(gè)較為復(fù)雜的評(píng)價(jià)系統(tǒng)通過(guò)分析各個(gè)因素之間的相互關(guān)系，從而分解為相互支配的若干層次或子系統(tǒng)，即建立層次結(jié)構(gòu)模型，然后構(gòu)造屬性判斷矩陣[8-10]，最后確定出評(píng)價(jià)模型中各因素的相對(duì)權(quán)重。

海底輸油管道安全運(yùn)行的目標(biāo)是將海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍內(nèi)，保證海底輸油管道平穩(wěn)運(yùn)行，避免對(duì)周圍海域環(huán)境、海洋棲息動(dòng)植物產(chǎn)生不利影響。本次研究中，考慮到我國(guó)海底輸油管道所處的環(huán)境比較復(fù)雜（易遭漁業(yè)作業(yè)、潮流、地震等因素影響），選取漁業(yè)作業(yè)頻繁度、海上交通流量、海水腐蝕、輸送介質(zhì)腐蝕、管道防腐保護(hù)系統(tǒng)失效、海底土壤、海水流態(tài)、地震、誤操作、未定期檢查、設(shè)計(jì)隱患和施工隱患等12個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)綜合分析各因素之間的相互影響關(guān)系，應(yīng)用AHM法的基本思想將各個(gè)指標(biāo)按支配關(guān)系分組，形成的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 影響海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的因素層次結(jié)構(gòu)模型

2 AHM法確定指標(biāo)權(quán)重的基本步驟[8-10]

設(shè)B為一個(gè)準(zhǔn)則，c1，c2，…，cn為n個(gè)元素，對(duì)于準(zhǔn)則B，比較兩個(gè)不同元素ci和cj（i≠j），和對(duì)準(zhǔn)則B的相對(duì)重要性分別記為uij和jji。按屬性測(cè)度的要求，uij和uji（i=1，…，m；j=1，…，n）應(yīng)分別滿足：

滿足式（1）、（2）的uij稱為相對(duì)屬性測(cè)度，其組成的n階矩陣（uij）1≤i，j≤n稱為屬性判斷矩陣。（uij）1≤i，j≤n可由層次分析法的判斷矩陣（aij）1≤i，j≤n轉(zhuǎn)換得到，轉(zhuǎn)換公式如式（3）所示。

式中k為大于等于1的正整數(shù)，aij的值可由1～9的比例標(biāo)度確定。

屬性判斷矩陣（uij）1≤i，j≤n具有一致性，因此不需要計(jì)算矩陣的特征根和特征向量，也不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其中，相對(duì)權(quán)重Wi的計(jì)算公式為：

3 海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)定量分析

3.1 構(gòu)造判斷矩陣

在海底輸油管道運(yùn)行過(guò)程中，尤其是港灣附近的海域漁業(yè)作業(yè)、海上交通比較頻繁，對(duì)海底輸油管道穩(wěn)定運(yùn)行造成風(fēng)險(xiǎn)的概率最大，與其他參數(shù)相比具有極強(qiáng)的重要性；由于海水氯離子含量以及溶解氧含量很高，均會(huì)加速海底輸油管道的腐蝕，這不僅是金屬資源的浪費(fèi)，還對(duì)金屬結(jié)構(gòu)造成腐蝕破壞，使金屬管道、設(shè)備提前退役，參考專家意見，這里視其具有較強(qiáng)的重要性；經(jīng)生產(chǎn)平臺(tái)處理完的油品經(jīng)海底管道輸送上岸，海底管道的運(yùn)行操作靠遠(yuǎn)程控制，若出現(xiàn)誤操作或未定期檢查，將會(huì)使海底管道停輸，可能引起全線凝管的惡性事故，造成的損失將是不可估量的，這里視工藝因素為很重要；而設(shè)計(jì)、施工隱患造成的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)于地震、海水流態(tài)等環(huán)境因素來(lái)說(shuō)要大得多，因此顯得較為重要。

由于文章篇幅有限，這里僅對(duì)構(gòu)造準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的判斷矩陣的過(guò)程進(jìn)行分析。按此原則進(jìn)行對(duì)比分析，兩兩比較按1～9標(biāo)度法進(jìn)行重要性評(píng)價(jià)，可建立準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層、指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的AHP判別矩陣，見式（5）～（10）。

（1）準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層的AHP判斷矩陣：

（2）第三方破壞的因素的AHP判斷矩陣：

（3）腐蝕因素的AHP判斷矩陣：

（4）環(huán)境因素的AHP判斷矩陣：

（5）工藝因素的AHP判斷矩陣：

（6）設(shè)計(jì)施工因素的AHP判斷矩陣：

3.2 計(jì)算各指標(biāo)相對(duì)權(quán)重

通過(guò)式（3）把各AHP的判斷矩陣轉(zhuǎn)換成AHM的屬性判斷矩陣，見式（11）～（16）。

（1）準(zhǔn)則層的AHM屬性判斷矩陣：

（2）第三方破壞因素的AHM屬性判斷矩陣：

（3）腐蝕因素的AHM屬性判斷矩陣：

（4）環(huán)境因素的AHM屬性判斷矩陣：

（5）工藝因素的AHM屬性判斷矩陣：

（6）設(shè)計(jì)施工因素的AHM屬性判斷矩陣：

由式（4）計(jì)算出各指標(biāo)的單層相對(duì)權(quán)重，即：B1、B2、B3、B4、B5對(duì)于A的相對(duì)權(quán)重為Wa＝[0.259 6，0.285 5，0.642，0.223 2，0.167 5]T；C1、C2對(duì)于B1的相對(duì)權(quán)重為Wb1＝[0.75，0.25]T；C3、C4、C5對(duì)于B2的相對(duì)權(quán)重為Wb2＝[0.486 1，0.138 9，0.375]T；C6、C7、C8對(duì)于B3的相對(duì)權(quán)重為Wb3＝[0.527 8，0.333 3，0.138 9]T；C9、C10對(duì)于B4的相對(duì)權(quán)重為Wb4＝[0.25，0.75]T；C11、C12對(duì)于B1的相對(duì)權(quán)重為Wb5＝[0.25，0.75]T。

3.3 各指標(biāo)對(duì)總目標(biāo)的相對(duì)綜合權(quán)重和排序

由于評(píng)價(jià)系統(tǒng)由多個(gè)目標(biāo)層次構(gòu)成，因而最終的評(píng)價(jià)結(jié)果需考慮同一層次中所有因素對(duì)最高目標(biāo)的相對(duì)重要性（權(quán)值）即層次總排序，例如C1對(duì)總目標(biāo)的綜合權(quán)重Wc=0.259 6×0.75=0.194 7，各指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的總排序見表1。

表1 海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的總排序結(jié)果

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）AHM方法是AHP的改進(jìn)，但是AHM法數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，容易掌握，計(jì)算量少，不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)及對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整判斷，同時(shí)還考慮到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重差異，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀、準(zhǔn)確。

（2）應(yīng)用AHM方法確定海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)各因素的相對(duì)重要性排序?yàn)椋簼O業(yè)作業(yè)頻繁程度＞未定期檢查＞海水腐蝕＞施工隱患＞管道防腐保護(hù)系統(tǒng)失效＞海上交通流量＞誤操作＞設(shè)計(jì)隱患＞輸送介質(zhì)腐蝕＞海底土壤＞海水流態(tài)＞地震。

（3）通過(guò)對(duì)海底輸油管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)，不難發(fā)現(xiàn)漁業(yè)作業(yè)頻繁程度、未定期檢查及海水腐蝕對(duì)海底輸油管道安全平穩(wěn)運(yùn)行存在極為顯著的威脅作用，需引起管理人員的高度重視和防范，應(yīng)做好相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制，從而將海底輸油管道的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制在最低程度。

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[3]張秀林，謝麗婉，陳國(guó)明.海底輸油管道完整性管理技術(shù)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（12）：10-15.

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[6]趙建平.油氣海底輸油管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2007，26（11）：5-8.

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[8]程乾生.屬性層次模型AHM——種新的無(wú)結(jié)構(gòu)決策方法[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998，34（1）：10-14.

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Quantitative analysis on operation risks of submarine oil pipeline based on AHM method

LU Xuefei1，DONG Fengjuan1，CHEN Xiaoning2
1.Xi’an Petroleum University，Xi’an 710065，China
2.Xinjiang Institute of SpecialTest Equipment，Urumqi830000，China

Taking a certain submarine oil pipeline for example，this research chooses 12 parameters as main indexes to evaluate the operation risks of submarine oil pipeline，which are fishery operation frequency，maritime traffic，seawater corrosion，transported medium corrosion，pipeline corrosion protection system failure，seabed soil，seawater flow state，earthquake，misoperation，non-periodic inspection，hidden design and construction troubles.It applies AHM method to determine the relative weights of the indexes and carry out the quantitative analysis of submarine pipeline operation risks.The calculation results show that the mathematic model is simple and easy to grasp，and has the features of less calculation，no consistency check needed and no adjustment for the judgment matrix，better effect of evaluation for the complex problems with multi-factor and multi-hierarchy.Evaluation results reflect the scientificalness and objectivity.The study has certain theoreticaland practicalvalue to submarine oilpipeline operation.

submarine oilpipeline；AHM；weight；operation risk；quantitative evaluation

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.012

盧學(xué)飛（1980-），男，寧夏吳忠人，講師，西安石油大學(xué)在讀博士，主要從事數(shù)學(xué)物理方程、偏微分方程的數(shù)值解法研究。

2016-11-02

Email：luxuefei@xsyu.edu.cn