基于FUZZY-AHP的危化品管道運輸安全等級綜合評判模型與應用

曹 建 施式亮,2教授 陳曉勇 李 巖 曹華娟

（1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201）

0 引言

隨著國民經濟的不斷提升，危化品的運輸需求日益增加，而管道運輸業成為繼鐵路、公路、水路和航空業的第五大運輸行業[1]，危險化學品依托管道運輸已成為化工行業的較優選擇，而管道壽命一般設定為30年且危化品自身具有腐蝕、毒性等特殊性質，加之國家頒布的相關標準規范沒有被危化品企業重視與落實，使得危化品管道運輸安全事故頻發[2]。如2017年貴州省黔西南州某天然氣輸氣管道由于泄漏而引發的二次事故，導致8人死亡、35人受傷[3]；2013年山東某地由于未正確處理天然氣管道泄漏而引發特大事故，導致160多人死傷和高達8億元的經濟損失[4]；2013年中石化某分公司由于輸油管道突發裂隙造成泄漏和爆燃事故而造成198人傷亡與7.5億元直接經濟損失[5]。綜合以上事故可知，危化品管道運輸問題，嚴重威脅到了人民財產、生命安全和社會秩序。由此，對其進行安全風險評估，對預防危化品管道運輸安全事故發生，使其風險得到有效控制與降低具有現實意義和實際價值[6]。

在危化品管道運輸作業中，對危化品事故的預防與控制是目前亟待解決的問題，而運用安全評價思想對其管道運輸環節進行評價是解決此問題的重要手段之一。國內外許多學者也對此進行了研究，巴西學者Sérgio Barros da Cunha收集并分析了美國、加拿大、歐洲和巴西4個國家的管道失效數據，并采用了3種不同的方法對陸上管道運輸風險進行了定量分析[7]；馮云飛[8]利用了層次分析法和灰色理論對油氣輸送管道進行了風險評價；翁幫華[9]等引入計算流體力學的方法對復雜地形中天然氣泄漏擴散進行了模擬，以此開展風險評價；許謹[10]運用熵權法對肯特法改進后進行長輸管道的風險評估；單克[11]等運用基于修正因子的失效模型對油氣管道進行定量風險評估；王天瑜[12]提出了基于風險的天然氣管道安全距離計算方法。這些學者所做的研究促進了危化品管道運輸風險評價的發展，然而，危化品管道運輸的評價難點在于評價指標體系中的因素具有不確定性，如何將這些不確定的信息納入研究范圍并對其進行量化是值得長時間探索的一個問題。本文借鑒層次分析法和模糊數學綜合評價法的理論與思想，將不確定因素指標運用模糊量化的方法計算出權數，其次，與模糊數學綜合評價法（FUZZY）有機結合，以此彌補層次分析法（AHP）中定量數據較少、定性成分多的不足，最終建立基于FUZZY-AHP的危化品管道運輸安全等級綜合評價模型，為危化品企業在進行管道運輸風險管理中提供科學、可靠的戰略決策依據。

1 危化品管道運輸安全等級綜合評價模型

1.1 危化品管道運輸安全等級評價指標體系

危化品管道運輸事故是在多因素耦合下發生的，為了建立完善的評價體系，結合系統工程學的觀點，從造成事故的人員、物質、管理和環境4個誘發因素出發，建立了以第三方破壞、管道腐蝕、管道設計、人員誤操作和自然災害為準則層的危化品管道運輸安全綜合指標評價體系，如圖1。

圖1 危化品管道運輸安全等級綜合評價指標體系Fig.1 Comprehensive evaluation index system for safety grade of pipeline transportation of hazardous chemicals

1.2 構建判斷矩陣

上述從系統工程學的觀點而建立的指標體系，通過客觀信息和現實情況，采用1-9的標度對每一層次的有關因素間的相對重要程度進行兩兩比較，其具體方法如下：

公式（1）中q11=1，qji=1/qij。

通過公式（1），得到評價體系中評價指標準則層判斷矩陣如下：

1.3 評價因素權重

本文選擇使用層次分析法確定危化品管道運輸安全等級綜合評價指標體系中各因素的權重，并且采用特征根法進行權重計算，其公式如下：

式中：

Q—判斷矩陣；

W—特征向量（權重值）；

λmax—Q的最大特征值。

通過式（2）得到其特征向量W=(0.327, 0.327,0.180, 0.106, 0.060)T，λmax=5.015。

1.4 一致性檢驗

通過計算判斷矩陣的一致性比率，檢驗判斷矩陣的構建是否合理，計算公式如下：

式中：

CI—一致性指標；

CR—一致性比率；

RI—隨機一致性指標。其RI取值，見表1。

表1 RI隨機一致性指標Tab.1 Random consistency indicator RI

通過式（3）得到其一致性比率CR=0.00335＜0.1，即表明上述構建的判斷矩陣無邏輯混亂。并按表1所述，同理可得評判指標層各項系數，見表2。

通過對指標體系特征向量的計算，評價體系中各因素對危化品管道運輸安全狀況的影響是不均等的，以管道的外腐蝕、活動頻繁度、管壁實際厚度為主要影響因素，其他評價指標起到次要作用。因此，在管道的實際運輸過程中，針對主要影響因素加大管理和改善力度，可提升管道運輸安全水平。

1.5 危化品管道運輸模糊綜合評價

的危險因素數量較多且分布面廣，為彌補層次分析法中定性比例高于定量比例的不足，采用保證模糊關系矩陣一致性的模糊語言構建評價集合，即著眼于總目標的準則層評價集V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}分別表示由低到高的逐級模糊評價語言，其4個等級分別對應著很安全、較安全、較不安全和很不安全，以此為依據，利用專家打分法，對每一層級指標按照類別進行評價，得到各類別所對應的模糊關系矩陣Ri。通過層次分析法所獲得的各層級特征向量Wi，與對應的模糊關系矩陣Ri相結合，首先運用模糊變換計算得出評判指標層綜合評價集Bi=Wi·Ri，其中i=1,2,3,4；再運用模糊變換求出總目標等級模糊集S=W·B，根據最大隸屬度原則或加權平均原則對等級模糊集對應的評價語進行判定，并由此展開分析得出結論。

通過上述分析和計算可知，危化品輸送管線

表2 評判指標層各項系數計算結果Tab.2 Calculation results of various factors in the evaluation index layer

2 工程實例應用

2.1 工程實例概況

本文所研究的工程實例為湖南省某危化品經營公司，對其采用管道輸送的經營項目進行安全等級評估。該公司管道運輸經營項目所采用的管材其外徑為377mm，管壁厚度為6.4mm和8mm，設計最高壓力為6.4MPa，運輸量為200～300億m3/年，采用直埋和穿套的埋設方式且埋深為1.8m。

2.2 建立模糊綜合評價矩陣

通過本文上述建立的危化品管道運輸安全評價指標體系，邀請5位專家依據V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}所對應的很安全、較安全、較不安全和很不安全對評價指標層各因素進行投票及打分，對危化品管道運輸安全等級進行綜合評價，經整理得出模糊關系矩陣如下：

由層次分析法得出表2中的評價指標層各因素權重集，結合模糊變換公式Bi=Wi·Ri得到準則層綜合評價向量Bi及其矩陣B為：

2.3 評價結果

通過層次分析法確定的準則層特征向量W=（0.327，0.327，0.180，0.106，0.060），由模糊變換S=W·B得到總目標即危化品管道運輸安全等級綜合評價向量S=（0.190，0.450，0.231，0.129），與評價集V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}相映射且由最大隸屬度原則可知，該公司管道輸送經營項目安全等級為II，為較安全一類。

2.4 數據對比與結果分析

通過分析研究湖南省某危化品經營公司某段管道發生的泄露事故，其2005～2015年事故發生原因，如圖2。與模型應用的結果對比分析后表明，危化品管道運輸安全等級綜合評價模型較好的反映了該段管道的實際情況，該段管道屬于較安全一類。因而，由特征向量W能夠發現，第三方破壞、管道腐蝕對危化品管道運輸安全狀況所占權重最大，管道設計因素次之，人員誤操作和自然災害影響所占權重最小。對于正處于運營狀態的管道而言，新替舊不僅耗費人力物力，還可能達不到預期效果，而對評價指標層的各特征向量分析結果表明，從減少管道及其附屬設施安全保護范圍內的人員活動頻繁度，合理運用《中華人民共和國石油天然氣管道保護法》[13]進行管道沿線居民的宣傳教育工作；埋地管道可通過研究新的外涂層材料使其更好的與周圍環境隔絕，提升其金屬腐蝕電池的回路電阻；管壁實際厚度與設計應嚴格按照管道設計規定執行，選線時應避讓易發生滑坡與泥石流的地質災害體，并且按照“三同時”原則，使管道零隱患進行投產運營，并且嚴格要求操作人員按照操作規程進行作業，減少人為失誤等幾方面著手進行改進，有極大的提升和創新空間。

圖2 湖南省某危化品經營公司管道歷史泄漏數據圖Fig.2 Historical leakage status of a dangerous chemical products management company in Hunan Province

3 結論

為提升危化品管道運輸安全狀況，針對危化品的特殊性質、種類繁雜以及管道運輸的量大、線長等特點，筆者從第三方破壞、管道腐蝕、管道設計、人員誤操作和自然災害5個方面構建科學、合理的評價指標體系模型，通過工程實例對模型進行檢驗并得到下述結論：

（1）本文從系統的觀點出發，構建了基于模糊綜合評價和層次分析法相結合的危化品管道運輸安全等級綜合評價模型，并且求解得出了第三方破壞、管道腐蝕對危化品管道運輸安全狀況影響程度最大，管道設計影響程度次之，人員誤操作和自然災害影響程度最小。為危化品管道運輸企業采取針對性的安全管理措施、安全決策和安全投入起到了一定的參考作用。

（2）本文將構建的模型應用于湖南某危化品經營公司并進行了計算、數據處理和分析，印證了FUZZY-AHP綜合評價法的實用性、有效性和優越性，并且數據分析的結果切實為該企業提供了安全狀況改善方向。