基于模糊層次分析法的熱網(wǎng)泄漏風(fēng)險評估

黃 濤， 楊 迪， 崔旭陽， 雷萬寧，白 超， 高 琳， 楊俊紅

(1.西安瑞行城市熱力發(fā)展集團(tuán)有限公司， 陜西 西安 710021； 2.中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實驗室(天津大學(xué))， 天津 300350 )

1 概述

目前，針對熱網(wǎng)泄漏檢測與定位已有較多研究[1-4]，但對熱網(wǎng)泄漏風(fēng)險評價的研究較少。熱網(wǎng)泄漏風(fēng)險評價涉及諸多因素，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5-8]、專家評估意見、歷史數(shù)據(jù)資料等，熱網(wǎng)泄漏風(fēng)險因素有管道屬性、管道穿孔、管道斷裂、設(shè)備故障4類，這些風(fēng)險因素的量化一般是以有關(guān)專家的主觀估計為依據(jù)。

模糊層次分析法(FAHP)能夠?qū)⒃u價者對復(fù)雜系統(tǒng)的定性分析進(jìn)行定量化處理[9]，廣泛應(yīng)用于解決風(fēng)險因素量化問題中[10-12]，如燃?xì)夤艿朗鹿曙L(fēng)險評價[13]、油氣管道破壞風(fēng)險評價[14]等。本文采用模糊層次分析法對熱網(wǎng)泄漏風(fēng)險進(jìn)行評估，以某熱網(wǎng)作為研究對象，選取熱網(wǎng)中的某個管段對風(fēng)險等級的確定進(jìn)行計算分析。

2 泄漏風(fēng)險評估模型

2.1 層次結(jié)構(gòu)模型

應(yīng)用模糊層次分析法分析問題時，首先要把問題條理化、層次化，構(gòu)造出一個包括目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層的層次結(jié)構(gòu)模型。

a.目標(biāo)層：評價目標(biāo)為熱網(wǎng)泄漏風(fēng)險。

b.準(zhǔn)則層：風(fēng)險因素為管道屬性、管道穿孔、管道斷裂、設(shè)備故障。

c.指標(biāo)層：管道屬性指標(biāo)包括管道管厚比、運(yùn)行壓力、管段服役時間等。管道穿孔指標(biāo)包括供熱介質(zhì)腐蝕性、外護(hù)結(jié)構(gòu)情況、保溫層情況、井室情況、埋設(shè)環(huán)境腐蝕性、土壤移動可能性等。管道斷裂指標(biāo)包括敷設(shè)方式、管頂埋深、第三方破壞等。設(shè)備故障指標(biāo)包括閥門與管件類型、閥門與管件泄漏風(fēng)險、施工單位資質(zhì)、施工監(jiān)理等。指標(biāo)層各項指標(biāo)的評分規(guī)則參照文獻(xiàn)[7]。

2.2 風(fēng)險等級

將泄漏風(fēng)險等級劃分為Ⅰ～Ⅴ級[15]，即風(fēng)險等級集P={p1，p2，p3，p4，p5}。各等級含義如下：

Ⅰ級：低風(fēng)險級。風(fēng)險水平低，在規(guī)定的檢修期和設(shè)計條件下可以安全使用。

Ⅱ級：較低風(fēng)險級。風(fēng)險水平較低，在規(guī)定的檢修期和設(shè)計條件下可以安全使用。

Ⅲ級：中等風(fēng)險級。風(fēng)險水平中等，在規(guī)定檢修期和使用條件下可以監(jiān)控使用。

Ⅳ級：較高風(fēng)險級。風(fēng)險水平較高，建議立即消除隱患，如確實需要使用，需重點(diǎn)監(jiān)控。

Ⅴ級：高風(fēng)險級。風(fēng)險水平高，應(yīng)立即采取措施消除隱患。

2.3 風(fēng)險因素的重要性排序

通過專家評分對各風(fēng)險因素的相對重要性進(jìn)行分析，構(gòu)造模糊判斷矩陣，經(jīng)進(jìn)一步處理后得到各風(fēng)險因素的權(quán)重。根據(jù)各風(fēng)險因素權(quán)重對風(fēng)險因素的重要性進(jìn)行排序，權(quán)重越大說明重要性越高，越小說明重要性越低。

用兩兩比較方法將各風(fēng)險因素的重要性定量化，每次取兩個風(fēng)險因素xi、xj，用aij表示xi與xj的重要性之比。本文用0.1～0.9標(biāo)度法[9]進(jìn)行aij的標(biāo)度(見表1)。

表1 0.1～0.9標(biāo)度法及意義

風(fēng)險因素兩兩比較重要程度的模糊判斷矩陣A為：

式中A——風(fēng)險因素兩兩比較重要程度的模糊判斷矩陣

由于在實際決策分析中人們認(rèn)識上可能產(chǎn)生的片面性，構(gòu)造出的模糊判斷矩陣往往不具有一致性[10]。因此，將模糊判斷矩陣A進(jìn)行變換,得到模糊一致性矩陣Rn×n，元素rik的計算式為：

式中rik——模糊一致性矩陣R的元素

Ai——模糊判斷矩陣A第i行的元素和

Ak——模糊判斷矩陣A第k行的元素和

n——矩陣的行(列)數(shù)，即風(fēng)險因素數(shù)量

模糊一致性矩陣R的表達(dá)式為：

第i個風(fēng)險因素的權(quán)重ωi的計算式為[16]：

(1)

式中ωi——第i個風(fēng)險因素的權(quán)重

rik——模糊一致性矩陣R第i行第k個元素

W——中間變量

2.4 待評價管段風(fēng)險等級的確定[15]

在對各風(fēng)險等級進(jìn)行分值區(qū)間設(shè)定以及對待評價管段各風(fēng)險因素進(jìn)行評分的基礎(chǔ)上，對待評價管段的風(fēng)險等級進(jìn)行確定。

① 風(fēng)險因素與風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值

當(dāng)風(fēng)險因素xi的評分si屬于第f(f=1～5，對應(yīng)風(fēng)險等級Ⅰ～Ⅴ)個風(fēng)險等級分值區(qū)間sf時，風(fēng)險因素與泄漏風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值Kf(si)的計算式為：

(2)

sf=mf-nf

式中Kf(si)——風(fēng)險因素xi與第f個泄漏風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值

ρ(si,sf)——第i個風(fēng)險因素的分值si與第f個風(fēng)險等級分值區(qū)間的距

sf——第f個風(fēng)險等級的分值區(qū)間

mf、nf——第f個風(fēng)險等級分值區(qū)間的上、下限

當(dāng)si?sf時：

若ρ(si,s)≠ρ(si,sf)，則Kf(si)的計算式為：

(3)

s=m-n

式中ρ(si,s)——第i個風(fēng)險因素xi的分值si與風(fēng)險等級總分值區(qū)間的距

s——風(fēng)險等級總分值區(qū)間

m、n——風(fēng)險等級總分值區(qū)間的上、下限

式(3)中ρ(si,sf)的計算方法與式(2)中一致。若采用百分制，則m為100，n為0，s為100。

若ρ(si,s)=ρ(si,sf)，則Kf(si)的計算式為：

Kf(si)=-ρ(si,sf)-1

(4)

② 待評價管段與風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值

待評價管段第f個風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值Mf的計算式為：

(5)

式中Mf——待評價管段第f個風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值

③ 待評價管段的風(fēng)險等級

根據(jù)最大隸屬度原則[12]，對應(yīng)Mf最大時的風(fēng)險等級為評價結(jié)果，所對應(yīng)的風(fēng)險等級即為待評價管段的風(fēng)險等級。

3 案例分析

3.1 風(fēng)險因素的重要性排序

熱網(wǎng)風(fēng)險因素為管道屬性x1、管道穿孔x2、管道斷裂x3、設(shè)備故障x4。根據(jù)專家與相關(guān)技術(shù)人員意見，確定各風(fēng)險因素相對重要性，按0.1～0.9標(biāo)度法列出模糊判斷矩陣A：

進(jìn)一步計算得到模糊一致性矩陣R：

由式(1)計算得到風(fēng)險因素x1～x4的權(quán)重分別為0.267，0.232，0.207，0.294，由此確定風(fēng)險因素的重要性排序為：設(shè)備故障、管道屬性、管道穿孔、管道斷裂。

3.2 待評價管段的風(fēng)險等級

設(shè)定的風(fēng)險等級分值區(qū)間見表2。待評價管段的管道規(guī)格D630×8，材質(zhì)Q235B，設(shè)計供水溫度為130 ℃，設(shè)計壓力為1.6 MPa，供暖期運(yùn)行壓力1.33 MPa，服役時間為5 a。敷設(shè)方式為有補(bǔ)償直埋敷設(shè)，管頂埋深3 m，周圍無經(jīng)常性的建設(shè)施工。安裝2個三偏心金屬硬密封蝶閥、2個跨越三通、3個90°彎頭、6個波紋管補(bǔ)償器。施工單位具有供熱管道施工資質(zhì)，施工過程有監(jiān)理單位進(jìn)行工程質(zhì)量監(jiān)督。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的評分方法，采取專家評分，得到的待評價管段風(fēng)險因素x1～x4的評分分別為15、78、32、88，分值越高，表示風(fēng)險因素的級別越高。根據(jù)式(2)～(4)計算得到待評價管段各風(fēng)險因素與風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值(見表3)。

表2 設(shè)定的風(fēng)險等級分值區(qū)間

表3 待評價管段各風(fēng)險因素與風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值

根據(jù)表3數(shù)據(jù)及各風(fēng)險因素的權(quán)重，由式(5)可計算得到待評價管段各風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值(見表4)。根據(jù)最大隸屬度原則，關(guān)聯(lián)函數(shù)值最大的風(fēng)險等級即為待評價管段的風(fēng)險等級。由表4可知，待評價管段的風(fēng)險等級為V級。由近年來該熱網(wǎng)的泄漏事故數(shù)據(jù)可知，該管段多次出現(xiàn)泄漏，泄漏位置大多出現(xiàn)在閥門、波紋管補(bǔ)償器，實際結(jié)果與評價結(jié)果相符合，這說明采用模糊層次分析法對熱網(wǎng)泄漏風(fēng)險進(jìn)行評估有效。風(fēng)險因素評分環(huán)節(jié)對評價結(jié)果影響重大，在實際應(yīng)用中應(yīng)緊密結(jié)合工程現(xiàn)場實際與專家意見。

表4 待評價管段各風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值

4 結(jié)論

案例分析中，實際結(jié)果與評估結(jié)果相符合，說明采用模糊層次分析法對熱網(wǎng)泄漏風(fēng)險進(jìn)行評估有效。風(fēng)險因素評分環(huán)節(jié)對評估結(jié)果影響重大，在實際應(yīng)用中應(yīng)緊密結(jié)合工程現(xiàn)場實際與專家意見。