基于投影尋蹤-屬性區(qū)間識(shí)別的管道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)

費(fèi)紀(jì)綱 劉中河 劉和益 馬洪英 魏強(qiáng)強(qiáng) 喬曉亮 姜波 胡興喬

1河北華北石油工程建設(shè)有限公司

2北京燃?xì)饧瘓F(tuán)（天津）液化天然氣有限公司

3北京興油工程項(xiàng)目管理有限公司

4中國(guó)石油青海油田質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督中心

油氣管道工程項(xiàng)目具有投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、專業(yè)交叉復(fù)雜等特點(diǎn)，且油氣為易燃、易爆危險(xiǎn)品，管道及沿線站場(chǎng)發(fā)生泄漏爆炸的風(fēng)險(xiǎn)較大，因此需要對(duì)管道的施工質(zhì)量進(jìn)行有效控制，保證項(xiàng)目高質(zhì)、高效交付[1-2]。目前，油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)管理多集中在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高后果區(qū)，金龍等[3]將土壤腐蝕強(qiáng)度分為5個(gè)等級(jí)，采用組合賦權(quán)云模型對(duì)土壤的腐蝕等級(jí)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；郭守德等[4]對(duì)中緬油氣管道沿線存在的滑坡、泥石流、山洪、河溝道水毀等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了成因分析，并提出了防治措施；張穎等[5]針對(duì)海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)，采用Dematel和邏輯樹模型識(shí)別了泄漏風(fēng)險(xiǎn)間的復(fù)雜影響關(guān)系，并對(duì)薄弱環(huán)節(jié)提出補(bǔ)救措施；賀婭婭等[6]通過(guò)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外管道事故數(shù)據(jù)確定基本失效概率，并利用失效風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)評(píng)估老齡油氣管道是否應(yīng)進(jìn)行廢棄處理。以上研究對(duì)于油氣管道定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有重要意義，但均以腐蝕防護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害防治和超期服役管道管控等方面為主，研究周期以管道運(yùn)行期為主，涉及設(shè)計(jì)和施工階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)較少。基于此，參照全面質(zhì)量管理理論，從人員、機(jī)械設(shè)備、材料、方法、環(huán)境5個(gè)方面考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用屬性區(qū)間識(shí)別理論判定管道存在的施工風(fēng)險(xiǎn)[7]；并在收集同類型管道施工項(xiàng)目歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用投影尋蹤法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀權(quán)重[8]，保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果可為工程建設(shè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)管理提供理論決策，并對(duì)質(zhì)量管理體系的修訂提供實(shí)際參考。

1 投影尋蹤-屬性區(qū)間識(shí)別模型

1.1 單指標(biāo)屬性測(cè)度區(qū)間計(jì)算

設(shè)研究對(duì)象為X，有n個(gè)管段x1，x2，…，xn，每個(gè)管段有m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)I1，I2，…，Im，xij為管段xi的第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值（1≤i≤n，1≤j≤m）。假設(shè)F為對(duì)象X中的某類屬性空間，（C1，C2，…，Ck）為屬性空間F的有序分割集，即某管段的施工風(fēng)險(xiǎn)類別，將管道施工風(fēng)險(xiǎn)分為低、較低、中、較高、高5 個(gè)等級(jí)，且滿足C1＜C2＜C3＜C4＜C5。由于屬性集之間具有可比較性，在管道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，認(rèn)為越差越“強(qiáng)”[9-10]，因此根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造判斷矩陣Z，即

式中：amk，bmk分別為第m個(gè)指標(biāo)在屬性空間F上的第k類別的區(qū)間上下限。

此時(shí)，評(píng)價(jià)值xij在屬性上的單指標(biāo)屬性測(cè)度區(qū)間為，其中μijk均為[0，1]的值，公式為

1.2 投影尋蹤確定指標(biāo)權(quán)重

投影尋蹤是一種處理高維數(shù)據(jù)的算法，其基本原理是將高維數(shù)據(jù)通過(guò)某種組合投影到低維空間中，在低維空間中尋找評(píng)價(jià)指標(biāo)間的特征關(guān)系。該方法可將多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為單一綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的形式，克服了人為主觀因素對(duì)權(quán)重的影響[11]。但該算法對(duì)于最佳投影方向的尋優(yōu)較為困難，在此將粒子群算法和投影尋蹤法相結(jié)合，優(yōu)化多維投影方向的計(jì)算過(guò)程，得到全局最優(yōu)解。計(jì)算步驟如下：

（1）數(shù)據(jù)歸一化處理。將各樣本中不同的評(píng)價(jià)值xij進(jìn)行歸一化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)xij*。

（2）構(gòu)造投影函數(shù)。根據(jù)投影尋蹤算法，將xij*沿w方向投影得到一維投影值z(mì)i，即

在構(gòu)造投影函數(shù)時(shí)，要求投影值z(mì)i應(yīng)盡量提取原評(píng)價(jià)值xij*中的信息，目標(biāo)函數(shù)f(w) 為

式中：Sz為投影值z(mì)i的標(biāo)準(zhǔn)差；Dz為投影值z(mì)i的局部密度。

（3）優(yōu)化投影方向。當(dāng)樣本數(shù)據(jù)確定后，其結(jié)構(gòu)特征只與f(w)有關(guān)，最佳投影方向反映了高維數(shù)據(jù)的聚類特征，通過(guò)求解f(w)的最大值來(lái)估計(jì)最佳投影方向w*，公式為

（4）采用粒子群優(yōu)化權(quán)重。設(shè)置粒子群算法的初始參數(shù)（包括粒子個(gè)數(shù)、維度、學(xué)習(xí)因子、加速因子、慣性權(quán)重、最大迭代次數(shù)等），根據(jù)公式（5）計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)值，隨機(jī)生成權(quán)重，并將適應(yīng)度值與自身位置和群體位置進(jìn)行對(duì)比。按照位置更新公式進(jìn)行位置更新，當(dāng)計(jì)算結(jié)果滿足迭代次數(shù)或終止條件時(shí)，算法停止并輸出最優(yōu)粒子位置，即最優(yōu)投影方向w*。

1.3 綜合屬性測(cè)度計(jì)算

將單屬性測(cè)度區(qū)間進(jìn)行均值化處理得到單指標(biāo)屬性測(cè)度μijp，即

根據(jù)指標(biāo)權(quán)重（w1，w2，…，wm）可計(jì)算綜合屬性測(cè)度μip，其中μip為[0，1]的值，即

當(dāng)評(píng)價(jià)指標(biāo)間的邏輯關(guān)系為“或”時(shí)，通過(guò)公式（8）進(jìn)行加權(quán)求和即可；當(dāng)邏輯關(guān)系為“與”時(shí)，采用乘積后進(jìn)行歸一化處理，公式為

1.4 屬性識(shí)別

利用置信度準(zhǔn)則對(duì)施工質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行識(shí)別，λ為置信度，判斷準(zhǔn)則為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果判定管段xi屬于Cpi類。

2 工程應(yīng)用

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及權(quán)重計(jì)算

根據(jù)GB 50369—2014《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、Q/SY 06349—2019《油氣輸送管道線路工程施工技術(shù)規(guī)范》、Q/SY 08124.7《石油企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全檢查規(guī)范第7部分：管道施工作業(yè)》等相關(guān)要求，參考油氣管道施工項(xiàng)目管理體系和常見的風(fēng)險(xiǎn)類別，從人員、機(jī)械設(shè)備、材料、方法、環(huán)境5個(gè)因素考慮權(quán)重。其中：人員因素指促使施工損傷導(dǎo)致管道風(fēng)險(xiǎn)增加的人的不安全行為，與人的質(zhì)量意識(shí)、管理水平和技能水平等相關(guān)，體現(xiàn)在人的主觀能動(dòng)性上；機(jī)械設(shè)備因素指施工過(guò)程使用的機(jī)械設(shè)備應(yīng)合理選型，不存在“帶病作業(yè)”及設(shè)備降效現(xiàn)象；材料因素指工程材料應(yīng)滿足用量計(jì)劃要求，存儲(chǔ)數(shù)量應(yīng)滿足連續(xù)作業(yè)要求；方法因素是指施工工藝和管理辦法滿足規(guī)范的相關(guān)要求，施工組織設(shè)計(jì)和專項(xiàng)施工設(shè)計(jì)齊全，并經(jīng)過(guò)專家論證；環(huán)境因素是指自然環(huán)境，如地形、地勢(shì)、地貌、巖石構(gòu)成、土質(zhì)類型等對(duì)施工質(zhì)量的影響，及雨、雪、大風(fēng)天氣對(duì)施工質(zhì)量的影響。評(píng)價(jià)指標(biāo)由13 個(gè)因素組成，見表1。

以西氣東輸四線（吐魯番—中衛(wèi)段）、中緬油氣管道（國(guó)內(nèi)段）、中俄東線天然氣管道（黑河—長(zhǎng)嶺）段的部分管道分部分項(xiàng)工程為例，收集分部分項(xiàng)工程驗(yàn)收時(shí)的質(zhì)量評(píng)價(jià)記錄277 份，按照表1的指標(biāo)體系進(jìn)行分類，共得到造成施工質(zhì)量下降的338個(gè)不安全因素。其中，中緬油氣管道在進(jìn)入云南境內(nèi)后自東向西穿越橫斷山脈、紅色高原和巖溶高原三大地貌，滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，故因自然環(huán)境造成的施工質(zhì)量下降不可避免。同時(shí)，中緬瀾滄江跨越工程采用無(wú)抗風(fēng)索系剛性橋面，其建設(shè)難度較大，故因施工工藝造成的不安全因素較多；中俄東線沿線地區(qū)緯度相對(duì)較高，以高寒凍土區(qū)為主，自然環(huán)境以平原為主，部分管段經(jīng)丘陵地段，故因施工氣候環(huán)境造成的施工質(zhì)量下降尤其明顯。綜上所述，表1統(tǒng)計(jì)不安全因素與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符，采用粒子群-投影尋蹤法確定指標(biāo)權(quán)重，其中粒子個(gè)數(shù)取20，維度取5，學(xué)習(xí)因子為1.5，加速因子為1.2，慣性權(quán)重從0.8 線性遞減到0.4，最大迭代次數(shù)取200，得到最優(yōu)的投影方向即指標(biāo)權(quán)重（圖1）。其中，權(quán)重大于0.1的三項(xiàng)分別為人員誤操作、施工工藝和施工管理辦法，其權(quán)重遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)，說(shuō)明這三項(xiàng)對(duì)油氣管道施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的影響程度較大，業(yè)主方和施工單位應(yīng)引起足夠的重視。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果Fig.1 Weight results of evaluation indexes

表1 油氣管道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Oil and gas pipeline construction risk evaluation index system

2.2 判斷矩陣構(gòu)造和管段評(píng)分結(jié)果

選取某輸氣管道施工項(xiàng)目，管道長(zhǎng)度為120 km，根據(jù)沿線樁號(hào)分布，將其劃分為5 個(gè)管段進(jìn)行評(píng)價(jià)。邀請(qǐng)一線施工人員及行業(yè)技術(shù)專家以問卷調(diào)查方式采集數(shù)據(jù)信息，打分采用百分制。基于均勻劃分分?jǐn)?shù)原則確定判斷矩陣，將分值（80，100]定為C1（低），將分值（60，80]定為C2（較低），將分值（40，60]定為C3（中），將分值（20，40]定為C4（較高），將分值（0，20]定為C5（高）。通過(guò)平均各專家的打分獲得5個(gè)管段的評(píng)分結(jié)果（表2）。

表2 管段評(píng)分結(jié)果Tab.2 Scoring results of pipe segment

2.3 屬性測(cè)度計(jì)算和屬性識(shí)別

以管段1為例，根據(jù)上述公式計(jì)算單指標(biāo)屬性測(cè)度（表3）。同理得到其余管段的單指標(biāo)屬性測(cè)度，將I1～I(xiàn)13之間的邏輯關(guān)系定為“或”，采用公式（8）計(jì)算綜合屬性測(cè)度，將B1～I(xiàn)13之間的邏輯關(guān)系定為“或”，采用公式（8）計(jì)算綜合屬性測(cè)度（表4）。

表3 管段1的單指標(biāo)屬性測(cè)度值Tab.3 Single index attribute measure value of Pipe Segment 1

表4 各管段的綜合屬性測(cè)度值Tab.4 Comprehensive attribute measure values of each pipe segment

利用公式（10）進(jìn)行屬性識(shí)別，置信度越靠近0.6，評(píng)價(jià)結(jié)果越激進(jìn)，置信度越靠近0.7，評(píng)價(jià)結(jié)果越保守，在此取置信度為0.65 進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。不同的p值對(duì)應(yīng)不同的評(píng)價(jià)等級(jí)見表5。

表5 各管段的施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Construction risk evaluation results of each pipe segment

2.4 結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證投影尋蹤-屬性區(qū)間識(shí)別在管道施工質(zhì)量評(píng)價(jià)中的準(zhǔn)確性，將其與模糊綜合評(píng)價(jià)法、集對(duì)分析法和突變理論法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表6。其中，投影尋蹤-屬性區(qū)間識(shí)別模型與其他評(píng)價(jià)方法的結(jié)果基本一致。針對(duì)管段1，投影尋蹤-屬性區(qū)間識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為“較高”，而模糊綜合評(píng)價(jià)法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為“中”。原因是：對(duì)于模糊評(píng)價(jià)法，當(dāng)指標(biāo)因素集較大時(shí)，相對(duì)隸屬度的權(quán)系數(shù)往往較小，易出現(xiàn)超模糊的現(xiàn)象，無(wú)法區(qū)分哪個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度更高，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)偏差。針對(duì)管段5，投影尋蹤-屬性區(qū)間識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為“較低”，而突變理論法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果為“低”。原因是：對(duì)于突變理論法，在進(jìn)行多種突變函數(shù)計(jì)算時(shí)，未考慮多層指標(biāo)間的邏輯關(guān)系，且控制變量較多時(shí)，突變函數(shù)的表達(dá)式過(guò)于復(fù)雜，評(píng)價(jià)結(jié)果易出現(xiàn)偏差。

表6 不同評(píng)價(jià)方法結(jié)果對(duì)比Tab.6 Comparison of results of different evaluation methods

3 結(jié)論

（1）針對(duì)油氣管道施工過(guò)程特點(diǎn)，參考油氣管道施工項(xiàng)目管理體系和常見的風(fēng)險(xiǎn)類別，從人員、機(jī)械設(shè)備、材料、方法、環(huán)境5個(gè)方面構(gòu)建施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

（2）在收集同類型管道施工項(xiàng)目歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用粒子群算法優(yōu)化投影尋蹤模型對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，其中人員誤操作、施工工藝和施工管理辦法的權(quán)重較大，應(yīng)引起足夠重視。

（3）應(yīng)用置信度準(zhǔn)則對(duì)管道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并從邏輯關(guān)系角度將多層次指標(biāo)進(jìn)行“或”和“與”運(yùn)算，評(píng)價(jià)結(jié)果可有效識(shí)別施工風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而采取針對(duì)性措施。