城市燃氣管道風險評價研究綜述

＊楊斯涵許開立

（1.鞍鋼集團礦業設計研究院有限公司 遼寧 114004 2.東北大學資源與土木工程學院 遼寧 110819）

1.引言

城市燃氣管道承擔著為千家萬戶輸送生產生活用氣的重要任務，大量燃氣管道進入居民用戶、工業企業用戶和各類商鋪用戶中。我國自20世紀60年代開始鋪設燃氣管道，大多數燃氣管道服役時間過長導致燃氣管道事故多發，加之大量燃氣管道鋪設在人口密集處，其受到人為干擾破壞的因素過多，加大了燃氣管道事故發生的可能性。燃氣管道事故后果對環境和社會的影響使人們意識到燃氣管道風險評價對事故預防的重要意義，因此本文對常用于燃氣管道事故風險評價的方法進行分類歸納，并闡述各類方法在燃氣管道風險評價的研究現狀，發現研究中存在的問題并對未來的研究趨勢提出建議，為后續的燃氣管道風險研究提供參考，針對不同燃氣管道的風險分析，幫助有針對性的選擇燃氣管道風險分析方法，有效預防燃氣事故的發生。

2.燃氣管道風險評價研究

(1)傳統燃氣管道風險評價

①定性風險評價

A.故障樹。故障樹是一種倒立的樹狀圖，在梳理出事故相關風險因素的基礎上，通過邏輯門表達各因素之間的因果關系從而找到導致頂事件發生的基本原因，具有較強的邏輯性。故障樹也可以根據基本事件的發生概率預測頂事件的發生概率，定量分析事故發生的可能性，但在實際應用中，基本事件準確概率值的缺失導致該方法在用作定量分析時具有一定的局限性，因此該方法通常被用來進行定性風險分析。

B.蝴蝶結模型。該模型集故障樹與事件樹兩種模型的優點于一身，既能完整地描述事故發生原因又能清晰地表達事故發生的后果。部分學者為解決管道資料缺失的問題，將模糊理論引入該模型實現定量化分析或對蝴蝶結模型進行改進。Anjuman利用蝴蝶結模型結合集成模糊合成評價和模糊規則庫技術考慮多維度風險，通過三角模糊數獲取基本事件的模糊概率，評估天然氣管道的社會、環境和經濟后果，經過該方法計算可知在獨立關系下，“安裝不良”“施工缺陷”和“涂層失效”的基本失效事件發生概率降低20%。P.Heyrani利用Likret量表量化蝴蝶結模型中的定性數據，結果表明，第三方損害、材料的初始缺陷和對管道影響最大，有毒影響和環境破壞是突出的失效后果。

C.故障模式和影響分析法。該方法將系統分為幾個子單元，通過識別系統子單元的故障部位及其發生故障的模式來分析子單元故障對系統的影響并預估故障產生的后果，利用故障模式的風險優先值判斷風險排序以確定系統的風險程度。王睿[1]采用直覺乘法偏好信息與FMEA結合的方法評估城市燃氣輸配系統的風險，利用IMA和IMWA算子結合給定的專家權重集結確定風險因子權重和故障模式的綜合評估信息，得出故障模式風險順序。張夏[2]通過相關算子確定權重進行RPN的計算以避免專家群決策的主觀性和模糊性，得到城市燃氣輸配管網系統管道泄漏、管道破裂、閥門泄漏、過濾器失效、放散管泄漏5種故障模式的風險優先次序。

②半定量風險評價

A.專家評分法。該方法能根據管道的失效數據資料和專家經驗建立完整的燃氣管道風險評價指標體系，結合專家意見判斷管段的風險等級。由于該方法考慮的風險因素主要針對長輸油管道，因此可以改進該方法并與其他方法結合使用。吳汶昊[3]將附屬設備失效因素考慮進去，利用Kent法建立城市燃氣管網風險評價體系，結合PHAST軟件模擬的失效后果危害程度得出實際燃氣管段的相對風險值。靳書斌[4]將Kent法用于城市PE燃氣管道的風險評價，采用不考慮腐蝕風險因素改進Kent法建立適用于城市PE燃氣管道的風險評價體系。

B.層次分析法。該方法能將多目標決策問題當作復雜系統進行深入的研究，根據風險因素之間的關系和對系統的影響程度將系統劃分為若干層次，運用數學計算方法構造判斷矩陣得到各個層次風險因素的權重值，對各個層次進行優劣排序。巴振寧[5]在構建矩陣時改進AHP法，運用三標度AHP法與模糊綜合評價法相結合的方式針對燃氣管網腐蝕風險進行評價，并將該方法應用于實例。姚天野[6]利用熵權法和AHP法對管網風險評估體系的指標進行組合賦權，將主觀經驗和事故數據資料及客觀指數評價數據相結合，避免了AHP法的主觀性強和熵權法的指標權重失衡問題。

C.模糊綜合評價法。利用模糊數學理論解決實際問題和處理不被精確化的因素，在確定因素集、評分標準和模糊關系矩陣后，根據最后一級的評價信息逐步向前綜合，適用于受到多因素影響的評價對象。Jamshidi將相對風險評價與模糊推理系統結合，利用MATLAB結合專家知識提出管道模糊風險評估模型并將其應用于天然氣運輸管線的風險評估。Layth Kraidi建立CBRAM模型，使用MATLAB分析風險影響因素和風險緩解措施得到模糊概率值，認為恐怖主義、官員腐敗、不安全地區和違章行為是關鍵的風險因素。

D.灰色關聯度分析。“灰色”可理解為因素不確定和信息不完全，城市燃氣管網信息數據的缺失造成影響管道的部分風險因素具有一定的灰性，將該方法用于燃氣管網的評價能很好的解決這一問題。朱漢生[7]應用灰色關聯度分析法對第三方破壞的人為因素進行關聯度分析，根據灰色語言評估標度計算各個因素在不同時刻的關聯系數，認為居民關系的關聯度最大。郭巖寶[8]將FTA、AHP、灰色理論相結合對城鎮燃氣聚乙烯管道進行風險評價，根據管道事故故障樹確定的主要風險因素構建指標體系結合灰色理論得到管道的風險等級。

③定量風險評價

定量風險評價方法是在大量歷史數據的基礎上，根據風險因素的概率結合數學方法分析系統失效可能性，或通過建立數學模型計算系統失效的后果對人員和環境造成的傷害范圍來量化風險。Young-Do Jo引入累計死亡長度和致命長度參數，利用數據庫的風險因素故障率結合管道幾何信息和人口密度計算管道致命長度估計個人風險，利用累計長度和故障率估計社會風險。Chiara根據燃氣管網埋地管線實況，結合建模結果建立管道破裂的氣體泄漏模型，根據數據庫的風險因素故障率結合管徑和運行壓力函數分析事故后果，認為外部干擾是造成當地風險的主要原因，閃火事故對社會風險的影響最突出。

(2)動態燃氣管道風險評價

①貝葉斯網絡。貝葉斯網絡（BN）能實時更新根節點的先驗概率預測系統失效概率，也能反向診斷推理得到根節點的后驗概率實現動態因果推理分析，找到影響系統的主要風險因素。Donya將離散時間貝葉斯網絡（DTBN）技術用于輸氣管道的脆弱性評估，利用PAND概率分布和SEQ動態門考慮組件失效概率和事件時間序列的不確定性，通過函數關系量化整合管段的引力評估、漏洞評估和后果分析得到不同管段的風險。駱正山[9]構建FTA-DBN模型，以城市燃氣管道泄漏引起爆炸事故為例，分析其演化發展過程，克服傳統故障樹模型進行事件二態性分析的局限性。

②BP神經網絡（Back Propagation）。通過模擬大腦處理信息的方式和內部神經元間的信息變換實現信息正向傳播和誤差反向傳播，可以反復訓練樣本數據，在進行優化和縮小誤差的同時，自主學習樣本之間的關聯以在接收新的評價對象信息時能夠得出新的評價結果,。趙玲[10]應用BP神經網絡進行燃氣管網的脆弱性分析，選用raindx函數算法，分別訓練風險評價指標體系中“敏感性程度”和“應對能力”的數據，建立城市燃氣管網系統脆弱性評價模型，并在此基礎上確定了5個脆弱性等級標準。Hamidreza將FIS系統與人工神經網絡結合，考慮參數之間的相對重要性，利用FIS結合專家知識為風險因素賦予權重并將結果輸入人工神經網絡中，將有效訓練后的神經網絡用于評估南帕爾斯氣田相間管線的風險程度。

③系統動力學。從復雜系統內部結構之間的聯系發現系統在不同條件下的變化，在應用過程中可以根據系統動力學原理結合各個因素之間的因果關系建立模型，將系統動力學應用于燃氣管道的風險評價能夠解決管道運行過程中風險因素耦合作用的復雜問題。李雪[11]構建城市燃氣輸配系統5個模塊的安全結構模型，利用系統動力學軟件依據模型中可變和非可變因素的不同分值和參數及變量之間的函數關系實現城市燃氣輸配系統的動態運行模擬。楊凱[12]通過燃氣管道泄漏災害系統的SD模型，研究了多因素耦合作用下的災害系統動態致災機理，認為多災害模型中子系統間的耦合相比較于單災害模型中同質耦合和子系統內部耦合對系統的影響更大。

(3)新興燃氣管道風險評價

①大數據技術。通過挖掘處理管道數據并與相關算法相結合的方式實現燃氣管道的風險評價和風險預警，很好地解決了傳統風險研究方法的主觀性過強的問題，目前大數據技術與GIS技術、機器學習和相關算法的結合使用為燃氣管道的風險研究提供了新的思路。張永明[13]以GIS系統為平臺，通過近年來燃氣事故數據確定影響因素的基礎分值，利用系統的打分程序結合其內部管網數據評估管網的風險等級。陳毓飛[14]采用數據挖掘方法，選用與時間因素關系密切的施工破壞風險因子，避免傳統評價方法中風險因子采集困難的問題，結合LSTM方法訓練數據并建立燃氣管道施工破壞可能性模型。

②物元可拓模型。是一種適用于多因素復雜系統的評價方法，基于實際數據構造待評物元，通過計算待評價對象的綜合關聯度確定待評價對象的風險等級。付邦穩[15]考慮燃氣管道風險因素間的耦合程度，將熵權法和相互作用矩陣法相結合，采用方差最大化方法確定各個因素的權重值，結合物元可拓模型判斷燃氣管道失效可能性等級。

3.結論與展望

本文對傳統風險評價、動態風險評價和新興的大數據等方法在燃氣管道風險評價中的應用進行了綜述。目前大部分風險評價方法都需要燃氣管道實際數據的支持，為了克服我國燃氣管道數據資料殘缺不全的問題，借鑒不完全適用于我國燃氣管道的國外數據庫資料作為參考，易出現評價結果偏離實際的情況；其次，各地的管道狀態和鋪設環境不同導致各地的管道風險因素有差異，現有的風險評價方法和模型并不具有通用性；燃氣管道事故是多因素耦合作用的結果，不能只考慮風險因素的獨立作用。綜合以上問題，在接下來的風險研究中，要加強對燃氣管道的實時監測和數據收集，建立完整的管道信息數據庫；另外，燃氣風險評價需要著重建立能夠分析不同地區風險因素的通用燃氣管道動態風險評價模型，將時間因素、人為因素和各個地區隨時間變化的環境因素考慮進去實現多維度風險評價；建議將風險研究與GIS系統結合，推進系統內的管道數據信息與區域管線地圖的應用，實現管段風險水平的可視化表達和實時更新。未來燃氣管道的風險研究需加強耦合風險評估的相關研究，重點關注管道數據信息的收集與監測，整合數據庫與不同類型管道的風險因素，建立通用的風險分析模型。