基于AHP的城市燃氣門站管道風險模糊綜合評價方法

丁戰武 張曉婕 徐 勇 黨鵬飛 夏可茹

（1.沈陽特種設備檢測研究院 沈陽 110035）

（2.沈陽化工大學 機械與動力工程學院 沈陽 110142）

城市燃氣輸配系統是由門站、儲氣設施、調壓設施等組成的工程系統。城市燃氣門站作為燃氣輸配系統的氣源點，其輸送的物質具有易爆性、易燃性、易擴散性等危險特性[1]。如若引發安全事故，不僅影響用戶用氣，還會帶來經濟損失以及危害人民生命健康。因此，有必要對城市燃氣門站管道進行有效的風險評估。

國內外學者在燃氣管道風險評估方面進行了不少研究。楊振宏等人[2]在城市燃氣管道評判體系研究中引入了層次分析法和模糊綜合評價法。金菊良等人[3]運用模糊評價矩陣直接確定判斷矩陣以改進層次分析法，并用于水資源系統工程評價中。趙建平[4]利用故障樹方法結合模糊綜合評價法分析城市埋地燃氣管道第三方破壞。萬蓓蕾[5]對上海城市社區風險評估指標體系進行評價，并運用層次分析法與模糊綜合評價法相結合對其致災因子進行識別，綜合脆弱性評估與致災因子識別獲得綜合風險度評價。Chen等人[6]提出了一種基于層次分析法及模糊綜合評判相結合的風險評估方法，對腐蝕套管進行風險評估。Li等人[7]利用改進的基于模糊集核心和熵權的多層次模糊綜合評價算法評價網絡安全性能。

目前，現有研究主要關注的是長輸埋地管道，對城市燃氣門站管道研究成果較少。本文通過專家訪談研討確定管道失效可能性風險評價體系，結合層次分析法（AHP）計算權重，同時構建模糊綜合評價模型，并以沈陽市燃氣門站管道為研究對象，實現對城市燃氣門站管道風險的量化評估。

1 建立評價體系

根據GB/T 27512—2011《埋地鋼質管道風險評估方法》[8]以及專家經驗，本文分別從管道破損失效、管道腐蝕失效、配套設施失效和安全管理及人為因素4個方面構建城市燃氣門站管道失效可能性風險評價體系如圖1所示。城市燃氣門站管道失效后果風險評價體系如圖2所示。

圖1 管道失效可能性風險評價體系

圖2 管道失效后果風險評價體系

2 層次分析法原理

2.1 建立層次結構模型

將城市燃氣門站管道失效風險評價因素按照它們之間的相互關系分為最高層、中間層和最底層，繪出城市燃氣門站管道失效風險評價體系圖。

2.2 構造判斷矩陣

1）邀請m位專家對風險因素進行分析。每位專家因經歷和經驗不同，權重屬性不同，需要對各專家分配不同的權重值。每位專家的權重得分Vi是權重屬性的總和，專家權重系數計算式見式（1）。

式中：

Wi——第i名專家的權重系數；

Vi——第i名專家的權重得分。

2）邀請m位專家，根據表1通過兩兩比較管道風險因素的重要程度，構造階判斷矩陣A。

表1 比例標度表

2.3 一致性檢驗

一致性檢驗公式見式（2）、式（3）。

式中：

λmax——判斷矩陣的最大特征值；

N——判斷矩陣的階數；

CI——一致性指標；

CR——檢驗系數；

RI——隨機一致性指標。

當CR≤0.10時，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗。

計算城市燃氣門站管道風險因素的綜合權重見式（4）。

式中：

Zj——風險因素的權重；

Wij——單個專家對因素評價的權重。

3 建立模糊綜合評價模型

3.1 確定因素集

風險評價因素集見式（5）。

式中：

Uj——評價因素。

3.2 確定評價集

根據所要評價因素的性質，管道失效可能性風險評價集見式（6）。

管道失效后果風險評價集見式（7）。

3.3 確定權重集

通過因素的權重來反映城市燃氣門站管道各因素的重要程度[9]。本文根據層次分析法來確定權重Z，見式（8）。

式中：

Zj——第j個因素的權重。

3.4 進行單因素評價

對城市燃氣門站管道的單個因素進行評價，確定評價因素對評價集合的隸屬度[10]。單因素評價矩陣R見式（9）。

式中：

R——單因素評價矩陣；

Rj——第j個評價因素的模糊向量；

rji——對失效可能性因素進行評價，評價集的隸屬度。

3.5 模糊綜合評價

本文根據因素的權重和單因素評價矩陣利用加權平均模型M（.，+）求出失效模糊綜合評價B，見式（10）。

式中：

B——模糊綜合評價集；

bi——評價因素的模糊評價。

3.6 管道風險確定

1）城市燃氣門站管道風險值由管道失效可能性和管道失效后果組成。對管道風險評價給定加權集Q見式（11）。

管道失效可能性P和管道失效后果C分別見式（12）、式（13）。

式中：

P——管道失效可能性；

C——管道失效后果。

管道風險值R見式（14）。

2）運用美國石油協會的API 581標準的風險矩陣確定管道的風險評價等級，如圖3所示。風險的失效可能性等級和后果等級分別見表2、表3。

表2 失效可能性等級

表3 失效后果等級

圖3 風險矩陣圖

4 實例分析

本文以沈陽市某燃氣門站管道為例，邀請5位專家對管道失效因素進行評價，并結合本文所構建的模糊綜合評價模型對燃氣門站管道進行風險等級確定。

4.1 模糊評價

以城市燃氣門站管道失效可能性風險評價體系中外腐蝕因素為例，外腐蝕可分為3個子因素，包括土壤腐蝕、大氣腐蝕、陰極保護失效。根據式（1）得5位專家權重值分別為0.21、0.17、0.15、0.07、0.06。

1）層次分析法計算權重

以專家1構造的判斷矩陣為例，外腐蝕因素的判斷矩陣及權重見表4，判斷矩陣通過一致性檢驗。

表4 判斷矩陣及權重

同理，其余4位專家所構造的判斷矩陣均滿足一致性檢驗，由式（4）綜合所有專家權重得式（15）。

2）模糊綜合評價

根據式（10）得管道失效可能性因素模糊綜合評價B見式（16）。

管道失效后果因素模糊綜合評價B'見式（17）。

4.2 風險確定

根據式（12）和式（13）得失效可能性P和失效后果C分別為P=0.06,C=0.07。

根據式（14）得相對風險R=0.004 2。根據表2得失效可能性等級為1，根據表3得失效后果等級為A，根據圖3表明沈陽市某燃氣門站管道風險等級為低風險。

5 結論

1）本文構建了城市燃氣門站管道風險評價體系，為現有城市燃氣門站管道體系的不完善問題提供了解決方案。

2）提出了運用層次分析法結合模糊綜合評價的方法對城市燃氣門站管道進行風險評價，通過沈陽市某燃氣門站管道實例驗證了該方法能夠對城市燃氣門站管道進行有效的定性、定量分析。

3）本文實現了對城市燃氣門站管道失效風險的量化評估，有助于門站工作人員準確地評估城市燃氣門站管道的高風險因素，及時制定完善的安全事故應急預案和安全事故救援預案。