基于博弈論-集對(duì)分析法的海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

劉 吼

（中海石油（中國(guó)）有限公司 深圳分公司，深圳 518067）

0 前 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們對(duì)油氣資源的需求量也不斷提升，開發(fā)海上油氣資源已成為接續(xù)陸上資源的主要手段。海底管道的安全平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)于保障能源安全、維持海洋生態(tài)多樣性具有重要意義[1-2]。目前，已有學(xué)者圍繞海底管道運(yùn)行中的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。張新生等[3]從擾動(dòng)程度、安全屬性和預(yù)防措施等三個(gè)方面，利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；余楊等[4]利用畢達(dá)哥拉斯算法和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算了管道泄漏的失效概率；淳明浩等[5]結(jié)合主成分分析法對(duì)影響海管運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行量化，獲取了不同管段的綜合因子排名。以上研究采用的評(píng)價(jià)方法具有一定的科學(xué)性，但部分方法過于復(fù)雜，且在權(quán)重計(jì)算時(shí)只考慮單一類別對(duì)權(quán)重的影響，指標(biāo)值的柔化處理不夠?；诖耍谡{(diào)研國(guó)內(nèi)外海底管道事故數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，建立海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合博弈論和集對(duì)分析法對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行處理，以此得到不同管段的泄漏風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

1 構(gòu)建海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

海底管道平鋪在海底或深埋在海泥中，所處環(huán)境惡劣，同時(shí)由于管道長(zhǎng)期服役及海底環(huán)境的腐蝕會(huì)導(dǎo)致管體發(fā)生泄漏；此外，管道的保護(hù)措施即承載體的承受能力也會(huì)影響管體泄漏事故的發(fā)生概率。由此可見，影響海底管道泄漏的因素眾多，且與陸上油氣管道有較大區(qū)別。英聯(lián)合王國(guó)海上石油作業(yè)者協(xié)會(huì)（UKOOA）在1989 年建立了專門統(tǒng)計(jì)海底管道（含立管） 的失效數(shù)據(jù)庫(kù)PARLOC（pipeline and riser loss of containment: North Sea experience），統(tǒng)計(jì)的失效原因多為第三方破壞、腐蝕和結(jié)構(gòu)缺陷[6]；美國(guó)安全與環(huán)境執(zhí)行局（BSEE）統(tǒng)計(jì)了墨西哥灣和太平洋海域的海洋平臺(tái)作業(yè)事故，其中因第三方破壞和腐蝕造成的事故后果占絕對(duì)比例[7]；王紅紅等[8]統(tǒng)計(jì)了1986—2016 年期間，中海油所轄的315 條管道發(fā)生過的事故頻率和所在海域，將事故原因分為腐蝕、第三方破壞、自然與地質(zhì)災(zāi)害、工程質(zhì)量問題等。

基于此，結(jié)合待評(píng)價(jià)海底管道所在海域的生態(tài)環(huán)境和管道自身屬性，參照上述事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從管道腐蝕、第三方破壞、自然災(zāi)害、誤操作、管道結(jié)構(gòu)缺陷和管理缺陷等因素出發(fā)，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為低（I）、較低（II）、中（III）、較高（IV）和高（V），其中H2S腐蝕、CO2腐蝕、海水腐蝕、防腐層失效、陰極保護(hù)失效、漁船密度、航運(yùn)船密度、地震、臺(tái)風(fēng)、管材缺陷、管道埋深和服役年限等可通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)和歷史維搶修記錄獲得，屬于可量化指標(biāo)，參照CCS《海底管道系統(tǒng)規(guī)范》（2021版本）要求劃分等級(jí)區(qū)間，具體見表1，其中臺(tái)風(fēng)等級(jí)為語言型定量描述，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)I～V分別對(duì)應(yīng)量化評(píng)價(jià)值1、3、5、7、9；其余為不可量化指標(biāo)，通過專家經(jīng)驗(yàn)獲取評(píng)價(jià)值，等級(jí)區(qū)間分別為[0，1.6）、[1.6，4.8）、[4.8，7.6）、[7.6，8.8）、[8.8，10.0）。

表1 定量評(píng)價(jià)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分結(jié)果

2 博弈論組合賦權(quán)

主觀權(quán)重雖可一定程度反映海底管道運(yùn)行的真實(shí)情況，但容易受主觀情緒和專家認(rèn)知的影響；客觀賦權(quán)通過真實(shí)樣本數(shù)據(jù)獲取指標(biāo)權(quán)重，但對(duì)于個(gè)別指標(biāo)的賦權(quán)差異較大。對(duì)于海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)而言，指標(biāo)權(quán)重需充分利用主觀經(jīng)驗(yàn)和客觀事實(shí)的內(nèi)在規(guī)律，故采用博弈論組合賦權(quán)的方法使各方案的基本權(quán)重與理想權(quán)重的偏差最小化，以便最大程度保留原始方案信息，公式為

式中：w*——最優(yōu)權(quán)重組合；

aj*——第j種賦權(quán)方法的最優(yōu)組合系數(shù)，j=1～g，本研究g=2；

wj——第j種賦權(quán)方法的基本權(quán)重。

將公式（1）轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題，即可求解aj*。主觀賦權(quán)采用G1法，客觀賦權(quán)采用熵權(quán)法[9]。

3 集對(duì)分析法

將各指標(biāo)的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)大小與等級(jí)結(jié)成集對(duì)，通過計(jì)算兩者之間的聯(lián)系度確定管段所屬風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[10]。聯(lián)系度用μ表示，計(jì)算方法為

式中：a——統(tǒng)一度；

b——差異度；

c——對(duì)立度；

p——差異度標(biāo)記系數(shù)；

q——對(duì)立度標(biāo)記系數(shù)。

由于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為5個(gè)，故將集對(duì)分析擴(kuò)展為5元聯(lián)系度，通過隸屬度函數(shù)計(jì)算單一指標(biāo)的聯(lián)系度，計(jì)算方法為

式中：μnk——評(píng)價(jià)指標(biāo)值xn在第k個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上的聯(lián)系度；

s1～s5——風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的閾值，對(duì)于越小越優(yōu)的指標(biāo)依次取上限閾值，對(duì)于越大越優(yōu)的指標(biāo)依次取下限閾值。

最后，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重和單一聯(lián)系度計(jì)算復(fù)合聯(lián)系度，即

式中：μk——待評(píng)價(jià)管段在第k個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上的復(fù)合聯(lián)系度；

w*——最優(yōu)權(quán)重組合；

m——指標(biāo)個(gè)數(shù)。

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取

以南海某海域的海底管道為例，該地區(qū)管道采用雙層結(jié)構(gòu)API X60管線鋼，內(nèi)管直徑為200～300 mm，外管直徑為400～500 mm，海域水深15～30 m。取20 個(gè)不同的混輸管段為研究對(duì)象，結(jié)合海文信息、附近海域船只往來信息和管道運(yùn)行參數(shù)確定可量化指標(biāo)；邀請(qǐng)5位熟悉該海域和管道情況的專家確定不可量化指標(biāo)，將5位專家的意見按照學(xué)歷、工作年限和職稱進(jìn)行意見整合，最終結(jié)果見表2。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)取值結(jié)果

4.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

針對(duì)表2的數(shù)值采用熵權(quán)法進(jìn)行賦權(quán)，得到地震、臺(tái)風(fēng)及巡查力度不足的權(quán)重較大。自然災(zāi)害會(huì)引發(fā)地表變形、海床發(fā)生地面運(yùn)行，此時(shí)管道容易裸露、懸空甚至斷裂，但考慮到目前氣象部門預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的提升，可通過各項(xiàng)減緩措施減少自然災(zāi)害對(duì)管道的拖拽和沖刷行為，因此自然災(zāi)害并不是影響海底管道泄漏的最主要因素。此外，管輸介質(zhì)中H2S含量、漁船密度和航運(yùn)船密度相對(duì)較大，數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)多在IV 級(jí)以上，但熵權(quán)法得到的權(quán)重較小，這與熵權(quán)法對(duì)變異性較小的數(shù)據(jù)集指標(biāo)不敏感有關(guān)。由此可見，需要采用G1 法進(jìn)行主觀賦權(quán)，結(jié)合博弈論確定出主、客觀方法對(duì)應(yīng)的最優(yōu)組合系數(shù)分別為0.68、0.32，結(jié)合公式（1）計(jì)算得到組合權(quán)重。組合權(quán)重大于0.06的指標(biāo)從大到小依次為漁船密度、航運(yùn)船密度、臺(tái)風(fēng)、海水腐蝕、H2S 腐蝕、地震和管道埋深。繪制不同權(quán)重結(jié)果的雷達(dá)圖，如圖2所示。組合權(quán)重結(jié)果位于兩種賦權(quán)方法的中間，說明權(quán)重進(jìn)行了柔化處理，結(jié)果與實(shí)際情況相符。

圖2 不同權(quán)重結(jié)果的雷達(dá)圖

4.3 聯(lián)系度計(jì)算

以管段1 的A11 可量化指標(biāo)和A61 不可量化指標(biāo)為例，進(jìn)行單一聯(lián)系度計(jì)算，將管段1指標(biāo)為A11 的評(píng)價(jià)結(jié)果174 代入公式（3）～公式（7），其中s1、s2、s3、s4、s5分別為50、100、150、200、300，對(duì)應(yīng)等級(jí)I～V 的單一指標(biāo)聯(lián)系度分別為-1、-1、0.04、1、-0.04；同理，將A61 的評(píng)價(jià)結(jié)果4.5 代入公式（3）～公式（7），其中s1、s2、s3、s4、s5分別為1.6、4.8、7.6、8.8、10.0，對(duì)應(yīng)等級(jí)I～V 的單一指標(biāo)聯(lián)系度分別為-0.812 5、1、0.812 5、-1、-1。依次類推，得到管段1不同指標(biāo)在各自風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)上的單一聯(lián)系度，結(jié)果見表3。

表3 管段1的單一聯(lián)系度結(jié)果

最后，利用公式（8）結(jié)合組合權(quán)重結(jié)果，計(jì)算復(fù)合聯(lián)系度并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算及評(píng)價(jià)結(jié)果見表4，并根據(jù)最大聯(lián)系度準(zhǔn)則確定不同管段所處的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，結(jié)果如圖3所示。

表4 復(fù)合聯(lián)系度及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果

圖3 不同管段所處的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

其中，管段12 和管段20 的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，為IV 級(jí)，這兩個(gè)管段的共同特征是受船只拋錨、脫錨及重物墜落的影響較大，且所處區(qū)域海洋資源豐富，漁業(yè)航行活動(dòng)較多；海水電阻率較低、含鹽量大，在電化學(xué)腐蝕和沖刷腐蝕的作用下，處于全浸區(qū)和海泥區(qū)的管道腐蝕趨勢(shì)較強(qiáng)；管道埋深較淺，一方面可促使潮汐在局部管段形成湍流，加快防腐層的剝離，另一方面也增加了船錨和第三方重物造成的管道局部凹陷和變形；此外，巡查力度不足、安全標(biāo)識(shí)不完整和公眾教育程度不夠也是管道泄漏不可忽略的因素。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符，證明了博弈論-集對(duì)分析法用于海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是可行的。

集對(duì)分析法還可通過同一度a和對(duì)立度c的比值，確定集對(duì)勢(shì)e=|a/c|，如以實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)為高風(fēng)險(xiǎn)作為理想?yún)⒄?，則e＞1 表示實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)與理想風(fēng)險(xiǎn)在同勢(shì)區(qū)，該管段具有不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)；反之同理。不同管段的集對(duì)勢(shì)結(jié)果如圖4 所示。根據(jù)圖4 可知，管段9、13、15、20 處在同勢(shì)區(qū)，說明目前風(fēng)險(xiǎn)有增加的趨勢(shì)；管段8、12、14 處在均勢(shì)區(qū)，說明目前風(fēng)險(xiǎn)基本保持穩(wěn)定；其余管段處在反勢(shì)區(qū)，說明風(fēng)險(xiǎn)有降低的趨勢(shì)。因此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展較快的管段，從限制船舶航速、禁止在管道保護(hù)區(qū)停泊、設(shè)置天氣預(yù)警裝置、加強(qiáng)巡線、設(shè)置警告牌、對(duì)管道添加緩蝕劑或定時(shí)清管、增加混凝土防護(hù)板和填充沙袋等方面全面降低海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)，提高管道完整性管理水平。

圖4 不同管段的集對(duì)勢(shì)結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）為避免單一賦權(quán)方法的主觀性和片面性，采用博弈論組合賦權(quán)的方式糅和了G1 法和熵權(quán)法的結(jié)果，使得海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果更合理。組合權(quán)重大于0.06 的指標(biāo)從大到小依次為漁船密度、航運(yùn)船密度、臺(tái)風(fēng)、海水腐蝕、H2S腐蝕、地震和管道埋深。

（2）將各指標(biāo)的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)大小和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)組成集對(duì)，應(yīng)用集對(duì)分析法實(shí)現(xiàn)單一聯(lián)系度向復(fù)合聯(lián)系度的轉(zhuǎn)變，其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相符，并通過集對(duì)勢(shì)分析，得到了不同管段的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展趨勢(shì)，為進(jìn)一步制定海底管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)減緩措施提供了實(shí)際參考。

（3）海底管道處于復(fù)雜多變的環(huán)境中，今后還應(yīng)將動(dòng)態(tài)權(quán)重或動(dòng)態(tài)概率融入模型中，實(shí)現(xiàn)不同工況、不同場(chǎng)景下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。