集成決策解釋模型和交叉影響矩陣的巖溶塌陷隱患區燃氣管道安全風險分析及應用

李喬楚，陳軍華

（西南石油大學經濟管理學院，四川 成都 610500）

0 引言

隨著“碳達峰”“碳中和”目標的進一步提出，天然氣由于其清潔、高效、穩定、靈活、經濟等優點逐漸成為國民經濟社會發展的主體能源。由于埋地管道與巖土直接接觸，因而不可避免地受到巖土活動的影響[1]。我國西南一帶巖溶面積占地區面積的三分之一以上，地震、滑坡等地質災害頻發[2-3]，降水強度較大，極易引發巖溶塌陷導致埋地管道變形、懸空甚至斷裂，不僅會給人類的生命財產造成極大的損失，而且也對燃氣普及產生巨大的負面作用，嚴重影響中國能源系統的清潔低碳轉型進程。因此，有必要系統地研究造成巖溶塌陷隱患區燃氣管道事故的本質風險因素，為社會防災減災提供理論依據。

近年來，針對燃氣管道安全風險分析的研究主要是以事故樹法、貝葉斯網絡、模糊綜合評價法為主。Li等[4]基于貝葉斯網絡從“人-機械-環境-管理”四個維度開展了城市埋地燃氣管道事故的風險因素分析。黃健陵等[5]基于模糊事故樹方法從“人-機-料-法-環”五個維度開展了施工現場地下燃氣管線泄漏事故的風險因素分析。駱正山等[6]提出了基于事故樹分析與動態貝葉斯網絡模型的城市燃氣管道泄漏事故風險診斷方法，并結合某燃氣管道泄漏爆炸事件開展風險因素的實例分析。目前，針對燃氣管道風險因素的研究主要是將其當作孤立的事物，而未考慮因素間的耦合作用，且忽略了不同層級風險因素間的異質性影響效應。因此，有必要立足多級遞階和系統安全角度對燃氣管道的風險分析進行全面研究。

自周德群等[7]提出決策實驗室分析法（decisionmaking trial and evaluation laboratory，DEMATEL）和解釋結構模型（interpretative structural modeling method，ISM）存在一定共性，可形成集成方法后，許多學者將其應用于風險因素分析中，如王軍武等[8]以DEMATELISM 法構建了裝配式建筑工程吊裝事故的風險因素辨識模型，明確了風險因素間的內在關聯和層次結構?？傊?，DEMATEL/ISM 法能夠將具有耦合關系的風險因素系統解構為直觀的多級遞階模型。但與此同時，由于DEMATEL/ISM 法不能體現同一層級因素對下一層級因素的作用異質性，因此可以結合交叉影響矩陣相乘法（cross-impact matrix multiplication applied to classification，MICMAC）實現多級遞階結構由源到鏈的更深層次研究。MICMAC 法基于風險因素的關系矩陣，確定各因素的依賴度和驅動力，并通過歸納分類把握風險因素在系統中所起的實質性作用[9]。

基于此，本文提出一種巖溶塌陷隱患區燃氣管道D/I-MICMAC-VS 集成風險分析方法。該方法在Visual Studio 環境下開發“巖溶塌陷隱患區燃氣管道風險分析軟件”，兼顧因果連鎖和軌跡交叉理論搭建事故復合致因模型，基于DEMATEL/ISM 法確定系統因素間的層次結構和因果關系，分析引發事故的表層直接原因、中層間接原因和深層根本原因，并結合MICMAC法確定各因素的依賴度和驅動力，將系統中所有因素劃分為獨立集群、依賴集群、聯動集群和自發集群。通過MICMAC 法的實質性作用分析彌補DEMATEL/ISM法不能體現同一層級因素對下一層級因素作用異質性的缺陷，借助計算機數值動態分析實現風險研究的智能化、高效化，從而助力決策者厘清復雜系統結構、掌握關鍵風險因素，為從根本上遏制巖溶塌陷隱患區燃氣管道事故提供科學合理依據。

1 D/I-MICMAC-VS 集成風險分析方法

1.1 巖溶塌陷的形成原因

巖溶塌陷是在具備巖溶洞隙、一定厚度松散蓋層以及地下水活動等基本形成條件的基礎上，在多種自然因素以及人為因素的耦合作用下產生的一種土體塌陷現象，具體形成原因匯總于表1。

表1 巖溶塌陷形成原因Table 1 Formation causes of karst collapse

1.2 風險因素的遴選

為了保證燃氣管道的穩定性并減小外界因素造成的影響，埋地燃氣管通常敷設于地下1～3 m，在巖溶發育過程中，埋地管道與管周土體構成了一種特殊受力結構，土體對管道既是一種形變驅動力，同時也是一種運動約束介質。巖溶發育過程中埋地管道的變形特征如圖1 所示。

圖1 巖溶發育過程中埋地管道變形特征Fig.1 Deformation characteristics of buried pipelines during karst development process

根據國家安全生產監督管理部門網站及相關學術文獻，收集了近30 例巖溶塌陷隱患區管道失效事故案例，并將其作為統計資料源。通過計量分析可得，雖然巖溶塌陷隱患區管道失效事故的誘因復雜多變，但均可以歸納為“人員不安全狀態-管道不安全狀態-環境不安全狀態-管理漏洞”四個維度?？紤]到因果連鎖理論從縱向角度分析了風險因素間的動態因果關系，軌跡交叉理論從橫向角度分析了不同風險因素間交互作用而最終導致事故發生的演化路徑。故兼顧雙重視角建立巖溶塌陷隱患區燃氣管道軌跡交叉-因果連鎖事故復合致因模型，具體如圖2 所示。

圖2 軌跡交叉-因果連鎖事故復合致因模型Fig.2 Compound causal model of trajectory intersections and causal chain accidents

基于此，結合巖溶塌陷的形成原因及其對管道的損傷特征，并采用頻度統計法將頻度不低于3 的指標納入巖溶塌陷隱患區管道風險因素體系，最終選定24 個風險因素并逐一編號，具體匯總于表2。

表2 風險因素指標體系Table 2 Risk factor indicator system

1.3 基于DEMATEL/ISM 法的層次結構分析

DEMATEL/ISM 法的具體算法[10-12]步驟如下：

（1）構建直接影響矩陣。針對燃氣管道行業專家和工作人員開展訪談調研，根據反饋結果得出直接影響矩陣U。

（2）計算綜合影響矩陣。對直接影響矩陣進行規范化處理得到矩陣M，具體方法如式（1）所示。

式中uij——系統因素ei對ej的直接影響程度；

為了綜合評估各個因素對整體風險系統的影響效應，考慮到多元因素間的直接作用和間接傳導路徑，將規范化處理后的矩陣M進一步轉化為綜合影響矩陣V，具體方法如（2）所示。

由于 0

式中：I——單位矩陣。

（3）確定中心度和原因度。風險因素ei的影響度pi和被影響度qi，中心度si（表征風險因素在系統中占據的重要程度[13]）和原因度ti（原因度小于0 表示該因素對其他因素不存在顯著影響，屬于結果因素；反之則屬于原因因素）的計算公式分別為：

式中：vij、vji——矩陣V的i行j列或i列j行對應的因素，i=1,2,···,n，j=1,2,···,n。

（4）構建可達矩陣?？紤]到I作為單位矩陣可以表征因素對自身的影響，因此結合單位矩陣I將綜合影響矩陣V進一步轉化為整體關系矩陣H，具體方法如式（8）所示。

式中：hij——矩陣H的i行j列對應的因素，i=1,2,···,n，j=1,2,···,n。

為了去除影響程度較小的耦合關系，簡化研究系統的層次結構，通過給定閾值β 變換整體關系矩陣H，從而構建可達矩陣G，具體遵循如下準則：當整體關系矩陣因素hij≥β 時，對應可達矩陣因素gij為1；當整體關系矩陣因素hij<β 時，對應可達矩陣因素gij為0。閾值β 的取值將對系統因素間的因果關系和層次結構分析產生關鍵影響[14]。

（5）建立多級遞階結構模型。首先基于式（9）和式（10）確定可達矩陣G的可達集合Xi和前因集合Yi，然后驗證等式“Xi=Xi∩Yi”是否成立，若成立則表明風險因素ei為底層因素，并且從可達矩陣G中移除第i行和第i列的所有元素。重復以上步驟，直至厘清所有風險因素的層級，并依據因素劃分的前后順序，最終建立起多級遞階結構模型。

式中：E——所有風險因素的集合；

ei——序號為i的某一具體風險因素，i=1,2,···,n。

1.4 基于MICMAC 法的實質性作用分析

由于在DEMATEL/ISM 法中，同一層級因素對下一層級因素的差異化作用效果無法得以體現。為彌補這一缺陷，本文提出采用MICMAC 法對構建的多級遞階結構模型進行更深層次的總結分析，以明確風險演化控制的關鍵點。MICMAC 法的核心思想為依據關鍵風險因素間的直接和間接影響，并結合依賴度和驅動力數值將所有因素歸納劃分為獨立、依賴、聯動和自發4 類集群，從而識別關鍵因素并把握其在系統中的實質性作用[15]。

MICMAC 法的分析結果可借助Cartesian 坐標系進行展示，通常以橫坐標表征依賴度，縱坐標表征驅動力。其中，依賴度等于對該因素造成影響的多元因素數目，驅動力等于受到該因素影響的多元因素數目[16]?；贑artesian 坐標系的MICMAC 分析結果如圖3 所示。

圖3 基于Cartesian 坐標系的MICMAC 分析結果Fig.3 MICMAC analysis results based on Cartesian coordinate system

在所劃分的四個集群中，自發集群包含的風險因素驅動力較強但依賴度較弱，因此這類因素在系統中的地位通常最為關鍵，管理層在對其進行處理時應格外謹慎。聯動集群包含的風險因素驅動力和依賴度均較強，作為不穩定因素，與其相關的任何行為變動都會對其他因素造成影響，并反過來對自身產生反射作用。獨立集群包含的風險因素驅動力和依賴度均較弱，其通常直接對頂層目標造成影響。依賴集群包含的風險因素驅動力較弱但依賴度較強，一般屬于最終風險因素。

1.5 巖溶塌陷隱患區燃氣管道風險分析軟件編制

基于DEMATEL/ISM 和MICMAC 方法，結合Visual Studio 平臺開發“巖溶塌陷隱患區燃氣管道風險分析軟件”，從而實現風險因素分析的智能化、高效化，提高巖溶塌陷隱患區燃氣管道安全風險的分析效率。軟件旨在實現以下功能：

（1）基于DEMATEL/ISM 方法分析風險因素的層次結構?；谇拔臉嫿ǖ娘L險因素指標體系，選擇開展風險分析的子系統單元（人員子系統、管道子系統、環境子系統、管理子系統），在輸入結合專家經驗的直接影響矩陣后，軟件首先計算得出綜合影響矩陣并輸出中心度和原因度，接著計算得出可達矩陣且建立起多級遞階結構模型，并以可視化圖表形式輸出，便于用戶對巖溶塌陷隱患區燃氣管道多元風險因素間的因果關系和層次結構進行直觀的了解和把握。

（2）基于MICMAC 方法分析風險因素的實質作用。為了彌補DEMATEL/ISM 方法無法體現同一層級因素對下一層級因素影響差異的缺陷，結合MICMAC 方法計算不同風險因素的依賴度和驅動力，并以可視化圖表形式輸出，從而對多級遞階結構模型進行更深層次分析?；趯嵸|性作用分析結果開展風險因素的歸納分類，便于用戶直觀地了解和把握關鍵驅動因素和主要依賴因素。與此同時，借助Microsoft Access 數據庫以實現不同子系統風險分析數據的儲存及歸檔，在研究后期便可通過數據調用功能，針對巖溶塌陷隱患區燃氣管道整體的風險演化特征進行總結分析，從而明確風險管控的關鍵抓手和著力點。

軟件總體編制思路如圖4 所示。

圖4 軟件總體編制思路Fig.4 Overall software development approach

2 案例分析

貴州某巖溶區段位于納雍—開陽東西向構造帶與織金北東向構造帶的交匯處，在內、外營力的共同雕塑下區段內形成了千姿百態的喀斯特地貌景觀。近年來，在礦山無序開采、地下洞穴發育、持續強降雨及地震活動等多重因素影響下，每年發生明顯地面塌陷40 余次，并愈發呈現出增強趨勢。選擇該區段內一埋地燃氣管道項目作為研究案例，其基礎數據的獲取主要基于燃氣管道風險管理專家的意見，并結合了該管段的巖溶勘探和實地調研數據?；贒EMATEL/ISM 和MICMAC方法，結合“巖溶塌陷隱患區燃氣管道風險分析軟件”實證分析該研究案例中風險因素的層次結構及實質性作用。

2.1 多級遞階結構模型確定

針對管道風險因素間的相互關系和影響程度進行研判，通過“0～4”的差異化賦值劃分5 個等級[17]，參考巖溶勘探、實地調研和專家意見數據構建直接影響矩陣U，具體如表3 所示。

表3 風險因素的直接影響矩陣Table 3 Direct impact matrix of risk factors

將基礎數據輸入“巖溶塌陷隱患區燃氣管道風險分析軟件”，通過咨詢行業專家和決策者取閾值為0.025，構建風險因素多級遞階結構模型如圖5 所示。

圖5 風險因素多級遞階結構模型Fig.5 Multi-layer hierarchical structure model of risk factors

由構建的多級遞階結構模型可以看出：

（1）巖溶塌陷隱患區燃氣管道的多元風險因素分布于6 個層級，各層級因素之間具有明顯的影響和傳遞關系，所有因素從直接和間接兩個維度通過差異化作用路徑和效應對安全風險水平產生影響。

（2）各層級風險因素的作用機理呈現異質性特征，造成巖溶塌陷隱患區燃氣管道安全風險增大的表層直接因素位于多級遞階結構模型的最高層，對管道事故的演化造成直接影響。表層直接因素既包括了人員的不安全狀態（應急處置能力不足）和管理漏洞（安全宣傳不到位、應急保障不完善），也涵蓋了管道的不安全狀態（管道老化、管道腐蝕、安全設施失效、建設工藝不達標）和環境的不安全狀態（施工與震動、巖溶地質發育、地下水活動、覆蓋層特征），是降低巖溶塌陷隱患區燃氣管道事故可能性的首要目標。

（3）中層間接因素在風險系統中起傳遞作用，將深層根本因素的影響傳遞給表層直接因素。例如，深層根本因素安全監管欠缺（e21）直接影響中層間接因素專業技能不足（e2）和安全意識薄弱（e4），而中層間接因素專業技能不足（e2）和安全意識薄弱（e4）直接影響表層直接因素應急處置能力不足（e5）、管道腐蝕（e7）、安全設施失效（e8）、建設工藝不達標（e9）、安全宣傳不到位（e23）、應急保障不完善（e24）等；深層根本因素構造條件（e18）直接影響中層間接因素地形地貌（e19），中層間接因素地形地貌（e19）一方面直接影響表層直接因素巖溶地質發育（e15）和覆蓋層特征（e17），另一方面經由氣象條件（e20）間接影響表層直接因素地下水活動（e16）。

（4）深層根本因素位于多級遞階結構的最底層，不受其他因素的作用，并從根源上影響安全事故的發生。對于巖溶塌陷隱患區燃氣管道事故，其深層根本因素為構造條件（e18）、安全監管欠缺（e21）、管道保護意識淡?。╡3）、法律法規（e14）和受教育程度不高（e1）[18]。

2.2 風險因素實質作用確定

一般而言，依賴度較高的風險因素受到其他因素的影響較大，即需要通過解決多個且位于不同層次的其他因素才能實現該因素的有效規避；而驅動力較高則意味著該類風險因素一旦被有效控制，其余因素可能會由于連鎖反應而被同步制約[19-20]。根據MICMAC 法的基本思想，結合所開發軟件進一步構建巖溶塌陷隱患區埋地燃氣管道風險因素的依賴度-驅動力圖，具體如圖6 所示。通過對風險因素依賴度-驅動力圖進行分析，可見：（1）巖溶塌陷隱患區燃氣管道風險因素的自發集群主要包括人類活動強度（e10）、經濟發展水平（e13）、法律法規（e14）、構造條件（e18）、地形地貌（e19）、氣象條件（e20）以及規章制度不合理（e24），上述因素對其他因素驅動效應顯著，是巖溶塌陷隱患區燃氣管道事故風險管控的關鍵抓手。

圖6 風險因素依賴度-驅動力圖Fig.6 Schematic diagram of dependency-driving force of risk factors

（2）獨立集群主要包括受教育程度不高（e1）、管道老化（e6）、管道腐蝕（e7）以及覆蓋層特征（e17），上述因素在安全事故演化的整個時間跨度內對其他因素呈現低依賴度、低驅動力，通過自身的變化發展直接影響系統整體的風險水平，對獨立集群的風險管控應當因地制宜采取針對性措施。

（3）聯動集群主要包括專業技能不足（e2）、安全意識薄弱（e4）以及安全監管欠缺（e21），上述因素對其他因素呈現高驅動力、高依賴度，在顯著受到自發集群（法律法規、規章制度不合理等）影響的同時對依賴集群（應急處置能力不足、安全設施失效、施工與震動、巖溶地質發育等）也產生較大影響，因此對安全事故的演化發展起到傳遞推動作用。

（4）依賴集群主要包括管道保護意識淡?。╡3）、應急處置能力不足（e5）、安全設施失效（e8）、建設工藝不達標（e9）、施工與震動（e11）、抽取地下水（e12）、巖溶地質發育（e15）、地下水活動（e16）、安全宣傳不到位（e22）、應急保障不完善（e23），上述因素對其他因素依賴效應顯著，直接干預難度較大。

3 結論

（1）將DEMATEL/ISM 方法、MICMAC 方法和Visual Studio 平臺相結合對巖溶塌陷隱患區燃氣管道的安全風險進行分析，能夠厘清多元耦合效應下系統因素間的層次結構和因果關系，彌補DEMATEL/ISM 法不能體現同一層級因素對下一層級因素作用異質性的缺陷，并通過計算機智能測算提高風險分析效率，有助于從根本上遏制災害隱患區管道安全事故的發生。

（2）巖溶塌陷隱患區燃氣管道的風險因素分布于6個遞階層級，通過差異化的作用路徑和效應對整體風險水平產生影響。通過對表層直接因素的嚴格管理，可以在短期內降低事故發生的可能性；中層間接因素在系統中起承上啟下作用，將深層根本因素的影響傳遞給表層直接因素；只有重視深層根本因素，才能夠實現風險的根本性控制。結合分析結果可得，降低安全風險水平的關鍵在于加強巖溶地質勘探評估、建立長效安全監管機制、完善燃氣行業法律法規、營造災害隱患區良好社會環境。

（3）人類活動強度、法律法規、構造條件等構成的自發集群驅動效應顯著，通過優先干預可對事故防治起到顯著作用；受教育程度不高、管道老化等構成的獨立集群驅動效應和依賴效應均較弱，通過自身的變化發展直接影響整體系統，對其應做到“一事一案”因地制宜采取風險管控措施；專業技能不足、安全監管欠缺等構成的聯動集群驅動效應和依賴效應均較強，對安全事故演化發展起到傳遞推動作用；安全設施失效、巖溶地質發育、應急保障不完善等構成的依賴集群依賴效應顯著，只有厘清誘發依賴集群變化的深層根本因素才能實現有效風險管控。