基于指標修正的AHP-FCEM法長輸油氣管道風險評價

李 恒 王新慧 丁彥龍 趙金強 吳占穩

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

根據國家市場監督管理總局的通告，截至2021年全國范圍內在冊壓力管道總里程為75.75萬km[1]，并且逐年在快速增長。油氣管道承擔著“國家血管”的作用，其發展已上升到國家層面，油氣管網的有效建設和經濟發展息息相關。特別是事故發生后，極可能造成重大的經濟損失以及人員傷亡，并會造成巨大的社會輿論，因此開展基于風險評價工作對提高管道管理水平至關重要。

近年來，國內的高校及科研院所開展了大量的關于管道風險評估的研究：郭巖寶等人[2]構建了城鎮燃氣PE管道的風險事故樹，基于主要風險因素，利用灰色理論基礎研究在用管道潛在風險，并提出隱患消除措施；范文琪[3]利用層次分析法，以某地區的油氣管道為研究對象，借助安全及經濟法等理論，研究在用管道存在的主要風險，并對風險度進行量化，指導企業開展有效管控；王維斌[4]總結了我國長輸油氣管道的管理需求，提出基于大數據的風險管理理論，采集管道使用周期內的相關數據，進行清洗整合，為后期管理決策提供支撐。相比于成套承壓化工裝置風險評價的研究，長輸油氣管道仍未形成相對系統有效的評價方法。本文在多位學者研究的基礎上，提出基于指標修正的層次分析法-模糊分析綜合評價法的長輸油氣管道風險評價方法，組織行業專家調研行業典型管道的使用管理現狀，了解客戶需求，以層次分析法為基礎，初步建立風險評價模型，并對指標體系進行優化，最后利用模糊綜合評價法對使用管理風險進行等級量化，并提出消險措施。

1 評價模型搭建

長輸油氣管道相比其他類型而言，設備結構相對簡單、功能單一，但是實質上其敷設地區環境多變，運行過程中存在諸多不可控因素，給使用管理工作帶來更高挑戰。本文提出一種多重理念相互結合的風險評價方法，具體工作流程如圖1所示。

圖1 風險評價流程

1.1 評價體系的初步建立

本文組織行業內相關專家，以長輸油氣管道的設計、施工、驗收及檢驗規范為基礎，同時參照和結合現行的GB/T 27512—2011《埋地鋼質管道風險評估方法》及GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》等安全評價及完整性管理規范，基于層次分析法思想，分析各影響因素的因果關聯關系，初步建立風險評價模型[5-9]，包含5個I級指標、23個Ⅱ級指標、66個Ⅲ級指標，見表1。

表1 評價體系初步模型

1.2 層次分析法確定指標權重

層次分析法（Analytic Hierarchy Process）是將評價目標按照因果關聯關系進行層次結構劃分，比較同級指標之間的重要性，按照要求賦予比值，求得各層指標的權重，然后再遞歸求得每一層指標對總目標的權重[10]。該方法適用于層次結構較復雜、指標互相交錯、難以確定的方案的決策，滿足長輸管道評價指標權重確定的要求，具體步驟如下：

1）構建判斷矩陣

為保證評價結果的有效性，組織涉及長輸管道行業內的制造、安裝、使用、檢驗及安全管理等方面的專家，組成評價工作組，采用1～9標度法進行打分，構造判斷矩陣P見式（1），賦值標準見表2。

表2 1～9標度法賦值標準

式中：

pij——第i個指標的重要性與第j個元素重要性的比值。

2）計算特征向量、最大特征值

利用和積法對初步構建的判斷矩陣進行歸一化處理，得到標準化矩陣cij；接著將標準化矩陣按行求和，得到ri；最后求得矩陣特征向量的近似值ωi，計算過程見式（2）。

3）一致性檢驗

利用層次分析法構建的判斷矩陣主要依據評價專家的行業經驗，在部分賦值方面存在一定主觀性，需對矩陣進行一致性檢驗。首先計算矩陣的最大特征值λmax，其次計算一致性指標CI，最后求得單次一致性比率CR單，其中指標RI的數值選取見表3。當CR單＜0.10時，滿足一致性檢驗的要求，否則認為矩陣構建不合理，未通過一致性檢驗。計算過程見式（3）。

表3 隨機一致性指標RI對照表

通過一致性檢驗的矩陣的特征向量的近似值即可作為評價指標的權重向量，然后再利用體系各層次之間的遞歸關系，可得到所有方案層對總目標的權重指標，記為ωi。

1.3 區間估計分析理論優化評價體系

長輸油氣管道相比其他類型的特種設備，是一個多學科交叉的設備，評價體系中最底層指標多而繁雜，部分指標對評價結果的影響極小，可稱之為“弱權重指標”，因此為保證評價具有可操作性，在可行的情況下需對評價體系進行優化，剔除“弱權重指標”[11]。具體步驟如下：

1）確定指標權重寬度

假設ω上、ω下分別為某評價范圍內指標的最大值和最小值，兩者差值記為Li，最終優化的指標權重將落在Li范圍內，即為指標寬度，評價體系中Li的最大值Lmax可用來衡量評價系統的偏差和不確定性。

2）指標體系優化

若某指標的權重小于體系的權重寬度最大值Lmax，可認為該指標產生的影響在評價過程中會被海量計算數據淹沒，也就是“弱權重指標”。建立優化原則：指標體系某指標的ωi≤Lmax時，剔除該指標；為保證計算的操作性，對原有的四層評價體系進行整合，形成簡單有效的三層評價體系[12]。

1.4 基于模糊法的長輸油氣管道風險評價

模糊綜合評價法（Fuzzy Comprehensive Evaluation Method）是由美國自動控制專家查德提出的一種基于模糊數學理論的綜合評價方法，具有系統性強，友好地規避指標難以量化、模糊性的問題，適合長輸管道的風險評價工作[13]。具體步驟如下：

1）評價體系因素集、評語集構建

根據風險評價體系及要求，分別建立不同層級的因素集，即X=（x1，x2，…，xm）；根據風險評價的最終等級劃分要求，建立評語集，如“低風險、中風險、高風險”等。

2）評價隸屬矩陣R的確定

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用模糊評價矩陣Rk來表示評價指標與評語集之間的關聯關系。由若干名管道相關領域的專家組成評價組進行分析和打分，并對結果歸一化處理，得到模糊評價矩陣[14]，見式（4）。

式中：

rij——指標i相對評價集第j個評價等級的隸屬度。

3）模糊綜合評價向量的確定

首先采用模糊運算法則逐一計算準則層中每個評價因子對應評語集的評價向量，構成指標層的評價向量Bi，見式（5）。

然后按照上述方法計算評價目標對應評語集的模糊評價向量Ai。最后根據最大隸屬度原則，確定評價結果。

2 計算實例

以某油田的一條長輸管道為例，該管道投用于1997年，長度為365 km，介質為凝析油，材質為X52，設計壓力為6.3 MPa，使用壓力為3.2 MPa，規格為426 mm×8 mm，主要用于外輸油氣處理站的半成品油，經濟作用極為重要。管道沿線環境多變，敷設區域涉及沙漠戈壁、農田、村莊、林場等，同時穿越河流、公路、鐵路等，管理維護成本較高。使用本文提出的方法對該管道安全狀況進行評價驗證。

2.1 評價體系建立及指標權重確定

根據本文中“1.2”敘述的指標權重的計算方法，計算初始體系的所有指標權重，并按照“1.3”中的方法對指標進行篩選整合，剔除“弱權重指標”，限于計算工作數據量較大，實際計算過程采用MATLAB軟件，將原有的23個Ⅱ級指標、66個Ⅲ級指標進行優化，最終形成包含5個I級指標、25個Ⅱ級指標的評價體系，具體如圖2所示。

圖2 最終安全評價體系

2）最終體系指標權重確定

組織評價組對優化后的評價體系指標進行打分賦值，構造出判斷矩陣A-B、B1-C、B2-C、B3-C、B4-C以及B5-C，具體見式（6）～式（11）。

根據式（2）和式（3）計算得到判斷矩陣A-B的最大特征值λmax=5.195 9，CI=0.049 0，RI=1.12，CR=0.043 7＜0.1，滿足一致性檢驗，則權重矩陣ωA=（0.106 6，0.162 4，0.190 9，0.251 7，0.288 4）T可接受。同理計算B1-C、B2-C、B3-C、B4-C以及B5-C權重矩陣，具體結果見表4。

表4 評價指標計算值

2.2 基于模糊法風險評價實施

1）確定評價體系因素集和評語集

根據本文構建的長輸油氣管道風險評價體系將指標層分為2個層次。

第一指標因素集：A={B1，B2，B3，B4，B5}={第三方破壞因子，腐蝕破壞因子，失效后果因子，管道本體質量安全因子，使用管理維護因子}。

第二指標因素集：B1={C11，C12，C13，C14，C15}={自然災害，地質自然沉降或土質流失，管道埋深，地面裝置及保護裝置，巡線}等。

另外，將評語集分為5個等級V={V1，V2，V3，V4，V5}，具體劃分細則見表5。

表5 風險等級劃分

2）確定評價隸屬矩陣

建立評價隸屬矩陣，利用本文建立的評價模型，對實例管道的綜合風險進行評價。本文采取的打分原則：專家組團隊不少于12人，去掉不合理的打分，留下至少10個分值取平均值。打分結果見表6。

表6 評價指標打分結果

3）第二級綜合評價

依據式（5）分別計算準則層的5個評價因子的模糊綜合評價向量，如第三方破壞因子的計算結果：B1=ω1×R1=（0.031 2，0.024 0，0.024 7，0.018 1，0.008 6）。同理求得其他4個評價因子的模糊綜合評價向量，分別是腐蝕破壞因子B2=（0.052 0，0.052 5，0.033 3，0.016 1，0.008 4）；失效后果因子B3=（0.020 0，0.032 8，0.055 1，0.061 2，0.021 9）；管道本體質量安全因子B4=（0.044 9，0.034 5，0.063 7，0.064 7，0.043 9）；使用管理維護因子B5=（0.044 3，0.054 6，0.084 1，0.066 1，0.039 3）。

4）總目標最終模糊綜合評價

計算準則層5個評價因子模糊評價向量，即可作為目標層的隸屬度評價矩陣，求得最終的目標評價向量A=（0.039 7，0.041 8，0.058 8，0.051 6，0.028 8），根據模糊綜合評價最大隸屬度原則，可知該管道的綜合評價級別為“中等”，最大隸屬度為0.058 8，結合2.2章節1）中5個風險等級，該最大值落在V3等級，按照隸屬原則，判定為中等風險，同時考慮該向量中第二大的數據為0.051 6，根據隸屬原則，該管道的風險雖屬中等風險，但偏向于較高風險。

由二級評價結果可知，第三方破壞因子的最大隸屬度為0.031 2，評價級別為“低”；腐蝕破壞因子的最大隸屬度為0.052 5，評價級別為“較低”；失效后果因子的最大隸屬度為0.061 2，評價級別為“較高”；管道本體質量安全因子的最大隸屬度為0.064 7，評價級別為“較高”；使用管理維護因子的最大隸屬度為0.084 1，評價級別為“中等”。分析實際情況，管道敷設區域人文環境相對簡單，整體人員密集程度不高，第三方破壞的影響較低；敷設環境屬于西北沙漠戈壁地帶，氣候干燥，且輸送介質已在首站初步進行處理，腐蝕的風險相對較低；該管道敷設區穿越數個村莊及小鎮，少量地區人員相對較密集，而且此管道是連接2個重要油氣站場的生命線，經濟作用至關重要，發生事故或泄漏會嚴重影響周邊居民生命健康安全及首末站的經濟效益；投用時間較長，已達25年，技術資料丟失嚴重，檢驗檢測后的整改工作實施難度較大；該管道敷設長度較長，由4個下屬機構管理，多方協調機制、安全管理制度等仍需進一步完善提高。

綜合評價該管道的風險等級為“中等”，偏向“較高”，需針對性地提出措施，并實施整改，如聯合管道經過的地區政府，開展高后果區的識別，可能的情況下開展隱患整治活動，提前消除風險；開展基于風險的檢驗和風險評價工作，并對已發現的隱患進行安全評估，降低檢驗和整改成本；完善管理制度和溝通協調制度，并積極開展應急演練活動，保證風險可控[15]。

3 結論

本文探討了國內長輸油氣管道風險評價的現狀，提出一種基于修正指標的AHP-FCEM法的安全評價方法，同時選取一條在用具有代表性的管道進行實例驗證，得出如下結論：

1）利用層次分析理念建立評價模型，選定5個I級指標，并根據各層級因果關聯關系，初步確定23個Ⅱ級指標、66個Ⅲ級指標。

2）結合層次分析法和區間估計分析理論的優勢，對“弱權重指標”進行篩選，優化評價體系，保證評價計算的可操作性、科學性和有效性。

3）使用模糊綜合評價分析法，可有效規避長輸管道風險評價中存在的諸多指標難以量化的、模糊的問題，并能夠達到對管道整體安全風險水平進行分級的目的。最終實例證明該評價方法較為可靠，能為油氣使用管理單位提供有效技術支撐。