閆文周，陳蕓茜

(西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710055)

油田地面工程是保障石油產(chǎn)量的基礎(chǔ)設(shè)施，隨著石油需求的增長(zhǎng)，油田地面工程的建設(shè)越來(lái)越重要[1]。油田地面工程作為工程建設(shè)項(xiàng)目，其施工過(guò)程既具有建設(shè)工程體量大、周期長(zhǎng)等共性，又具有石化行業(yè)科技含量高、技術(shù)水平要求高等特性[2]。例如，油田地面工程需建設(shè)滿足正常生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化井場(chǎng)，其中油井模塊的建設(shè)施工中可能會(huì)出現(xiàn)的井噴風(fēng)險(xiǎn)[3]；油田地面工程需建設(shè)職工辦公、生活的標(biāo)準(zhǔn)化站場(chǎng)，其中門(mén)崗房模塊的建設(shè)完全屬于建筑工程，會(huì)出現(xiàn)建筑工程施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)；油田地面工程還需建設(shè)包含既有土建工程和石油專業(yè)領(lǐng)域的管線模塊[4]，包含基坑、基槽、管溝的開(kāi)挖與石油管道的安裝與防腐等工序，可能會(huì)出現(xiàn)管溝塌方風(fēng)險(xiǎn)、管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等[5,6]。

隨著智能化的發(fā)展，準(zhǔn)確、科學(xué)、高效的風(fēng)險(xiǎn)管理已經(jīng)成為油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)管理的發(fā)展目標(biāo)。其中，知識(shí)本體技術(shù)在許多行業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)管理中都已經(jīng)成功應(yīng)用[7～12]，但目前在油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理的研究非常欠缺。本文擬用知識(shí)本體與案例推理的方法相結(jié)合，來(lái)解決油田地面工程施工過(guò)程中突發(fā)事故的應(yīng)急管理問(wèn)題。

1 油田地面施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理模型

本體是指格式化描述某一范圍的知識(shí)，規(guī)范化的描述形式可以清楚地表示概念間的邏輯關(guān)系。如今油田地面工程的建設(shè)過(guò)程已經(jīng)日趨標(biāo)準(zhǔn)化，其建設(shè)特點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制、模塊化施工，而知識(shí)本體技術(shù)本就是進(jìn)行格式化、標(biāo)準(zhǔn)化的描述，將油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)與知識(shí)本體技術(shù)相結(jié)合，是標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)化決策的結(jié)合，大量油田地面工程施工案例進(jìn)行本體化后，便于快速調(diào)用。并且本體使用的 OWL 語(yǔ)言可以為計(jì)算機(jī)所識(shí)別、儲(chǔ)存、分析，極大提高了應(yīng)急處理的效率并且將本體技術(shù)引入施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急處理具體信息共享與重用、智能化推理、完善的措施制定等優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)楣芾碚咛峁┭杆俚膽?yīng)急參考。案例推理是定性與定量相結(jié)合的問(wèn)題解決方法，通過(guò)重用或修改以前解決相似問(wèn)題的方案來(lái)解決問(wèn)題。

建立油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急管理模型，首先對(duì)歷史案例進(jìn)行本體化表示，利用OWL語(yǔ)言建立油田地面工程知識(shí)本體網(wǎng)絡(luò)，再結(jié)合歷史案例和目標(biāo)案例的綜合相似度進(jìn)行案例匹配選出最接近的案例，然后后進(jìn)行案例的修正調(diào)整，最后輸出最適合目標(biāo)案例的應(yīng)急措施，推理流程如圖1所示。

圖1 模型推理流程

1.1 案例的本體化表示

首先進(jìn)行本體化屬性的收集，按照風(fēng)險(xiǎn)類型、風(fēng)險(xiǎn)事件、風(fēng)險(xiǎn)因素、風(fēng)險(xiǎn)后果、承險(xiǎn)體5大類進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)概念屬性分解[13]。其中，風(fēng)險(xiǎn)類型按其是否標(biāo)準(zhǔn)化劃分為兩類，包括標(biāo)準(zhǔn)化模塊施工風(fēng)險(xiǎn)與其他非標(biāo)準(zhǔn)化的功能單元施工風(fēng)險(xiǎn)，又按其單項(xiàng)工程、單位工程和定型模塊來(lái)細(xì)分，風(fēng)險(xiǎn)類型分類如圖2所示。

圖2 油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)類型

通過(guò)查找中石油內(nèi)部統(tǒng)計(jì)、通報(bào)的地面工程建設(shè)施工事故、我國(guó)近年來(lái)發(fā)生的油田地面工程建設(shè)事故的相關(guān)數(shù)據(jù)、《工程與科學(xué)主題詞表》等，收集整理分析，每大類可以細(xì)分為多級(jí)概念類，不同的概念類之間存在著屬性、所屬、部分、實(shí)例關(guān)系等[14]。根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系和分解規(guī)則，施工風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)屬性部分表示見(jiàn)表1。其中Ri為屬性名稱，A為決策屬性，Di為組織措施，Ti為技術(shù)措施。

表1 油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)屬性部分表示

通過(guò)對(duì)事故案例本體化屬性收集，使用OWL語(yǔ)言表述案例。下面給出油田地面工程施工事故案例知識(shí)本體庫(kù)中部分OWL語(yǔ)言表述形式：

在工程施工風(fēng)險(xiǎn)案例中，風(fēng)險(xiǎn)事件的產(chǎn)生往往是多種因素相互作用，很少出現(xiàn)單一因素導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)事件。在實(shí)際的油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)控制中，例如“管溝塌方”與“施工不當(dāng)”之間存在一定程度上的關(guān)聯(lián)。產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)后果也不一定是單一的后果。例如：某項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)事件可能造成的風(fēng)險(xiǎn)后果是“人員傷亡”或者“工期延誤”，可能同時(shí)也會(huì)造成“工程失穩(wěn)”和“經(jīng)濟(jì)損失”等多種后果復(fù)合的結(jié)果。通過(guò)對(duì)油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)事故中的相關(guān)屬性進(jìn)行形式化表示，將收集到的所有油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)案例進(jìn)行分解后，使用OWL語(yǔ)言表述，運(yùn)用本體軟件 Protégé 4.3，建立風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體模型，油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體部分展示見(jiàn)圖3。由于每個(gè)案例涵蓋的信息面比較廣泛，我們可以根據(jù)不同的案例添加不同的概念及實(shí)例。

圖3 油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體部分展示

1.2 案例檢索

在油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行案例推理，對(duì)相似案例進(jìn)行合理利用或修正，快速生成解決辦法，合理決策。

1.2.1 案例屬性相似度計(jì)算

提取油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體的知識(shí)屬性，源案例Xi的相關(guān)概念屬性為：

(1)

目標(biāo)案例Y的概念屬性表示為：

Y={y1,y2,…,yj,…,ym}

(2)

式中：yj為目標(biāo)案例的第j個(gè)相關(guān)概念屬性值。

在油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)中，屬性分為語(yǔ)義屬性和數(shù)值屬性，對(duì)應(yīng)的屬性相似度不同，計(jì)算方法如下：

(1)語(yǔ)義屬性相似度

語(yǔ)義屬性常用的衡量方法是通過(guò)計(jì)算語(yǔ)義距離來(lái)計(jì)算語(yǔ)義屬性相似度。在構(gòu)建的施工風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體模型上，確定需要衡量的語(yǔ)義屬性概念節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系路徑長(zhǎng)度。為了降低通過(guò)關(guān)系路徑來(lái)刻畫(huà)相似程度的片面性，引入概念間的最近共同上層概念點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體初始點(diǎn)的距離，即計(jì)算關(guān)系路徑總距離來(lái)度量相似度計(jì)算。

定義1：a和b是風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體中的任意兩個(gè)概念節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)的本體路徑距離dist′(a,b)的確定如下：

如果a和b在風(fēng)險(xiǎn)本體中是相同概念的節(jié)點(diǎn)，則dist′(a,b)=0 ；

如果a和b在風(fēng)險(xiǎn)本體中沒(méi)有關(guān)系，則dist′(a,b)不存在；

否則，dist′(a,b)是a到b之間關(guān)系路徑的總和。

定義2：在知識(shí)本體結(jié)構(gòu)中，假如Na是節(jié)點(diǎn)a代表的概念，Nb是節(jié)點(diǎn)b代表的概念，則兩種概念點(diǎn)的語(yǔ)義屬性相似度為：

(3)

式中：N為Na和Nb的最近共同上層概念點(diǎn)到風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體初始點(diǎn)的總和距離。

根據(jù)定義1，2，語(yǔ)義屬性相似度計(jì)算公式為：

(4)

(2)數(shù)值屬性相似度

(5)

1.2.2 屬性權(quán)重的計(jì)算

確定案例特征屬性權(quán)重的方法較多，可以采用層次分析法、專家打分法等，限于文章篇幅，本文采用較為簡(jiǎn)單快捷的專家估計(jì)法確定屬性權(quán)重[15]，權(quán)重越大，代表對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件的影響力越大。設(shè)概念屬性U=(u1,u2,…,um)?，F(xiàn)有n位油田地面工程建設(shè)領(lǐng)域的專家各自獨(dú)立客觀地給出各屬性權(quán)重ωmi，取各個(gè)專家估計(jì)的權(quán)重均值作為屬性權(quán)重ωm。

ω=(ω1,ω2,…,ωm)

(6)

(7)

1.2.3 相似案例的匹配

對(duì)于目標(biāo)案例與案例庫(kù)中樣本案例之間相似案例匹配，我們采用案例綜合相似度進(jìn)行計(jì)算。定義基于知識(shí)本體的目標(biāo)案例Y和源案例Xi的綜合相似度SIM(Y,Xi)的計(jì)算為：

(8)

1.2.4 案例修正

一般情況下，“關(guān)鍵屬性”是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因。在利用相似度屬性閾值條件匹配最相似案例后，需要進(jìn)行“關(guān)鍵屬性”的閾值判斷是否需要修正匹配案例的應(yīng)急措施。關(guān)鍵屬性的相似度閾值θ的確定方法是根據(jù)以往類似事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算其Spearman相關(guān)系數(shù)，取相關(guān)系數(shù)最小值為θ。如果關(guān)鍵屬性ρ0≥θ，則可以參考此源案例的風(fēng)險(xiǎn)控制措施；如果ρ0<θ，進(jìn)而啟用規(guī)則推理進(jìn)行修正，運(yùn)用Jess推理機(jī)推理有針對(duì)性地得出目標(biāo)案例的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，最終形成油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急措施。

當(dāng)Jess推理機(jī)啟用規(guī)則推斷時(shí)，規(guī)則采用“IF-THEN”的形式，前提或條件為“IF”，操作和結(jié)果是“THEN”。規(guī)則形式為“IF{Ri}, THEN{D1,T1}”，以目標(biāo)案例的關(guān)鍵屬性為前提，如果前提條件邏輯正確，則可以執(zhí)行其措施; 否則，將忽略其措施，并判斷下一個(gè)規(guī)則[16]。

2 實(shí)例分析

某油田地面工程建設(shè)項(xiàng)目支線穿越標(biāo)段，工程內(nèi)容包括管溝開(kāi)挖、管線穿越、對(duì)口連頭。套管中鋪設(shè)尺寸為Φ168.3×5.6 mm天然氣管道。管材采用鋼筋混凝土套管，直徑1.2 m，長(zhǎng)度2.5 m，數(shù)量23根，總長(zhǎng)度為57.5 m。穿越處土質(zhì)為鵝卵石，連頭作業(yè)處土質(zhì)為粘質(zhì)粉土、細(xì)粉砂層，管溝底部為卵石夾圓礫。作業(yè)時(shí)，管溝突然發(fā)生坍塌。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)指揮部排查，專家分析事故原因主要是施工不當(dāng)，放坡不夠。造成的后果是預(yù)計(jì)工期延誤5 d，人員傷亡1名。根據(jù)本文提出的施工風(fēng)險(xiǎn)控制方法來(lái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理。在風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體中，相關(guān)概念屬性相似度越高，風(fēng)險(xiǎn)案例越相似，越具有參考價(jià)值。通過(guò)石油行業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值，設(shè)定油田地面工程風(fēng)險(xiǎn)屬性閾值θ= 0.8 ，ρ0=0.7。

2.1 屬性相似度計(jì)算

根據(jù)油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)案例的基本信息，選取了符合知識(shí)本體層析的重要特征概念來(lái)分析。假設(shè)歷史案例庫(kù)中共有5個(gè)施工風(fēng)險(xiǎn)控制案例，目標(biāo)案例與源案例的語(yǔ)義屬性和數(shù)值屬性分別見(jiàn)表2，3。

表2 語(yǔ)義屬性

表3 數(shù)值屬性

2.2 屬性權(quán)重確定

現(xiàn)邀請(qǐng)了5位油田地面工程建設(shè)方面的專家對(duì)于發(fā)生的目標(biāo)案例的權(quán)重進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 專家估計(jì)法確定屬性權(quán)重

由式(6)(7)，得到各屬性權(quán)重分別為：ω=(0.10,0.40,0.20,0.30)。根據(jù)權(quán)重排序，因?yàn)樗念悓傩灾袡?quán)重最大的是“放坡比”，所以案例匹配的關(guān)鍵屬性為“放坡比”。

2.3 案例相似度匹配

以目標(biāo)案例和源案例1的屬性相似度計(jì)算為例，通過(guò)表2，3中的語(yǔ)義屬性值和數(shù)值屬性值，結(jié)合圖1中的油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)部分知識(shí)本體模型，根據(jù)相似度計(jì)算式(4)(5)可得，目標(biāo)案例和源案例1中各概念屬性相似度為sim= [0.71,0.73,1,1]；由式(8)可知，風(fēng)險(xiǎn)案例1與目標(biāo)案例之間的綜合相似度為0.863。

類似地，根據(jù)式(4)(5)計(jì)算余下源案例與目標(biāo)案例相似度，并將結(jié)果匯總于表5。

表5 概念屬性相似度計(jì)算

通過(guò)表5的綜合相似度計(jì)算結(jié)果可知，源案例1與目標(biāo)案例是最匹配案例，綜合相似度最大，為0.863，即源案例1與目標(biāo)案例最相似。

2.4 案例修正

通過(guò)進(jìn)行案例相似度匹配，得到的結(jié)果是案例庫(kù)中與目標(biāo)案例最為相似的是源案例1。再根據(jù)關(guān)鍵屬性閾值條件判斷是否需要啟動(dòng)規(guī)則推理，源案例1與目標(biāo)案例的關(guān)鍵屬性“放坡比”相似度0.73，小于預(yù)先設(shè)定的關(guān)鍵屬性閾值0.8。所以不能直接應(yīng)用源案例1的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，需要啟用規(guī)則推理，啟用Jess推理機(jī)可以根據(jù)條件進(jìn)行規(guī)則推理對(duì)源案例1中的風(fēng)險(xiǎn)控制措施進(jìn)行修改。將“放坡比(Slope ratio≥1∶0.5)”作為前提條件，將 “邊坡失穩(wěn)”“管溝塌方”“作為規(guī)則進(jìn)行推理：

規(guī)則1：IF“放坡比(Slope ratio≥1∶0.5)”AND“邊坡失穩(wěn)”，THEN“使用排樁+內(nèi)支撐基坑支護(hù)”。

規(guī)則2：IF“放坡比(Slope ratio≥1∶0.5)”AND“邊坡塌方”，THEN“及時(shí)準(zhǔn)備防塌方機(jī)械、防塌方材料”。

最終的風(fēng)險(xiǎn)控制措施的制定，是在參考源案例1中風(fēng)險(xiǎn)事件的控制措施的基礎(chǔ)上推理形成針對(duì)目標(biāo)案例的風(fēng)險(xiǎn)控制措施：

OUTPUT={使用排樁+內(nèi)支撐基坑支護(hù)；及時(shí)準(zhǔn)備防塌方機(jī)械、防塌方材料}

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)控制方法的研究，得出了如下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)控制案例進(jìn)行形式化表示，建立油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)知識(shí)本體模型，為相似案例推理提供基礎(chǔ)；

(2)基于案例推理技術(shù)，通過(guò)計(jì)算目標(biāo)案例與源案例的屬性相似度，進(jìn)行案例匹配，提高了油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)控制管理的效率；

(3)通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證分析，對(duì)關(guān)鍵屬性相似度低于閾值的案例運(yùn)用Jess推理機(jī)推理，提高油田地面工程施工風(fēng)險(xiǎn)控制措施的針對(duì)性。