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基于多維云模型的埋地并行油氣管道風(fēng)險評價研究*

2022-08-10 09:47游亞菲詹鈺鑫
關(guān)鍵詞:管段油氣權(quán)重

張 鵬,游亞菲,王 璟,詹鈺鑫

(西南石油大學(xué) 土木工程與測繪學(xué)院,四川 成都 610500)

0 引言

目前,我國已進入管道建設(shè)蓬勃發(fā)展時期[1],在役管道越來越多地出現(xiàn)并行敷設(shè)的情況,而油氣長輸管道建設(shè)受路由環(huán)境所限,其在建設(shè)時遵循“能并行宜并行”的原則。除了便于選線踏勘之外,部分地段和區(qū)域還因走廊帶、國土空間規(guī)劃、城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃等政府的要求必須并行敷設(shè)。相較于單管敷設(shè),多管并行敷設(shè)有利于減少開挖工程建設(shè)費用和工程投產(chǎn)后的運營、維護和集中統(tǒng)一管理?;谝陨蟽?yōu)勢,并行敷設(shè)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到中緬管道、西氣東輸、中亞管道等大型管道工程項目中。雖然一定程度解決了土地糾紛,但以較近間距敷設(shè)多根管道必將升級管道失效可能性。較為成熟的單管風(fēng)險評價方法將不再適用于并行管道風(fēng)險評估。對于現(xiàn)已存在的管道并行敷設(shè)工況,相應(yīng)的風(fēng)險評價方法還未推出,因此,之前的研究發(fā)現(xiàn),可在原單管風(fēng)險方法的基礎(chǔ)上增加指標(biāo)“相鄰管道干擾”以表征并行敷設(shè)引起的風(fēng)險增量[2]。

風(fēng)險評價方法采用較多的是打分法(肯特法)、修正系數(shù)法、以及全概率法[3],方法的準(zhǔn)確性和操作難易程度逐漸遞增。為突破傳統(tǒng)評價方法難以捕捉風(fēng)險因素的不確定性,國內(nèi)外學(xué)者引入相關(guān)數(shù)學(xué)方法結(jié)合到油氣管道風(fēng)險評價中,為管道安全等級判定提供理論依據(jù)。故障樹與模糊理論[4]、灰色理論[5]、模糊層次分析[6]、可拓法理論[7-8]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊推理系統(tǒng)(FIS)[9]、Bow-tie模型[10]等被引入管道風(fēng)險評估程序中。這些方法提高了風(fēng)險評價的準(zhǔn)確性并成功應(yīng)用于工程實際,但不同的判斷依據(jù)和理論分析方法有自身的局限性,如:模糊數(shù)學(xué)法的隸屬度函數(shù)確定時存在一定的主觀性;灰色理論在面對數(shù)據(jù)量較大、信息波動分散性大時,存在評價精度不高的問題;模糊層次分析法在計算權(quán)重過程中主觀性較強,存在不滿足判斷矩陣的可能;可拓方法在評價過程中可能會遺漏一些約束條件,導(dǎo)致結(jié)果與實際存在偏差。此外,常規(guī)單管風(fēng)險評價方法不涉及并行相互干擾因素,不適用于評價并行管道風(fēng)險。

由事故調(diào)查發(fā)現(xiàn),并行管道間相互干擾的方式具有時效性,例如在噴射火產(chǎn)生的熱輻射下,相鄰管道失效概率是時間的函數(shù)。因此,在風(fēng)險評估中應(yīng)該納入時間因素,從而能夠有效分析并行管道間相互干擾情況下的不確定性及耦合,傳統(tǒng)的分析方法只考慮了單一類型的不確定性,特別強調(diào)對象的靜態(tài)狀態(tài),沒有過多關(guān)注不確定現(xiàn)象的動態(tài)特性和不確定信息與確定信息之前的關(guān)系和變化。

此外,基于多種失效因素的并行管道風(fēng)險評價中不可避免地會涉及到權(quán)重確定的合理性問題,這是并行管道風(fēng)險評價準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。為了解決評價指標(biāo)的模糊性和隨機性,減少人為判斷的影響,引入多維云模型[11-12]能體現(xiàn)定性概念和定量數(shù)字描述轉(zhuǎn)換過程中的不確定性,但隨著指標(biāo)和樣本數(shù)量的增多,一維正態(tài)云模型的計算過程可能會更加復(fù)雜,且不能體現(xiàn)多因素之間的相互影響作用。并行管道風(fēng)險因素本質(zhì)上是模糊和不確定的。常規(guī)方法中的模糊數(shù)學(xué)法只能處理因素之間的模糊性,可靠性方法只能處理不確定性問題,多維云模型的引入可以同時處理風(fēng)險因素的模糊性和不確定性。

并行敷設(shè)同時升級了管道和路由環(huán)境的風(fēng)險,為提高風(fēng)險評價準(zhǔn)確性以有效支撐管道完整性維護,保證油氣管道在多管并行敷設(shè)下安全運行,本文提出1種基于博弈論-多維云模型的風(fēng)險評價方法。建立并行管道風(fēng)險評價指標(biāo)體系,通過結(jié)合熵權(quán)法改進層次分析法,從而確定主客觀權(quán)重,再經(jīng)博弈論組合賦權(quán)法綜合計算指標(biāo)權(quán)重。其次,運用多維云模型理論確定風(fēng)險等級,通過修正各風(fēng)險評分項的等級區(qū)間并結(jié)合指標(biāo)權(quán)重,計算出各級的綜合確定度,并進行等級評判。最后,將該方法應(yīng)用于工程實例,驗證本文評價方法的適用性。研究結(jié)果可為油氣管道風(fēng)險評價提供新的思路。

1 方法

針對國內(nèi)某管段埋地并行油氣管道,提出基于博弈論-多維云模型的風(fēng)險評價方法,具體流程如圖1所示。

圖1 多維云模型并行油氣管道風(fēng)險評價流程

1)建立埋地并行油氣管道風(fēng)險因素指標(biāo)體系,并確定各層次結(jié)構(gòu)的指標(biāo)個數(shù)和指標(biāo)分級情況,設(shè)其分為n級,確定每個指標(biāo)的評價范圍,判斷指標(biāo)隨著等級是單調(diào)遞增還是單調(diào)遞減。

2)根據(jù)式(1)~(5)計算各級風(fēng)險因素指標(biāo)的主觀、客觀權(quán)重,為較好反映各指標(biāo)在風(fēng)險評價過程中的貢獻程度,本文采用博弈論組合賦權(quán)計算綜合權(quán)重,根據(jù)式(6)~(9)計算所得。

3)根據(jù)式(10)~(12)確定并行管道多維云模型的3個數(shù)字特征(Ex,En,He),并模擬生成某失效因素等級的多維聯(lián)系云。

4)計算出各管段對應(yīng)的隸屬度,再依據(jù)最大隸屬度原則結(jié)合所求綜合權(quán)重計算各評價云的綜合確定度,重復(fù)以上步驟對并行油氣管道風(fēng)險因素進行等級評估。

1.1 博弈論組合賦權(quán)

1)改進的AHP確定主觀權(quán)重

本文采用重要標(biāo)度構(gòu)造初始判斷矩陣,從而改進AHP計算主觀權(quán)重,避免一致性檢驗,判斷矩陣R=[Tij]滿足以下條件:1)Tij>0;2)rii>0;3)rij=1/rji;4)rij=rik·rkj。其中rij為第i個指標(biāo)相對于第j個指標(biāo)的標(biāo)度值,標(biāo)度值含義見表1。

表1 重要標(biāo)度的判斷尺度含義

設(shè)有m個評價指標(biāo),x1,x2,…,xm,確定各指標(biāo)標(biāo)度值之后。按照重要度不減的原則進行主觀排序,根據(jù)重要度的傳遞性得到判斷矩陣的其他因素,對應(yīng)標(biāo)度記為ti,最終的判斷矩陣R如式(1)所示:

(1)

由此可確定并行管道各指標(biāo)的主觀權(quán)重如式(2)所示:

(2)

式中:ai為指標(biāo)的主觀權(quán)重;rij為第i個指標(biāo)相對于第j個指標(biāo)的標(biāo)度值;m為指標(biāo)個數(shù)。

2)層次熵權(quán)法計算客觀權(quán)重

熵權(quán)法[13]是1種通過計算各指標(biāo)間變異程度來衡量指標(biāo)客觀權(quán)重的方法,該方法是基于已有樣本數(shù)據(jù)充分挖掘并行油氣管道各指標(biāo)風(fēng)險因素的客觀信息,不同于常規(guī)的熵權(quán)法,主要在于計算權(quán)重時充分考慮了指標(biāo)的每個層次結(jié)構(gòu),對評價指標(biāo)的目標(biāo)層和指標(biāo)層風(fēng)險因素進行客觀賦權(quán),避免了不同層次結(jié)構(gòu)指標(biāo)權(quán)重的相互影響。

算法步驟如下:

①設(shè)共含有m個風(fēng)險因素,調(diào)查n個管段,第i個風(fēng)險因素對于第j個管段的重要性記為xij,得到初始評價指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣X=(xij)m×n。

②對初始判斷矩陣進行預(yù)處理,如式(3)所示:

(3)

式中:rij為第i個指標(biāo)相對于第j個指標(biāo)的標(biāo)度值;pij為歸一化處的結(jié)果。

③第i項風(fēng)險因素的熵值,如式(4)所示:

(4)

④第i項風(fēng)險因素基于上層目標(biāo)而言的熵權(quán),即客觀權(quán)重如式(5)所示:

(5)

3)博弈論組合賦權(quán)法綜合權(quán)重

改進的AHP算法,能夠集合專家的經(jīng)驗,反映工程實際的實時性和風(fēng)險因素的不確定性;層次熵權(quán)法雖能有效結(jié)合工程項目的客觀數(shù)據(jù),但未能體現(xiàn)專家的意見。合理的全面評價既要兼顧專家的意見,也要考慮項目的實際情況,為確保評價兼顧的前瞻性,將博弈論組合賦權(quán)法引入并行管道風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重計算中,使得所求的綜合權(quán)重與不同權(quán)重之間差異較小,避免主、客觀權(quán)重的沖突性,并保持其一致性[15],基本理論如下:

(6)

式中:ai為指標(biāo)的主觀權(quán)重;m為指標(biāo)個數(shù)也即權(quán)重個數(shù);W為綜合權(quán)重。

(7)

根據(jù)矩陣本身的微分性質(zhì),可得出一階導(dǎo)數(shù)優(yōu)化后的條件,如式(8)所示:

(8)

其對應(yīng)的線性方程組,如式(9)所示:

(9)

求出上述線性方程的解ai,并代入式(6),即可得綜合權(quán)重W。

1.2 并行管道多維云模型構(gòu)建

1)多維云模型風(fēng)險評價方法

在一維云模型的基礎(chǔ)上推廣至多維云模型,模型基本定義[16]如下:設(shè)C是論域U={xx,x2,…,xn}上的定性概念表達,若C中的元素{xx,x2,…,xn}對于確定度μ(x(x1,x2,…,xn))∈[0,1],且服從正態(tài)分布,x(x1,x2,…,xn)=N(Ex(Ex1,Ex2,…,Exm))則滿足正態(tài)分布,如式(10)~(12)所示:

(10)

(11)

He=β

(12)

2)并行管道評價指標(biāo)體系的建立

對并行油氣管道埋地敷設(shè)情況常見案例進行分析和匯總,查閱相關(guān)文獻,針對并行管道在埋地敷設(shè)的情形下,對影響并行管道失效可能性的關(guān)鍵風(fēng)險因素建立風(fēng)險評價體系,并劃分為Ⅰ級(低),Ⅱ級(較低),Ⅲ級(中等),Ⅳ級(較高),Ⅴ級(高)5個級別,如表2所示。

表2 并行管道埋地敷設(shè)風(fēng)險評價體系和等級劃分

并行間距能夠有效避免相鄰管道的影響,隨著并行間距的增大,相鄰管道的影響程度隨之減少。土壤壓實度表征管道上方及管間土壤壓實厚的密度,壓實度越大,沖擊波及熱輻射傳播越弱。土壤導(dǎo)熱系數(shù)間接反映了土壤間的熱輻射,中間土壤會對熱輻射起到衰減作用,從而減少風(fēng)險的發(fā)生。在介質(zhì)流速較快的情況下,介質(zhì)會帶走相鄰管道的熱輻射熱量,減少相鄰管道的熱輻射通量,從而減少噴射火、池火或蒸汽云爆炸等事故的發(fā)生。管徑直接反映了并行管道之間的輸送壓力,隨著管徑增加,相鄰管道峰值應(yīng)力近似線性增加,增加管道的失效概率。相鄰管道峰值應(yīng)力隨管道埋深不斷減小,當(dāng)埋深達到3.3 m時,管道峰值應(yīng)力小于管道屈服強度,此時管道處于安全區(qū)域,但為避免再次受到熱輻射的影響,相鄰管道埋深應(yīng)大于3.3 m。應(yīng)急響應(yīng)時間指油氣管道出現(xiàn)異常,尤其是發(fā)生泄漏事故,可以及時進行預(yù)警預(yù)報的時間。上下游截斷閥間距對管道泄漏失效瞬態(tài)參數(shù)有明顯影響,上下游截斷閥間距越大,管道內(nèi)油氣儲量越大,產(chǎn)生的后果越嚴(yán)重。本文所選取的并行管道評價指標(biāo)能夠有效反應(yīng)“相鄰管道干擾”,以表征并行敷設(shè)引起的風(fēng)險增量。

一維云模型通常要求指標(biāo)在無限間隔內(nèi)服從正態(tài)分布,但指標(biāo)的測量值通常是模糊的,從而導(dǎo)致實際與預(yù)測產(chǎn)生偏差,根據(jù)文獻[17]對指標(biāo)區(qū)間進行修訂,如式(13)~(15)所示:

(13)

當(dāng)評價指標(biāo)為增長型時:

(14)

當(dāng)評價指標(biāo)為消耗型時:

(15)

3)并行管道綜合確定度計算

確定并行管道埋地敷設(shè)影響因素風(fēng)險等級的步驟如下:

①根據(jù)并行管道埋地敷設(shè)風(fēng)險評價指標(biāo)和等級劃分(表2),代入式(10)得多維云數(shù)字特征Ex;

③所求的En代入式(16)產(chǎn)生服從正態(tài)分布的隨機數(shù)En′;

(16)

(17)

(18)

⑤重復(fù)上述4個步驟可得并行管道各管段的風(fēng)險評價等級的綜合確定度,根據(jù)最大隸屬度原則結(jié)合可視化的二維云圖,最終確定并行管道埋地敷設(shè)影響因素的風(fēng)險等級。

2 實例分析

2.1 實例參數(shù)

我國某油氣管道工程是我國西南重要的能源命脈,國內(nèi)段干線全長1 744.2 km,選取該工程其中7個管段,對相關(guān)風(fēng)險評價指標(biāo)進行數(shù)據(jù)收集,將獲取的數(shù)據(jù)通過表2等級劃分標(biāo)準(zhǔn)處理得到表3中的數(shù)據(jù)。

表3 埋地并行管道7個管段的評價數(shù)據(jù)

2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

1)計算主觀權(quán)重

根據(jù)上文改進的AHP層次分析法,結(jié)合文獻[18],計算埋地敷設(shè)并行管道各指標(biāo)的評價矩陣,如式(19)所示:

(19)

R根據(jù)式(1)可得最后的判斷矩陣R,如式(20)所示:

(20)

R根據(jù)式(2)可得各指標(biāo)的主觀權(quán)重W1為0.344 7,0.224 0,0.143 3,0.029 2,0.095 8,0.028 5,0.061 2,0.073 2。

2)計算客觀權(quán)重

對埋地并行管道7個管段的評價數(shù)據(jù)進行處理,根據(jù)式(3)~(5)計算并行管道埋地敷設(shè)8個風(fēng)險指標(biāo)的熵值和熵權(quán),并進行排序,計算結(jié)果見表4。

由表4中熵值、熵權(quán)的排序結(jié)果可知:熵值越大,對于風(fēng)險因素的熵權(quán)越小。

表4 埋地并行管道熵值、熵權(quán)結(jié)果匯總

3)確定綜合權(quán)重

按上文所述步驟,根據(jù)式(1)~(2)可得各風(fēng)險因素的主觀權(quán)重W1為:0.344 7,0.224 0,0.143 3,0.029 2,0.095 8,0.028 5,0.061 2,0.073 2。

根據(jù)層次熵權(quán)法,由式(3)~(5)計算出各風(fēng)險因素的客觀權(quán)重W2為:0.086 6,0.134 5,0.150 2,0.103 8,0.139 7,0.133 7,0.110 7,0.140 9。

按式(9)求出主觀權(quán)重和客觀權(quán)重的系數(shù)歸一化處理后分別為:a1=-0.011 2,a2=1.011。

利用博弈論組合賦權(quán)法,由式(6)計算出各風(fēng)險因素的綜合權(quán)重Wp為:0.083 7,0.133 5,0.150 3,0.104 6,0.140 2,0.134 8,0.111 2,0.141 6。

2.3 評價結(jié)果分析

基于本文的多維云計算模型,由式(10)~(12)計算各評價指標(biāo)的對應(yīng)的數(shù)字特征(Ex,a左,a右,En左,En右,He,k左,k右)。以管段3的風(fēng)險等級Ⅲ為例,求得數(shù)字特征值結(jié)果如表5。計算出各指標(biāo)對應(yīng)等級的多維云數(shù)字特征后,采用Matlab以2 000個云滴模擬各評價等級的云圖,以指標(biāo)C1為例,即可生成評價指標(biāo)C1的一維聯(lián)系云,該指標(biāo)各等級對應(yīng)的多維云數(shù)字特征如表6所示。當(dāng)增加評級指標(biāo),從一維聯(lián)系云擴展到多維聯(lián)系云時,以指標(biāo)C1和指標(biāo)C2為例,同樣計算其各等級多維云數(shù)字特征,生成4朵三維云,每朵云圖對應(yīng)評價指標(biāo)的等級,模擬出二維云滴圖,如圖2所示,可以看出,并行間距和土壤壓實度風(fēng)險等級云圖位于綜合風(fēng)險云的Ⅱ級~Ⅲ級,處于較低風(fēng)險與中等風(fēng)險之間,表明風(fēng)險可以接受。

圖2 并行間距和土壤壓實度組合的二維聯(lián)系云

表5 管段3第Ⅲ等級的多維云數(shù)字特征

表6 C1各等級多維云數(shù)字特征

多維云模型建立完成后,輸入7個管段的評價數(shù)據(jù),由式(18)計算各指標(biāo)的綜合確定度,按照趨于保守的原則來判斷各指標(biāo)的風(fēng)險等級,具體步驟是:1)首先根據(jù)最大隸屬度原則來確定指標(biāo)風(fēng)險等級;2)根據(jù)表7中的數(shù)據(jù)判斷是否有達到0.7的確定度,若存在,則表示其為較高風(fēng)險等級;3)綜合前2個步驟確定最終的評價指標(biāo)風(fēng)險等級。按照以上步驟,得到埋地敷設(shè)并行管道7個管段的評價指標(biāo)風(fēng)險等級,具體如表7所示。

表7所示,本文提出的模型與實際情況基本符合,對于管段2的評價與實際結(jié)果有所出入,但在合理范圍內(nèi);本文和CRITIC多維云模型評價基本符合,風(fēng)險等級為Ⅳ級,而集對分析-多維云模型評價等級為Ⅲ級。通過對7個管段的風(fēng)險等級進行單獨考察,有5個管段的指標(biāo)風(fēng)險等級為Ⅲ級,2個管段風(fēng)險等級為Ⅳ級,管段的整體風(fēng)險評價結(jié)果良好,與其他2種評價方法相比,具有較高的準(zhǔn)確率,表明本模型在評價埋地敷設(shè)并行管道風(fēng)險指標(biāo)的有效性和合理性。

表7 實例評價結(jié)果及對比分析

3 結(jié)論

1)本文提出1種基于博弈論-多維云模型的埋地并行油氣管道風(fēng)險評價方法。為使指標(biāo)權(quán)重更加客觀,采用改進AHP法確定主觀權(quán)重,進而使用層次熵權(quán)法確定客觀權(quán)重,再通過博弈論組合賦權(quán)的手段去綜合權(quán)重。運用多維云模型方法對埋地并行油氣管道進行風(fēng)險等級評價,該評價方法易操作、評價準(zhǔn)確度高。

2)為表征并行敷設(shè)“相鄰管道干擾”引起的風(fēng)險增量,建立埋地并行油氣管道風(fēng)險評價指標(biāo)體系。通過多維云模型方法計算綜合確定度來評判指標(biāo)的風(fēng)險等級,突破傳統(tǒng)評價方法難以同時捕捉風(fēng)險因素的模糊性和不確定性。

3)本文的局限性在于對埋地并行油氣管道的風(fēng)險評價仍然是1個半定量的評價方法,所求的是相對風(fēng)險。

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