摘要：综合分析了燃气管网安全评价中多因素相互作用指标体系，基于耦合理论探讨了安全影响因素一级评价指标间的协调程度，建立了燃气管网多因素相互耦合模型，以哈尔滨某区燃气管网为例，进行了多因素相互耦合的定量分析。
关键词：燃气管网；安全评价；安全影响因素；耦合；耦合度
Mutual Coupling Analysis of Safety Impact Factors of Gas Network
WANG Qing-shu，TAN Yu-fei，QI Hua-yun
Abstract：The index system of multi-factor interaction in safety assessment of gas network is comprehensively analyzed. The coordination degree among first-level assessment indexes for the safety impact factors 1s discussed based on the coupling theory，and a model for mutual coupling among multi-factors of gas network is established. Taking the gas network in a district of Harbin City for example，the quantitative analysis of mutual coupling among multi-factors is carried out.
Key words：gas network；safety assessment；safety impact factor；coupling；coupling degree
1 概述
作为城市生命线之一的燃气管网是复杂的系统性综合设施，其安全影响因素众多，地质灾害或外部干扰、腐蚀、管材或施工质量问题、运营管理不当等因素可导致长期服役的燃气管网发生失效事故，燃气管网安全问题日益突出，且燃气具有易燃、易爆、有毒等特点，燃气管网事故导致的经济损失巨大，因此，对供气的安全可靠性要求也越来越高[1]。燃气管网系统各安全影响因素相互耦合、相互影响，进行安全性评价时，不能仅对各因素进行单独分析，还应研究各因素的相互耦合作用，对燃气管网系统整体安全进行分析。本文将影响燃气管网安全的因素分为4个一级评价指标，建立相应的二级评价指标，对燃气管网安全影响因素进行多因素相互耦合的分析。
2 市政燃气管网安全评价指标的建立
天然气行业标准SY/T 6621—2005《输气管道系统完整性管理》将燃气管网的安全影响因素分为9类，包括外腐蚀危险、内腐蚀危险、应力腐蚀开裂危险、制造危险(管子和焊缝)、施工危险(管子环焊缝、制造焊缝、折皱弯曲、螺纹脱扣、管子或接头破裂)、设备危险(垫圈和O形圈、控制、泄压、密封、填料失效)、第三方损坏危险(第三方损坏立即失效、故意破坏、管子的旧损伤)、误操作危险、与天气有关的危险和外力危险(土体位移、暴雨或洪水、寒冷天气、雷击)。
燃气管网安全影响因素复杂，各影响因素间的相关性较强，部分因素对管网安全影响具有不确定性[2]，建立燃气管网安全评价指标体系尤其是与人有关的定性指标时，应该充分考虑指标的模糊性[3、4]；相互间没有影响或影响不大的因素划为同一级评价指标体系，利于说明一级评价指标间的相关性。本文在对燃气管网综合分析基础上，构建出燃气管网安全评价指标体系，共分为4个一级评价指标，分别为：与人有关的安全影响因素指标(简称人因因素)，与管道本体结构有关的安全影响因素指标(简称管体因素)，与管网所处的内外环境有关的安全影响因素指标(简称环境因素)，与管网维修管理有关的安全影响因素指标[5](简称管理因素)。每个一级评价指标包含多个二级评价指标，具体如下。
① 人因因素指标F1
a. 第三方野蛮施工破坏F1,1：主要指挖掘导致瞬间破坏、打桩导致穿孔破坏、施工致使管道移位或划痕导致滞后失效等。
b. 设计人员失误F1,2：包括设计合理性、材料选择、安全系数设计等因设计人员经验、资质造成的潜在失误。
c. 管道员工误操作F1,3：由于经验不足、知识欠缺或工作压力等造成的管道操作员工自身失误。
d. 员工素质与经验F1,4：包括职工的文化水平、获得技术职称的人数、安全技术的掌握程度、安全意识和安全态度等。
e. 公众风险教育和认识水平F1,5：主要指对城市居民和施工人员的教育宣传或培训、管网安全知识普及等。
② 管体因素指标F2
a. 管道埋深F2,1。
b. 管道内腐蚀F2,2：主要指管道内壁与输送燃气所含杂质间相互作用造成的腐蚀。
c. 管材制造与焊接缺陷F2,3：主要指管材本身破损、小裂纹或折皱弯曲，焊接时焊缝存在的缺陷或强度不足。
d. 管道壁厚F2,4。
e. 管道施工影响F2,5：主要指管网建设与维修期间的施工中可能存在的环焊缝缺陷、接头破坏、弯头应力集中、外保护层破坏等。
f. 使用年限F2,6。
g. 运行压力波动F2,7。
h. 管网设备故障F2,8：主要指控制泄压设备故障、密封填料失效、0型垫片失效、管网厂站设备故障等。
③ 环境因素指标B
a. 管道外腐蚀F3,1：主要有土壤腐蚀、大气腐蚀、管-地电位腐蚀、散杂电流影响等。
b. 管道应力腐蚀F3,2。
c. 与天气有关因素F3,3：主要指气温过低、雷击、暴雨洪水等。
d. 土体移动F3,4。
e. 城市地质灾害F3,5：包括地震、地面沉降、砂土液化等。
④ 管理因素指标F4
a. 管道维修管理F4,1。
b. 安全防护应急措施F4,2：包括应急预案的编制、应急设备配置、事故管理等。
c. 管网事故报警系统F4,3。
d. 人员巡线频率F4,4。
e. 政策法律保障F4,5：管网安全规章和责任制是否健全、安全责任制是否明确、责任落实及监督情况等。
3 燃气管网安全影响多因素相互耦合模型
3.1 耦合及耦合度
耦合是指两个(或两个以上)系统或要素间通过相互作用而彼此影响的现象，系统或要素间存在相互依赖、相互协调、相互促进的动态关联关系。耦合度是描述系统或要素间相互影响的程度，系统由无序趋向有序，其关键在于系统内部各变量之间的协同作用，它们决定着系统变化的特征与规律，耦合度正是反映这种协同作用的度量[6]。
燃气管网系统安全影响因素4个一级评价指标间既相互制约又相互对应发展，它们产生的相互影响程度(即耦合度)反映一级评价指标间的协调程度。人因因素的控制、管理因素的加强可以减少管体因素和环境因素的影响，同时又会增加额外的成本，反过来制约人因因素和管理因素的改善，通过这4个一级评价指标相互作用使燃气管网的安全达到相对稳定平衡。
3.2 功效函数
① 确定最优指标向量
本文对二级评价指标采用专家打分法赋值，设二级评价指标Fi,j的值为ei,j，可得到一级评价指标的初值向量如下：
Ei=(ei,1，ei,2，…，ei,j，…，ei,m)T (1)
式中Ei——一级评价指标的初值向量
ei,j——二级评价指标Fi,j的值
m——一级评价指标包含的二级评价指标个数
设emax,i,j为二级评价指标的最优值，则：
Emax,i=(emax,i,1，emax,i,2，…，emax,i,j，…emax,i,m)T (2)
式中Emax,i——一级评价指标的最优指标向量
emax,i,j——二级评价指标Fi,j的最优值
② 确定评判向量
以Emax,i为参考向量，Ei为被比较向量，则二级评价指标与最优指标值间的关联度计算式为：
式中εi,j——二级评价指标Fi,j的值与其最优指标值间的关联度
k——二级评价指标序数，k=1，2，…，m
ρ——分辨系数，一般取0.5或小于0.5
min——取最小值函数
max——取最大值函数
一级评价指标的评判向量为：
Pi=(εi,1，εi,2，…，εi,j，…，εi,m)T (4)
式中Pi——一级评价指标E的评判向量
③ 确定二级评价指标权重
二级评价指标权重由相关专家进行评估，对两个二级评价指标之间的相对重要性进行比较，采用层次分析法计算，求得各二级评价指标的权重值，其值的大小即为该指标被接受的优先级。该工作共分为2个步骤：
第1步，建立成对比较矩阵。对二级评价指标以一级评价指标为准则进行成对比较，采用Satty 1～9标度法(见表1)对各要素进行赋值[7]。
表1 Satty 1～9标度法
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标度
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含义
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1
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两者重要性相同
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|
3
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一个因素比另一个因素稍重要
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5
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一个因素比另一个因素较重要
|
|
7
|
一个因素比另一个因素很重要
|
|
9
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一个因素比另一个因素极端重要
|
|
2、4、6、8
|
介于相邻重要程度之间
|
成对比较矩阵Ai为正倒值矩阵，矩阵中各要素不仅为正数，且具有倒数特征。成对比较矩阵如下：
式中Ai——一级评价指标E的成对比较矩阵
ai,j——第i个与第j个二级评价指标Satty 1～9标度值
wi——第i个二级评价指标准则权重
wj——第j个二级评价指标准则权重
第2步，计算准则权重向量并进行权重一致性检验。在计算矩阵Ai的一致性时，以矩阵Ai的最大特征值来取代，则求解准则权重向量公式如下：
(Ai-λmax,i)Wi=0 (9)
Wi=(w1，w2，…，wi，…，wm)T (10)
式中λmax,i——成对比较矩阵Ai的最大特征值
Wi——一级评价指标Fi的准则权重向量
专家所作判断的合理性程度需要进行一致性检验，以一致性指标(Consistency Index，CI)与一致性比率(Consistency Ratio，CR)来检验一致性。当两者均小于0.1时，可认为专家所作判断合理。
一级评价指标的综合指数计算式如下：
xi=Wi·Ai (11)
式中xi——一级评价指标E的综合指数
④ 构造一级评价指标功效函数
一级评价指标Fi对系统有序度的功效计算式如下：
式中ui——一级评价指标Fi对系统有序度的功效值
αi、βi——系统稳定时一级评价指标Fi综合指数的上、下限值
在系统中ui反映了各指标达到目标的满意程度，ui=0时为最不满意，ui=1时为最满意，ui的范围为[0，1]。
3.3 构建耦合度函数
根据物理学中的容量耦合概念及容量耦合系数模型确定两个系统的耦合度函数为：
式中uj——一级评价指标Fj对系统有序度的功效值
Ci,j——第i个与第j个一级评价指标的耦合度
推广得到多个系统整体的耦合度模型为：
式中C——系统整体的耦合度
系统耦合度值的范围为[0，1)。当0≤C＜0.3时，市政燃气管网4个一级评价指标间处于较低的耦合阶段，此时的燃气管网规模较小，人因因素、管体因素、环境因素、管理因素都不突出，彼此间的影响较小；当0.3≤C＜0.7时，4个一级评价指标间处于磨合期，管体因素、环境因素导致燃气管网的安全性降低，需要加强管理，投入人力物力来提高安全性，但这种投入是有限度的，需要进行综合考虑，使得燃气管网的安全性得到提高；当0.7≤C＜1时，4个一级评价指标间处于高度耦合，彼此相互促进，良性发展，有效的管理、适当的人力物力投入使得管体因素、环境因素对燃气管网安全性造成的不良影响得以降低，达到可接受的程度，保证燃气管网安全性处于低风险区。
4 实例研究
本文以哈尔滨某区燃气管网为例，首先采用调查表的形式，由11名该领域专家对二级评价指标打分(每个二级评价指标满分为10分)，取其平均值作为各二级评价指标的初值，得到初值向量Ei，分别为：
E1=(9，6，7，7，8)T
E2=(7，8，5，4，6，6，4，8)T
E3=(9，6，6，5，8)T
E4=(9，8，9，7，7)T
参考向量中的元素值全为10，得到最优指标值向量Emax,i；以该区燃气公司记录的近几年管网历史事故数据作参考，依据式(3)、(4)，综合计算出燃气管网安全影响因素各一级评价指标的评判向量为：
P1=(1，0.5，0.6，0.6，0.75)T
P2=(0.83，1，0.63，0.56，0.71，0.71，0.56，1)T
P3=(1，0.55，0.55，0.47，0.78)T
P4=(1，0.71，1，0.56，0.56)T
由专家对二级评价指标相对重要性进行比较，取其平均值构成成对比较矩阵：
通过mat lab计算得到各成对比较矩阵的最大特征值分别为：
λmax,1=5.06
λmax,2=8.08
λmax,3=5.03
λmax,4=5.01
二级评价指标构成的权重向量由式(9)计算，分别为：
W1=(0.44，0.06，0.11，0.11，0.28)T
W2=(0.07，0.27，0.13，0.07，0.20，0.03，0.03，0.20)T
W3=(0.33，0.17，0.17，0.08，0.25)T
W4=(0.28，0.17，0.17，0.28，0.10)T
一致性检验指标均满足要求，一级评价指标的综合指数由式(11)计算，分别为：
x1=0.812
x2=0.829
x3=0.750
x4=0.784
各专家根据历史经验确定一级评价指标变量的上、下限值，由式(12)计算得到各一级评价指标对管网安全的功效分别为：
u1=0.838
u2=0.516
u3=0.259
u4=0.782
最后，根据相互耦合度模型，由式(13)、(14)计算一级评价指标间及管网系统整体的耦合度，计算结果见表2。
表2 哈尔滨市某区燃气管网一级评价指标间及管网系统整体耦合度
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C1,2
|
C1,3
|
C1,4
|
C2,3
|
C2,4
|
C3,4
|
C
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|
0.486
|
0.425
|
0.500
|
0.472
|
0.489
|
0.432
|
0.343
|
由表2可知，燃气管网安全影响因素一级评价指标间均存在着耦合作用，尤其是人因因素和管理因素这两个一级评价指标间的耦合作用最强，人的行为会对管网的安全造成影响，设计施工时都有可能出现失误，加强管理可以导致这种失误减少，但是同时也增加成本，燃气公司应该进行综合考虑。因此，在对燃气管网进行安全性评价时，特别是在构建评价指标体系及设计算法时，应该从系统的整体功能出发，重点分析一级评价指标间的相互作用、相互影响，在此基础上对燃气管网系统进行安全性评价。燃气管网系统整体的耦合度为0.343，这表明燃气管网4个一级评价指标间还处于磨合期，不太协调，需要进一步改进。因此，应该加强燃气管网的安全管理，努力改善燃气管网所处的内外环境，如加强对职工的安全教育、提升安全设施的管理状况、加强安全检查和监察等。
参考文献：
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(本文作者：王清树 谭羽非 齐华云 哈尔滨工业大学 黑龙江哈尔滨 150090)
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