城市天然气管道占压隐患的模糊综合评价_安全运行

摘要

摘要：通过对多种风险评价方法的比较，确定采用模糊综合评价法对城市天然气管道占压隐患进行风险评价。应用模糊数学方法建立了城市天然气管道占压隐患的模糊综合评价模型。结合

摘要：通过对多种风险评价方法的比较，确定采用模糊综合评价法对城市天然气管道占压隐患进行风险评价。应用模糊数学方法建立了城市天然气管道占压隐患的模糊综合评价模型。结合实例，编制模糊综合评价软件对北京市城市天然气管道占压隐患进行评价。

关键词：风险评价；城市天然气管道；占压隐患；模糊数学

自1997年引进陕甘宁天然气以来，北京市城市天然气管道建设得到飞速发展。截至2008年底，北京市已有天然气管道长逾1×10⁴km，年输气量已超过52×10⁸m³。与此同时，随着城市建设进程不断加快，一些建构筑物占压天然气管道的情况陆续出现，严重威胁城市天然气管道的安全运行和管道沿线人民生命、财产安全。

目前，国内各城市在进行天然气管道占压隐患处理时，往往首先考虑处理方案的可行性，对那些易于拆除的违章建构筑物进行优先处理，而对不同隐患的危害程度的差异缺乏深入研究。因此，不可避免地造成部分占压隐患处理过程中，处理方法和处理顺序存在不合理性。因此，有必要对天然气管道占压隐患进行风险评价，以确保隐患处理顺序的合理性和隐患治理资金的使用效益最大化。

1 风险评价方法的选择

管道风险评价是一种基于理论分析、数据资料、运行经验和直观认识的风险分析与判断方法^[1]，经过逾30年的发展已形成了失效模式、影响和危害分析法、概率风险评价法、故障树分析法、指数法、专家评分法、模糊综合评价法等多种评价方法，其优缺点对比见表1。

城市天然气管道工作环境复杂，在管道设计、施工、运行和维护期间存在诸多诱发事故的因素，这些因素往往难以量化并在一定程度上具有模糊性。此外，各因素对管道的影响往往不是独立的，而是彼此关联的，各种因素间的关联关系随时间、地点等条件的不同而不同，具有很大的模糊性。由于模糊性的客观存在，使天然气管道占压隐患的各种风险影响因素难以被精确量化，常规的评价方法无法准确描述客观实际。基于以上原因，经过对各种评价方法的比较，本次研究确定采用模糊综合评价法对城市天然气管道占压隐患进行风险评价。

表1 管道风险评价方法的优缺点

风险评价方法	优点	缺点
失效模式、影响和危害分析法	方法较为简单；结果简洁明了；能处理有效信息；不需要特别的软件支持；适合对装置进行分析。	系统划分不易掌握，如果分析层次太浅，结果就不详细；如果分析层次太深，则工作量大。
概率风险评价法	具有比较完善的理论基础；比较容易移植；有可能与新兴的理论和技术相结合而获得对非确定系统安全状态进行定量评价的方法。	要求原始数据准确、充分，分析完整，判断和假设合理；并且能够准确描述系统中的不确定性。
故障树分析法	故障树具有直观性，可查明与事故发生有关的所有可能的原因；利用图形(树)明确地把分析对象的过程和结果形象地表示出来；制定预防事故的措施。	故障树分析定量计算系统的故障概率及其可靠性参数所需的很多基础数据，如事故发生率等难以得到。
指数法	指数法分析成本低，可利用所得资料进行直接处理；容易掌握，便于推广；评价时可以综合多方面的意见。	指数法难以考虑所有相关因素间的关系；评价时存在较大的主观性。
专家评分法	方法简单易行；可将专家的意见进行综合、归纳，充分发挥专家丰富的实践经验和理论知识。	当选择专家不当或处理专家意见不够合理时，容易使所得结果不够客观。
模糊综合评价法	较好地解决了风险评价中存在的大量模糊因素和不确定因素的量化问题，使评价结果更符合客观实际情况。	确定模糊关系矩阵和因素权重时，易存在主观差异。

2 模糊综合评价模型的建立

模糊综合评价通过构造等级模糊子集把反映被评价事物的模糊指标进行量化(即确定隶属度)，然后再利用模糊变换原理将各指标综合^[2]。建立模糊综合评价模型的步骤如下。

① 建立因素集

在本次研究中，所确定的因素应对管道占压隐患发生事故的可能性以及事故后果的严重性存在影响。因素集表示为：

U={u₁，u₂，…，u_k，…，u_n} (1)

式中u——因素集

u_k——第k个影响评价对象的因素

n——影响评价对象因素的数量，个

② 建立评价集

评价集是由评价者对被评价对象可能做出的各种评价结果组成的集合，一般以程度语言或评定取值区间为评价目标，集合中元素数量一般为奇数。评价集表示为：

V={v₁，v₂，…，v_l，…，v_m} (2)

式中V——评价集

v_l——第l个评价指标

m——评价指标的数量，个

③ 建立因素权重向量

由于各因素对管道占压隐患的影响程度不一样，因此需要考虑对各因素加权，引入权重向量E，E中各因素权重之和应为1。权重向量表示为：

E=(e₁，e₂，…，e_k，…，en) (3)

式中E——权重向量

e_k——因素集U中第后个因素u_k的权重

④ 建立模糊关系矩阵

根据各因素的模糊性，选择适当的隶属度函数，就可以得到相应的模糊关系矩阵R，表达式为：

R=[r_kl]n_×m (4)

式中R——模糊关系矩阵

r_kl——评价对象从因素u_k来看对v_l等级模糊子集的隶属度

⑤ 综合评价

将权重向量E与模糊关系矩阵R合成便得到对各因素的综合评价，综合评价结果矩阵表示为：

B=E·R=(b₁，b₂，…，b_l，…b_m) (5)

式中B——综合评价结果矩阵

b_l——从整体上看，被评价对象对v_l评价指标的隶属度

⑥ 评判指标处理

常用的评判指标处理方法有两种，最大隶属度法与加权平均法。由于最大隶属度法仅考虑了最大评判指标的贡献，舍去了其他指标提供的信息，这是很可惜的；另外，当最大评判指标不止1个时，用最大隶属度法很难得出具体评判结果^[3]。因此，本次研究采用加权平均法进行评判指标处理。

求出研究对象所隶属等级A，对照评价集V中等级指标可得出最终评价结果。A的计算式为：

式中A——研究对象所隶属等级

v_l——第1个评价指标取值

P——待定指数，可取1或2，一般估算可取1，精确计算可取2

3 天然气管道占压隐患模糊综合评价

本次研究中，对燃气管道占压隐患的评判标准参照GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》中对燃气管道与建筑物、构筑物、各类相邻管道之间的水平净距、垂直净距的要求。

① 建立因素集

据统计，截至2007年底，北京市共有天然气管道占压隐患695个。通过对管道占压隐患特点、国内外占压事故成因及后果进行综合分析，本次研究确定对天然气管道占压隐患有影响的因素主要有7个，因素集：U={占压物类型，占压形式，管道设计压力，管径，管材，使用时间，占压隐患发生区域}。

② 建立评价集

本次研究中将占压隐患的危险程度分为5级，即评价集：V={极大，较大，一般，较小，极小}。

③ 建立因素权重向量

确定各评价因素权重的常用方法有专家调查法、层次分析法、故障树法等，综合考虑评价指标的科学性、客观性、针对性、可操作性，本文采用专家调查法确定权重。专家调查法是确定事件发生概率的常用方法之一，该方法通过选择一定人数的专家组成评价小组，由分析人员把要评价的内容设计成含义明确的评价意见征询表，采用书面通信的方式请专家回答咨询，由专家根据自己的经验对评价事件发生的危险程度做出判断。影响因素权重评价意见征询空白表见表2。

本次研究课题组从专家库中随机选取城市燃气运行、管理、安全评价、设计等领域专家各3位，共计12位专家组成天然气管道占压隐患影响因素权重评价小组对各因素进行评价，并对评价结果进行处理。令评价等级V=｛极大，较大，一般，较小，极小}对应分值为V=｛9，7，5，3，1}，将专家评分值取算术平均后再进行归一化处理，即得到各因素权重的最终结果。影响因素权重向量：E=(0.22，0.16，0.17，0.09，0.06，0.17，0.13)

表2 影响因素权重评价意见征询空白表

危险程度	占压物类型	占压形式	管道设计压力	管径	管材	使用时间	占压隐患发生区域
极大
较大
一般
较小
极小
注：请在认为合适的等级上打“√”。

④ 建立模糊关系矩阵

根据北京市天然气输配管网现状和管道占压隐患调差结果，确定每种因素的水平，见表3。

与因素权重向量的确定方法相似，仍使用专家调查法对各因素水平对应的评分值进行评价。为了避免专家评分法中主观因素对评价结果的负面影响，选择与影响因素权重评价专家组不同的专家，仍包括城市燃气运行、管理、安全评价、设计等领域专家，各4位，共计16位专家。以天然气管道占压隐患中管道设计压力因素为例，管道设计压力对隐患影响程度专家意见征询空白见表4。

令评价等级V=｛极大，较大，一般，较小，极小｝对应分值V=｛9，7，5，3，1}，将专家评分值取算术平均后再进行归一化处理，即得到各因素水平评分值的最终结果。将管道占压隐患对应某因素u_k的相应水平的评分值x代入三角形隶属度函数中，可得到占压隐患某因素u_k的单因素评价向量。构造三角形隶属函数^[4]，其函数形式为：

表3 因素水平

影响因素名称	因素水平
占压物类型	砖混楼房	砖混平房	轻体建筑物	构筑物	市政设施	其他	—
占压形式	压线	近线	—	—	—	—	—
管道设计压力	高压A	高压B	次高压A	中压	低压	—	—
管径D	D＞700mm	500mm≤D＜700mm	400mm≤D＜500mm	300mm≤D＜400mm	200mm≤D＜300mm	100mm≤D＜200mm	D＜100mm
管材^a	焦化厂钢管	首钢公司钢管	燃气集团钢管	PE管	—	—	—
使用时间/a	＞40	30～40	20～30	10～20	<10	—	—
占压隐患发生区域	四环路以内	四环至五环之间	五环路以外	—	—	—	—
注a：北京市天然气管网钢管系统中，除由北京市燃气集团敷设外，另有部分钢管为20世纪90年代首钢公司与北京焦化厂敷设，该部分管道在管材选择、施工工艺要求、施工质量管理上与北京市燃气集团敷设的管道均存在一定差异，因此将钢管管材细分为3类：燃气集团钢管、首钢公司钢管、焦化厂钢管。

表4 管道设计压力对隐患影响程度专家意见征询空白表

危险程度	高压A	高压B	次高压A	中压	低压
极大
较大
一般
较小
极小
注：[1]请在认为合适的等级上打“√”。 [2]表中设计压力为目前北京市天然气输配系统中使用的设计压力。

式中x——专家评分值，x∈[0，10]

f₁(x)、f₂(x)、f₃(x)、f₄(x)、f₅(x)——隶属度函数，依次为被评价因素对评价集V的5个评价指标的隶属度

因此，占压隐患某因素u_k的单因素评价向量为：(f_k1(x)、f_k2(x)、f_k3(x)、f_k4(x)、f_k5(x))。模糊关系矩阵R的表达式为：

R=[f_kl(x)]₇_×5

⑤ 综合评价

采用上述方法，分别对下列天然气管道占压隐患进行评价，占压隐患特征描述见表5。

表5 占压隐患特征描述

序号	占压物类型	占压形式	管道设计压力	管径/mm	管材	使用时间/a	隐患发生区域
1	砖混平房	压线	中压	300	燃气集团钢管	＜10	四环路以内
2	构筑物(车库)	近线	低压	100	燃气集团钢管	10～20	四环路以内

将上述2处隐患各影响因素水平分别代入隶属度函数中，即可得到模糊关系矩阵R₁与R₂，将E=(0.22，0.16，0.17，0.09，0.06，0.17，0.13)及R₁、R₂分别代入式(5)，即可得到综合评价结果矩阵曰。经计算，B₁=[0.028 0.227 0.160 0.185 0.400]，B₂=[0.051 0.348 0.441 0.030 0.130]。

⑥ 评价指标处理

考虑到人们的习惯，在评价指标处理之前对评价集中危险程度的5个等级分别进行赋值，“极大”取100，“较大”取80，“一般”取60，“较小”取40，“极小”取20。根据式(6)，取P=2，分别求出两处占压隐患的模糊评价等级及模糊评分。隐患1得分82.14，危险等级处于危险较大与危险极大之间。隐患2得分54.56，危险等级处于危险较小与危险一般之间。

4 实例应用

以天然气管道占压隐患模糊综合评价方法为基础，根据占压隐患影响因素权重及各因素水平的评分结果，编制占压隐患风险评估软件。图1、2为天然气管道占压风险评价软件操作界面。

利用该软件将北京市695个占压隐患进行逐一评价，其中大部分隐患处于60～80分，共计655个，占总隐患数量的94.24%。

在对评价结果进行分析后，针对隐患的处理方式提出如下建议：

① 评价等级为危险较大及以上级别的隐患

此类隐患危害极大，建议应当立即处理。拆除造成隐患的建构筑物，如拆除有困难，可采用迁改燃气管道的方式消除隐患。

② 评价等级为危险较大以下级别的隐患

此类隐患虽然危害程度不是非常严重，但也对人民生命财产安全构成威胁，建议对此类隐患如有条件也应立即予以拆除。如果拆除存在困难，则近期可通过加强巡检、加大对周边居民的宣传教育力度等方式最大限度地保障运行安全，与此同时积极筹措资金，制定改造计划，分年度实施改造。

5 结语

本文采用模糊风险评价法对天然气管道占压隐患进行风险评价，并在此基础上提出处理占压隐患的建议。经实际应用，证明该方法可行、有效。该方法的主要优点如下：

① 将模糊数学的思想和方法引入天然气管道占压隐患的风险评价工作中，可以使风险评价工作更客观、评价结果更加接近实际情况，增加了决策的科学性。

② 应用模糊数学方法建立风险评价模型，可以全面考虑影响占压隐患的各种因素间的相互影响，既能够充分体现评价因素和评价过程的模糊性，又能尽量减少个人主观臆断所带来的弊端，比一般的专家评分法等方法更符合客观实际，评价结果更可靠。

③ 应用该方法，可以根据模糊评价等级区别出高、低风险隐患，有利于对高风险隐患及时处理，对低风险隐患进行长期监测。

④ 模糊风险评价法易于实现程序化，直观易懂，可操作性强，具有很高的应用价值。

参考文献：

[1] 马剑林，陈利琼，张鹏，等.油气管道定量风险评价体系研究[J].油气储运，2006，25(12)：24-27.

[2] 何淑静，周伟国.城市燃气安全管理状况的模糊综合评价[J].上海煤气，2004，(3)：40-43.

[3] 余建星，李建辉，黄国平，等.基于模糊综合评判的输油管道系统安全风险评估方法[J].中国海上油气(工程)，1998，10(2)：13-19.

[4] 邓强，彭世尼.埋地燃气管道腐蚀状况的模糊综合评价[J].煤气与热力，2009，29(1)：B08-B11.

(本文作者：牛亚楠张晓松福鹏张秀梅北京市煤气热力工程设计院有限公司北京 100032)