西氣東輸管道坡面水毀風(fēng)險變權(quán)綜合評價*

郭磊 劉凱 姚安林 蔣宏業(yè) 史爽

1中國石油西氣東輸管道公司 2中國石油天然氣與管道分公司 3西南石油大學(xué)

西氣東輸管道坡面水毀風(fēng)險變權(quán)綜合評價*

郭磊1劉凱2姚安林3蔣宏業(yè)3史爽3

1中國石油西氣東輸管道公司 2中國石油天然氣與管道分公司 3西南石油大學(xué)

在坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險因素辨識的基礎(chǔ)上，結(jié)合西氣東輸管道災(zāi)害易發(fā)地區(qū)的實際環(huán)境狀況和管理條件，可以將水毀災(zāi)害的風(fēng)險因素歸納為自然因素、管道敷設(shè)狀況、災(zāi)害活動以及設(shè)計與誤操作四大類。在進行管道坡面水毀風(fēng)險評價時，必須建立一個科學(xué)的權(quán)重賦值模型。采用變權(quán)方法對各因素的權(quán)重進行賦值，能夠克服常權(quán)賦值方法的缺陷，合理地反映各評價指標(biāo)的相對重要度和指標(biāo)值對管道風(fēng)險值的綜合影響。結(jié)合工程要求和各個變權(quán)形式的特點，管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險評價應(yīng)建立懲罰與激勵相結(jié)合的局部變權(quán)模型。

西氣東輸；坡面水毀；變權(quán)賦值；風(fēng)險評價

西氣東輸管道橫貫我國東西，不可避免地穿越山地、黃土塬等地質(zhì)地形條件復(fù)雜的地區(qū)，加之降雨和人類活動的影響，這些地區(qū)常常會發(fā)生各類地質(zhì)災(zāi)害，威脅管道的安全。由于坡面水毀災(zāi)害具有突發(fā)性和快速成災(zāi)性等特點，因而已成為部分管道亟需防治的主要災(zāi)害[1-3]。管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險評價的目的就是為制定合理的風(fēng)險緩解方案提供決策依據(jù)。

圖1 西氣東輸管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險因素層次關(guān)系

1 風(fēng)險因素指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)分類

在坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險因素辨識的基礎(chǔ)上，結(jié)合西氣東輸管道災(zāi)害易發(fā)地區(qū)的實際環(huán)境狀況和管理條件，可以將水毀災(zāi)害的風(fēng)險因素歸納為自然因素、管道敷設(shè)狀況、災(zāi)害活動以及設(shè)計與誤操作四大類。各類一級風(fēng)險因素對應(yīng)的二級風(fēng)險因素見圖1。

1.2 指標(biāo)分析

二級風(fēng)險因素是相應(yīng)一級風(fēng)險因素的進一步細化，在對管道進行評價時，假設(shè)各二級風(fēng)險因素指標(biāo)的賦值范圍均為0~100分，指標(biāo)值愈大，表示愈有利于管道安全。

（1）自然因素。主要是指管道所在斜坡的地形、地質(zhì)、水文條件以及人類工程活動對這些條件的破壞或改善。在對該項指標(biāo)進行評價時，應(yīng)注意以下幾種造成或加劇坡面水土流失的情況，即大坡降斜坡、鹽漬土、膨脹土、黃土、軟土、土體松散、植被稀少、強降雨、冰雪融水沖刷、潰水沖刷、灌溉水沖刷和灌溉水滲透等。

（2）管道敷設(shè)狀況。主要是指管道在坡面水毀災(zāi)害易發(fā)地區(qū)的敷設(shè)現(xiàn)狀。不同的敷設(shè)位置和管道埋深，對坡面水毀災(zāi)害的抵御能力是不同的。

（3）災(zāi)害活動。主要是指在斜坡表面已經(jīng)存在的水毀跡象（地表破壞跡象和管道破壞跡象）和災(zāi)害發(fā)生的頻繁程度。管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險評價的主要內(nèi)容是評價水力侵蝕繼續(xù)發(fā)展將對管道造成的危害，因此災(zāi)害活動情況是進行評價的基點。在對該項指標(biāo)進行評價時，應(yīng)注意以下幾種典型的坡面水毀跡象，即坡面沖溝、坡面沉陷、斷頭渠、落水洞、管道被堆埋、管道覆土減薄、管道外保護層受損、管道裸露和管道懸空等。

（4）設(shè)計與誤操作。主要是指管道在設(shè)計、施工和管理方面是否因考慮水毀災(zāi)害的影響而采取了相應(yīng)措施，這是避免或緩解管道遭受坡面水毀災(zāi)害的重要因素，也是管道管理者可以不斷改進的主要方面。

1.3 風(fēng)險值的計算

管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險值表示待評管段遭受坡面水毀破壞的程度，可按相關(guān)文獻給出的公式計算。

式中H為管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險值；n為二級風(fēng)險因素指標(biāo)數(shù)；wi為第i個風(fēng)險因素的權(quán)重；xi為第i個風(fēng)險因素的指標(biāo)值；K為泄漏影響系數(shù)。

按公式（1）得到的風(fēng)險值愈大，表示管道愈安全。

2 風(fēng)險因素指標(biāo)權(quán)重賦值模型

為了準(zhǔn)確評價管道水毀災(zāi)害，不僅要求風(fēng)險因素指標(biāo)體系能夠科學(xué)、全面地概括造成管道水毀災(zāi)害的主要因素，而且還要求在評價中所采用的權(quán)重賦值模型能夠準(zhǔn)確地量化各個風(fēng)險因素對管道風(fēng)險評價結(jié)果的影響。因此，在進行管道坡面水毀風(fēng)險評價時，必須建立一個科學(xué)的權(quán)重賦值模型。

2.1 常權(quán)賦值模型的缺陷

常權(quán)賦值模型可以較好地反映各基本因素的相對重要度，但是由于權(quán)向量始終固定不變，因而無法反映風(fēng)險因素指標(biāo)值的劇烈變化對管道風(fēng)險的影響[4]。事實上，在管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險評價中，各風(fēng)險因素的重要程度是隨著因素指標(biāo)值的改變而改變的，當(dāng)其中1~2項重要指標(biāo)值低于一定的閾值時，會大大增加該管段遭受坡面水毀的可能性。由于管道坡面水毀災(zāi)害因素指標(biāo)眾多，如果采用常權(quán)賦值模型對風(fēng)險因素權(quán)重進行賦值，這時危險常常會被其他指標(biāo)值中和而無法對評價結(jié)果產(chǎn)生足夠的影響，從而大大降低了評價的準(zhǔn)確性和可信度。

對于這種常權(quán)賦值模型中由于眾多指標(biāo)的平均化所引起的評價不合理問題可以舉例說明。假設(shè)管道坡面水毀災(zāi)害一級風(fēng)險因素的權(quán)向量W=(0.25,0.25,0.25,0.25)，管段1、管段2的風(fēng)險因素指標(biāo)值向量分別為X1=(50,50,50,50)、X2=(10,90,10,90)，且泄漏影響系數(shù)均為1。采用常權(quán)賦值模型得到的管道風(fēng)險值分別為H1=0.25×50+0.25×50+0.25×50+0.25×50=50、 H2=0.25×10+0.25×90+0.25×10+0.25×90=50，即管段1與管段2的風(fēng)險評價結(jié)果完全相同。但是，從指標(biāo)分析可知，自然因素和災(zāi)害活動均十分惡劣的管段顯然更易發(fā)生管道水毀破壞。由此可見，常權(quán)賦值模型的評價結(jié)果未能很好地反應(yīng)工程實際情況。

2.2 變權(quán)綜合原理

變權(quán)賦值方法與常權(quán)賦值方法相比，其最大的優(yōu)點是不僅考慮了各基本因素的相對重要性，而且考慮了因素指標(biāo)值的差異性對目標(biāo)值的影響，這兩方面的作用同時體現(xiàn)在可變的權(quán)重之中。因此，采用變權(quán)方法對各因素的權(quán)重進行賦值，能夠克服常權(quán)賦值方法的缺陷，合理反映各評價指標(biāo)的相對重要度和指標(biāo)值對管道風(fēng)險值的綜合影響。

（1）數(shù)學(xué)原理。變權(quán)綜合是因素空間理論的重要內(nèi)容之一。李洪興教授在文獻[5]、[6]中深入地闡釋了變權(quán)綜合理論，并給出了變權(quán)原理。即在變權(quán)向量空間里，設(shè)X=(x1,x2,…,xn)為風(fēng)險因素指標(biāo)值向量，變權(quán)向量W(X)=[w1(X),w2(X),…,wn(X)]就是因素常權(quán)向量W0=(w01,w02,…,w0n)與狀態(tài)變權(quán)向量S(X)=[S1(X),S2(X),…,Sn(X)]的歸一化Hadamard乘積

為了便于工程應(yīng)用，文獻[5]同時給出了懲罰型變權(quán)、激勵型變權(quán)、混合型變權(quán)的公理化定義，文獻[7]給出了局部變權(quán)的公理體系。

（2）工程要求。為了客觀、準(zhǔn)確地反應(yīng)風(fēng)險因素對管道風(fēng)險值的綜合影響，風(fēng)險因素變權(quán)賦值模型應(yīng)該滿足以下三個條件：第一，能夠反映各個風(fēng)險因素指標(biāo)的相對重要度。管道的風(fēng)險程度在很大程度上取決于常權(quán)值大的指標(biāo)，因此變權(quán)模型應(yīng)該對常權(quán)值大的指標(biāo)反應(yīng)靈敏，且常權(quán)值越大，相應(yīng)的懲罰或激勵幅度就應(yīng)該越大。第二，能夠設(shè)置不同的懲罰閾值，對不同水平的風(fēng)險因素指標(biāo)值進行分段懲罰。第三，能夠正確反映風(fēng)險因素指標(biāo)值對管道風(fēng)險的影響。在管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險評價中，單一風(fēng)險因素指標(biāo)值非常低時，往往會使管道風(fēng)險顯著增加，但是單一風(fēng)險因素指標(biāo)值非常高時，卻不一定會使管道風(fēng)險顯著降低。因此，變權(quán)模型的懲罰幅度應(yīng)比激勵幅度大。

2.3 變權(quán)賦值模型

結(jié)合工程要求和各個變權(quán)形式的特點，管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險評價應(yīng)建立懲罰與激勵相結(jié)合的局部變權(quán)模型[7]。根據(jù)工程數(shù)據(jù)實驗，構(gòu)造局部狀態(tài)變權(quán)映射，如圖2所示。公式為

式中n為風(fēng)險因素指標(biāo)數(shù)，此處n=21；a為否定水平，a∈[0,100]；b為及格水平，b∈[0,100]；c為激勵水平，c∈[0,100]；d為調(diào)整水平，d∈[0,100]；e為w0i=1/n時激勵與懲罰的幅度之比，e∈[0,1]；xi為第i項風(fēng)險因素指標(biāo)值，xi∈[0,100]。

式（2）和式（3）即為管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險因素變權(quán)賦值模型。

圖2 局部變權(quán)映射曲線

由圖2可見，當(dāng)xi∈[0,a)時，懲罰程度最大；當(dāng)xi∈[a,b)時，懲罰程度隨xi的增大而減?。划?dāng)xi∈[b,c)時，對第i個指標(biāo)主觀上既不懲罰也不激勵；當(dāng)xi∈[c,100]時，激勵程度隨xi的增大而增大。圖2中縱坐標(biāo)的M代表由式（3）第1式算得的值，N代表由式（3）第4式算得的值。

3 應(yīng)用實例

對西氣東輸管道坡面水毀災(zāi)害易發(fā)管段分別進行常權(quán)和變權(quán)風(fēng)險評價，假設(shè)各管段泄漏影響系數(shù)均為1，取a=30、b=60、c=90、d=20、e=0.8，用VB編程實現(xiàn)模型算法，給出管段1、管段2和管段3的風(fēng)險評價數(shù)據(jù)。

從風(fēng)險評價數(shù)據(jù)的計算結(jié)果可以看出，采用變權(quán)法得到的各管段風(fēng)險值與常權(quán)法得到的風(fēng)險值均有一定程度的變化。假定風(fēng)險值0~19為高風(fēng)險，20~39為較高風(fēng)險，40~59為中等風(fēng)險，60~79為較低風(fēng)險，80~100為低風(fēng)險，進一步計算變權(quán)賦值對評價結(jié)果的影響，結(jié)果見表1。

表1 變權(quán)對評價結(jié)果的影響

由風(fēng)險評價數(shù)據(jù)及變權(quán)對評價結(jié)果的影響可見，管段1除B3和D2的指標(biāo)值較高外，其他指標(biāo)值均比較適中，通過變權(quán)風(fēng)險評價，管段1的風(fēng)險值有所增加（增幅為4.8%），實現(xiàn)了激勵效果；管段2、管段3除B3和D2的指標(biāo)值較低外，其他指標(biāo)值均比較適中，通過變權(quán)風(fēng)險評價，管段2、管段3的風(fēng)險值均有不同程度的降低（降幅分別為13.0%和24.5%），實現(xiàn)了懲罰效果。對比管段1和管段2的風(fēng)險值變化幅度可知，該模型實現(xiàn)了懲罰幅度大于激勵幅度的要求；對比管段2和管段3的風(fēng)險值變化幅度可知，管段3所接受的懲罰力度大于管段2的懲罰力度，這是因為管段3的B3和D2指標(biāo)值已經(jīng)低于否定水平，變權(quán)賦值模型加大了對管段3的懲罰水平，即實現(xiàn)了對不同水平的因素指標(biāo)值進行分段懲罰的目的。對比各管段B3和D2的權(quán)重變化可知，該模型對于常權(quán)權(quán)重較大的風(fēng)險因素（如B3）反應(yīng)靈敏，懲罰或激勵的幅度均較大，對常權(quán)較小的風(fēng)險因素（如D2）懲罰或激勵的幅度則相對較小。

以上分析證明，該模型可以較好地滿足工程應(yīng)用中對風(fēng)險因素權(quán)重的變權(quán)要求，從而說明所建立的管道坡面水毀風(fēng)險變權(quán)綜合評價方法是切實可行的。

4 結(jié)語

西氣東輸管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險變權(quán)綜合評價方法構(gòu)建了較為全面的風(fēng)險因素指標(biāo)體系，并采用變權(quán)賦值模型解決了常權(quán)賦值模型由于眾多指標(biāo)的平均化所引起的評價不合理問題。該方法可以很好得適應(yīng)工程應(yīng)用中對風(fēng)險因素權(quán)重的動態(tài)要求，具有較好的應(yīng)用前景；當(dāng)然，對于變權(quán)賦值模型中各參數(shù)的取值方案，還應(yīng)在生產(chǎn)實踐中進一步優(yōu)化，以提高西氣東輸管道坡面水毀災(zāi)害風(fēng)險變權(quán)綜合評價方法的準(zhǔn)確性和可信度。

[1]鮮福，關(guān)惠平，姚安林，等．西氣東輸管道地質(zhì)災(zāi)害辨識[J]．油氣田地面工程，2010，29（3）：80-82．

[2]胡濤，曾繼磊，牛振宇，等．西氣東輸二線甘肅段地質(zhì)災(zāi)害及防護措施[J]．石油工程建設(shè)，2010，36（1）：112-115．

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[4]趙忠剛．姚安林．基于變權(quán)賦值模型的應(yīng)急預(yù)案質(zhì)量優(yōu)選[J]．油氣儲運，2009，28（4）：30-78．

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[6]Hong-Xing Li．Fuzzy Decision Making Based on Variable Weights[J]．Mathematical and Computer Modeling，2004（39）：163-179．

[7]姚炳學(xué)，李洪興．局部變權(quán)的公理體系[J]．系統(tǒng)工程理論與實踐，2000（1）：106-109．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.001

基金論文：四川省教育廳資助科研項目“超臨界CO2管道輸送技術(shù)研究”（09ZB097）。

郭磊：碩士，2011年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲運工程專業(yè)，現(xiàn)在中國石油西氣東輸管道公司從事油氣儲運設(shè)備的維護與管理工作。13688327021、guolei0629@163.com

（欄目主持 楊 軍）