基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的埋地燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

徐 立，楊 陽(yáng)，朱麗榕

（1.合肥澤眾城市智能科技有限公司，合肥 230601；2.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，合肥 230601；3.合肥市城市生命線工程安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)中心，合肥 230061）

燃?xì)馐钱?dāng)今社會(huì)不可或缺的重要能源，而大量燃?xì)夤芫€作為輸送燃?xì)獾闹饕d體，是國(guó)家民生基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組成[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)燃?xì)夤芫€里程及部分管網(wǎng)管齡的增加，燃?xì)夤芫€事故時(shí)有發(fā)生，由于燃?xì)庾陨淼奶匦裕孤┖髮l(fā)生嚴(yán)重的爆炸事故，產(chǎn)生極大的危害，造成惡劣的社會(huì)影響[2]。因此，燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一直是眾多研究者的關(guān)注熱點(diǎn)。

多年來(lái)，專(zhuān)家學(xué)者的研究多集中于管道的靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，圍繞燃?xì)夤艿腊l(fā)生事故的失效可能性和后果嚴(yán)重性2 個(gè)方面給出評(píng)價(jià)方法，而未考慮管道運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)因素。近年來(lái)，許多研究學(xué)者已意識(shí)到這一問(wèn)題，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中增加考慮動(dòng)態(tài)因素，建立管道動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。劉克會(huì)等[3]將燃?xì)夤艿肋M(jìn)行分段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上增加時(shí)間維度，用理想矩陣法進(jìn)行燃?xì)夤艿肋\(yùn)行的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，提升了整個(gè)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。焦建瑛[4]從管道后果嚴(yán)重性出發(fā)，主要考慮經(jīng)濟(jì)、人口、社會(huì)和政治等動(dòng)態(tài)因素，將評(píng)價(jià)區(qū)域網(wǎng)格化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化動(dòng)態(tài)后果評(píng)估。而王文和等[5]從事故失效可能性出發(fā)，對(duì)失效可能性中的失效事件進(jìn)行概率更新，使之隨時(shí)間實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)改變，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析。史運(yùn)濤等[6]建立社區(qū)燃?xì)庀到y(tǒng)知識(shí)圖譜，分析燃?xì)庀到y(tǒng)中的動(dòng)態(tài)影響關(guān)系，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖，建立了燃?xì)庀到y(tǒng)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。這些動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，極大地提高了燃?xì)夤芫€的風(fēng)險(xiǎn)管控水平。

另外，對(duì)于燃?xì)夤艿朗鹿实念A(yù)防，部分管道管理單位采用在燃?xì)夤艿腊惭b數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)安裝點(diǎn)可燃?xì)怏w濃度等數(shù)據(jù)，保證管道的正常運(yùn)行。如合肥，在燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間內(nèi)安裝可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)監(jiān)測(cè)管道相鄰地下空間的可燃?xì)怏w濃度，準(zhǔn)確判斷出燃?xì)夤艿朗欠裥孤?，?duì)城市的管網(wǎng)安全起到至關(guān)重要的作用。如冬奧會(huì)用燃?xì)夤艿?，基于分布式陰極保護(hù)。多頻譜瞬態(tài)彈性波和場(chǎng)指紋腐蝕泄漏監(jiān)測(cè)、光纖泄漏檢測(cè)技術(shù)，分析泄漏信號(hào)特征參數(shù)，進(jìn)行管道漏泄的判斷。本文以冬奧會(huì)用燃?xì)夤艿罏槔?，結(jié)合冬奧用燃?xì)夤艿赖男孤┬盘?hào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

1 燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)分為2 類(lèi)指標(biāo)，分別是靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，如圖1所示。靜態(tài)指標(biāo)包括管道的失效可能性與后果嚴(yán)重性判斷指標(biāo)，用以計(jì)算燃?xì)夤艿赖撵o態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)態(tài)指標(biāo)即監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，冬奧會(huì)用燃?xì)夤艿赖谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為通過(guò)光纖泄漏傳感器監(jiān)測(cè)的溫度、通過(guò)腐蝕傳感器測(cè)得的FC 值、通過(guò)聲發(fā)射泄漏傳感器測(cè)得泄漏量、陰極保護(hù)傳感器測(cè)得陰極電位。將靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)結(jié)合，得出燃?xì)夤艿赖膭?dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)

2 燃?xì)夤艿漓o態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型

本文燃?xì)夤艿漓o態(tài)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算模型以判斷管道失效可能性與失效后果嚴(yán)重性等級(jí)，并進(jìn)行靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為理論依據(jù)建立的。

2.1 失效可能性評(píng)價(jià)方法

對(duì)于燃?xì)夤艿?，通過(guò)大量的燃?xì)夤芫W(wǎng)事故統(tǒng)計(jì)分析，主要考慮管網(wǎng)設(shè)備自身因素、運(yùn)行環(huán)境影響因素和運(yùn)行管理因素等信息，即

F=F設(shè)備自身+F運(yùn)行環(huán)境+F運(yùn)行管理。

燃?xì)夤艿涝O(shè)備自身因素主要包括管道的使用年限、管道防腐系統(tǒng)的情況、管道設(shè)計(jì)施工制造的質(zhì)量及管道閥門(mén)的銹蝕程度。

燃?xì)夤艿蓝际巧盥裼诘叵?，其周?chē)h(huán)境也是影響其安全運(yùn)行的主要因素，其中影響最大的兩方面包括外部腐蝕及第三方破壞。

有效的管道管理可以降低管道安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，減少管道事故危害，主要從管道維護(hù)保養(yǎng)、規(guī)范操作規(guī)程和員工培訓(xùn)等方面入手。

燃?xì)夤艿朗Э赡苄栽u(píng)分細(xì)則見(jiàn)表1，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為0～5 分，分?jǐn)?shù)越小，說(shuō)明管道運(yùn)行越安全，發(fā)生事故的可能性越小。

表1 燃?xì)夤艿朗Э赡苄栽u(píng)分細(xì)則

表1 燃?xì)夤艿朗Э赡苄栽u(píng)分細(xì)則（續(xù)）

在各級(jí)指標(biāo)中，按照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各級(jí)指標(biāo)由專(zhuān)家進(jìn)行打分，由F=F設(shè)備自身+F運(yùn)行環(huán)境+F運(yùn)行管理計(jì)算得到埋地燃?xì)夤艿赖氖Э赡苄缘梅?，由?的等級(jí)劃分得到管道的失效可能性等級(jí)。

表2 埋地燃?xì)夤芫€失效可能性等級(jí)劃分

2.2 后果嚴(yán)重性評(píng)價(jià)方法

對(duì)于埋地燃?xì)夤艿?，其失效后果?yán)重性主要考慮

C=C影響范圍+C搶修時(shí)間，

式中：C影響范圍為燃?xì)夤艿朗в绊懛秶?，C搶修時(shí)間為設(shè)備搶修時(shí)間，具體評(píng)分方法見(jiàn)表3，分級(jí)方法見(jiàn)表4。

表3 埋地燃?xì)夤艿朗Ш蠊麌?yán)重性評(píng)分

表4 埋地燃?xì)夤艿朗Ш蠊麌?yán)重性等級(jí)劃分

2.3 靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

根據(jù)燃?xì)夤艿阑A(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)的失效可能性等級(jí)和后果嚴(yán)重性等級(jí)，按照風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，劃分為極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)4 個(gè)等級(jí)，分別用紅、橙、黃、綠4 種顏色表示，具體見(jiàn)圖2和表5。

表5 埋地燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖2 埋地燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)矩陣圖

3 構(gòu)建結(jié)合監(jiān)測(cè)變量的燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

3.1 構(gòu)建判斷矩陣并確定指標(biāo)權(quán)重

冬奧會(huì)用燃?xì)夤艿辣O(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為通過(guò)光纖泄漏傳感器監(jiān)測(cè)的溫度、通過(guò)腐蝕傳感器測(cè)得的FC值、通過(guò)聲發(fā)射泄漏傳感器測(cè)得泄漏量、陰極保護(hù)傳感器測(cè)得陰極電位，則燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)R={靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，泄漏量，溫度，電位，F(xiàn)C 值}，其中靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是靜態(tài)指標(biāo)，通過(guò)上節(jié)方法獲取風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，泄漏量，溫度，電位，F(xiàn)C 值是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)值獲取。

對(duì)基礎(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)、泄漏量、溫度、電位和FC 值采用定量的形式，通過(guò)判斷矩陣確定各指標(biāo)的相對(duì)重要性，本文以表6中的1—9 標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較。

表6 重要性標(biāo)度含義表

通過(guò)專(zhuān)家打法分和實(shí)踐調(diào)查法評(píng)估指標(biāo)相對(duì)重要性，構(gòu)造其靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，泄漏量，溫度，電位，F(xiàn)C 值判斷矩陣，見(jiàn)表7。

表7 埋地燃?xì)夤艿啦煌L(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)判斷條件對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)關(guān)系

用Matlab 軟件計(jì)算得到判斷矩陣最大特征值λmax=5.133 5，歸一化后的特征向量A=[0.030 4，0.360 8，0.267 6，0.197 2，0.144]T。因此風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)基礎(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)、泄漏量、溫度、電位、FC 值對(duì)應(yīng)的權(quán)重值分別為0.0304、0.3608、0.267 6、0.197 2、0.144。

3.2 確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并結(jié)合本文靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分結(jié)果，構(gòu)建基礎(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)、泄漏量（L/min）、溫度（℃）、電位（V）、FC 值的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷表，具體見(jiàn)表8。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)得分計(jì)算

最終埋地燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的最終風(fēng)險(xiǎn)得分為R=AT×B×VT，式中：A 為判斷矩陣的歸一化特征向量，反映了各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重值，AT=[0.030 4，0.360 8，0.267 6，0.197 2，0.144]。

B 為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的隸屬度矩陣，以表8為判斷依據(jù)得到。如根據(jù)打分，判斷管道靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中，實(shí)際監(jiān)測(cè)的泄露數(shù)據(jù)為0 L/min，溫度為18 ℃，電位為-0.95 V，F(xiàn)C 值為100，則隸屬度矩陣B 為

表8 埋地燃?xì)夤艿肋\(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)各指標(biāo)判斷矩陣

V 為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則集V=[0，20，35，100]，劃分依據(jù)為保證任一實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)報(bào)警狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估最高等級(jí)保持同步；調(diào)取已投入運(yùn)行的燃?xì)夤艿辣O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算標(biāo)尺進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證劃分的科學(xué)合理。

3.4 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)得分R 后，依據(jù)埋地燃?xì)夤艿肋\(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，見(jiàn)表9，判斷出燃?xì)夤艿赖木唧w風(fēng)險(xiǎn)程度。

表9 埋地燃?xì)夤艿肋\(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)已采取監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道泄露等指標(biāo)的燃?xì)夤芫€，以冬奧用燃?xì)夤艿罏槔?，將燃?xì)夤艿赖撵o態(tài)指標(biāo)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)指標(biāo)相結(jié)合，建立判斷矩陣，確定指標(biāo)權(quán)重，給出了燃?xì)夤艿赖膭?dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，能夠正確反映管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。