蔣常春，李 燦，周福剛

1.中國石油集團川慶鉆探測井公司(重慶400021)

2.中國石油西氣東輸管道公司蘇浙滬管理處(江蘇南京210002)

3.中國石油遼河油田分公司淺海石油開發(fā)公司(遼寧盤錦124011)

基于熵權(quán)物元理論的管道坡面水毀失效可能性評價

蔣常春1，李 燦2，周福剛3

1.中國石油集團川慶鉆探測井公司(重慶400021)

2.中國石油西氣東輸管道公司蘇浙滬管理處(江蘇南京210002)

3.中國石油遼河油田分公司淺海石油開發(fā)公司(遼寧盤錦124011)

為準確地評價油氣長輸管道坡面水毀的失效可能性，保障管道運行安全，提出一種基于熵權(quán)物元可拓理論的評價方法。建立管道坡面水毀的失效可能性評價體系;為減少主觀因素影響，采用熵權(quán)法計算指標權(quán)重值;引入物元可拓理論定量地評價失效可能性等級。評價結(jié)果表明，4處災害點的管道坡面水毀失效可能性等級分別為Ⅲ級(中等)、V級(低)、V級(低)和Ⅱ級(較高)，基本與客觀實際相符。

油氣管道;坡面水毀;失效可能性;熵權(quán);物元理論

由于國內(nèi)油氣管道里程迅猛增加，管道已成為我國五大交通運輸產(chǎn)業(yè)之一，為國民經(jīng)濟發(fā)展不斷注入新鮮血液。但隨之而來的管道安全問題也成為企業(yè)、政府和社會關注的焦點，青島輸油管道11·22特大事故更是將這個問題推到風口浪尖之上。

坡面水毀是油氣長輸管道沿線的一種常見地質(zhì)災害，對管道安全構(gòu)成嚴重威脅。因此，管道坡面水毀失效可能性評價是確定油氣管道安全狀況的有效手段，也是修筑坡面水工保護設施的重要依據(jù)。文獻［1］采用層次分析法和模糊綜合評價法確定了管道水毀的安全等級;文獻［2］從不確定性出發(fā)，采用云模型理論實現(xiàn)管道坡面水毀的安全評價;文獻［3］引入變權(quán)原理，采用指標體系法計算管道坡面水毀的嚴重程度。以上研究都具有一定的借鑒意義，但在權(quán)重確定方面，均以主觀賦權(quán)量化各風險因素的重要程度，具有較強的主觀性，未考慮客觀因素的影響。因此，本文在以上研究的基礎上，采用一種客觀賦權(quán)模型計算指標的權(quán)重值，然后進一步引入物元可拓理論實現(xiàn)油氣管道坡面水毀的失效可能性評價，以期為管道的地質(zhì)災害風險管理提供理論依據(jù)。

1 建立坡面水毀失效可能性評價指標體系

油氣管道坡面水毀是指分布在斜坡表面(地形坡度大于5°)上的季節(jié)性沖溝因降雨等因素影響形成坡面匯流，帶走坡面土壤或者沖刷管道設施，最終引起管道覆土不足甚至造成管道外露或懸空，具有較強的破壞性。坡面水毀受多種因素影響，借鑒已有研究［1-4］，遵循系統(tǒng)性、客觀性、可操作性、主導性和獨立性等基本原則［5-6］，從自然因素、管道敷設狀況、坡面現(xiàn)狀及防護效果等3大類指標出發(fā)，共選取了地形地貌特征等17個底層評價指標，如圖1所示。

圖1 油氣管道坡面水毀失效可能性評價指標體系

2 坡面水毀失效可能性的熵權(quán)-可拓評價

可拓學中將有序三元組(事物名稱N、事物特征C和事物特征的量值V)進行統(tǒng)一［7-9］，組成事物的基本元，記為R=(N，C，V)。首先根據(jù)熵權(quán)法確定管道坡面水毀各因素的相對重要性，再通過可拓模型進行綜合評價。

2.1 確定指標權(quán)重值

與層次分析法等主觀權(quán)重計算方法不同，熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，它從樣本數(shù)據(jù)出發(fā)，通過一定的數(shù)學模型進行權(quán)重求解，避免了主觀因素的影響［10］。熵權(quán)法是依據(jù)現(xiàn)場客觀數(shù)據(jù)信息計算各指標的信息熵表示指標的變化程度，最終得到各要素權(quán)重值的一種方法?，F(xiàn)假設有待評價的m段坡面水毀管道與n個底層指標，xij為第j段管道的第i個指標的得分值，熵權(quán)法計算步驟如下:

1)計算第j段管道的第i個指標得分值的比重pij:

2)確定第i個指標的熵值ei:

式中，k=1/lnm。

3)得到所有指標的熵值ei之后，可按式(3)計算第i個指標的熵權(quán)值ui:

2.2 確定經(jīng)典域和節(jié)域

按照評價標準，將管道坡面水毀失效可能性評價劃分為t種分類等級(t=1，2，…，s)。當N0t為標準事物關于特征cj量值范圍V0tj=＜a0tj，b0tj＞時，經(jīng)典域可表示為

式中，R0t為經(jīng)典域物元;N0t為管道坡面水毀失效可能性類別;cj為決定N0t的影響因素(j=1，2，…，n)。

管道坡面水毀失效可能性評價的節(jié)域物元，本質(zhì)上是各評價因素的從最低值到最高值的取值范圍，見式(5)。

式中，Rp為節(jié)域物元;Np為管道坡面水毀失效可能性評價的類別個體;Vpj=＜apj，bpj＞為節(jié)域物元關于特征cj的量化取值范圍;＜a0tj，b0tj＞?＜apj，bpj＞，j=1，2，…，n。

2.3 確定待評物元

根據(jù)實際情況對待評對象的物質(zhì)單元的特征指標做出評價，按指標的實測值或者專家的經(jīng)驗值確定指標的分值，從而獲得待評物元，見式(6)。

式中，Ni為管道坡面水毀失效可能性評價底層指標;vi為關于特征ci的取值。

2.4 確定底層指標關聯(lián)度函數(shù)

底層指標關于分類等級t的關聯(lián)度函數(shù)表達式為:

2.5 確定多指標綜合關聯(lián)度

綜合關聯(lián)度是指待評價的管道坡面水毀失效可能性對于各等級的歸屬程度，可表示為

2.6 確定失效可能性等級和級別變量特征值

式中，kt(vi)為底層指標相對不同失效可能性等級的關聯(lián)度;wi為底層指標的權(quán)重值，滿足，則所評價的管道坡面水毀N的失效可能性等級屬于等級t。

同時可得到級別變量的特征值，表示屬于某種失效可能性等級的程度，見式(9)

3 案例分析

現(xiàn)選取我國東部某管道公司汛前評估的4處坡面水毀地質(zhì)災害點進行失效可能性評價。為便于分析計算，采用［0，100］論域上分值對各底層指標評價，分值越高表示失效可能性越低，并將管道坡面水毀失效可能性和底層指標劃分為5個等級(表1)。

表1 失效可能性等級劃分

表2 底層因素的評價分值及權(quán)重

3.1 指標的熵權(quán)值

邀請專家對各災害點的底層因素進行評價，之后通過2.1節(jié)的方法得到各因素的權(quán)重值(表2)。

3.2 可拓評價

以災害點A為例，進行管道坡面水毀失效可能性評價。運用2.2～2.4節(jié)中的可拓計算步驟確定各底層指標的關聯(lián)度(表3)。

按式(8)和式(9)可得災害點A對于各失效可能性等級的綜合關聯(lián)度和級別變量特征值，見表4。同理可得其余災害點的各等級關聯(lián)度和級別變量特征值(表4)。

從表4中可知，災害點A～D的管道坡面水毀失效可能性等級分別為Ⅲ級(中等)、V級(低)、V級(低)和Ⅱ級(較高)，評價結(jié)果與該公司風險識別和上報的修理計劃一致。

4 結(jié)論

1)坡面水毀是長輸管道所面臨的常見地質(zhì)災害之一，從自然因素、管道敷設狀況、坡面現(xiàn)狀及防護效果3方面分析了坡面水毀的主要風險因素，建立了相應的評價體系。

2)引入熵權(quán)-可拓模型評價管道坡面水毀的失效可能性，充分發(fā)揮了熵權(quán)法客觀計算因素權(quán)重和

表3 災害點A的底層指標關聯(lián)度

表4 4處災害點的失效可能性等級關聯(lián)度和特征值

可拓量化評價的優(yōu)點，減少了主觀因素的影響，使評價結(jié)果能夠反映現(xiàn)場實際情況，能夠為管道地質(zhì)災害風險管理提供依據(jù)。

3)以數(shù)據(jù)采集為基礎的失效可能性評價是管道地質(zhì)災害管理的前提和核心，逐步完善各類地質(zhì)災害失效數(shù)據(jù)庫是今后管道完整性管理的工作重點。

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In order to accurately evaluate the possibility of long-distance oil/gas pipeline failure caused by flood damage of slope and ensure the safety of pipeline operation，an evaluation method based on entropy weight and extenics theory is proposed，and the evaluation model is established.The weights of indexes are calculated using entropy weight method to reduce the effects of subjective factors.The grades of the failure possibility can be quantitatively evaluated by extenics model.The evaluation results show that，the slope flood damage failure possibility grades of the pipeline at four places are middle，low，low and high respectively，which are in accordance with real circumstances.

oil/gas pipeline;flood damage of slope;failure possibility;entropy weight;matter-element theory

王梅

2015-03-03

蔣常春(1973-)，女，翻譯師，主要從事石油天然氣行業(yè)管理工作。