陳 磊，王桂萱，趙 杰

（大連大學 土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧 大連 116622）

基于層次分析法和MATLAB的運營期管道風險評價

陳 磊，王桂萱，趙 杰*

（大連大學 土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧 大連 116622）

基于層次分析法對管道運營過程中所遇到的風險進行分析，建立管道風險評價模型，并采用MATLAB編程語言編寫了風險評價模型的子函數(shù)程序。將該模型運用到大連某實際輸油管道的風險評價中，確定了管道運營過程中的風險安全等級及風險應(yīng)對措施，計算結(jié)果與實際相吻合。實例證明，利用層次分析法結(jié)合MATLAB子函數(shù)程序建立的風險評價模型不僅可以得出管道風險的具體量化指標對風險進行客觀評價，而且思路清晰，計算簡單、高效，能夠為管道運營中的風險評估和風險管理提供可靠依據(jù)。

層次分析法；MATLAB；運營管道；風險評價

0 引言

隨著城市化建設(shè)的推進，城市對于石油、天然氣和自來水的需求不斷增加，促進了管道運輸?shù)娘w速發(fā)展。預計至“十三五”時期，我國油氣和供水管道總長度將達到20萬公里，建成跨區(qū)域石油天然氣供應(yīng)管網(wǎng)和城市供水管網(wǎng)體系[1]。隨著時間的推移，管道的使用年代也在增加，越來越多的管道處于“帶病”運營狀態(tài)，因此有必要對其進行健康診斷和風險管理。

近年來，我國管道研究方面的學者對管道風險進行了初步探索與研究，并取得了一些研究成果。劉佳明[2]運用多次改進層次分析法確定管道腐蝕、設(shè)備、第三方破壞和自然環(huán)境的權(quán)重分別為0.49、0.31、0.12、0.08，通過模糊綜合評判得出管道的健康指數(shù)為0.707，屬于存在安全隱患的級別。王軍防、于倩秀[3]運用未確知測度模型對某輸油管道10個管段的安全級別進行了評價，評價結(jié)果與實際相符合，表明采用未確知測度模型可以對油氣管道的安全進行有效的評價。董文浩[4]運用層次分析法和群決策法對四川某采氣干線線路方案的影響因素進行歸類和分析，選出了最優(yōu)線路方案。王楷[5]運用事故樹分析方法對長輸壓力管道的風險進行定性與定量分析，找出了薄弱管段和危險因素及其危險程度，為管道的運行管理提供了具體的數(shù)據(jù)理論基礎(chǔ)，提高了管道運行的安全性。以上這些評價方法中，沒有建立程序化的計算模型，有關(guān)計算和分析的過程還有待簡化，計算效率也有待提高。

本文在層次分析法原理的基礎(chǔ)上，對管道運營過程中所遇到的風險因素進行研究，并運用MATLAB編程語言編寫了層次分析法的子函數(shù)程序，建立了管道風險評價模型，該模型不僅可以對管道的風險進行量化評估，還可以根據(jù)評估結(jié)果制定相應(yīng)的風險管理方案，為管道后續(xù)的風險管理提供可靠的判斷依據(jù)，并且計算和分析過程簡單，計算效率高。

1 AHP結(jié)構(gòu)評價模型

1.1 AHP的基本原理及步驟

層次分析法（Analytic Hierarchy Process簡稱AHP）是美國Saaty教授等于20世紀70年代初提出的一種層次權(quán)重決策分析方法[6]。該方法是將與目標問題有關(guān)的元素都羅列出來，并根據(jù)各個影響因素間的相互關(guān)聯(lián)、隸屬關(guān)系等建立目標層、準則層、指標層三個層次，從而建立多層次的結(jié)構(gòu)分析模型，是將決策者對復雜系統(tǒng)的決策思維過程模型化、數(shù)量化及系統(tǒng)化的過程，并利用量化的方式來體現(xiàn)各個因素間的主觀重要性進而展開定量分析與研究。具體可以分為以下幾個步驟[7]：建立層次結(jié)構(gòu)分析模型；構(gòu)造判斷矩陣；計算判斷矩陣的權(quán)重向量；一致性檢驗；判斷決策。

層次分析法首先是將問題條理化，構(gòu)造出一個層次清晰的結(jié)構(gòu)分析模型。其次，層次分析法具有嚴格的上下層隸屬關(guān)系，運用1~9標度法[8]進行本層因素相對上一層指標的重要性比較并具體量化，建立判斷矩陣。

式中，aij是第i個因素相對第j個因素的重要程度，矩陣A為互反矩陣，滿足對于遞階層次結(jié)構(gòu)，從最頂層到最底層有幾個隸屬關(guān)系就要建立幾個判斷矩陣。在建立判斷矩陣之后，最重要的就是求得其最大特征值及對應(yīng)的特征向量，特征向量即為權(quán)重向量。通常使用特征多項式進行矩陣特征值的求解，即：

式中，I為單位向量，λ為特征值，特征向量可由特征值進一步求得。

實踐表明，隨著問題復雜程度的增加和結(jié)構(gòu)層次的增多，層次分析法計算和分析過程也會非常復雜，特別是判斷矩陣特征值和特征向量的求解。實際上，MATLAB可以輕松實現(xiàn)矩陣特征值和特征向量的求解，通過編寫子函數(shù)程序也可以實現(xiàn)判斷矩陣的一致性檢驗，大大簡化計算過程。

1.2 管道風險指標評價體系

影響管道運營的風險因素眾多，選取合適的評價指標對于最終評價結(jié)果的準確性和可靠性有重要影響。參照國內(nèi)外管道破壞方面的研究成果[9-11]及管道完整性規(guī)范[12]，選取影響管道安全運營的具有代表性的風險因素共2層5類12項風險指標（選取12項具有代表性的響管道安全運營的風險指標），建立能夠較為全面反映管道運營期結(jié)構(gòu)風險特點的層次評價模型，如圖1所示。

圖1 運營期管道安全評價體系

1.3 管道風險安全等級劃分

目前國內(nèi)管道的狀態(tài)評估大多采用模糊的評價方法，比如管道運營比較安全、存在某些安全隱患等模糊定性的評價，尚沒有明確的管道運營風險安全等級劃分方法及對應(yīng)的風險應(yīng)對措施。參照工業(yè)管道(安全狀況等級劃分)將管道安全狀況分為4個等級的方法，確定四級劃分法作為運營期管道風險安全等級的劃分方法，根據(jù)風險因素的權(quán)重大小結(jié)合專家和現(xiàn)場管理人員的經(jīng)驗，建立管道風險安全等級及應(yīng)對機制，如表1所示。

表1 運營期管道風險等級及應(yīng)對機制

2 AHP程序化模型設(shè)計

利用MATLAB編程語言編寫層次分析法的子函數(shù)，從判斷矩陣的輸入到求層次單排序、總排序、一致性檢驗以及最終得出所有風險因素的總排序權(quán)重值，實現(xiàn)計算與分析過程的程序化[13]。

2.1 求解歸一化特征向量

調(diào)用MATLAB中eig函數(shù)求解矩陣的最大特征值及對應(yīng)特征向量，調(diào)用格式為式中V為特征向量矩陣，D為特征值矩陣。定義函數(shù)maxeigvalvec.m來實現(xiàn)。

function[maxeigval，w]=maxeigvalvec(A)；%求判斷矩陣A的最大特征值及其對應(yīng)的歸一化的特征向量

[v,d]=eig(A)；%v是特征向量矩陣，d是特征值矩陣，

2.2 計算層次單排序及一致性檢驗

在構(gòu)造判斷矩陣的時候，由于管道所面臨風險的多樣性及檢查人員對各個風險因素認識的局限性，判斷矩陣的一致性難免會遭到破壞，造成判斷結(jié)果發(fā)生偏頗。為避免在同一層中出現(xiàn)A比B重要，B比C重要，而C卻比A重要的錯誤，由求得的最大特征值λmax進行判斷矩陣的一致性檢驗。因此，必須對判斷矩陣進行一致性檢驗。定義函數(shù)examine.m進行判斷矩陣的一致性檢驗。

function[CI,RI]=examine(maxeigval,A);%對層次單排序的權(quán)重向量進行一致性檢驗，maxeigval為最大特征值，A為判斷矩陣

2.3 計算層次總排序及一致性檢驗

定義function tsw=tolsortvec(utw,dw,CIC,RIC);%求層次總排序權(quán)重向量，同時對其進行一致性檢驗，tsw為第二層風險因素的總排序權(quán)重，utw為上一層因素的總排序權(quán)重行向量，dw為下一層因素對上一層因素的單排序權(quán)重向量矩陣，CIC為一致性指標列向量，RIC為隨機一致性指標列向量。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

大連某油罐區(qū)位于大連市甘井子區(qū)，整個罐區(qū)管道運營年代超過10年。罐區(qū)輸油管道長約600 m，管道直徑200 mm，壁厚6 mm，管線圍繞罐區(qū)布設(shè)，采用架空式布置方案，管道底部距離地面30 cm左右。該油罐區(qū)管道由于運行時間較長，根據(jù)對現(xiàn)場管道的調(diào)研和罐區(qū)工作人員的檢查記錄，發(fā)現(xiàn)管道的內(nèi)表面和外表面已經(jīng)有不同程度的腐蝕，同時還伴有一定的微變形和人為因素造成的破壞。

根據(jù)圖1層次結(jié)構(gòu)圖，把管道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)S作為目標層，管道腐蝕S1、疲勞破壞S2、蠕變破壞S3、環(huán)向變形S4和人為破壞S5作為準則層，指標層則具體分為12個影響因素，運用1~9標度法對風險因素進行兩兩比較，建立準則層和指標層的判斷矩陣。如表2~表6所示。

表2 準則層判斷矩陣S

表3 管道腐蝕判斷矩陣S1

表4 疲勞破壞判斷矩陣S2

表5 蠕變破壞判斷矩陣S3

對于環(huán)向變形，影響因素只有膨脹變形一項，故其判斷矩陣為S4=[1]。

表6 人為破壞判斷矩陣S5

3.2 編寫計算程序

（1）輸入判斷矩陣

判斷矩陣S2、S3、S4、S5階數(shù)小于3，默認滿足完全一致性，不需要進行一致性檢驗，故RIS2=0，CIS2=0；RIS3=0，CIS3=0；RIS4=0，CIS4=0；RIS5=0，CIS5=0。

3.3 程序運行結(jié)果

運行以上程序，彈出兩次“判斷矩陣通過一致性檢驗”和一次“層次總排序通過一致性檢驗”，說明判斷矩陣S、S1和層次總排序都通過了一致性檢驗，同時得到第二層各個風險因素的總排序權(quán)重：tsw=[0.1968 0.0782 0.1231 0.0205 0.0381 0.0320 0.0107 0.0218 0.0436 0.1604 0.2061 0.0687]。

依據(jù)1.3節(jié)管道風險安全等級，比較計算結(jié)果可以知道施工或者人為破壞對應(yīng)的權(quán)重最大，為0.2061，屬于一級風險；腐蝕深度和環(huán)向膨脹變形的權(quán)重也較大，分別為0.1968和0.1604，屬于二級風險；環(huán)向腐蝕長度權(quán)重為0.1231，屬于三級風險；而輸送介質(zhì)、加載頻率、管道結(jié)構(gòu)和材料等的權(quán)重均小于0.1，屬于四級風險。結(jié)合管道實際運營狀況和現(xiàn)場管理人員日常管理記錄知道，周邊施工和人為不小心破壞確實給管道運營造成諸多不利影響，同時因為外界自然環(huán)境和內(nèi)部介質(zhì)的原因，管道面臨腐蝕的風險也較大。因此，以上計算結(jié)果與管道實際狀況吻合。最后，根據(jù)計算得出的風險等級確定相應(yīng)的風險應(yīng)對措施，從而保證管道的安全運營。

4 結(jié)論

本文通過MATLAB編程語言實現(xiàn)了層次分析法的計算與分析步驟，建立了管道風險評價模型，并將該模型應(yīng)用于某實際輸油管道的風險評價中，對比計算結(jié)果與管道實際狀況，可以得出以下結(jié)論：

（1）依據(jù)層次分析法基本原理、管道風險因素和工業(yè)管道安全狀況等級，建立了運營期管道結(jié)構(gòu)的風險層次評價模型。結(jié)合MATLAB編程語言編寫了層次分析法的計算程序，實現(xiàn)計算與分析程序化，減少了定量化的計算，得到的結(jié)果也更加準確。

（2）將層次分析法的程序化計算模型應(yīng)用到某實際的輸油管道風險評價中，可以準確快速地得出管道所面臨的各個風險因素的權(quán)重大小，并根據(jù)權(quán)重大小確定風險等級，最后根據(jù)風險安全等級和應(yīng)對機制采取相應(yīng)的風險應(yīng)對措施，將原本復雜難以判斷的問題變得清晰明了，是處理模糊問題的一種好方法，有較強的可推廣性和實用性。

[1]張志宏,王麗娟,李可夫,等.我國油氣儲運技術(shù)發(fā)展趨勢分析[J].石油科技論壇,2012,31(1):1-6.

[2]劉佳明.模糊層次綜合評價法在油氣管道安全中的應(yīng)用[J].化學工程與設(shè)備,2014(1):201-204.

[3]王軍防,于倩秀.基于未確知測度理論的油氣管道安全評價模型[J].油氣儲運,2009,28(5):14-18.

[4]董文浩.基于層次分析法和群決策的集輸管道線路評價[J].油氣儲運,2015,34(10):1-5.

[5]王楷.基于事故樹分析的壓力管道風險評價方法研究[D].武漢:武漢理工大學,2009.

[6]蘇毅,張鴻.基于層次分析法的商業(yè)銀行信貸業(yè)務(wù)風險研究[J].新西部,2011(13):46-47.

[7]何芙蓉.層次分析法在施工招投標中的應(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學,2014.

[8]蘇樹軍.運用層次分析法（AHP）對新疆教育投資決策的評價與確定[J].昌吉學院學報,2008(1):10-14.

[9]姜德林,王志杰,孫 霞.壓力管道的破壞形式和預防措施[J].化工技術(shù)與開發(fā),2011,40(5):53-54.

[10]Thomas jones,Harold Berger.Thermographie detection of impact damage in graphite-epoxye composites[J].Materials Evaluation,1992(11):1446-1453.

[11]Benkherouf A,Auiodina A Y.Leak detection and location in gas pipelines[J].IEE Processing,1988,135(2):142-148.

[12]Q/SY1180-2009,管道完整性管理規(guī)范[S].

[13]宋飛,趙法鎖.地下工程風險分析的層次分析法及MATLAB應(yīng)用[J].地球科學與環(huán)境學報,2008,30(3):292-296.

Risk Evaluation of Pipelines in their Service Lifespan based on Analytic Hierarchy Process and MATLAB Software

CHEN Lei,WANG Gui-xuan,ZHAO Jie*
(Research and Development Center of Civil Engineering Technology,Dalian University,Dalian 116622,China)

Arisk evaluation model of the pipeline is established based on the analysis of risks appearing in the service lifespan of the pipeline and a sub function algorithm of the risk model is complied by means of a MATLAB software.Based on the model,the risk evaluation of an on-site oil pipelines located in Dalian was conducted,which identifies the method to determine the risk safety grade and the measures to control in the lifespan of the pipeline was studied,and the calculated results is consistent with the actual ones.The examples show that using the risk evaluation model established by the combination of AHP and MATLAB can not only draw the specific quantitative indicators to carry on the objective assessment of pipeline risks,but also have a clear idea and simple and efficient calculation process which can provide reliable basis of the risk assessment and management for the pipelines in their service span.

AHP;MATLAB software;service pipelines;risk evaluation

TE89

：A

：1008-2395(2016)06-0015-06

2016-07-11

國家自然科學基金(11272069)；遼寧省教育廳項目（L2015035）；大連市科技計劃項目(2014E13SF145)。

陳磊（1989-），男，碩士研究生，研究方向：管道風險評估和完整性管理。

趙杰（1980-），男，講師，博士，研究方向：巖土與地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析、工程抗震。