田姍姍

中國(guó)石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司，河北廊坊 065000

截至2016年底，我國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道總里程累計(jì)約為12.62萬km，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道總里程將超過15萬km，在長(zhǎng)輸油氣管道高速建設(shè)、助力經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的背后，管道事故卻層出不窮[1]。這些管道事故也反映出管道選線缺乏合理規(guī)劃、風(fēng)險(xiǎn)未經(jīng)充分評(píng)價(jià)與控制等共性問題。

1 概述

根據(jù)GB 50251-2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》與GB50253-2014《輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，線路走向應(yīng)根據(jù)工程建設(shè)目的和資源、市場(chǎng)分布情況，結(jié)合沿線城鎮(zhèn)、交通、水利、礦產(chǎn)資源和環(huán)境敏感區(qū)的先后現(xiàn)狀與規(guī)劃，以及沿線地區(qū)的地形、地質(zhì)、地貌水文、氣象、地震等自然條件，通過綜合分析和多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定線路總體走向[2-6]。

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，管道周邊的環(huán)境也日益復(fù)雜，因此管道路由選擇的約束條件也越來越多。目前的管道路由選擇和評(píng)價(jià)過程中主要是由專家對(duì)比選路由進(jìn)行打分，主觀因素影響很大；或者僅僅考慮經(jīng)濟(jì)因素，不能客觀和定量地對(duì)比選路由進(jìn)行評(píng)價(jià)。因此針對(duì)多目標(biāo)約束給路由選擇帶來的復(fù)雜性，分析影響管道路由走向的多約束條件，研究綜合管道環(huán)境影響、安全風(fēng)險(xiǎn)和工程造價(jià)的定量路由選擇方法是長(zhǎng)輸管道線路路由選擇中需要解決的難題。

2 路由選擇工作流程

基于多約束因子識(shí)別和層次分析法的管道路由選擇流程如圖1所示。

圖1 路由選擇流程

3 多約束因子識(shí)別

多約束因子是指能夠約束管道路由走向的自然地理?xiàng)l件和社會(huì)人文環(huán)境，主要包括地形條件、地質(zhì)條件、環(huán)境敏感區(qū)、交通狀況、城鎮(zhèn)規(guī)劃等。這些客觀環(huán)境與相關(guān)的法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范形成了對(duì)管道敷設(shè)有影響的數(shù)百項(xiàng)約束因子。首先將約束因子按照約束和影響程度進(jìn)行分類和分層，多約束因子分類識(shí)別見表1。

4 層次分析法選擇最優(yōu)路由

層次分析法AHP（Analytic HierarchyProcess）是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty T L教授于20世紀(jì)70年代提出的一種實(shí)用的多方案或多目標(biāo)的決策方法，是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法。AHP的基本思路是把復(fù)雜的問題分解成各個(gè)因素，將各個(gè)因素按關(guān)系分組，形成有層次的結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較的方式，綜合判斷計(jì)算各因素的相對(duì)重要性[7-10]。用AHP分析問題大體要經(jīng)過以下五個(gè)步驟：

表1 管道線路多約束因子識(shí)別

4.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

把最優(yōu)路徑方案作為層次分析的目標(biāo)層，把各類約束因子作為層次分析的準(zhǔn)則層，把待選的路由方案作為層次分析的方案層，建立管道路由方案選擇的遞階層次模型。層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

4.2 構(gòu)造成對(duì)比較矩陣

為解決層次結(jié)構(gòu)模型準(zhǔn)則層中的各類因子所占比重不易量化的問題，構(gòu)造成對(duì)比較矩陣。比較第i個(gè)元素與第j個(gè)元素相對(duì)目標(biāo)層的重要性，使用量化的相對(duì)權(quán)重aij來描述，設(shè)共有n個(gè)元素參與比較，則稱為成對(duì)比較矩陣A=（aij）n×n，矩陣中aij的取值可參考Saaty T L教授的提議（見表2）進(jìn)行賦值[11-13]。

圖2 管道最優(yōu)路由選擇層級(jí)結(jié)構(gòu)模型

4.3 一致性校驗(yàn)

從理論上分析得到：如果A是完全一致的成對(duì)比較矩陣，應(yīng)該有：

但實(shí)際上，在構(gòu)造成對(duì)比較矩陣時(shí)，受決策人主觀因素影響，因此評(píng)價(jià)過程中會(huì)出現(xiàn)偏差，即出現(xiàn)：aijajk≠aik，因此退而要求成對(duì)比較矩陣有一定的一致性，Saaty T L提出用隨機(jī)一致性比率CR來衡量成對(duì)比較矩陣的一致性，當(dāng)CR＜0.1時(shí)，矩陣A的一致性可接受[2-3]。其中：

表2 成對(duì)比較矩陣權(quán)重值及含義

式中：CR為隨機(jī)一致性比率；C1為一致性指標(biāo)；R1為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，值見表3[3]；q為判斷矩陣A的階數(shù)。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值

4.4 層次總排序及決策

為選擇能滿足上述四類二級(jí)因子的路由，可以針對(duì)每條比選路由（y1，y2，....yn） 分別比較風(fēng)險(xiǎn)類因子x1、環(huán)境類因子x2、地形類因子x3和工程類因子 x4，得到成對(duì)比較矩陣 Bx1、Bx2、Bx3、Bx4，并對(duì)矩陣進(jìn)行一致性校驗(yàn)，滿足一致性要求的矩陣計(jì)算權(quán)重向量。以風(fēng)險(xiǎn)類因子x1為例，計(jì)算矩陣Bx1的權(quán)重向量ωx1（y），ωx1（y）可以直觀地視為每條比選路由（y1，y2，....yn） 在風(fēng)險(xiǎn)類因子方面的得分。以此類推，分別計(jì)算矩陣Bx2、Bx3、Bx4的權(quán)重向量ωx2（y）、ωx3（y）、ωx4（y），它們可分別視為各比選路由（y1，y2，…yn） 的環(huán)境類因子、地形類因子、工程類因子得分，最后計(jì)算各比選路由（y1，y2，…yn） 的總得分。y1的總得分 ω（y1）實(shí)際上是 y1各條件得分 ωx1（y1）、ωx2（y1），…，ωx4（y1）的加權(quán)平均。

5 實(shí)例分析

5.1 路由描述

以國(guó)內(nèi)某輸氣管道為例，管道管徑1 219 mm，設(shè)計(jì)壓力12 MPa。以該管道通過固原市方案為例，共有3條路由（見圖3）。路由描述如下：

圖3 輸氣管道路由走向

路由1（圖3中粉色路由）：管道在三營(yíng)鎮(zhèn)甘溝店子與西二線（黑色線條）分開，向東南敷設(shè)，在固原市東部的黃土丘陵溝壑區(qū)通過。該路由中大部分路由在較窄的黃土梁及溝壑中經(jīng)過，較大的黃土梁采取隧道方式通過。

路由2（圖3中藍(lán)色路由）：管道在彭堡水源地東側(cè)避開水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)，之后與西二線并行，經(jīng)過彭堡水源地的準(zhǔn)保護(hù)區(qū)。然后在固原市西側(cè)規(guī)劃區(qū)內(nèi)通過，在海家灣水源地與火燒溝水源地之間穿過省級(jí)文物保護(hù)區(qū)東海子遺址。

路由3（圖3中紅色路由）：管道自彭堡水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)西側(cè)通過，繞過彭堡水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)后，管道在固原市規(guī)劃區(qū)的西側(cè)敷設(shè)，在中莊鎮(zhèn)附近穿越在建的中莊水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)，之后穿過福銀高速及寶中鐵路后，在東山坡飲用水源地與火燒溝水源地之間通過。

5.2 約束因子識(shí)別

對(duì)上述3條路由進(jìn)行多約束因子識(shí)別，每條路由的約束因子見表4。

5.3 層次分析法選擇最優(yōu)路由

5.3.1 構(gòu)建成對(duì)比較矩陣

針對(duì)管道最優(yōu)路徑選擇的問題，將多約束因子中的二級(jí)因子即風(fēng)險(xiǎn)類因子x1、環(huán)境類因子x2、地形類因子x3和工程類因子x4按照重要程度構(gòu)建成對(duì)比較法矩陣A如下：

5.3.2 一致性校驗(yàn)

根據(jù)式（2），計(jì)算矩陣A的隨機(jī)一致性比率矩陣CR=0.034 6＜0.1，具有滿意的一致性。

定義A的最大特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征向量為該矩陣的權(quán)重向量U，通過計(jì)算，矩陣A的權(quán)重向量 U=（0.467 3，0.329 7，0.114 5，0）。

5.3.3 方案比選和推薦

針對(duì)3條比選路由分別比較4類二級(jí)因子，構(gòu)建4個(gè)成對(duì)比較矩陣Bx1、Bx2、Bx3、Bx4，其中權(quán)重值的比選參照表2選取。

表4 約束因子識(shí)別

經(jīng)計(jì)算，四個(gè)矩陣均通過一致性校驗(yàn)，四個(gè)矩陣的權(quán)重向量分別為：ωx1（y）=（0.1429，0.1429，0.713 4）、ωx2（y）=（0.090 9，0.454 5，0.454 5）、ωx3（y）=（0.454 5，0.090 9，0.454 5）、ωx4（y）=（0.142 9，0.713 4，0.142 9）。

經(jīng)計(jì)算，ω（ y1）=0.161 4，ω（y2）=0.290 2，ω（y3） =0.5483，ω（y3） ＞ ω（y2） ＞ ω（y1），因此路由3是三條比選路由中的最優(yōu)路由。

6 結(jié)論

（1）應(yīng)用多約束因子識(shí)別，首先將管道沿線的多種約束條件進(jìn)行分類，然后應(yīng)用層次分析法確定各個(gè)影響因子的權(quán)重，可減少直接的專家打分法造成的主觀因素的影響，比選結(jié)果更加科學(xué)客觀。

（2）管道線路路由選擇和評(píng)價(jià)是一個(gè)多目標(biāo)和多約束的復(fù)雜決策過程。多約束因子識(shí)別和層次分析法作為一種多因素綜合評(píng)價(jià)方法，綜合考慮和衡量影響路由的各種因素的相對(duì)重要性，能客觀地刻畫多因素的共同作用，極大提高了路由選擇和評(píng)價(jià)的科學(xué)性、有效性和可操作性。