張凱 李蜜悅 鄧瀾鈺 林鵬飛 李文璇 伍穎

摘?要：當(dāng)前城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)建設(shè)日漸密集、復(fù)雜，這些管網(wǎng)一旦出現(xiàn)事故，后果不堪設(shè)想。本文就城鎮(zhèn)天然氣管段的脆弱性、重要性為管段可靠性的分析依據(jù)，建立脆弱性、重要性指標(biāo)，用模糊聚類法和貝葉斯分析法對(duì)可靠性進(jìn)行定量分析就評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)管段運(yùn)行、增加保護(hù)措施提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng);指標(biāo)評(píng)價(jià)體系;脆弱性分析;可靠性分析

1 概述

城鎮(zhèn)天然氣系統(tǒng)因自然災(zāi)害而引發(fā)嚴(yán)重次生災(zāi)害的教訓(xùn)十分慘痛，如1994年美國(guó)洛杉磯地震、2008年我國(guó)汶川地震[1]。為了保證安全可靠的向用戶供應(yīng)燃?xì)?，引入可靠性進(jìn)行研究。目前國(guó)內(nèi)外專家對(duì)城鎮(zhèn)天然氣系統(tǒng)可靠性的研究大多集中在管網(wǎng)系統(tǒng)上，采用數(shù)值模擬軟件、現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等多種方法，其結(jié)果主要集中在對(duì)整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的安全性的定性評(píng)價(jià)分析，但對(duì)城鎮(zhèn)天然氣管段可靠性的定量分析及運(yùn)用分析結(jié)果對(duì)管段運(yùn)營(yíng)管理提出建議的研究甚少。本文針對(duì)城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)的管段可靠性評(píng)價(jià)進(jìn)行研究，引入脆弱性以及重要性指標(biāo)，采用模糊聚類分析法及貝葉斯分析法，對(duì)城鎮(zhèn)天然氣管段進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。

2 城鎮(zhèn)天然氣管段可靠性分析

將城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)看成一個(gè)管段系統(tǒng)，其中的管段、管件和附件組成系統(tǒng)的不同單元。通過脆弱性、重要性綜合分析得到可靠性對(duì)評(píng)價(jià)各單元對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的影響程度。以作為管網(wǎng)運(yùn)行、維護(hù)階段的依據(jù)。

城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)的可靠性是指管網(wǎng)在一定的條件與時(shí)間內(nèi)能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行的能力。可以通過管段脆弱性，可靠度，失效率等來評(píng)價(jià)管網(wǎng)的可靠性。

管段脆弱性是天然氣管道系統(tǒng)在外部不利影響下遭受損害的程度或承受損害的能力;是管段和系統(tǒng)本身的一種屬性[2]。自管段建成其脆弱性就成為管段系統(tǒng)的一個(gè)特性，可用來表征或描述管段燃?xì)庀到y(tǒng)遭受第三方破壞、自然災(zāi)害等時(shí)的抵抗能力。

管段的重要性是指該管段無法正常運(yùn)行時(shí)對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的影響程度，影響程度大則管段重要性高，反之，則重要性低。

2.1 管段脆弱性指標(biāo)和算法實(shí)現(xiàn)

管段脆弱性的指標(biāo)體系主要分為外部環(huán)境脆弱性（即外界環(huán)境的狀況對(duì)管段的影響），自身脆弱性（即管段自身具有的特質(zhì)），恢復(fù)能力脆弱性（即應(yīng)對(duì)災(zāi)害的能力）[3]。

通過對(duì)某管網(wǎng)中每根管段的脆弱性指標(biāo)數(shù)據(jù)，采用極差法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)建模糊相似矩陣，再采用主觀評(píng)分法構(gòu)造模糊相似矩陣，將模糊相似矩陣改造為模糊等價(jià)矩陣，最后進(jìn)行聚類分析[3]。該算法通過MATLAB實(shí)現(xiàn)，得到的聚類結(jié)果由專家選取最佳閾值后，對(duì)管段進(jìn)行合理分類。

2.2 管段重要性指標(biāo)和算法實(shí)現(xiàn)

該研究中，管段重要性只考慮管段是否連通。首先將城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為管段，節(jié)點(diǎn)與用戶。在對(duì)管網(wǎng)連通性進(jìn)行描述之前有以下基本假設(shè)：假設(shè)管道只有兩種狀態(tài)，正常運(yùn)行或者失效;節(jié)點(diǎn)不會(huì)失效。

管段重要性指標(biāo)體系包含：指定用戶與至少一個(gè)氣源的連通可靠度，所有用戶與至少一個(gè)氣源的連通可靠度，指定氣源與所有燃?xì)庥脩舻倪B通可靠度，所有燃?xì)庥脩襞c所有氣源的連通可靠度[4]。

首先通過貝葉斯方法對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行分析，通過分析再構(gòu)建相應(yīng)的管網(wǎng)故障樹，再通過故障樹獲得相應(yīng)的有向無環(huán)圖結(jié)構(gòu)，與每個(gè)有向無環(huán)圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)相關(guān)的條件概率表，進(jìn)行編程求解。

2.3 城鎮(zhèn)天然氣管段的可靠性評(píng)價(jià)

通過對(duì)脆弱性與重要性的相關(guān)計(jì)算分析得到的有結(jié)果表達(dá)式ai，bj通過以下表達(dá)式的相關(guān)函數(shù)關(guān)系可得管網(wǎng)中每個(gè)管段的可靠性。

cK=ai·bj

式中：

ai——管段脆弱性分析結(jié)果;

bj——管段重要性分析結(jié)果;

cK——管段可靠性分析結(jié)果。

根據(jù)上式得出的結(jié)果對(duì)每個(gè)管段可靠性數(shù)值的大小進(jìn)行降序排列，排名靠后的管段可靠性差，應(yīng)加強(qiáng)巡視力度，增加保護(hù)措施。

3 結(jié)論

在建立指標(biāo)體系后，通過對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)中的管段脆弱性進(jìn)行聚類分析，然后按脆弱性等級(jí)進(jìn)行分類;以連通重要性作為依托對(duì)管道重要性以失效概率進(jìn)行量化;再講兩者綜合得到管道的可靠性。本研究得出以下結(jié)論：

（1）建立了城鎮(zhèn)天然氣管段可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

（2）從管段是否連通的角度入手，采用連通可靠度來表征各管段重要性，給出了管段重要性的定義。

（3）提出可靠性計(jì)算方法，該公式考慮了管道本身的性能參數(shù)和系統(tǒng)的氣體流通性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李昕.燃?xì)夤芫W(wǎng)地震緊急處置系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究[D].中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2015.

[2]陽利永.重慶市貧困山區(qū)農(nóng)戶旱災(zāi)脆弱性與土地可持續(xù)管理[D].西南大學(xué)，2009.

[3]郝敏娟.市政天然氣管網(wǎng)脆弱性模糊聚類分析[D].首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2018.

[4]馬亮.城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的可靠性研究[D].2016.