王東良，魏甜甜，魏秀泉(山西明德能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030021)

0 引言

天然氣被國內(nèi)外公認(rèn)是最清潔的燃料能源之一，已經(jīng)成為了構(gòu)成城市生活的重要部分，管道運(yùn)輸是最主要的燃?xì)膺\(yùn)輸形式，也是城市基建設(shè)施的一個主要部分。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，中國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氣源供應(yīng)形式多樣化，調(diào)峰方法適宜度增加，大部分燃?xì)夤艿滥馨踩?、可靠運(yùn)行[1]。但客觀的講，當(dāng)前城市燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)維管理實(shí)踐中依然存在一些不足，比如管道普遍老齡化及質(zhì)量缺陷嚴(yán)重，管道產(chǎn)權(quán)歸屬模糊及應(yīng)急處理能力薄弱等，增加了管道受損及失效的風(fēng)險，對人們生命財產(chǎn)安全構(gòu)成一定威脅。站在脆弱性削減的視角分析燃?xì)夤艿赖陌踩珕栴}，主動辨識、防御危險因素，進(jìn)而使管道本質(zhì)安全得到更大保障。

1 燃?xì)夤艿来嗳跣缘膬?nèi)涵

管道系統(tǒng)脆弱性并不是系統(tǒng)遭受擾動引起的，究其根本是因系統(tǒng)內(nèi)自身就存在著本質(zhì)屬性，即在系統(tǒng)遭擾動前就已經(jīng)客觀存在了，只是有外界威脅因素作用于系統(tǒng)形成敏感性擾動時，才會呈現(xiàn)其脆弱性。城市燃?xì)夤艿赖莫?dú)特性表現(xiàn)在如下兩點(diǎn)[2]：(1)不穩(wěn)定性，系統(tǒng)本體存在著一些缺陷與薄弱點(diǎn)，其在系統(tǒng)內(nèi)部會相互制約、影響，以致系統(tǒng)自身產(chǎn)生脆弱性；(2)管道被建立在復(fù)雜的城市環(huán)境內(nèi)，當(dāng)發(fā)生災(zāi)害事故時，對其他市政管網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生一定影響，嚴(yán)重時造成設(shè)施大面積失效，不利于城市社會正常運(yùn)作。故而，站在這個角度上分析，燃?xì)夤芫W(wǎng)脆弱性評估和其所在的城市環(huán)境密切相關(guān)。

2 城市燃?xì)夤艿来嗳跣缘脑u估方法及等級分析

2.1 脆弱性的評估方法

(1)計(jì)算脆弱性指標(biāo)的權(quán)重：這是在層次分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。這個模型建設(shè)過程中需要有數(shù)個指標(biāo)的支持，所以涉及到權(quán)重配置問題在所難免。關(guān)于系統(tǒng)內(nèi)各項(xiàng)脆弱性指標(biāo)的重要性，是通過各個被賦予權(quán)重的指標(biāo)組合而成的。結(jié)合既往做出的大量統(tǒng)計(jì)及客觀分析限時情況后，分析管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)脆弱性同級指標(biāo)所占比例，能夠獲得燃?xì)夤艿老到y(tǒng)的脆弱性分析結(jié)果。主要有[3]：

弱性權(quán)重的向量：A=[0.73 0.27]；

致災(zāi)因子脆弱性相關(guān)指標(biāo)權(quán)重的向量：A1 =[0.15 0.09 0.06]；

在涉及時段內(nèi)脆弱性權(quán)重的向量：A11 =[0.22 0.09 0.18]。

(2)基于模糊綜合評價能夠獲得脆弱性模型的計(jì)算分析結(jié)果，具體是解讀以上所得權(quán)重各自對應(yīng)的各項(xiàng)矩陣情況，以此為據(jù)建設(shè)模糊評價模型，最后獲得和各項(xiàng)作用相對應(yīng)的權(quán)重，以及不同因素的綜合評估影響結(jié)果[4]：

(3)通過對各算子進(jìn)行模糊合成，利用常規(guī)的實(shí)數(shù)乘法進(jìn)行計(jì)算，最后獲得了常規(guī)修正以后的實(shí)數(shù)。以上是評價所有底層指標(biāo)的分值后，獲得管網(wǎng)系統(tǒng)的最大脆弱性評估計(jì)算方法。

2.2 模型評價的等級分析

當(dāng)前，針對燃?xì)夤艿赖拇嗳跣栽u價，相應(yīng)的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)主要是以模糊評價模型為基礎(chǔ)建立的。關(guān)于等級分配標(biāo)準(zhǔn)的問題，國內(nèi)外均形成了很多研究成果，主要被分成如下幾項(xiàng)內(nèi)容[4]：

(1)非常脆弱：管網(wǎng)脆弱性指數(shù)< 20，既往屢次發(fā)生泄漏事故，并形成相應(yīng)記錄，內(nèi)部存在較大的隱患因素。

(2)比較脆弱：20≤脆弱性指數(shù)< 40，管段不能維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，有隨時發(fā)生事故的風(fēng)險。

(3)脆弱：40≤脆弱性指數(shù)< 60，評估后認(rèn)定管段的事故臨界性偏高，相應(yīng)的巡檢、運(yùn)維工作上存在較多的不足。

(4)不太脆弱：60≤脆弱性指數(shù)< 80管段，基本能維持燃?xì)夤芏蔚恼＿\(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，常規(guī)巡檢及運(yùn)維管理工作相對合理化。

(5)不脆弱：80≤脆弱性指數(shù)< 100，評估判斷管段運(yùn)行狀態(tài)安全，保護(hù)、維管方法較為合理、妥當(dāng)。

3 攻防策略下的管道保護(hù)模型

在實(shí)際工程建設(shè)活動中，不管是在設(shè)計(jì)還是施工環(huán)節(jié)均對燃?xì)夤艿肋M(jìn)行相應(yīng)保護(hù)，并且把以脆弱性評估模型下的管道保護(hù)方法作為事前保護(hù)主體方案。故而，在對敏感性因素產(chǎn)生攻擊行為時，我們主觀上認(rèn)為前期時保護(hù)人員就已經(jīng)對管道采取了一定保護(hù)措施，攻擊者以后采攻擊、破壞敏感性因素。

采用G(N，E)表示燃?xì)夤芫W(wǎng)，N、E分別代表消耗節(jié)點(diǎn)，燃?xì)膺\(yùn)輸管道，E={e1，e2，…em0}。和其相對應(yīng)的，各條邊的脆弱度可以表示成C={c1，c2，…cm0}。

利用向量S表示當(dāng)前運(yùn)輸管道的銜接狀態(tài)，S=0時代表管道狀態(tài)良好，S=1說明管道承受一定攻擊并且已經(jīng)斷離或者抵達(dá)設(shè)計(jì)的脆弱度閾值。X與Y分別作為攻擊向量，其中X={x1，x2，…xm0}，Y={y1，y2，…ym0}，向量內(nèi)元素是攻擊/防守強(qiáng)度的比值。

式中：α、β分別為攻防結(jié)果的影響系數(shù)；θ為能抵達(dá)目的的最低攻擊強(qiáng)度；m為競爭強(qiáng)度。

maxyiF(Y)在這樣的工況下，燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)規(guī)劃模型[5]：

式中：yi≥0(i=1，2，…，m0)

如果城市燃?xì)夤艿乐鞲删€運(yùn)行狀態(tài)良好，但是整體上存在著一定催化性，處于比較脆弱與脆弱之間的管線長度在總長中占比高于50%，且脆弱度呈現(xiàn)出增高的曲線。為了達(dá)到事前管理控制，需要辨別脆弱度偏高管道管線，并研究相關(guān)的保護(hù)性策略。

具體是采用MATLAB R2014a及Bioinformatic Toolbox 工具箱對B管道的保護(hù)策略加以分析，具體是先對管道進(jìn)行規(guī)范化處理，使其抽象化變成拓?fù)鋸?fù)雜結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上帶有箭頭的線路表示的是天然氣的輸運(yùn)方向，邊緣上括號中的阿拉伯?dāng)?shù)字代表相應(yīng)管線的標(biāo)記，外部表示的是脆弱度。

研究一定資源條件下管道系統(tǒng)的最佳保護(hù)策略，進(jìn)而使攻擊行為對績效的降低效果達(dá)到最低。具體分析時，為了能和工程實(shí)際更加貼切，可以自由進(jìn)行攻擊，但是對于承災(zāi)體來說，以上這些攻擊應(yīng)均等配置到各組件節(jié)點(diǎn)，故而在構(gòu)建的攻擊局勢內(nèi)，保護(hù)向量Y迭代次數(shù)最多是10次，共計(jì)存在著100個樣本，模擬次數(shù)1是300，設(shè)定脆弱度閾值2.4。

經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有攻擊行為作用在組件上時，在均等保護(hù)即自適應(yīng)覆蓋均等保護(hù)輕的狀況下，拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的生存概率不會出現(xiàn)明顯改變，而自適應(yīng)保護(hù)策略則會喪失保護(hù)能力。

鑒于現(xiàn)有燃?xì)夤芫€脆弱性處于較低等級的實(shí)際情況，可以嘗試采用適當(dāng)?shù)娜哂嗦窂竭M(jìn)行保護(hù)，即盡可能地在網(wǎng)絡(luò)的冗余路徑上合理部署所有保護(hù)性資源。這樣在遭受攻擊時，就會快速把主要路徑的輸送壓力配置到冗余路徑上，不僅能提升燃?xì)夤艿缆窂降纳娓怕?，還能在較低的風(fēng)險狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對冗余路徑的有效保護(hù)，進(jìn)而能顯著減輕關(guān)鍵管線的運(yùn)輸壓力，使其運(yùn)輸過程的安全性、可靠性得到更大保障。

4 結(jié)語

總之，燃?xì)夤芫€是現(xiàn)代城市內(nèi)的一種關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，在廣大市民生活中發(fā)揮重要作用，其運(yùn)行安全直接關(guān)系著國計(jì)民生。要以保護(hù)管線安全為宗旨對其脆弱性進(jìn)行風(fēng)險評判，建立出專門針對管道薄弱位置及風(fēng)險隱患因素的風(fēng)險機(jī)制分析途徑。利用模糊綜合評價模型分析燃?xì)夤艿赖奶匦?，?jì)算出管段的脆弱至及脆弱等級，希望能對攻擊保護(hù)策略方案的編制提供一定參考，提升后期燃?xì)夤芫€項(xiàng)目的管理水平，為中國城市社會發(fā)展作出一定貢獻(xiàn)。