費紀綱 劉中河 劉和益 馬洪英 魏強強 喬曉亮 姜波 胡興喬

1河北華北石油工程建設(shè)有限公司

2北京燃氣集團（天津）液化天然氣有限公司

3北京興油工程項目管理有限公司

4中國石油青海油田質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督中心

油氣管道工程項目具有投資大、建設(shè)周期長、專業(yè)交叉復雜等特點，且油氣為易燃、易爆危險品，管道及沿線站場發(fā)生泄漏爆炸的風險較大，因此需要對管道的施工質(zhì)量進行有效控制，保證項目高質(zhì)、高效交付[1-2]。目前，油氣管道的風險管理多集中在高風險區(qū)和高后果區(qū)，金龍等[3]將土壤腐蝕強度分為5個等級，采用組合賦權(quán)云模型對土壤的腐蝕等級進行了評價；郭守德等[4]對中緬油氣管道沿線存在的滑坡、泥石流、山洪、河溝道水毀等地質(zhì)災害進行了成因分析，并提出了防治措施；張穎等[5]針對海底管道泄漏風險，采用Dematel和邏輯樹模型識別了泄漏風險間的復雜影響關(guān)系，并對薄弱環(huán)節(jié)提出補救措施；賀婭婭等[6]通過統(tǒng)計國內(nèi)外管道事故數(shù)據(jù)確定基本失效概率，并利用失效風險系數(shù)評估老齡油氣管道是否應進行廢棄處理。以上研究對于油氣管道定量風險評價具有重要意義，但均以腐蝕防護、地質(zhì)災害防治和超期服役管道管控等方面為主，研究周期以管道運行期為主，涉及設(shè)計和施工階段的風險評價較少?；诖?，參照全面質(zhì)量管理理論，從人員、機械設(shè)備、材料、方法、環(huán)境5個方面考慮評價指標，采用屬性區(qū)間識別理論判定管道存在的施工風險[7]；并在收集同類型管道施工項目歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用投影尋蹤法確定評價指標的客觀權(quán)重[8]，保證評價結(jié)果的準確性。研究結(jié)果可為工程建設(shè)項目的風險管理提供理論決策，并對質(zhì)量管理體系的修訂提供實際參考。

1 投影尋蹤-屬性區(qū)間識別模型

1.1 單指標屬性測度區(qū)間計算

設(shè)研究對象為X，有n個管段x1，x2，…，xn，每個管段有m個評價指標I1，I2，…，Im，xij為管段xi的第j個指標的評價值（1≤i≤n，1≤j≤m）。假設(shè)F為對象X中的某類屬性空間，（C1，C2，…，Ck）為屬性空間F的有序分割集，即某管段的施工風險類別，將管道施工風險分為低、較低、中、較高、高5 個等級，且滿足C1＜C2＜C3＜C4＜C5。由于屬性集之間具有可比較性，在管道施工風險評價中，認為越差越“強”[9-10]，因此根據(jù)分級標準構(gòu)造判斷矩陣Z，即

式中：amk，bmk分別為第m個指標在屬性空間F上的第k類別的區(qū)間上下限。

此時，評價值xij在屬性上的單指標屬性測度區(qū)間為，其中μijk均為[0，1]的值，公式為

1.2 投影尋蹤確定指標權(quán)重

投影尋蹤是一種處理高維數(shù)據(jù)的算法，其基本原理是將高維數(shù)據(jù)通過某種組合投影到低維空間中，在低維空間中尋找評價指標間的特征關(guān)系。該方法可將多個評價指標轉(zhuǎn)換為單一綜合評價指標的形式，克服了人為主觀因素對權(quán)重的影響[11]。但該算法對于最佳投影方向的尋優(yōu)較為困難，在此將粒子群算法和投影尋蹤法相結(jié)合，優(yōu)化多維投影方向的計算過程，得到全局最優(yōu)解。計算步驟如下：

（1）數(shù)據(jù)歸一化處理。將各樣本中不同的評價值xij進行歸一化處理得到標準化的數(shù)據(jù)xij*。

（2）構(gòu)造投影函數(shù)。根據(jù)投影尋蹤算法，將xij*沿w方向投影得到一維投影值zi，即

在構(gòu)造投影函數(shù)時，要求投影值zi應盡量提取原評價值xij*中的信息，目標函數(shù)f(w) 為

式中：Sz為投影值zi的標準差；Dz為投影值zi的局部密度。

（3）優(yōu)化投影方向。當樣本數(shù)據(jù)確定后，其結(jié)構(gòu)特征只與f(w)有關(guān)，最佳投影方向反映了高維數(shù)據(jù)的聚類特征，通過求解f(w)的最大值來估計最佳投影方向w*，公式為

（4）采用粒子群優(yōu)化權(quán)重。設(shè)置粒子群算法的初始參數(shù)（包括粒子個數(shù)、維度、學習因子、加速因子、慣性權(quán)重、最大迭代次數(shù)等），根據(jù)公式（5）計算適應度函數(shù)值，隨機生成權(quán)重，并將適應度值與自身位置和群體位置進行對比。按照位置更新公式進行位置更新，當計算結(jié)果滿足迭代次數(shù)或終止條件時，算法停止并輸出最優(yōu)粒子位置，即最優(yōu)投影方向w*。

1.3 綜合屬性測度計算

將單屬性測度區(qū)間進行均值化處理得到單指標屬性測度μijp，即

根據(jù)指標權(quán)重（w1，w2，…，wm）可計算綜合屬性測度μip，其中μip為[0，1]的值，即

當評價指標間的邏輯關(guān)系為“或”時，通過公式（8）進行加權(quán)求和即可；當邏輯關(guān)系為“與”時，采用乘積后進行歸一化處理，公式為

1.4 屬性識別

利用置信度準則對施工質(zhì)量等級進行識別，λ為置信度，判斷準則為

根據(jù)計算結(jié)果判定管段xi屬于Cpi類。

2 工程應用

2.1 評價指標選取及權(quán)重計算

根據(jù)GB 50369—2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規(guī)范》、Q/SY 06349—2019《油氣輸送管道線路工程施工技術(shù)規(guī)范》、Q/SY 08124.7《石油企業(yè)現(xiàn)場安全檢查規(guī)范第7部分：管道施工作業(yè)》等相關(guān)要求，參考油氣管道施工項目管理體系和常見的風險類別，從人員、機械設(shè)備、材料、方法、環(huán)境5個因素考慮權(quán)重。其中：人員因素指促使施工損傷導致管道風險增加的人的不安全行為，與人的質(zhì)量意識、管理水平和技能水平等相關(guān)，體現(xiàn)在人的主觀能動性上；機械設(shè)備因素指施工過程使用的機械設(shè)備應合理選型，不存在“帶病作業(yè)”及設(shè)備降效現(xiàn)象；材料因素指工程材料應滿足用量計劃要求，存儲數(shù)量應滿足連續(xù)作業(yè)要求；方法因素是指施工工藝和管理辦法滿足規(guī)范的相關(guān)要求，施工組織設(shè)計和專項施工設(shè)計齊全，并經(jīng)過專家論證；環(huán)境因素是指自然環(huán)境，如地形、地勢、地貌、巖石構(gòu)成、土質(zhì)類型等對施工質(zhì)量的影響，及雨、雪、大風天氣對施工質(zhì)量的影響。評價指標由13 個因素組成，見表1。

以西氣東輸四線（吐魯番—中衛(wèi)段）、中緬油氣管道（國內(nèi)段）、中俄東線天然氣管道（黑河—長嶺）段的部分管道分部分項工程為例，收集分部分項工程驗收時的質(zhì)量評價記錄277 份，按照表1的指標體系進行分類，共得到造成施工質(zhì)量下降的338個不安全因素。其中，中緬油氣管道在進入云南境內(nèi)后自東向西穿越橫斷山脈、紅色高原和巖溶高原三大地貌，滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災害頻發(fā)，故因自然環(huán)境造成的施工質(zhì)量下降不可避免。同時，中緬瀾滄江跨越工程采用無抗風索系剛性橋面，其建設(shè)難度較大，故因施工工藝造成的不安全因素較多；中俄東線沿線地區(qū)緯度相對較高，以高寒凍土區(qū)為主，自然環(huán)境以平原為主，部分管段經(jīng)丘陵地段，故因施工氣候環(huán)境造成的施工質(zhì)量下降尤其明顯。綜上所述，表1統(tǒng)計不安全因素與現(xiàn)場實際情況相符，采用粒子群-投影尋蹤法確定指標權(quán)重，其中粒子個數(shù)取20，維度取5，學習因子為1.5，加速因子為1.2，慣性權(quán)重從0.8 線性遞減到0.4，最大迭代次數(shù)取200，得到最優(yōu)的投影方向即指標權(quán)重（圖1）。其中，權(quán)重大于0.1的三項分別為人員誤操作、施工工藝和施工管理辦法，其權(quán)重遠大于其他指標，說明這三項對油氣管道施工風險等級的影響程度較大，業(yè)主方和施工單位應引起足夠的重視。

圖1 評價指標權(quán)重結(jié)果Fig.1 Weight results of evaluation indexes

表1 油氣管道施工風險評價指標體系Tab.1 Oil and gas pipeline construction risk evaluation index system

2.2 判斷矩陣構(gòu)造和管段評分結(jié)果

選取某輸氣管道施工項目，管道長度為120 km，根據(jù)沿線樁號分布，將其劃分為5 個管段進行評價。邀請一線施工人員及行業(yè)技術(shù)專家以問卷調(diào)查方式采集數(shù)據(jù)信息，打分采用百分制?；诰鶆騽澐址謹?shù)原則確定判斷矩陣，將分值（80，100]定為C1（低），將分值（60，80]定為C2（較低），將分值（40，60]定為C3（中），將分值（20，40]定為C4（較高），將分值（0，20]定為C5（高）。通過平均各專家的打分獲得5個管段的評分結(jié)果（表2）。

表2 管段評分結(jié)果Tab.2 Scoring results of pipe segment

2.3 屬性測度計算和屬性識別

以管段1為例，根據(jù)上述公式計算單指標屬性測度（表3）。同理得到其余管段的單指標屬性測度，將I1～I13之間的邏輯關(guān)系定為“或”，采用公式（8）計算綜合屬性測度，將B1～I13之間的邏輯關(guān)系定為“或”，采用公式（8）計算綜合屬性測度（表4）。

表3 管段1的單指標屬性測度值Tab.3 Single index attribute measure value of Pipe Segment 1

表4 各管段的綜合屬性測度值Tab.4 Comprehensive attribute measure values of each pipe segment

利用公式（10）進行屬性識別，置信度越靠近0.6，評價結(jié)果越激進，置信度越靠近0.7，評價結(jié)果越保守，在此取置信度為0.65 進行施工風險評價。不同的p值對應不同的評價等級見表5。

表5 各管段的施工風險評價結(jié)果Tab.5 Construction risk evaluation results of each pipe segment

2.4 結(jié)果對比

為了驗證投影尋蹤-屬性區(qū)間識別在管道施工質(zhì)量評價中的準確性，將其與模糊綜合評價法、集對分析法和突變理論法進行對比，結(jié)果見表6。其中，投影尋蹤-屬性區(qū)間識別模型與其他評價方法的結(jié)果基本一致。針對管段1，投影尋蹤-屬性區(qū)間識別的風險評價結(jié)果為“較高”，而模糊綜合評價法的風險評價結(jié)果為“中”。原因是：對于模糊評價法，當指標因素集較大時，相對隸屬度的權(quán)系數(shù)往往較小，易出現(xiàn)超模糊的現(xiàn)象，無法區(qū)分哪個評價等級的隸屬度更高，導致評價結(jié)果出現(xiàn)偏差。針對管段5，投影尋蹤-屬性區(qū)間識別的風險評價結(jié)果為“較低”，而突變理論法的風險評價結(jié)果為“低”。原因是：對于突變理論法，在進行多種突變函數(shù)計算時，未考慮多層指標間的邏輯關(guān)系，且控制變量較多時，突變函數(shù)的表達式過于復雜，評價結(jié)果易出現(xiàn)偏差。

表6 不同評價方法結(jié)果對比Tab.6 Comparison of results of different evaluation methods

3 結(jié)論

（1）針對油氣管道施工過程特點，參考油氣管道施工項目管理體系和常見的風險類別，從人員、機械設(shè)備、材料、方法、環(huán)境5個方面構(gòu)建施工風險評價指標體系。

（2）在收集同類型管道施工項目歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用粒子群算法優(yōu)化投影尋蹤模型對指標權(quán)重進行計算，其中人員誤操作、施工工藝和施工管理辦法的權(quán)重較大，應引起足夠重視。

（3）應用置信度準則對管道施工風險進行評價，并從邏輯關(guān)系角度將多層次指標進行“或”和“與”運算，評價結(jié)果可有效識別施工風險，進而采取針對性措施。