楊 林， 高文學(xué)， 李顏強(qiáng)， 嚴(yán)榮松， 苗慶偉，王 艷， 戶英杰， 楊明暢， 張 文

(1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司， 天津 300384； 2.國(guó)家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心， 天津 300384)

1 概述

綜合管廊是城市道路下集約化的隧道空間，將電力、通信、供水排水、熱力、燃?xì)獾榷喾N市政管線集中在一起，實(shí)行“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理”，并設(shè)有專門的檢修、吊裝、通風(fēng)、照明、排水、監(jiān)測(cè)等相關(guān)配套系統(tǒng)的城市綜合管線工程[1]。隨著我國(guó)邁入大規(guī)模建設(shè)城市地下綜合管廊的新時(shí)代，全國(guó)已有一些城市建成相當(dāng)規(guī)模的地下綜合管廊，盡管已經(jīng)在制度、法規(guī)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面給出了綜合管廊建設(shè)的參考建議，但就天然氣管道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題，都以概念性、原則性、引導(dǎo)性為主，未細(xì)化至具體的操作層面。天然氣管道受自身屬性、介質(zhì)特性和管理調(diào)度影響，運(yùn)行過(guò)程存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，威脅附近城市生命線管道和綜合管廊的正常運(yùn)行，屬于高危管道。天然氣管道一旦失效，不僅影響天然氣供應(yīng)、危及人員安全，還有可能造成其他管線的破壞，甚至引發(fā)管廊本體坍塌，帶來(lái)不可估量的損失?？茖W(xué)準(zhǔn)確地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是城市地下綜合管廊天然氣管道建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中必須面對(duì)和亟待解決的緊迫問(wèn)題。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)及方法

城市地下綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)(簡(jiǎn)稱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo))是定量研究廊內(nèi)天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的基礎(chǔ)。目前在管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估常用方法中，KENT評(píng)分法是最為完整和系統(tǒng)的一種方法，其通過(guò)相關(guān)管線事故歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將管道事故的原因歸納為第三方破壞、腐蝕、設(shè)計(jì)、誤操作，由此計(jì)算管道風(fēng)險(xiǎn)值[2]，此方法容易掌握、便于推廣，后續(xù)相關(guān)學(xué)者建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系大部分是在KENT評(píng)估指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化[3-5]。但此方法基于管線事故歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而綜合管廊天然氣管道運(yùn)行時(shí)間較短，管道事故案例較少，同時(shí)廊內(nèi)天然氣管道與埋地管道和室外架空管道運(yùn)行環(huán)境不同，不能完全借用現(xiàn)有燃?xì)夤艿朗鹿史治隹偨Y(jié)的影響因素與失效概率。因此本文基于城市地下綜合管廊整體系統(tǒng)，對(duì)影響城市地下綜合管廊天然氣管道正常運(yùn)行的危險(xiǎn)、有害因素進(jìn)行科學(xué)性、系統(tǒng)性、全面性地識(shí)別，確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估影響因素。

經(jīng)過(guò)咨詢行業(yè)專家，結(jié)合綜合管廊天然氣管道特點(diǎn)，將影響城市地下綜合管廊天然氣管道安全運(yùn)行的因素歸結(jié)為綜合管廊、周邊環(huán)境、天然氣管線系統(tǒng)、其他因素類，構(gòu)建城市地下綜合管廊天然氣管道安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，見圖1。

圖1 綜合管廊天然氣管道安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

目前，常用的指標(biāo)權(quán)重確定方法有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法是指一定程度上依靠專家或評(píng)估者的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重，包括德爾菲法、層次分析法、環(huán)比評(píng)分法等。客觀賦權(quán)法主要是利用樣本數(shù)據(jù)自身的特征信息確定各指標(biāo)權(quán)重，包括主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、熵值法等。層次分析法(AHP法)采用定性分析和定量分析相結(jié)合，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)間重要性兩兩比較矩陣，是一種科學(xué)有效的權(quán)重確定方法，但此方法未考慮各因素之間的影響關(guān)系[6]。本文引入決策試驗(yàn)法(DEMATEL法)，該方法運(yùn)用圖論和矩陣進(jìn)行系統(tǒng)要素分析，揭示要素間的復(fù)雜關(guān)系，構(gòu)建基于AHP-DEMATEL法的管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

3 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

3.1 AHP法確定指標(biāo)初始權(quán)重

AHP法將要解決的問(wèn)題系統(tǒng)地、有層次地分解成多個(gè)指標(biāo)，并建立層次結(jié)構(gòu)，進(jìn)行有效定性和定量分析，具體計(jì)算步驟如下。

3.1.1構(gòu)建判斷矩陣

將指標(biāo)重要程度劃分為9個(gè)等級(jí)，并進(jìn)行兩兩比較，其中1、3、5、7、9級(jí)分別表示兩個(gè)指標(biāo)同等重要、略微重要、相當(dāng)重要、明顯重要、絕對(duì)重要，2、4、6、8級(jí)介于兩個(gè)重要程度之間；相對(duì)不重要?jiǎng)t采用倒數(shù)取值的方式，如1/3、1/5、1/7、1/9等[7]?？梢圆捎脤＜覇?wèn)卷調(diào)查等方式，構(gòu)建管道安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的判斷矩陣A。如：判斷矩陣A的第i行第j列元素為9，表示第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)比第j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)絕對(duì)重要。

3.1.2計(jì)算第i個(gè)初始權(quán)重

首先計(jì)算判斷矩陣每一行元素的乘積，再對(duì)乘積進(jìn)行求e次方根計(jì)算，最后進(jìn)行歸一化處理，具體計(jì)算式[7]如下：

(1)

(2)

(3)

式中Mi——判斷矩陣A第i行元素的乘積

e——判斷矩陣A的階數(shù)，即風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)數(shù)量

Aij——判斷矩陣A的元素

mi——判斷矩陣A第i行元素乘積的e次方根

基于上述步驟得出的初始權(quán)重矩陣，計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax，并對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，具體計(jì)算式[8]如下：

Q=AW1

(4)

(5)

(6)

(7)

式中Q——新構(gòu)建矩陣(e×1矩陣)

A——判斷矩陣

W1——風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)初始權(quán)重矩陣(e×1矩陣)

λmax——最大特征值

Qi——新構(gòu)建矩陣Q的第i個(gè)元素

CI——一致性指標(biāo)

CR——一致性比例

RI——隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)e為1、2、3、4、5、6、7、8、9時(shí)，RI分別為0、0、0.58、0.90、1.12、1.24、1.32、1.41、1.45。當(dāng)CR小于0.1時(shí)，滿足一致性檢驗(yàn)。

3.1.3風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)初始權(quán)重的確定

第i個(gè)初始權(quán)重的內(nèi)涵：對(duì)于準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層A的判斷矩陣，第i個(gè)初始權(quán)重就是第i個(gè)準(zhǔn)則層初始權(quán)重，i的變化范圍為1～4；對(duì)于每個(gè)指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)則層的判斷矩陣，第i個(gè)初始權(quán)重就是第i個(gè)指標(biāo)層初始權(quán)重，i的變化范圍隨風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)數(shù)量而定。

第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)初始權(quán)重等于該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)所在的準(zhǔn)則層的準(zhǔn)則層初始權(quán)重與相應(yīng)的指標(biāo)層初始權(quán)重的乘積，i的變化范圍為1～14。

3.2 DEMATEL法確定指標(biāo)影響權(quán)重

決策試驗(yàn)法(DEMATEL法)是通過(guò)指標(biāo)之間的邏輯關(guān)系與直接影響矩陣，計(jì)算各指標(biāo)對(duì)其他指標(biāo)的影響程度以及被影響程度，具體計(jì)算步驟如下。

3.2.1構(gòu)建直接影響矩陣

將指標(biāo)之間的關(guān)系分為5個(gè)等級(jí)，其中0、1、2、3、4級(jí)分別代表沒有影響關(guān)系、影響弱、影響比較弱、影響較強(qiáng)、影響很強(qiáng)[6]，同樣可以利用專家打分法確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)直接影響矩陣B。

3.2.2計(jì)算指標(biāo)影響權(quán)重

首先將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)直接影響矩陣B規(guī)范化處理得出矩陣R，進(jìn)而計(jì)算綜合影響矩陣T，確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)影響度、被影響度、中心度、原因度，然后計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)影響權(quán)重。具體計(jì)算式[7-9]如下：

(8)

T=R(I-R)-1

(9)

(10)

(11)

Oi=Di+Cj(j=i)

(12)

Pi=Di-Cj(j=i)

(13)

Si=DiCj(j=i)

(14)

(15)

式中R——規(guī)范化的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)直接影響矩陣

B——風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)直接影響矩陣

n——全部風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)數(shù)量，本文n=14

Bij——風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)直接影響矩陣B的元素

T——綜合影響矩陣

I——單位矩陣

Di——影響度矩陣D的第i個(gè)元素，為綜合影響矩陣T的列元素之和

Tij——綜合影響矩陣T的元素

Cj——被影響度矩陣C的第j個(gè)元素，為綜合影響矩陣T的行元素之和

Oi——中心度矩陣O的第i個(gè)元素

Pi——原因度矩陣P的第i個(gè)元素

Si——關(guān)系矩陣S的第i個(gè)元素

3.3 AHP- DEMATEL法確定指標(biāo)綜合權(quán)重

AHP- DEMATEL法是將上述2種方法結(jié)合，充分考慮上下層及同層之間的綜合影響，使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的確定更加科學(xué)與客觀?；谏鲜霾襟E得出的初始權(quán)重與影響權(quán)重計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重，具體計(jì)算式[9]如下：

(16)

式中Wi——第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重

3.4 基于綜合權(quán)重的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

借鑒相關(guān)文獻(xiàn)中的管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分原則[8]，將綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、中等風(fēng)險(xiǎn)、中高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)。為將定性指標(biāo)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為定量評(píng)價(jià)，確定天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型評(píng)語(yǔ)集，綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度，得出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度矩陣U：

(17)

式中U——風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度矩陣

Uij——第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為j的隸屬度，i=1～n，j=1～m

m——風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)數(shù)量

將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重與隸屬度矩陣進(jìn)行模糊運(yùn)算，得到廊內(nèi)管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度矩陣V：

V=WTU

(18)

式中V——被評(píng)估管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度矩陣(1×m矩陣)

W——風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重矩陣(n×1矩陣)

U——風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度矩陣

根據(jù)最大隸屬度原則，確定管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[9-10]。

綜上所述，基于AHP-DEMATEL法進(jìn)行綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程見圖2。

4 案例研究

基于本文提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)及方法，對(duì)某城市地下綜合管廊天然氣管道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為日常的安全管理提供參考。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重

4.1.1風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)初始權(quán)重

基于城市地下綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，采用專家問(wèn)卷調(diào)查的方法構(gòu)建準(zhǔn)則層B對(duì)目標(biāo)層A和指標(biāo)層C對(duì)準(zhǔn)則層B的判斷矩陣，見表2～6。采用式(1)～(7)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)初始權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果見表7。

表2～6判斷矩陣的最大特征值λmax分別為4.116 9、3.038 5、4.077 4、3.038 5、4.116 9，一致性比例CR均小于0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。

表2 準(zhǔn)則層B對(duì)目標(biāo)層A的判斷矩陣

表3 指標(biāo)層C對(duì)準(zhǔn)則層B1的判斷矩陣

表4 指標(biāo)層C對(duì)準(zhǔn)則層B2的判斷矩陣

表5 指標(biāo)層C對(duì)準(zhǔn)則層B3的判斷矩陣

表6 指標(biāo)層C對(duì)準(zhǔn)則層B4的判斷矩陣

4.1.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)影響權(quán)重

基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)，采用DEMATEL法，結(jié)合采用專家問(wèn)卷調(diào)查構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)直接影響矩陣，見表8。根據(jù)式(8)～(15)，得到影響度、被影響度、中心度和原因度等，最終確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)影響權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表9。

表8 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)直接影響矩陣

續(xù)表8

表9 城市地下綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)影響權(quán)重

4.1.3風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重

將初始權(quán)重和影響權(quán)重按式(16)進(jìn)行計(jì)算，得到風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表10。

表10 城市地下綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重

4.1.4風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重分析

基于上述研究，得出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)初始權(quán)重、影響權(quán)重和綜合權(quán)重，將其由大到小排序，見表11。

通過(guò)分析表11可知，分別按照初始權(quán)重、影響權(quán)重和綜合權(quán)重進(jìn)行排序，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)順序有一定的變動(dòng)。

表11 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重排序

續(xù)表11

綜合權(quán)重與初始權(quán)重相比，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重排序前5位沒有變動(dòng)，主要變動(dòng)情況如下：管廊附屬設(shè)施C13從第9位提升到第7位，單位及人員資質(zhì)C42從第10位提升到第9位，建設(shè)過(guò)程的程序合規(guī)性C41從第13位提升到第10位，周邊地下空間情況C24從第14位提升到第12位。

安全應(yīng)急措施及裝備C44體現(xiàn)預(yù)防和處置事故的能力，對(duì)提高管道運(yùn)行安全、降低風(fēng)險(xiǎn)的作用應(yīng)大于天然氣管道附件C32；管廊附屬設(shè)施C13中包含綜合管廊的消防系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等，其對(duì)保障廊內(nèi)天然氣管道正常運(yùn)行的作用應(yīng)大于運(yùn)維管理制度C43、地質(zhì)條件C21等。通過(guò)分析可知，按照綜合權(quán)重的指標(biāo)排序與現(xiàn)實(shí)情況比較接近。

4.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度

根據(jù)上述城市地下綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，基于綜合管廊天然氣管道實(shí)際情況，確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度，見表12。

表12 綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度

4.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

基于上述計(jì)算得出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重矩陣，結(jié)合天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度矩陣，計(jì)算得到管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)隸屬度矩陣V，V=(0.872 2,0.126 9,0.000 9,0.000 0)?？梢钥闯?，基于AHP-DEMATEL法得到的綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的隸屬度為0.872 2，根據(jù)最大隸屬度原則，此綜合管廊天然氣管道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

① 針對(duì)綜合管廊內(nèi)天然氣管道特點(diǎn)，構(gòu)建了以綜合管廊、周邊環(huán)境、天然氣管線系統(tǒng)、其他因素為準(zhǔn)則層的城市地下綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。

② 采用層次分析-決策試驗(yàn)(AHP-DEMATEL)法建立綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，綜合考慮上下層級(jí)與同層級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)之間的影響關(guān)系，有效提升指標(biāo)權(quán)重賦值的科學(xué)性和客觀性。

③ 提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型可以對(duì)綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量計(jì)算，案例分析證明該方法能夠有效評(píng)估綜合管廊天然氣管道風(fēng)險(xiǎn)。