趙俊茹 張美玲 田峻東 孟凡想 吳 青

（東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院）

長輸油氣管道普遍具有淺埋、薄殼、內(nèi)含易燃易爆有毒介質(zhì)的特點， 一旦發(fā)生泄漏等事故，后果不堪設(shè)想，因此開展風(fēng)險評估對于提高長輸油氣管道的安全性具有重要意義［1］。 在不同的管道風(fēng)險評估方法中，風(fēng)險指標(biāo)的確定是基礎(chǔ)，且不同的風(fēng)險指標(biāo)對管道的影響程度均有所不同［2，3］。近年來，許多學(xué)者利用改進(jìn)后的肯特打分法對管道進(jìn)行了風(fēng)險評估，如田思祺等針對跨越管道的特殊性，在原肯特打分法風(fēng)險因素基礎(chǔ)上增加了結(jié)構(gòu)安裝和自然災(zāi)害因素，并運用云模型確定了各指標(biāo)的權(quán)重［4］；駱吉慶等在原風(fēng)險因素基礎(chǔ)上增加了自然環(huán)境指標(biāo)， 運用Mamdani算法計算了海底管道風(fēng)險值，結(jié)果準(zhǔn)確且計算方便，但其未確定各二級指標(biāo)［5］。 現(xiàn)有研究在確定風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重時大多是將主客觀權(quán)重線性結(jié)合起來［6～8］，雖然能夠同時反映專家的經(jīng)驗知識和數(shù)據(jù)的客觀信息，但無法科學(xué)反映各評估指標(biāo)間的相互影響程度，且其中的組合系數(shù)難以合理確定［9～11］。

由于長輸油氣管道途經(jīng)地區(qū)自然環(huán)境復(fù)雜多變且惡劣［12］，因此對自然環(huán)境因素的風(fēng)險評估十分重要，然而原肯特打分法中并未考慮這一因素，且忽略了各項指標(biāo)對管道影響程度的差異性而導(dǎo)致風(fēng)險評估結(jié)果不準(zhǔn)確［13］。 為此，筆者在肯特打分法原失效因素的基礎(chǔ)上增加自然環(huán)境這項一級指標(biāo)，并針對各因素權(quán)重相同會導(dǎo)致評估結(jié)果準(zhǔn)確性下降、組合賦權(quán)法中組合系數(shù)難以合理分配的問題，構(gòu)建了一種基于改進(jìn)指標(biāo)相關(guān)性指標(biāo)權(quán)重確定方法 （Criteria Importance Though Intercrieria Correlation，CRITIC） 修正層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP） 的肯特評估模型，并將該模型應(yīng)用于慶哈輸油管道中以驗證模型的有效性。

1 改進(jìn)肯特打分法

肯特打分法是在分析總結(jié)案例和專家豐富經(jīng)驗的基礎(chǔ)上形成的。 該方法將管道按照實際沿線狀況分段，對第三方破壞、腐蝕、設(shè)計與本體、誤操作4類失效因素逐項評分后累加得到指數(shù)和， 再除以泄漏影響系數(shù)后得到相對風(fēng)險評估值，風(fēng)險評估值與管道風(fēng)險程度成反比［14］。 肯特打分法計算式為：

其中，R為相對風(fēng)險評估值；S為失效指數(shù)和（0≤S≤400）；T、C、D、I分別為4項風(fēng)險指標(biāo)指數(shù)（各項指標(biāo)滿分均為100分）；A、B分別為介質(zhì)危險性指數(shù)和影響系數(shù)指數(shù)。 目前，我國對油氣管道風(fēng)險評估的風(fēng)險等級劃分中，多采用SCHLECHTER W P G提出的管道風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1）［15］。

表1 管道風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

長輸油氣管道要穿越不同規(guī)模的河溝、水渠、公路等，沿線情況復(fù)雜，災(zāi)害類型多，對管道安全運行的影響不容忽視［16］。 為此，筆者在原肯特打分法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建包含第三方破壞、腐蝕、設(shè)計與本體、誤操作、自然環(huán)境5類風(fēng)險因素的風(fēng)險指標(biāo)體系。

通過現(xiàn)場調(diào)研與資料收集分析［17］，確定各一級指標(biāo)的二級因素，得到改進(jìn)后的評估模型如圖1所示， 改進(jìn)后的管道風(fēng)險指標(biāo)體系如圖2所示，其中紅色虛線框內(nèi)為新增的風(fēng)險指標(biāo)。

圖1 改進(jìn)肯特打分法風(fēng)險評估模型

圖2 改進(jìn)肯特打分法管道風(fēng)險指標(biāo)體系

對肯特打分法中各風(fēng)險指標(biāo)重新賦予權(quán)重，計算式變?yōu)椋?/p>

其中，E為自然環(huán)境指數(shù)；ωj（j=1，2，3，4，5）為各指標(biāo)權(quán)重值；L為泄漏沖擊指數(shù)和。 為保證文獻(xiàn)［15］中的管道風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)仍適用于改進(jìn)后的方法，使改進(jìn)后的失效指數(shù)和（400分）不變，則5項指標(biāo)其各自滿分變?yōu)?0分。

2 基于改進(jìn)CRITIC修正AHP的評估指標(biāo)權(quán)重優(yōu)化

2.1 計算各指標(biāo)改進(jìn)CRITIC信息量

與原方法相比改進(jìn)CRITIC采用均值消除了標(biāo)準(zhǔn)差的量綱影響［18］，并將其絕對值代入計算消除相關(guān)系數(shù)的正負(fù)號影響［19］，使得計算過程更加簡便，同時計算得到的信息量越大說明該指標(biāo)對評估對象的影響越大。

計算指標(biāo)所含信息量公式為：

其中，Cj表示第j個指標(biāo)的信息量；rjk表示指標(biāo)j和k之間的相關(guān)系數(shù)；δj和μj分別為第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差和均值；m為被評價指標(biāo)個數(shù)。各指標(biāo)層的信息量用該指標(biāo)層內(nèi)各指標(biāo)信息量的均值代替。

2.2 修正AHP的權(quán)重計算方法

AHP可以作為風(fēng)險評估中確定指標(biāo)重要程度的一種有效方法［20］，其中權(quán)重的確定需計算判斷矩陣的最大特征根λmax進(jìn)行一致性檢驗。 基于改進(jìn)CRITIC修正AHP的權(quán)重ωj計算步驟如下。

第1步，建立判斷矩陣。根據(jù)式（4）計算得到的改進(jìn)CRITIC信息量對同層次指標(biāo)按重要程度排序，消除主觀排序帶來的誤差，構(gòu)造出更準(zhǔn)確的判斷矩陣。 設(shè)判斷矩陣中第k個指標(biāo)對第j個指標(biāo)的重要性標(biāo)度為akj（k=1，2，…，m；j=1，2，…，m）。

第2步，一致性檢驗。 對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗：

其中，CI為一致性指標(biāo)，RI為平均隨機一致性指標(biāo)，當(dāng)m=5時，RI=1.12。 若CI<0.10，則代表判斷矩陣通過一致性檢驗，否則需要對判斷矩陣進(jìn)行重新調(diào)整。

第3步，對判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理，并將歸一化后所得的矩陣按行相加：

其中，αkj為判斷矩陣中第k個指標(biāo)對第j個指標(biāo)的重要性標(biāo)度，bj為第1個指標(biāo)到第m個指標(biāo)的重要性標(biāo)度之和。

第4步，計算權(quán)重：

3 應(yīng)用實例

3.1 慶哈輸油管道概況

以慶哈輸油管道為例，該管道位于中國黑龍江省，冬季氣候寒冷，目前已服役23年，全線共有4座輸油站、5座閥室，管線穿越安肇新阿什河、松花江，多處穿越水渠、公路，實際情況復(fù)雜。

3.2 慶哈輸油管道的風(fēng)險評估

根據(jù)截斷閥室和輸油站的位置、河流的穿越位置、沿線的人口密度、土壤狀況與常年氣候差異將慶哈輸油管道分為12個管段。 邀請專家對5項一級指標(biāo)進(jìn)行打分，結(jié)果見表2。

計算各風(fēng)險指標(biāo)改進(jìn)CRITIC信息量。 通過式（5） 計算得出各項風(fēng)險指標(biāo)改進(jìn)CRITIC信息量（表3）。

表3 各風(fēng)險指標(biāo)信息量

由表3可知，按照信息量排序為第三方破壞腐蝕＞自然環(huán)境＞設(shè)計與本體＞誤操作。

邀請專家結(jié)合信息量排序來確定指標(biāo)之間的重要性標(biāo)度和判斷矩陣，然后根據(jù)式（8）計算各風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重占比，結(jié)果如圖3所示；同時計算各管段的相對風(fēng)險值與風(fēng)險等級（表4）。

圖3 各風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重占比

表4 基于改進(jìn)肯特打分法的風(fēng)險等級計算結(jié)果

3.3 評估結(jié)果分析

將改進(jìn)前后的慶哈輸油管線風(fēng)險評估結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4所示，可以看出，改進(jìn)后的風(fēng)險評估方法得到的風(fēng)險評估值均低于改進(jìn)前的，即風(fēng)險增大，其中管段5、7、8均由低風(fēng)險管段修正為中風(fēng)險管段。 另外，由于管線所處位置常年氣候變化較大，尤其冬季氣候寒冷，自然環(huán)境惡劣，因此應(yīng)加強對相關(guān)管段的監(jiān)管。

圖4 改進(jìn)前后的慶哈輸油管線風(fēng)險評估結(jié)果

4 結(jié)論

4.1 管道的自然環(huán)境會對管道的安全運行產(chǎn)生影響，所以在管道風(fēng)險評估過程中，增加自然環(huán)境因素， 并根據(jù)實際情況確定相應(yīng)因素的權(quán)重，然后利用基于改進(jìn)CRITIC修正AHP的肯特評估模型確定管道風(fēng)險等級。

4.2 采用改進(jìn)CRITIC信息量之比 （用于反映各評估指標(biāo)間的相互影響程度）代替專家主觀確定評估指標(biāo)之間的重要程度之比（本層所有指標(biāo)針對上一層某一指標(biāo)的相對重要性的比較即為重要程度之比）， 并基于改進(jìn)的CRITIC修正AHP賦權(quán)法，使評估結(jié)果既反映了專家豐富的經(jīng)驗又反映了數(shù)據(jù)的客觀信息，同時避免了組合賦權(quán)法中組合系數(shù)無法合理分配的問題。

4.3 將改進(jìn)后的肯特打分法應(yīng)用于慶哈輸油管線， 結(jié)果表明改進(jìn)后的風(fēng)險評估方法更加合理，管道管理人員在氣候嚴(yán)寒時可增加對管線的巡檢力度以確保管線的安全運行。