李喬楚，陳軍華

（西南石油大學經(jīng)濟管理學院，四川 成都 610500）

0 引言

隨著“碳達峰”“碳中和”目標的進一步提出，天然氣由于其清潔、高效、穩(wěn)定、靈活、經(jīng)濟等優(yōu)點逐漸成為國民經(jīng)濟社會發(fā)展的主體能源。由于埋地管道與巖土直接接觸，因而不可避免地受到巖土活動的影響[1]。我國西南一帶巖溶面積占地區(qū)面積的三分之一以上，地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[2-3]，降水強度較大，極易引發(fā)巖溶塌陷導(dǎo)致埋地管道變形、懸空甚至斷裂，不僅會給人類的生命財產(chǎn)造成極大的損失，而且也對燃氣普及產(chǎn)生巨大的負面作用，嚴重影響中國能源系統(tǒng)的清潔低碳轉(zhuǎn)型進程。因此，有必要系統(tǒng)地研究造成巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道事故的本質(zhì)風險因素，為社會防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)。

近年來，針對燃氣管道安全風險分析的研究主要是以事故樹法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、模糊綜合評價法為主。Li等[4]基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)從“人-機械-環(huán)境-管理”四個維度開展了城市埋地燃氣管道事故的風險因素分析。黃健陵等[5]基于模糊事故樹方法從“人-機-料-法-環(huán)”五個維度開展了施工現(xiàn)場地下燃氣管線泄漏事故的風險因素分析。駱正山等[6]提出了基于事故樹分析與動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的城市燃氣管道泄漏事故風險診斷方法，并結(jié)合某燃氣管道泄漏爆炸事件開展風險因素的實例分析。目前，針對燃氣管道風險因素的研究主要是將其當作孤立的事物，而未考慮因素間的耦合作用，且忽略了不同層級風險因素間的異質(zhì)性影響效應(yīng)。因此，有必要立足多級遞階和系統(tǒng)安全角度對燃氣管道的風險分析進行全面研究。

自周德群等[7]提出決策實驗室分析法（decisionmaking trial and evaluation laboratory，DEMATEL）和解釋結(jié)構(gòu)模型（interpretative structural modeling method，ISM）存在一定共性，可形成集成方法后，許多學者將其應(yīng)用于風險因素分析中，如王軍武等[8]以DEMATELISM 法構(gòu)建了裝配式建筑工程吊裝事故的風險因素辨識模型，明確了風險因素間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和層次結(jié)構(gòu)?？傊?，DEMATEL/ISM 法能夠?qū)⒕哂旭詈详P(guān)系的風險因素系統(tǒng)解構(gòu)為直觀的多級遞階模型。但與此同時，由于DEMATEL/ISM 法不能體現(xiàn)同一層級因素對下一層級因素的作用異質(zhì)性，因此可以結(jié)合交叉影響矩陣相乘法（cross-impact matrix multiplication applied to classification，MICMAC）實現(xiàn)多級遞階結(jié)構(gòu)由源到鏈的更深層次研究。MICMAC 法基于風險因素的關(guān)系矩陣，確定各因素的依賴度和驅(qū)動力，并通過歸納分類把握風險因素在系統(tǒng)中所起的實質(zhì)性作用[9]。

基于此，本文提出一種巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道D/I-MICMAC-VS 集成風險分析方法。該方法在Visual Studio 環(huán)境下開發(fā)“巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道風險分析軟件”，兼顧因果連鎖和軌跡交叉理論搭建事故復(fù)合致因模型，基于DEMATEL/ISM 法確定系統(tǒng)因素間的層次結(jié)構(gòu)和因果關(guān)系，分析引發(fā)事故的表層直接原因、中層間接原因和深層根本原因，并結(jié)合MICMAC法確定各因素的依賴度和驅(qū)動力，將系統(tǒng)中所有因素劃分為獨立集群、依賴集群、聯(lián)動集群和自發(fā)集群。通過MICMAC 法的實質(zhì)性作用分析彌補DEMATEL/ISM法不能體現(xiàn)同一層級因素對下一層級因素作用異質(zhì)性的缺陷，借助計算機數(shù)值動態(tài)分析實現(xiàn)風險研究的智能化、高效化，從而助力決策者厘清復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、掌握關(guān)鍵風險因素，為從根本上遏制巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道事故提供科學合理依據(jù)。

1 D/I-MICMAC-VS 集成風險分析方法

1.1 巖溶塌陷的形成原因

巖溶塌陷是在具備巖溶洞隙、一定厚度松散蓋層以及地下水活動等基本形成條件的基礎(chǔ)上，在多種自然因素以及人為因素的耦合作用下產(chǎn)生的一種土體塌陷現(xiàn)象，具體形成原因匯總于表1。

表1 巖溶塌陷形成原因Table 1 Formation causes of karst collapse

1.2 風險因素的遴選

為了保證燃氣管道的穩(wěn)定性并減小外界因素造成的影響，埋地燃氣管通常敷設(shè)于地下1～3 m，在巖溶發(fā)育過程中，埋地管道與管周土體構(gòu)成了一種特殊受力結(jié)構(gòu)，土體對管道既是一種形變驅(qū)動力，同時也是一種運動約束介質(zhì)。巖溶發(fā)育過程中埋地管道的變形特征如圖1 所示。

圖1 巖溶發(fā)育過程中埋地管道變形特征Fig.1 Deformation characteristics of buried pipelines during karst development process

根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理部門網(wǎng)站及相關(guān)學術(shù)文獻，收集了近30 例巖溶塌陷隱患區(qū)管道失效事故案例，并將其作為統(tǒng)計資料源。通過計量分析可得，雖然巖溶塌陷隱患區(qū)管道失效事故的誘因復(fù)雜多變，但均可以歸納為“人員不安全狀態(tài)-管道不安全狀態(tài)-環(huán)境不安全狀態(tài)-管理漏洞”四個維度?？紤]到因果連鎖理論從縱向角度分析了風險因素間的動態(tài)因果關(guān)系，軌跡交叉理論從橫向角度分析了不同風險因素間交互作用而最終導(dǎo)致事故發(fā)生的演化路徑。故兼顧雙重視角建立巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道軌跡交叉-因果連鎖事故復(fù)合致因模型，具體如圖2 所示。

圖2 軌跡交叉-因果連鎖事故復(fù)合致因模型Fig.2 Compound causal model of trajectory intersections and causal chain accidents

基于此，結(jié)合巖溶塌陷的形成原因及其對管道的損傷特征，并采用頻度統(tǒng)計法將頻度不低于3 的指標納入巖溶塌陷隱患區(qū)管道風險因素體系，最終選定24 個風險因素并逐一編號，具體匯總于表2。

表2 風險因素指標體系Table 2 Risk factor indicator system

1.3 基于DEMATEL/ISM 法的層次結(jié)構(gòu)分析

DEMATEL/ISM 法的具體算法[10-12]步驟如下：

（1）構(gòu)建直接影響矩陣。針對燃氣管道行業(yè)專家和工作人員開展訪談?wù){(diào)研，根據(jù)反饋結(jié)果得出直接影響矩陣U。

（2）計算綜合影響矩陣。對直接影響矩陣進行規(guī)范化處理得到矩陣M，具體方法如式（1）所示。

式中uij——系統(tǒng)因素ei對ej的直接影響程度；

為了綜合評估各個因素對整體風險系統(tǒng)的影響效應(yīng)，考慮到多元因素間的直接作用和間接傳導(dǎo)路徑，將規(guī)范化處理后的矩陣M進一步轉(zhuǎn)化為綜合影響矩陣V，具體方法如（2）所示。

由于 0

式中：I——單位矩陣。

（3）確定中心度和原因度。風險因素ei的影響度pi和被影響度qi，中心度si（表征風險因素在系統(tǒng)中占據(jù)的重要程度[13]）和原因度ti（原因度小于0 表示該因素對其他因素不存在顯著影響，屬于結(jié)果因素；反之則屬于原因因素）的計算公式分別為：

式中：vij、vji——矩陣V的i行j列或i列j行對應(yīng)的因素，i=1,2,···,n，j=1,2,···,n。

（4）構(gòu)建可達矩陣?？紤]到I作為單位矩陣可以表征因素對自身的影響，因此結(jié)合單位矩陣I將綜合影響矩陣V進一步轉(zhuǎn)化為整體關(guān)系矩陣H，具體方法如式（8）所示。

式中：hij——矩陣H的i行j列對應(yīng)的因素，i=1,2,···,n，j=1,2,···,n。

為了去除影響程度較小的耦合關(guān)系，簡化研究系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，通過給定閾值β 變換整體關(guān)系矩陣H，從而構(gòu)建可達矩陣G，具體遵循如下準則：當整體關(guān)系矩陣因素hij≥β 時，對應(yīng)可達矩陣因素gij為1；當整體關(guān)系矩陣因素hij<β 時，對應(yīng)可達矩陣因素gij為0。閾值β 的取值將對系統(tǒng)因素間的因果關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)分析產(chǎn)生關(guān)鍵影響[14]。

（5）建立多級遞階結(jié)構(gòu)模型。首先基于式（9）和式（10）確定可達矩陣G的可達集合Xi和前因集合Yi，然后驗證等式“Xi=Xi∩Yi”是否成立，若成立則表明風險因素ei為底層因素，并且從可達矩陣G中移除第i行和第i列的所有元素。重復(fù)以上步驟，直至厘清所有風險因素的層級，并依據(jù)因素劃分的前后順序，最終建立起多級遞階結(jié)構(gòu)模型。

式中：E——所有風險因素的集合；

ei——序號為i的某一具體風險因素，i=1,2,···,n。

1.4 基于MICMAC 法的實質(zhì)性作用分析

由于在DEMATEL/ISM 法中，同一層級因素對下一層級因素的差異化作用效果無法得以體現(xiàn)。為彌補這一缺陷，本文提出采用MICMAC 法對構(gòu)建的多級遞階結(jié)構(gòu)模型進行更深層次的總結(jié)分析，以明確風險演化控制的關(guān)鍵點。MICMAC 法的核心思想為依據(jù)關(guān)鍵風險因素間的直接和間接影響，并結(jié)合依賴度和驅(qū)動力數(shù)值將所有因素歸納劃分為獨立、依賴、聯(lián)動和自發(fā)4 類集群，從而識別關(guān)鍵因素并把握其在系統(tǒng)中的實質(zhì)性作用[15]。

MICMAC 法的分析結(jié)果可借助Cartesian 坐標系進行展示，通常以橫坐標表征依賴度，縱坐標表征驅(qū)動力。其中，依賴度等于對該因素造成影響的多元因素數(shù)目，驅(qū)動力等于受到該因素影響的多元因素數(shù)目[16]?；贑artesian 坐標系的MICMAC 分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 基于Cartesian 坐標系的MICMAC 分析結(jié)果Fig.3 MICMAC analysis results based on Cartesian coordinate system

在所劃分的四個集群中，自發(fā)集群包含的風險因素驅(qū)動力較強但依賴度較弱，因此這類因素在系統(tǒng)中的地位通常最為關(guān)鍵，管理層在對其進行處理時應(yīng)格外謹慎。聯(lián)動集群包含的風險因素驅(qū)動力和依賴度均較強，作為不穩(wěn)定因素，與其相關(guān)的任何行為變動都會對其他因素造成影響，并反過來對自身產(chǎn)生反射作用。獨立集群包含的風險因素驅(qū)動力和依賴度均較弱，其通常直接對頂層目標造成影響。依賴集群包含的風險因素驅(qū)動力較弱但依賴度較強，一般屬于最終風險因素。

1.5 巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道風險分析軟件編制

基于DEMATEL/ISM 和MICMAC 方法，結(jié)合Visual Studio 平臺開發(fā)“巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道風險分析軟件”，從而實現(xiàn)風險因素分析的智能化、高效化，提高巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道安全風險的分析效率。軟件旨在實現(xiàn)以下功能：

（1）基于DEMATEL/ISM 方法分析風險因素的層次結(jié)構(gòu)?；谇拔臉?gòu)建的風險因素指標體系，選擇開展風險分析的子系統(tǒng)單元（人員子系統(tǒng)、管道子系統(tǒng)、環(huán)境子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)），在輸入結(jié)合專家經(jīng)驗的直接影響矩陣后，軟件首先計算得出綜合影響矩陣并輸出中心度和原因度，接著計算得出可達矩陣且建立起多級遞階結(jié)構(gòu)模型，并以可視化圖表形式輸出，便于用戶對巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道多元風險因素間的因果關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)進行直觀的了解和把握。

（2）基于MICMAC 方法分析風險因素的實質(zhì)作用。為了彌補DEMATEL/ISM 方法無法體現(xiàn)同一層級因素對下一層級因素影響差異的缺陷，結(jié)合MICMAC 方法計算不同風險因素的依賴度和驅(qū)動力，并以可視化圖表形式輸出，從而對多級遞階結(jié)構(gòu)模型進行更深層次分析?；趯嵸|(zhì)性作用分析結(jié)果開展風險因素的歸納分類，便于用戶直觀地了解和把握關(guān)鍵驅(qū)動因素和主要依賴因素。與此同時，借助Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫以實現(xiàn)不同子系統(tǒng)風險分析數(shù)據(jù)的儲存及歸檔，在研究后期便可通過數(shù)據(jù)調(diào)用功能，針對巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道整體的風險演化特征進行總結(jié)分析，從而明確風險管控的關(guān)鍵抓手和著力點。

軟件總體編制思路如圖4 所示。

圖4 軟件總體編制思路Fig.4 Overall software development approach

2 案例分析

貴州某巖溶區(qū)段位于納雍—開陽東西向構(gòu)造帶與織金北東向構(gòu)造帶的交匯處，在內(nèi)、外營力的共同雕塑下區(qū)段內(nèi)形成了千姿百態(tài)的喀斯特地貌景觀。近年來，在礦山無序開采、地下洞穴發(fā)育、持續(xù)強降雨及地震活動等多重因素影響下，每年發(fā)生明顯地面塌陷40 余次，并愈發(fā)呈現(xiàn)出增強趨勢。選擇該區(qū)段內(nèi)一埋地燃氣管道項目作為研究案例，其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取主要基于燃氣管道風險管理專家的意見，并結(jié)合了該管段的巖溶勘探和實地調(diào)研數(shù)據(jù)?；贒EMATEL/ISM 和MICMAC方法，結(jié)合“巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道風險分析軟件”實證分析該研究案例中風險因素的層次結(jié)構(gòu)及實質(zhì)性作用。

2.1 多級遞階結(jié)構(gòu)模型確定

針對管道風險因素間的相互關(guān)系和影響程度進行研判，通過“0～4”的差異化賦值劃分5 個等級[17]，參考巖溶勘探、實地調(diào)研和專家意見數(shù)據(jù)構(gòu)建直接影響矩陣U，具體如表3 所示。

表3 風險因素的直接影響矩陣Table 3 Direct impact matrix of risk factors

將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入“巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道風險分析軟件”，通過咨詢行業(yè)專家和決策者取閾值為0.025，構(gòu)建風險因素多級遞階結(jié)構(gòu)模型如圖5 所示。

圖5 風險因素多級遞階結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Multi-layer hierarchical structure model of risk factors

由構(gòu)建的多級遞階結(jié)構(gòu)模型可以看出：

（1）巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道的多元風險因素分布于6 個層級，各層級因素之間具有明顯的影響和傳遞關(guān)系，所有因素從直接和間接兩個維度通過差異化作用路徑和效應(yīng)對安全風險水平產(chǎn)生影響。

（2）各層級風險因素的作用機理呈現(xiàn)異質(zhì)性特征，造成巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道安全風險增大的表層直接因素位于多級遞階結(jié)構(gòu)模型的最高層，對管道事故的演化造成直接影響。表層直接因素既包括了人員的不安全狀態(tài)（應(yīng)急處置能力不足）和管理漏洞（安全宣傳不到位、應(yīng)急保障不完善），也涵蓋了管道的不安全狀態(tài)（管道老化、管道腐蝕、安全設(shè)施失效、建設(shè)工藝不達標）和環(huán)境的不安全狀態(tài)（施工與震動、巖溶地質(zhì)發(fā)育、地下水活動、覆蓋層特征），是降低巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道事故可能性的首要目標。

（3）中層間接因素在風險系統(tǒng)中起傳遞作用，將深層根本因素的影響傳遞給表層直接因素。例如，深層根本因素安全監(jiān)管欠缺（e21）直接影響中層間接因素專業(yè)技能不足（e2）和安全意識薄弱（e4），而中層間接因素專業(yè)技能不足（e2）和安全意識薄弱（e4）直接影響表層直接因素應(yīng)急處置能力不足（e5）、管道腐蝕（e7）、安全設(shè)施失效（e8）、建設(shè)工藝不達標（e9）、安全宣傳不到位（e23）、應(yīng)急保障不完善（e24）等；深層根本因素構(gòu)造條件（e18）直接影響中層間接因素地形地貌（e19），中層間接因素地形地貌（e19）一方面直接影響表層直接因素巖溶地質(zhì)發(fā)育（e15）和覆蓋層特征（e17），另一方面經(jīng)由氣象條件（e20）間接影響表層直接因素地下水活動（e16）。

（4）深層根本因素位于多級遞階結(jié)構(gòu)的最底層，不受其他因素的作用，并從根源上影響安全事故的發(fā)生。對于巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道事故，其深層根本因素為構(gòu)造條件（e18）、安全監(jiān)管欠缺（e21）、管道保護意識淡薄（e3）、法律法規(guī)（e14）和受教育程度不高（e1）[18]。

2.2 風險因素實質(zhì)作用確定

一般而言，依賴度較高的風險因素受到其他因素的影響較大，即需要通過解決多個且位于不同層次的其他因素才能實現(xiàn)該因素的有效規(guī)避；而驅(qū)動力較高則意味著該類風險因素一旦被有效控制，其余因素可能會由于連鎖反應(yīng)而被同步制約[19-20]。根據(jù)MICMAC 法的基本思想，結(jié)合所開發(fā)軟件進一步構(gòu)建巖溶塌陷隱患區(qū)埋地燃氣管道風險因素的依賴度-驅(qū)動力圖，具體如圖6 所示。通過對風險因素依賴度-驅(qū)動力圖進行分析，可見：（1）巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道風險因素的自發(fā)集群主要包括人類活動強度（e10）、經(jīng)濟發(fā)展水平（e13）、法律法規(guī)（e14）、構(gòu)造條件（e18）、地形地貌（e19）、氣象條件（e20）以及規(guī)章制度不合理（e24），上述因素對其他因素驅(qū)動效應(yīng)顯著，是巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道事故風險管控的關(guān)鍵抓手。

圖6 風險因素依賴度-驅(qū)動力圖Fig.6 Schematic diagram of dependency-driving force of risk factors

（2）獨立集群主要包括受教育程度不高（e1）、管道老化（e6）、管道腐蝕（e7）以及覆蓋層特征（e17），上述因素在安全事故演化的整個時間跨度內(nèi)對其他因素呈現(xiàn)低依賴度、低驅(qū)動力，通過自身的變化發(fā)展直接影響系統(tǒng)整體的風險水平，對獨立集群的風險管控應(yīng)當因地制宜采取針對性措施。

（3）聯(lián)動集群主要包括專業(yè)技能不足（e2）、安全意識薄弱（e4）以及安全監(jiān)管欠缺（e21），上述因素對其他因素呈現(xiàn)高驅(qū)動力、高依賴度，在顯著受到自發(fā)集群（法律法規(guī)、規(guī)章制度不合理等）影響的同時對依賴集群（應(yīng)急處置能力不足、安全設(shè)施失效、施工與震動、巖溶地質(zhì)發(fā)育等）也產(chǎn)生較大影響，因此對安全事故的演化發(fā)展起到傳遞推動作用。

（4）依賴集群主要包括管道保護意識淡?。╡3）、應(yīng)急處置能力不足（e5）、安全設(shè)施失效（e8）、建設(shè)工藝不達標（e9）、施工與震動（e11）、抽取地下水（e12）、巖溶地質(zhì)發(fā)育（e15）、地下水活動（e16）、安全宣傳不到位（e22）、應(yīng)急保障不完善（e23），上述因素對其他因素依賴效應(yīng)顯著，直接干預(yù)難度較大。

3 結(jié)論

（1）將DEMATEL/ISM 方法、MICMAC 方法和Visual Studio 平臺相結(jié)合對巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道的安全風險進行分析，能夠厘清多元耦合效應(yīng)下系統(tǒng)因素間的層次結(jié)構(gòu)和因果關(guān)系，彌補DEMATEL/ISM 法不能體現(xiàn)同一層級因素對下一層級因素作用異質(zhì)性的缺陷，并通過計算機智能測算提高風險分析效率，有助于從根本上遏制災(zāi)害隱患區(qū)管道安全事故的發(fā)生。

（2）巖溶塌陷隱患區(qū)燃氣管道的風險因素分布于6個遞階層級，通過差異化的作用路徑和效應(yīng)對整體風險水平產(chǎn)生影響。通過對表層直接因素的嚴格管理，可以在短期內(nèi)降低事故發(fā)生的可能性；中層間接因素在系統(tǒng)中起承上啟下作用，將深層根本因素的影響傳遞給表層直接因素；只有重視深層根本因素，才能夠?qū)崿F(xiàn)風險的根本性控制。結(jié)合分析結(jié)果可得，降低安全風險水平的關(guān)鍵在于加強巖溶地質(zhì)勘探評估、建立長效安全監(jiān)管機制、完善燃氣行業(yè)法律法規(guī)、營造災(zāi)害隱患區(qū)良好社會環(huán)境。

（3）人類活動強度、法律法規(guī)、構(gòu)造條件等構(gòu)成的自發(fā)集群驅(qū)動效應(yīng)顯著，通過優(yōu)先干預(yù)可對事故防治起到顯著作用；受教育程度不高、管道老化等構(gòu)成的獨立集群驅(qū)動效應(yīng)和依賴效應(yīng)均較弱，通過自身的變化發(fā)展直接影響整體系統(tǒng)，對其應(yīng)做到“一事一案”因地制宜采取風險管控措施；專業(yè)技能不足、安全監(jiān)管欠缺等構(gòu)成的聯(lián)動集群驅(qū)動效應(yīng)和依賴效應(yīng)均較強，對安全事故演化發(fā)展起到傳遞推動作用；安全設(shè)施失效、巖溶地質(zhì)發(fā)育、應(yīng)急保障不完善等構(gòu)成的依賴集群依賴效應(yīng)顯著，只有厘清誘發(fā)依賴集群變化的深層根本因素才能實現(xiàn)有效風險管控。