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摘要

摘要：通過對多種風險評價方法的比較，確定采用模糊綜合評價法對城市天然氣管道占壓隱患進行風險評價。應用模糊數學方法建立了城市天然氣管道占壓隱患的模糊綜合評價模型。結合

摘要：通過對多種風險評價方法的比較，確定采用模糊綜合評價法對城市天然氣管道占壓隱患進行風險評價。應用模糊數學方法建立了城市天然氣管道占壓隱患的模糊綜合評價模型。結合實例，編制模糊綜合評價軟件對北京市城市天然氣管道占壓隱患進行評價。

關鍵詞：風險評價；城市天然氣管道；占壓隱患；模糊數學

自1997年引進陜甘寧天然氣以來，北京市城市天然氣管道建設得到飛速發展。截至2008年底，北京市已有天然氣管道長逾1×10⁴km，年輸氣量已超過52×10⁸m³。與此同時，隨著城市建設進程不斷加快，一些建構筑物占壓天然氣管道的情況陸續出現，嚴重威脅城市天然氣管道的安全運行和管道沿線人民生命、財產安全。

目前，國內各城市在進行天然氣管道占壓隱患處理時，往往首先考慮處理方案的可行性，對那些易于拆除的違章建構筑物進行優先處理，而對不同隱患的危害程度的差異缺乏深入研究。因此，不可避免地造成部分占壓隱患處理過程中，處理方法和處理順序存在不合理性。因此，有必要對天然氣管道占壓隱患進行風險評價，以確保隱患處理順序的合理性和隱患治理資金的使用效益最大化。

1 風險評價方法的選擇

管道風險評價是一種基于理論分析、數據資料、運行經驗和直觀認識的風險分析與判斷方法^[1]，經過逾30年的發展已形成了失效模式、影響和危害分析法、概率風險評價法、故障樹分析法、指數法、專家評分法、模糊綜合評價法等多種評價方法，其優缺點對比見表1。

城市天然氣管道工作環境復雜，在管道設計、施工、運行和維護期間存在諸多誘發事故的因素，這些因素往往難以量化并在一定程度上具有模糊性。此外，各因素對管道的影響往往不是獨立的，而是彼此關聯的，各種因素間的關聯關系隨時間、地點等條件的不同而不同，具有很大的模糊性。由于模糊性的客觀存在，使天然氣管道占壓隱患的各種風險影響因素難以被精確量化，常規的評價方法無法準確描述客觀實際。基于以上原因，經過對各種評價方法的比較，本次研究確定采用模糊綜合評價法對城市天然氣管道占壓隱患進行風險評價。

表1 管道風險評價方法的優缺點

風險評價方法	優點	缺點
失效模式、影響和危害分析法	方法較為簡單；結果簡潔明了；能處理有效信息；不需要特別的軟件支持；適合對裝置進行分析。	系統劃分不易掌握，如果分析層次太淺，結果就不詳細；如果分析層次太深，則工作量大。
概率風險評價法	具有比較完善的理論基礎；比較容易移植；有可能與新興的理論和技術相結合而獲得對非確定系統安全狀態進行定量評價的方法。	要求原始數據準確、充分，分析完整，判斷和假設合理；并且能夠準確描述系統中的不確定性。
故障樹分析法	故障樹具有直觀性，可查明與事故發生有關的所有可能的原因；利用圖形(樹)明確地把分析對象的過程和結果形象地表示出來；制定預防事故的措施。	故障樹分析定量計算系統的故障概率及其可靠性參數所需的很多基礎數據，如事故發生率等難以得到。
指數法	指數法分析成本低，可利用所得資料進行直接處理；容易掌握，便于推廣；評價時可以綜合多方面的意見。	指數法難以考慮所有相關因素間的關系；評價時存在較大的主觀性。
專家評分法	方法簡單易行；可將專家的意見進行綜合、歸納，充分發揮專家豐富的實踐經驗和理論知識。	當選擇專家不當或處理專家意見不夠合理時，容易使所得結果不夠客觀。
模糊綜合評價法	較好地解決了風險評價中存在的大量模糊因素和不確定因素的量化問題，使評價結果更符合客觀實際情況。	確定模糊關系矩陣和因素權重時，易存在主觀差異。

2 模糊綜合評價模型的建立

模糊綜合評價通過構造等級模糊子集把反映被評價事物的模糊指標進行量化(即確定隸屬度)，然后再利用模糊變換原理將各指標綜合^[2]。建立模糊綜合評價模型的步驟如下。

① 建立因素集

在本次研究中，所確定的因素應對管道占壓隱患發生事故的可能性以及事故后果的嚴重性存在影響。因素集表示為：

U={u₁，u₂，…，u_k，…，u_n} (1)

式中u——因素集

u_k——第k個影響評價對象的因素

n——影響評價對象因素的數量，個

② 建立評價集

評價集是由評價者對被評價對象可能做出的各種評價結果組成的集合，一般以程度語言或評定取值區間為評價目標，集合中元素數量一般為奇數。評價集表示為：

V={v₁，v₂，…，v_l，…，v_m} (2)

式中V——評價集

v_l——第l個評價指標

m——評價指標的數量，個

③ 建立因素權重向量

由于各因素對管道占壓隱患的影響程度不一樣，因此需要考慮對各因素加權，引入權重向量E，E中各因素權重之和應為1。權重向量表示為：

E=(e₁，e₂，…，e_k，…，en) (3)

式中E——權重向量

e_k——因素集U中第后個因素u_k的權重

④ 建立模糊關系矩陣

根據各因素的模糊性，選擇適當的隸屬度函數，就可以得到相應的模糊關系矩陣R，表達式為：

R=[r_kl]n_×m (4)

式中R——模糊關系矩陣

r_kl——評價對象從因素u_k來看對v_l等級模糊子集的隸屬度

⑤ 綜合評價

將權重向量E與模糊關系矩陣R合成便得到對各因素的綜合評價，綜合評價結果矩陣表示為：

B=E·R=(b₁，b₂，…，b_l，…b_m) (5)

式中B——綜合評價結果矩陣

b_l——從整體上看，被評價對象對v_l評價指標的隸屬度

⑥ 評判指標處理

常用的評判指標處理方法有兩種，最大隸屬度法與加權平均法。由于最大隸屬度法僅考慮了最大評判指標的貢獻，舍去了其他指標提供的信息，這是很可惜的；另外，當最大評判指標不止1個時，用最大隸屬度法很難得出具體評判結果^[3]。因此，本次研究采用加權平均法進行評判指標處理。

求出研究對象所隸屬等級A，對照評價集V中等級指標可得出最終評價結果。A的計算式為：

式中A——研究對象所隸屬等級

v_l——第1個評價指標取值

P——待定指數，可取1或2，一般估算可取1，精確計算可取2

3 天然氣管道占壓隱患模糊綜合評價

本次研究中，對燃氣管道占壓隱患的評判標準參照GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》中對燃氣管道與建筑物、構筑物、各類相鄰管道之間的水平凈距、垂直凈距的要求。

① 建立因素集

據統計，截至2007年底，北京市共有天然氣管道占壓隱患695個。通過對管道占壓隱患特點、國內外占壓事故成因及后果進行綜合分析，本次研究確定對天然氣管道占壓隱患有影響的因素主要有7個，因素集：U={占壓物類型，占壓形式，管道設計壓力，管徑，管材，使用時間，占壓隱患發生區域}。

② 建立評價集

本次研究中將占壓隱患的危險程度分為5級，即評價集：V={極大，較大，一般，較小，極小}。

③ 建立因素權重向量

確定各評價因素權重的常用方法有專家調查法、層次分析法、故障樹法等，綜合考慮評價指標的科學性、客觀性、針對性、可操作性，本文采用專家調查法確定權重。專家調查法是確定事件發生概率的常用方法之一，該方法通過選擇一定人數的專家組成評價小組，由分析人員把要評價的內容設計成含義明確的評價意見征詢表，采用書面通信的方式請專家回答咨詢，由專家根據自己的經驗對評價事件發生的危險程度做出判斷。影響因素權重評價意見征詢空白表見表2。

本次研究課題組從專家庫中隨機選取城市燃氣運行、管理、安全評價、設計等領域專家各3位，共計12位專家組成天然氣管道占壓隱患影響因素權重評價小組對各因素進行評價，并對評價結果進行處理。令評價等級V=｛極大，較大，一般，較小，極小}對應分值為V=｛9，7，5，3，1}，將專家評分值取算術平均后再進行歸一化處理，即得到各因素權重的最終結果。影響因素權重向量：E=(0.22，0.16，0.17，0.09，0.06，0.17，0.13)

表2 影響因素權重評價意見征詢空白表

危險程度	占壓物類型	占壓形式	管道設計壓力	管徑	管材	使用時間	占壓隱患發生區域
極大
較大
一般
較小
極小
注：請在認為合適的等級上打“√”。

④ 建立模糊關系矩陣

根據北京市天然氣輸配管網現狀和管道占壓隱患調差結果，確定每種因素的水平，見表3。

與因素權重向量的確定方法相似，仍使用專家調查法對各因素水平對應的評分值進行評價。為了避免專家評分法中主觀因素對評價結果的負面影響，選擇與影響因素權重評價專家組不同的專家，仍包括城市燃氣運行、管理、安全評價、設計等領域專家，各4位，共計16位專家。以天然氣管道占壓隱患中管道設計壓力因素為例，管道設計壓力對隱患影響程度專家意見征詢空白見表4。

令評價等級V=｛極大，較大，一般，較小，極小｝對應分值V=｛9，7，5，3，1}，將專家評分值取算術平均后再進行歸一化處理，即得到各因素水平評分值的最終結果。將管道占壓隱患對應某因素u_k的相應水平的評分值x代入三角形隸屬度函數中，可得到占壓隱患某因素u_k的單因素評價向量。構造三角形隸屬函數^[4]，其函數形式為：

表3 因素水平

影響因素名稱	因素水平
占壓物類型	磚混樓房	磚混平房	輕體建筑物	構筑物	市政設施	其他	—
占壓形式	壓線	近線	—	—	—	—	—
管道設計壓力	高壓A	高壓B	次高壓A	中壓	低壓	—	—
管徑D	D＞700mm	500mm≤D＜700mm	400mm≤D＜500mm	300mm≤D＜400mm	200mm≤D＜300mm	100mm≤D＜200mm	D＜100mm
管材^a	焦化廠鋼管	首鋼公司鋼管	燃氣集團鋼管	PE管	—	—	—
使用時間/a	＞40	30～40	20～30	10～20	<10	—	—
占壓隱患發生區域	四環路以內	四環至五環之間	五環路以外	—	—	—	—
注a：北京市天然氣管網鋼管系統中，除由北京市燃氣集團敷設外，另有部分鋼管為20世紀90年代首鋼公司與北京焦化廠敷設，該部分管道在管材選擇、施工工藝要求、施工質量管理上與北京市燃氣集團敷設的管道均存在一定差異，因此將鋼管管材細分為3類：燃氣集團鋼管、首鋼公司鋼管、焦化廠鋼管。

表4 管道設計壓力對隱患影響程度專家意見征詢空白表

危險程度	高壓A	高壓B	次高壓A	中壓	低壓
極大
較大
一般
較小
極小
注：[1]請在認為合適的等級上打“√”。 [2]表中設計壓力為目前北京市天然氣輸配系統中使用的設計壓力。

式中x——專家評分值，x∈[0，10]

f₁(x)、f₂(x)、f₃(x)、f₄(x)、f₅(x)——隸屬度函數，依次為被評價因素對評價集V的5個評價指標的隸屬度

因此，占壓隱患某因素u_k的單因素評價向量為：(f_k1(x)、f_k2(x)、f_k3(x)、f_k4(x)、f_k5(x))。模糊關系矩陣R的表達式為：

R=[f_kl(x)]₇_×5

⑤ 綜合評價

采用上述方法，分別對下列天然氣管道占壓隱患進行評價，占壓隱患特征描述見表5。

表5 占壓隱患特征描述

序號	占壓物類型	占壓形式	管道設計壓力	管徑/mm	管材	使用時間/a	隱患發生區域
1	磚混平房	壓線	中壓	300	燃氣集團鋼管	＜10	四環路以內
2	構筑物(車庫)	近線	低壓	100	燃氣集團鋼管	10～20	四環路以內

將上述2處隱患各影響因素水平分別代入隸屬度函數中，即可得到模糊關系矩陣R₁與R₂，將E=(0.22，0.16，0.17，0.09，0.06，0.17，0.13)及R₁、R₂分別代入式(5)，即可得到綜合評價結果矩陣曰。經計算，B₁=[0.028 0.227 0.160 0.185 0.400]，B₂=[0.051 0.348 0.441 0.030 0.130]。

⑥ 評價指標處理

考慮到人們的習慣，在評價指標處理之前對評價集中危險程度的5個等級分別進行賦值，“極大”取100，“較大”取80，“一般”取60，“較小”取40，“極小”取20。根據式(6)，取P=2，分別求出兩處占壓隱患的模糊評價等級及模糊評分。隱患1得分82.14，危險等級處于危險較大與危險極大之間。隱患2得分54.56，危險等級處于危險較小與危險一般之間。

4 實例應用

以天然氣管道占壓隱患模糊綜合評價方法為基礎，根據占壓隱患影響因素權重及各因素水平的評分結果，編制占壓隱患風險評估軟件。圖1、2為天然氣管道占壓風險評價軟件操作界面。

利用該軟件將北京市695個占壓隱患進行逐一評價，其中大部分隱患處于60～80分，共計655個，占總隱患數量的94.24%。

在對評價結果進行分析后，針對隱患的處理方式提出如下建議：

① 評價等級為危險較大及以上級別的隱患

此類隱患危害極大，建議應當立即處理。拆除造成隱患的建構筑物，如拆除有困難，可采用遷改燃氣管道的方式消除隱患。

② 評價等級為危險較大以下級別的隱患

此類隱患雖然危害程度不是非常嚴重，但也對人民生命財產安全構成威脅，建議對此類隱患如有條件也應立即予以拆除。如果拆除存在困難，則近期可通過加強巡檢、加大對周邊居民的宣傳教育力度等方式最大限度地保障運行安全，與此同時積極籌措資金，制定改造計劃，分年度實施改造。

5 結語

本文采用模糊風險評價法對天然氣管道占壓隱患進行風險評價，并在此基礎上提出處理占壓隱患的建議。經實際應用，證明該方法可行、有效。該方法的主要優點如下：

① 將模糊數學的思想和方法引入天然氣管道占壓隱患的風險評價工作中，可以使風險評價工作更客觀、評價結果更加接近實際情況，增加了決策的科學性。

② 應用模糊數學方法建立風險評價模型，可以全面考慮影響占壓隱患的各種因素間的相互影響，既能夠充分體現評價因素和評價過程的模糊性，又能盡量減少個人主觀臆斷所帶來的弊端，比一般的專家評分法等方法更符合客觀實際，評價結果更可靠。

③ 應用該方法，可以根據模糊評價等級區別出高、低風險隱患，有利于對高風險隱患及時處理，對低風險隱患進行長期監測。

④ 模糊風險評價法易于實現程序化，直觀易懂，可操作性強，具有很高的應用價值。

參考文獻：

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[4] 鄧強，彭世尼.埋地燃氣管道腐蝕狀況的模糊綜合評價[J].煤氣與熱力，2009，29(1)：B08-B11.

(本文作者：牛亞楠張曉松福鵬張秀梅北京市煤氣熱力工程設計院有限公司北京 100032)

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城市天然氣管道占壓隱患的模糊綜合評價