CN102799766A - 一种城市燃气管道风险等级定量评定方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市燃气管道风险等级定量评定方法及其应用。本方法引入物元和可拓集合理论对燃气管道风险特征，即第三方破坏、腐蚀因素、设计因素和操作管理因素，选择关联函数和同征物元体等工具函数，对燃气管道风险等级进行定义和计算，确定了燃气管道风险等级评定的计算模型和数学函数。为了简化计算过程，在上述基础上编制了燃气管道风险等级计算Visual Basic程序，既验证人工计算的结果，更在很大程度上提高了基于物元和可拓集合理论的燃气管道风险等级评定方法在实际中的应用性，使得该方法在体现风险等级评定客观性和精确性的同时，还具有一定的实用价值，是增强燃气管道风险管理的有效方法。

Description

一种城市燃气管道风险等级定量评定方法及其应用

技术领域

本发明是一种城市燃气管道风险等级定量评定方法及其应用，尤其涉及燃气管道风险等级的定量计算，属于油气储运风险控制领域。 

背景技术

随着城市扩容速度的加快和燃气管网的老化，城市燃气管道泄漏着火、爆炸、中毒等恶性事故时有发生，已成为继交通事故、工伤事故之后的第三大杀手。 

如果能根据城市燃气管道的使用情况，综合各方面因素对管道进行综合等级计算，划分等级，进而采取分级管理，分别采取有针对性的技术措施和管理措施，预先控制和减少其可能引发的事故灾害，实现对燃气管道高效的风险管理，也为政府部门了解掌握本地燃气管网安全状况，提高城市燃气安全运行管理水平，完善城市燃气保障功能，提升城市抗御重大火灾的能力提供技术支持。 

目前，国内燃气管道的风险评价技术的研究处于从半定量向定量的过渡阶段，燃气管道的风险等级评定大多处于半定量化阶段，没有建立精确的数学模型和计算方法，尤其对导致系统发生故障的上一级事件与下一级事件之间的不确定因果关系不能有效描述，使评价结果的准确性受到影响，对城市埋地燃气管道的风险评估尚未形成系统、完整的风险评估技术，对燃气管道风险等级评定方面的研究也不全面、系统。 

目前，国内在城市燃气输送管道风险等级评定方面应用的分析研究方法，主要有肯特评分法及其改进方法、层次分析法、风险接受准则法、基于个人风险和社会风险的方法、概率风险评价、等分法和正态分布的3σ划分法等等。 

肯特评分法是一种比较成熟并广泛应用于管道线路的风险评价方法，在美国、英国、加拿大等同的应用尤其广泛。肯特评分及其改进方法的理论成熟，方法简便，以实际参数和统计数据为基础，评估结论合理可信，尤其是该方法所确立的第三方破环、腐蚀因素、设计因素、和误操作因素等4个主要风险评分指标在燃气管道风险等级研究中普遍使用，具有较高的参考价值。但其资料收集评判存在主观性，要求评价者必须拥有非常丰富的经验，才能保证评判的一致性和符合性。 

层次分析法是一种定性和定量分析相结合的多目标决策方法，主要用于多目标的优劣排序和权重确定，其对权重的确定需要对矩阵A的最大特征根λ_max计算来进行一致性检验。层次分析法计算简单，指标权重具有一定的可继承性，但权重系数比较粗略。相对而 言，属于客观赋权法的熵值法能够深刻地反映指标信息熵值的效用价值，其给出的指标权重比层次分析法有较高的可信度，但缺点是缺乏各指标之间的横向比较，需要完整的样本数据，在应用上受到限制。 

风险接受准则(Risk Acceptance Criteria)在风险分析中表示在规定的时间内或系统的某一行为阶段内可接受的风险等级，它直接为风险分析和制订风险减小措施提供参考依据，并在进行风险分析之前预先给定。根据风险的表示方式，风险接受准则有定量和定性两种描述方法。城市燃气输送管道的风险因素主要有安全(个人风险和社会风险)、经济(与管道事故有关的经济损失，包括潜在的事故成本、停输延误生产运营等)、环境(天然气泄漏造成的生命财产损失和环境破坏等)三个方面。因此，在确定城市燃气输送管道风险接受准则时，应该综合考虑个人风险接受准则、社会风险接受准则和环境风险接受准则三个方面。风险接受准则法分别确立了个人风险接受准则、社会风险接受准则和环境风险接受准则，从不同于传统肯特评分法的角度对燃气管道风险等级的评定进行研究。虽然该方法的研究已取得很大进展，但是在解决一些具体问题时仍然存在不少困难，例如风险接受准则的度量多维化、风险接受准则的优先排序合理化、风险接受准则的适时更新等。此外，虽然有些国家已经制定了风险管理与分析指南(NORSOK标准)，但至今尚无专门用于评价天然气管道事故可接受性风险的国际或国家标准，这也为该方法的实际应用带来了挑战。 

因此，为克服现有技术的不足，提出一种基于物元和可拓集合理论的燃气管道风险等级评定方法。该方法综合考虑了影响管道失效可能性的各个风险因素以及燃气管道可能造成的失效后果，引入了物元理论和可拓集合的方法，通过建立城市燃气管道风险等级评定的可拓评价系统和基于相关函数的可拓评价方法，将实际问题的质与量相结合，构建计算模型和数学函数来解决燃气管道的风险等级评定问题，与其他一些主要依据专家经验打分的主观方法比较而言，该方法更具有客观性和可信度。同时，为了使工程实际应用更加方便、易操作，设计编制了燃气管道风险等级计算程序，既验证人工计算的结果，在很大程度上提高了基于物元和可拓集合理论的燃气管道风险等级评定方法在实际中的应用性，使得该方法在体现风险等级评定客观性和精确性的同时，还具有一定的实用价值，是增强燃气管道风险管理的有效方法。 

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，在于提供了一种适用于城市燃气管道风险评估的可行、可信、方便的方法。本方法利用基于物元和可拓集合理论及其定量计算结果客观性和可信度高的特点，结合层次分析法和肯特法，经整合后可以达到有效评定城市燃气 管道风险等级评定目的。 

本发明采用的技术方案是：基于物元和可拓集合相关理论，建立了城市燃气管道风险等级评定的物元和可拓评价系统，确定计算模型和数学函数，结合肯特评分改进方法和运用层次分析法确定各项风险特征及其权重系数，设计编制计算机程序对该燃气管道风险等级进行计算，验证得出风险等级评定结果。 

所述的城市燃气管道风险等级评定的物元和可拓评价系统，确定了第三方破坏、腐蚀因素、设计因素、操作管理因素等4项风险特征值，运用层次分析法确定各项风险特征及其权重系数。 

所述的评定方法在于通过设计编制计算机程序对该燃气管道风险等级进行计算、验证，得出客观、可信的风险等级评定结果，并简化和方便了其在实际工程中的运用。 

一种城市燃气管道风险等级定量评定应用为： 

(1)确定待评物元，即第三方破坏、腐蚀、设计、操作管理等4项风险特征，应用肯特评分改进方法得出各项风险特征值，确定量域和节域，建立同征物元体，确定关联函数；

(2)采用层次分析法分别计算为第三方破坏(c₁)、腐蚀因素(c₂)、设计因素(c₃)和操作管理因素(c₄)的权重，并进行一致性判断，然后确定风险等级；

(3)设计编制燃气管道风险等级计算程序，进行计算，得出并验证风险等级评定结果，大大简化和方便了该方法在实际工程中的应用。

本发明的作用机理是：根据风险的负效应理论，辨识与分析危险、有害因素，根据物元和可拓集合理论，研究物元的可拓性和物元的变换以及物元变换的性质，定量描述事物的可变性。可拓评价方法是对研究对象从可行性和优化性的角度来进行评价的，是定性与定量的结合，利用物元的可拓性进行定性计算，利用可拓集合论，通过建立关联函数进行定量计算。 

本发明与相同评定其他方法的区别在于： 

(1)根据国内外有关资料确定了更加全面、客观的燃气管道主要风险因素，即第三方破坏、腐蚀因素、设计因素、操作管理因素等，结合肯特改进法确定各项风险特征值，运用层次分析法确定各项风险因素的权重系数，即将物元可拓评价方法与肯特评分法和层次分析法有机结合起来，又提高了分析过程的客观性。与传统的风险等级评定方法，比如风险接受准则法、概率风险评价和正态分布的3σ划分法等相比，可拓评价方法在很大程度上避免了人为主观因素的参与，结果更为客观，而且等级变量特征值能够实现同级别内的区分，即有评定分级的细化作用。 

(2)设计编制燃气管道风险等级评定计算程序，简化了计算过程，经过验证，表明该计算程序运行正确、快捷，较好地解决了物元和可拓集合方法的计算复杂和使用不便的问题。更重要的是，运用该计算程序就可以更有效、快速地对某一区域的众多燃气管段进行逐一风险等级计算评定，具有较好的推广使用价值。 

附图说明

图1是燃气管道风险等级计算程序图；

图2是管段样例示意图；

图3是管段1的计算运行界面图；

图4是管段5的计算运行界面图；

图5是穿越管段3的计算运行界面图。

具体实施方式

1、燃气管道风险等级的定义和划分标准 

借鉴《在役工业压力管道安全状况等级评定推荐方法为和原劳动部对压力容器进行安全等级划分的经验，将城市燃气管道的风险等级划分为5个等级。即：

I级：风险水平低。

II级：风险水平较低。 

III级：风险水平中等。 

IV级：风险水平较高。 

V级：风险水平高。 

2、确定与风险有关的评价指标 

对于待评的城市燃气管道视为事物N，确定其与风险有关的各项特征c_i(i＝1，2，...n)。将城市燃气管道风险特征定为：第三方破坏、腐蚀因素、设计因素和操作管理因素共4项内容，即n＝4。所以，N＝城市燃气管道，c₁＝第三方破坏，c₂＝腐蚀因素  c₃＝设计因素，c₄＝操作管理因素。

3、确定量域和节域 

量域V_0j即为各项风险特征c_i(i＝1，2，...4)所有可能的取值范围，节域V_Pn即为评价对象的等级全体P关于各项风险特征c_i(i＝1，2，...4)所取的量值总范围。

城市燃气管道风险特征的量域表示为： 

城市燃气管道的风险等级全体关于风险特征的节域表示为： 

与风险级别N₁，N₂，...，N_m，(本文中风险级别为I～V，m＝5)相对应，将在各风险级别下的各项风险特征的取值范围V_ij(i＝1，2，...4；j＝1，2，...5)合并表示，形成同征物元体：

4、确定待评物元

对待评城市燃气管道，建立其关于各评价指标的取值，用物元表示：

关于各项风险特征c_i(i＝1，2，...4)的量值v_ki(i＝1，2，...4)由肯特评分法改进方法求出。

5、计算各特征的关联函数 

按下式计算各项风险特征c_i(i＝1，2，...4)关于风险等级N_j(j＝1，2，...5)的关联函数值：

当v_ki∈V_0ji时，

当 $v_{\mathrm{ki}}\∉V_{0\mathrm{ji}}$ 时， 

其中：|V_0ji|＝|b_0ji-a_0ji|，i＝1，2，...，4；j＝1，2，...，5。

式中ρ(v_ki，V_0ji)和ρ(v_ki，V_pi)计算公式如下： 

6、确定风险特征的权系数

确定各风险特征c_i(i＝1，2，...，4)的权系数ω_i(i＝1，2，...，4)，并进行归一化，即 

首先构造各项风险特征c_i(i＝1，2，...，4)对于城市燃气管道事故的判断矩阵A，然后求出各项风险特征c_i(i＝1，2，...，4)对于城市燃气管道风险等级的相对权重ω₁，ω₂，...，ω₄，写成向量形式即为W＝[ω₁，ω₂，...，ω₄]^T，计算 

时将判断矩阵A的4个行向量归一化后的算术平均值，近似作为权重向量，即 

最后，应验证层次排序结果是否具有满意的一致性，否则需要重新调整判断矩阵的元素取值，再进行权系数计算，直到层次排序结果具有满意的一致性，此时才能得到风险特征的权系数。

计算步骤如下： 

(1)对A按列规范化：

(2)相加得和向量： 

(3)计算矩阵最大特征根：

7、计算燃气管道的关联函数

由公式(1)～(13)可以计算城市燃气管道关于各风险级别N_j(j＝1，2，...5)的关联函数值为：

8、确定风险等级

取对应关联函数最大时的风险等级为评价结果，即根据：

则可以判定该燃气管道的风险等级为j₀。

9、设计编制燃气管道风险等级评定计算程序，如图1图所示： 

实例

现以常州港华燃气公司的一个燃气输送管道风险等级评定为实例。

1、实例基础数据 

常州市高压燃气管道从常州港华门站原预留口接出，通过电动控制阀后旁通发球装置埋入地下。管道埋地后沿青洋路东侧至沪宁高速公路北侧向西一直敷设至小塘村规划路，后沿规划路向北、向西敷设至常澄路，定向穿越常澄路后沿老藻江河北岸向西敷设至通江大道，然后沿通江大道东侧敷设至S338省道，定向穿越S338省道后转向西，沿S338省道一直敷设至 春江高中压调压站内。管道设计压力4.0MPa，最高工作压力3.5MPa，管道材质为L360，公称直径DN500，主干线长21.65km，沿线安装DN500控制阀门5只、DN300阀门1只，春江高中压调压站内安装收发球装置DN500各一套、高中压调压撬1套、DN500阀门2只，DN300阀门5只。

根据管道沿线地理环境、人口密度、埋设状况的差异将管道分为28个评价单元，其中19个埋地管段，9个穿越管段。 

以其中管段1、管段5、穿越管段3为例，对其进行燃气输送管道风险等级评定，管段样例示意图如图2所示。 

2、确定待评物元

运用肯特改进评分法，得出管段1、管段5、穿越管段3的各项风险特征评分的最终统计结果如表1所示。

表1管段实例的各项风险特征评分统计结果 

表1管段实例的各项风险特征评分统计结果

注：4项风险特征的取值范围均为0～100分。

3、量域物元 

待评管段的量域物元如下所示。 

风险等级I级： 

风险等级II级：

风险等级III级：

风险等级IV级；

风险等级V级：

4、节域物元 

待评管段的节域物元如下所示。

5、同征物元体

将各项评分特征的取值范围均分，建立同征物元体如下所示。

6、待评物元

依据上文数据构造管段1、管段5、穿越管段3的待评物元如下所示。

管段1： 

管段5： 

穿越管段3：

7、确定关联函数

以管段1(取i＝1，j＝1)为例，计算各项风险特征c_i(i＝1，2，...4)关于风险等级N_j(j＝1，2，...5)的关联函数值：

当i＝1时，

j＝1，v₁₁＝77，V₁₁＝<0，20>，V_p1＝<0，100>，

所以，

这样就求得K₁(v₁₁)的关联函数值为-0.7125。

同理，可以求得所有待评管段的各项风险特征关于各风险等级的关联函数值，如表2～表4所示。 

表2管段1各风险特征关于各风险等级的关联函数值 

Kj(vi)

j＝1

j＝2

j＝3

j＝4

j＝5

 

Kj(vi)	j＝1	j＝2	j＝3	j＝4	j＝5
						i＝1	-0.7125	-0.6167	-0.4250	0.1500	-0.1154
i＝2	-0.4125	-0.2167	0.3500	-0.1296	-0.3649
						i＝3	-0.4250	-0.2333	0.3000	-0.1154	-0.3611
i＝4	-0.6125	-0.4833	-0.2250	0.4500	-0.2619

表3管段5各风险特征关于各风险等级的关联函数值

Kj(vi)	j＝1	j＝2	j＝3	j＝4	j＝5
						i＝1	-0.5375	-0.3833	-0.0750	0.1500	-0.3148
i＝2	-0.4375	-0.2500	0.2500	-0.1000	-0.3571
						i＝3	-0.4250	-0.2333	0.3000	-0.1154	-0.3611
i＝4	-0.6125	-0.4833	-0.2250	0.4500	-0.2619

表4穿越管段3各风险特征关于各风险等级的关联函数值

Kj(vi)	j＝1	j＝2	j＝3	j＝4	j＝5
						i＝1	-0.8250	-0.7667	-0.6500	-0.3000	0.3000
i＝2	-0.4375	-0.2500	0.2500	-0.1000	-0.3571
						i＝3	-0.4250	-0.2333	0.3000	-0.1154	-0.3611
i＝4	-0.6125	-0.4833	-0.2250	0.4500	-0.2619

8、确定权重

采用层次分析法计算风险因素权重时定义城市天然气管道事故为N，导致事故发生的因素为第三方破坏(c₁)、腐蚀因素(c₂)、设计因素(c₃)和操作管理因素(c₄)。以常州地区埋地管道事故因素统计数据为基础，根据港华燃气公司有关资料和工程技术、维护人员的建议和意见，该实例管道事故的判断矩阵如表5所示。

表5常州地区埋地管道两因素判断表 

N	c1	c2	c3	C4
					c1	1	2	3	3
C2	1/2	1	2	3
					c3	1/3	1/2	1	2
c4	1/3	1/3	1/2	1

即判断矩阵A为：

分别求出各项风险特征c_i(i＝1，2，...，4)对于常州地区燃气管道风险等级的相对权重ω₁，ω₂，...，ω₄，计算过程如下： 

同理可得：ω₂≈0.2832，ω₃≈0.1651，ω₄≈0.1072。

所以，判断矩阵A的特征向量形式为W＝[0.4445，0.2832，0.1651，0.1072]^T。 

计算判断矩阵A的最大特征根λ_max： 

判断矩阵一致性指标CI： 

式中，n为判断矩阵的阶数，此处n＝4。

平均随机一致性指标RI由查表3.3得到： 

RI＝0.893

(12-18)

则随机一致性比率CR：

所以，判断矩阵和层次排序结果具有满意的一致性。

综上所述，可以认为第三方破坏、腐蚀因素、设计因素和操作管理因素等4大风险特征在港华燃气输送管道风险等级评定中所占的权重分别为0.4445、0.2832、0.1651和0.1072。 

9、确定风险等级 

现计算管段1、管段5、穿越管段3关于各风险级别N_j(j＝1，2，...5)的关联度。

以管段1为例，j＝1时， 

这样就求得K₁(P)的关联度为-0.5694。

同理，可以求得所有待评管段关于各风险等级的关联度，如表6所示。 

表6各待评管段关于各风险等级的关联度 

管段编号	I级	II级	III级	IV级	V级
						管段1	-0.5694	-0.4258	-0.0644	0.0592	-0.2423
管段5	-0.4986	-0.3315	0.0629	0.0675	-0.3288

 

管段编号	I级	II级	III级	IV级	V级
						穿越管段3	-0.6264	-0.5019	-0.1927	-0.1325	-0.0555

取对应关联度最大时的风险等级为各待评管段的风险等级评价结果。

管段1： 

对应该最大关联度值，得j₀＝4，则可以判定在管段1各项风险特征得分条件下，管段1的风险等级为IV级：风险水平较高。

管段5： 

对应该最大关联度值，得j₀＝4，则可以判定在管段5各项风险特征得分条件下，管段5的风险等级为IV级：风险水平较高。

穿越管段3： 

对应该最大关联度值，得j₀＝5，则可以判定在穿越管段3各项风险特征得分条件下，穿越管段3的风险等级为V级：风险水平高。

下面对管段1、管段5和穿越管段3的风险等级作进一步的比较。 

  管段1： 

同理可得： $\stackrel{\&OverBar;}{K_2}\left(P\right)\&ap;0.2240,\stackrel{\&OverBar;}{K_3}\left(P\right)\&ap;0.8034,\stackrel{\&OverBar;}{K_4}\left(P\right)=1.0000,\stackrel{\&OverBar;}{K_5}\left(P\right)\&ap;0.5204.$

所以，管段1的等级变量特征值j^*： 

已知管段1的j₀＝4，而j^*＝3.7，表示管段1的风险等级属于第4级偏向第3级，严格地讲应属于3.7级。

同理可得：管段5的j₀＝4，j^*＝3.5，表示管段5的风险等级属于第4级偏向第3级，严格地讲应属于3.5级；穿越管段3的j₀＝5，j^*＝3.9，表示管段5的风险等级属于第5级偏向第4级，严格地讲应属于3.9级。 

由此可见，管段1和管段5的风险等级虽然同为IV级，但管段5偏向第3级的程度大于管段1，即管段1的风险等级高于管段5。 

此外，由于穿越管段3的“第三方破坏”评分项与其余三项相差较大，造成“第三方破坏”评分项的关联函数值与其余三项的值存在较大差异，导致穿越管段3关于各风险等级的关联度值之间悬殊较大，最终导致所取极端值并不可靠，影响到风险等级结果，使得其风险等级取值偏高，即其精确风险等级应为IV级，而不是V级。这说明该计算方法受评分取值的影响较大，取值不当会造成结果偏差，一般来说会使得风险等级评定结果偏高，同时也说明该方法在初步取值时存在一定误差，因此，最后需要精确计算待评管段的等级变量特征值，对计算结果进行校核。 

综上所述，港华燃气输送管道样例中管段1、管段5、穿越管段3的风险等级分别为IV级(3.7级)、IV级(3.5级)和IV级(3.9级)。 

10、应用燃气管道风险等级定量计算程序演算 

以上只选取了管段1、管段5、穿越管段3等三段管段进行了计算，为了对该实例中的28个评价单元进行风险等级评定，应用燃气管道风险等级定量Visual Basic程序计算，如图3至图5所示。

该程序的运行计算结果显示，上文关于该方法实例应用的计算结果是正确的，即起到了对本文计算部分的验证作用，同时也表明该VB计算程序运行正常，可以有效地简化实际应用中的计算过程。

该计算程序具备了一定的实用性价值，可以对某一区域的众多燃气管段进行风险等级评定。在本实例中，只要获得19个埋地管段和9个穿越管段等28个评价单元的4项风险特征的评分结果，即可完成该区域的燃气管网风险等级评定，从而为区域燃气管道风险管理提供依据，以便采取有效的风险控制措施确保该区域的燃气管网安全运行。 

Claims (4)

1.一种城市燃气管道风险等级定量评定方法及其应用，

其特征在于：基于物元和可拓集合相关理论，建立了城市燃气管道风险等级评定的物元和可拓评价系统，确定计算模型和数学函数，结合肯特评分改进方法和层次分析法分别确定各项风险因素特征值和权重系数，设计编制计算机程序对该燃气管道风险等级进行计算，验证得出风险等级评定结果。

2.根据权利要求1所述的，一种城市燃气管道风险等级定量评定方法及其应用，其特征在于：所述的城市燃气管道风险等级评定的物元和可拓评价系统，确定了第三方破坏、腐蚀因素、设计因素、操作管理因素等4项风险特征值，运用层次分析法确定各项风险特征及其权重系数。

3.根据权利要1所述的一种城市燃气管道风险等级定量评定方法及其应用，其特征在于：所述的评定方法在于通过设计编制计算机程序对该燃气管道风险等级进行计算、验证，得出客观、可信的风险等级评定结果，并简化和方便了其在实际工程中的运用。

4.一种城市燃气管道风险等级定量评定方法及其应用，其特征在于：

(1)确定待评物元，即第三方破坏、腐蚀、设计、操作管理等4项风险特征，应用肯特评分改进方法得出各项风险特征值，确定量域和节域，建立同征物元体，确定关联函数；

(2)采用层次分析法分别计算为第三方破坏(c₁)、腐蚀因素(c₂)、设计因素(c₃)和操作管理因素(c₄)的权重，并进行一致性判断，然后确定风险等级；

(3)设计编制燃气管道风险等级计算程序，进行计算，得出并验证风险等级评定结果，大大简化和方便了该方法在实际工程中的应用。

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