CN109146293A - 一种基于“五标度法”的城市燃气管道风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于“五标度法”的城市燃气管道风险评估方法，属于管道风险评估范畴。本方法在总结归纳造成管道泄漏失效事故的主要因素基础上，利用故障树方法确立管道失效的中间事件和基本事件，对主要因素进一步分析识别。然后运用模糊综合评判法进行管道风险评估，其中在层次分析法计算权重过程，改进传统“九标度法”为“五标度法”，并对建立模糊综合关系矩阵提出改进，最后得出城市燃气管道事故风险等级。经过改进的模糊综合评级法既能够充分体现评价因素和评价过程的客观性，又比传统的事故树方法以及单独的模糊综合评判法更加实际可靠，解决了风险评价中因素不够客观的问题，从而实现对城市燃气管道风险评估的更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及管道泄漏技术领域，特别是涉及一种基于“五标度法”的城市燃气管道风险评估方法。
背景技术
城市燃气管道是城市公共基础设施的主要组成部分，承担着输送易燃易爆燃气的重要任务。燃气管道安全是关系社会稳定、经济发展和公共安全的大事，是保障经济可持续发展的客观要求，被称为城市生命线。管道风险评价是对管道可能存在的风险环节进行优化管理和维修决策，降低事故发生的概率或最大限度地控制事故后果，是为了在保证系统安全的同时获得最大的经济效益。开展城市燃气管道风险评价研究，确保燃气管道的安全运行在目前城市建设中尤其重要。
虽然我国的管道事业在近20年中得到了迅速发展，但国内目前在城市燃气管道风险评价方面考虑的仍然不够全面而完善，惯用传统的评价方法在一方面对管道运行的各种缺陷无法作实际意义上的定量描述，在计算权重的时候往往只考虑了一个因素，忽略了其他因素带来的影响，导致评价结果与实际状况有许多差异，实际应用受到一定局限。
因此，为了保证城市燃气管道的安全进行，提高城市燃气管道风险评价效率，迫切需要在现有方法的基础上进行改进，得到更加科学而又合理的城市燃气管道风险评估方法，从而使风险评估的结果更加准确、客观、合理。
根据2017年发布的关于全国城市燃气管道因泄漏而发生的爆炸事故分析报告，经分析该报告的数据，依照这份报告统计的资料显示，2017年以来，一共统计到因室外燃气管道泄漏而发生的管道燃气事故共有297件，297起事故中，由于第三方破坏而造成事故的共有172起，占到了57.91％，属于高发层面；管道腐蚀也成为了另一个造成燃气泄漏的重要原因，共有62起，占了20.88％；其中管道内腐蚀是管道腐蚀的重大原因，百分之七八十的管道腐蚀都是由于管道内腐蚀引起的。其中管道的本质缺陷和管道的管理维护不当相对于另外两个主要原因来讲较少，各有37和26起，分别占了12.46％和8.75％。由此发现，第三方破坏和管道腐蚀(内腐蚀为主)对于城市燃气管道泄漏来说占着很大的比重，其中比例最高的是第三方破坏，因此，进行管道的风险评估具有必要性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于“五标度法”的城市燃气管道风险评估方法，在故障树和模糊数学理论相结合的基础上，针对其中的层次分析法这一计算权重的部分，对城市燃气管道风险等级评价提出改进，从而实现对城市燃气管道风险评估的更加准确。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：首先从事故树的角度出发，根据城市燃气管道的实际运行情况确立管道事故的主要因素，构建管道失效的故障树：规定管道泄漏事故为顶上事件，再依次确定中间事件和基本事件，最后用定量分析和定性分析相结合得出最小割集、最小径集。
但大型的复杂系统中存在大量的模糊不确定性，要得到基本事件的精确概率很难。在城市燃气管道事故故障树的分析计算中，很难确定基本事件发生概率的准确值，这便使得传统的事故树分析方法很难对系统中不确定的因素用传统数学模型或公式来分析计算。因此将传统的FTA建立在布尔代数和概率论的基础上，用数学的计算方法得到每个可能造成管道失效的影响因素的风险值，以数字的直观性加上故障树分析法得到的定性与定量分析结果，这便很好地解决了随机不确定性问题。
由此诞生的模糊理论是处理上述问题的最佳工具。对于那些无法精确得到概率的基本事件，可以运用模糊数学理论，认为这些底部事件的发生概率是一个模糊数，也就是把该系统及其组成单元的事故概率用模糊概率来表示。但是日渐发现由于在使用模糊数学理论计算权重的时候会无形中舍去一些看似不重要的因素，但一步步累计导致最后的评估结果在一定程度上难以保证客观。
所以，本发明针对现有传统的故障树和模糊数学理论分析法的结合在一些细节上提出改进，拟帮助改进和降低管道事故发生的可能性，也为促进城市燃气管道的整体安全水平的不断提高。具体包括以下步骤：
S1：利用故障树方法构建城市燃气管道泄漏故障树,对风险按因素进行识别
S1.1：根据故障树顶端事件的确立原则，选择顶端失效为顶上事件。而引起管道失效最直接原因为次顶事件，采用类似方法继续深入分析，直到找到代表各种事故事件的基本事件为止。
S1.2：进行定性分析；
定性分析主要任务是寻找事故树的全部最小割集(MCS)，即基本事件对顶事件产生影响的组合方式与传递途径，找出系统的薄弱环节。用最小割集形式的结构函数来描述事故树，清晰地表明了导致系统事故的所有组合清况。
S1.3：进行定量分析；
定量分析主要任务是给基本事件赋予一个概率值来表征其发生事故的相对频繁程度，计算出顶事件(及中间事件)发生的概率以及各基本事件的相对重要程度。
S1.4：故障树分析法的定性和定量结果的总结与探讨。再进一步运用模糊数学的理论对城市燃气管道失效的故障树进行模糊综合评判法的研究。把故障树和模糊数学理论相结合。
S2：建立风险评价因素集及评语集；
S2.1：先建立风险评价因素集；
因素就是被评价对象的各种影响元素的集合，在这即是引起城市燃气管道失效的各种影响因素。评价对象的因素集一般用U表示，假设影响城市燃气管道风险的指标有m个，评估对象的指标因素集可表示为：
u＝{u1，u2,u3，...um} (1)
指标因素集的确定都是根据实际情况；
例如假设一般造成某管道失效的一级因素有第三方破坏U1、腐蚀U2、设计不合理U3等n个一级因素，每个一级因素又可由多个二级因素决定，每个二级因素又可由多个三级因素决定，依次循环下去如：
S2.2：随后建立风险评价评语集V；
假设城市燃气管道失效可能性的分级情况有n种，可能性因素评价集可以表示为：
V＝{v1，v2,v3，...,vn}； (3)
例如假设n＝3，那么v1，v2,v3则可分别表示为高、中和低3个风险失效等级。
S3：确定因素权重
在这一部分本文对计算出权重的方法提出了一系列的改进：利用改进的层次分析法(APH)确定权重集。
S3.1：建立两两因素判断表，使用“平均几何方法”得出权重；
传统的层次分析法是把同级因素进行两两比较：aij是要素ui对uj的相对重要性。
判断尺度表示要素ui对要素uj的相对重要性的数量尺度，采用的判断尺度见表3.1。
表3.1传统“9标度法”的比较
根据所做出的重要隶属度得到n阶判断矩阵A(aij)n×n
其中，aij>0；aii＝1。
根据实际经验和统计数据，建立U-u判断矩阵，根据判断矩阵，利用层次分析法中最常用的几何平均法求出其各自权重:
将A的各个行向量进行几何平均，然后归一化，得到的行向量就是权重向量。
其公式为：
其中，wi是各个权重系数，aij是判断矩阵A中的各个向量。
计算步骤如下：
(1)A的元素按列相乘得到一新向量；
(2)将新向量的每个分量开n次方；
(3)将所得向量归一化后即为权重向量；
最后所求得的行向量即为权重分配A。
权重确定应考虑各个因素对城市燃管道存在风险的影响程度。最终根据判断矩阵经过进行计算推导，得出得到各个因素的客观权重为：
A＝{a1,a2,a3，...,an} (6)
S3.2：运用层次分析法确定判断矩阵时，将传统的9标度法进行改进：改为5标度(1/4，1/2，1，2，4)；
从表1可以看出，我们在利用层次分析法确定权重的时候，传统意义上普遍采用“9标度法”，然而因为两两判度矩阵的实施，其值的选取一般都是由专家按照事故的资料数据，凭借自己的知识经验和自我感受用判断尺度来最终决定的。这样在实际操作时，要利用文字之间的微妙差别：比如“稍微重要”、“较为重要”“极为重要”以及“极端重要”等词汇按照专家本身的自我感知通过文字间的微妙比较从而建立起判断矩阵，这无疑相对于一些在影响方面区别不是很大，相差不是很多，基数又较为大的因素集来说是一项十分困难的任务，因为人为打分的主观性占了很大一部分，以至于在两两比较时要花费更多的时间去进行文字比较，耗时更多。
所以本发明基于上述提到的问题，在原来传统的“9标度法”的基础上，提出了一些改进，提出了“5标度法”这一新的改进方法，建立起一个全新的判断矩阵：例如：如果需要将第一级要素中的管道腐蚀U1和管道本质缺陷U2这两类进行比较：若管道腐蚀U1比管道本质缺陷U2明显重要，则用数字4表示；若管道腐蚀U1比管道本质缺陷U2略微重要，则用数字2表示；若管道腐蚀U1和管道本质缺陷U2同等重要，则用数字1表示；若管道腐蚀U1明显没有管道本质缺陷U2重要，则用数字1/4表示；若管道腐蚀U1略微没有管道本质缺陷U2重要，则用数字1/2表示。
这样用五个数字建立起的判断矩阵，把原先复杂又多的1-9九个数字之间的相互转换为现在仅有的1/4，1/2，1，2，4这五个数字的判断矩阵。这样做的目的，在一定程度上区分了“9标度法”在文字表达上的模糊字眼，不用执拗于“稍微”“明显”“十分”等这些字眼的比较，使得新的判断矩阵的建立更加方便快捷。“5标度法”的改进在传统“9标度法”的基础上建立起来的，在一定程度上明显具有着更加直观，实际操作起来也比较容易特点，同时在相互两两比较时也因为模糊字眼的减少而具有更加方便的优点。改进后的“5标度法”因为只用了五个确定已经规定成比例的数字，在一方面可以减少人为性的主观问题，另外最为重要的是，它实施起来更加方便快捷，节约时间，简化了繁琐的计算步骤。
改进后的“5标度法”---因素Ui对于Uj的相对重要性的判读尺度见表3.2。
表3.2改进后“5标度法”的比较
改进后的“5标度法”，因为只使用了1/4，1/2，1，2，4五个数字的n阶矩阵，在文字描述区别时也只使用了“稍微”“同等”以及“绝对”三组词汇用来说明相互间的重要程度，在文字描述的区分上，不用像“9标度法”一样在进行两两比较时，有很多相互比较的词组，使得比较时拿不定主意：到底是稍微重要，还是更加重要。在判断矩阵的计算上相对于“9标度法”来说也更为简洁明了，在计算上节省了大量时间得出最后差不多的结果，所运用的几何平均法求得权重时也不需要花费时间再进行一致性检验。之所以要进行一致性检验是因为：在实际生活中进行比较时我们发现，可能某物A是某物B的两倍，某物B又是某物C的三倍，运用理论的数学知识逻辑来说，某物A就应该是某物C的六倍，然而从实际客观出发，我们又发现，然而某物A只是某物C的四倍，这就使得理论和实际不相符合。但如果选用改进后的“5标度法”，因为五个数字的选择是成一定比例的，这样成比例的五个数字在一起比较时，将不会出现上述的问题，所以最后不用进行一致性检验。即可快速得到权重分配比例，简化了运算过程，更加清楚明晰，较易理解与掌握。
S4，对各级因素进行模糊综合评价；
S4.1，进行单因素模糊综合评价；
S4.1.1，建立模糊关系矩阵；
一级模糊综合评判:假设rij表示因素Vk对于ηij的隶属度，对于每类因素Ui，rij可表示为相应的评判矩阵Ri：
其中，gi表示第i类因素类中构成因素的个数。评判矩阵Ri就可以通过上述改进的层次分析法得到。
在模糊关系矩阵的基础上得出评判矩阵Bi：
Bi＝AiRi＝(bi1,bi2,....bin,) (8)
其中，
R＝(B1,...Bi,...Bm)T (10)
其中，bik是评判矩阵B中的各个向量；R为[U×V]上的模糊矩阵。
S4.1.2：在一级模糊综合评价基础上进行多级模糊综合评价；
传统的模糊矩阵的算法是Bi＝AiRi即用集合A中第一个数和集合R中的沿第一列方向的第一个数模糊相乘取最小，然后再模糊相加集合A中的第二个数和集合R中的沿第一列方向的第二个数模糊相乘，依次类推，最后再按相乘取小，相加取大的原则得出B，根据归一化，最后得到R＝(B1,...Bi,...Bm)T为模糊矩阵。最后把得到B进行求和：
Bi＝AiRi＝(b1,b2,....bm,)
S4.2：模糊矩阵的改进；
本文在这一部分提出自己的改进，因为模糊矩阵的算法在一定程度上是由模糊数乘的方法决定的：即模糊相乘取小，相加取大的运算特点在一定程度上模糊了概率发生的多样性，所以利用计算方法上的改进，在模糊数乘的后一部分添加一个步骤，进行新的计算，以达到减小误差的效果。
根据模糊矩阵的算法：模糊相乘(∧)取小，模糊相加(∨)取大的总运算法则。若利用这种法则在具体实施计算评判矩阵指标B的过程时，所用的公式为B＝A·R。最后根据归一化的原则，得到的R＝(B1,......Bj......Bm)T为模糊矩阵。
其中：
从上式(13)可以看出，传统的模糊数乘因为计算准则的原因，在方法上忽略了一些大概率的发生，以至于最后的计算结果不那么准确。本文将从这一部分提出改进，在求矩阵的权和时，最后增加一个步骤进行改进：求得综合指标G，以此来代替之前的指标B，以G用于最后的风险评判指标的标准参考。
由于通过运用模糊数乘的计算法则来进行两两比较的时候，最终只取了两个中更小的一值，但是相对于较大的另一个数而言，则忽略了这个有较大权重的因素最终对结果的影响程度，例如：有可能评价集中的管道腐蚀U1可能性占比为0.3，而对于r11的权重则达到了0.58，在模糊相乘比较时取小，最终得到结果0.3，在这部分只考虑了管道腐蚀U1在所有评价因素中的所占比例为0.3，该比重并不大，即出现的可能性低，但是却人为忽略了，如若一旦是管道腐蚀U1造成的城市燃气管道发生泄漏事故，管道腐蚀U1所占的危险性将达到0.58的占据比例，这是十分危险的；再如若管道维护管理不当U3在评价集中占据了0.35，对于r31只占据了0.12，在同样用模糊相乘取小的计算法则时，得到的结果是选取了0.12，这同样出现了一些考虑不周的问题：在此只考虑了管道维护管理不当U3所出现的危险性虽然只占据0.15，属于不太危险范畴，然而却并没有考虑到在评价集中管道维护管理不当U3出现的可能性比较大，以至于占0.35的比重，这种模糊数乘本身的计算法则(模糊相乘(∧)取小，模糊相加(∨)取大的原则)导致了在模糊数乘计算阶段得到的结果与实际结果相言具有一定的偏差，考虑也并不全面，最终会引起最后风险评价结果的不准确性。
所以如果单单仅用传统的模糊数乘的计算法则，因为只考虑了单一因素，不能起到很好的综合考虑的效果，这对于最后风险评估得到的结果也有很大的影响。
因此本文在这个基础上提出了一些改进：在得出Bi后再进行一步综合评分，因为之前用模糊相乘以及模糊相加得到的结果不是很客观，为了减小上述所提到的问题的误差，再用模糊数乘得到指标B后再进行一步综合评分得到综合指标G：
因为lj是进行了归一化处理的，所以必定有1≤G≤n所以根据最后综合指标G的数值就可以判断城市燃气管道泄漏事故的风险等级更接近评价级中的第几级。综合指标G越接近评语集中的数字几，那么最终得到的风险等级就更接近几。
其中lj表示综合评判集合中各向量的数值，j＝1，2，3，….，n。
S5：得出风险模糊综合评判。
S6：定量与定性结合，确定城市燃气管道事故风险等级。
得到了多层次模糊综合的风险评价，再把这个与之前的故障树分析法得到的定量与定性结果相结合，最终得到一份比较全面的燃气管道风险评估。
根据城市燃气管道的实际运行状况，运用以上改进后的故障树分析法和多层次模糊综合评价理论，以文案分析和数字语言帮助我们找出易造成管道失效事故的最薄弱环节，最终实现城市燃气管道的风险评估，为日后进行管道的风险保护奠定基础。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于“五标度法”的城市燃气管道风险评估方法，在层次分析法计算权重过程，改进传统“九标度法”为“五标度法”，并对建立模糊综合关系矩阵提出改进，最后得出城市燃气管道事故风险等级。经过改进的模糊综合评级法既能够充分体现评价因素和评价过程的客观性，又比传统的事故树方法以及单独的模糊综合评判法更加实际可靠，解决了风险评价中因素不够客观的问题，从而实现对城市燃气管道风险评估的更加准确。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明最佳实施例的流程示意图；
图2是案例中第三方破坏事故树图；
图3是案例中管道内腐蚀事故树图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图3所示，本发明的一种基于“五标度法”的城市燃气管道风险评估方法。
某公司管道始建于2011年，属于中压A级管网，该管线运行流量15000N·m3/h，管道的规格DN150，管道材质为L360，直线距离为4500m，全线都是由恒压电位仪器进行的阴极保护处理，设计压力位0.3MPa，工作运行压力位0.25MPa。该公司地处H市，该地区处在南亚热带季风气候区域，风向季节之时变化明显，春、夏两季盛行东南风，秋、冬两季盛行偏北风，年平均风速2.2米/秒，全年主导风向为东南风。
引起H市这一燃气公司的城市燃气管道发生泄漏事故的可能性一级因素为管道腐蚀、第三方破坏、管道本身的安全质量缺陷以及管理维护不善。这四个一级影响因素均具有模糊性，所以采用模糊综合评判法来解决这一问题。本文主要以一级影响因素中的第三方破坏U4以及管道腐蚀中的内腐蚀为例，通过模糊综合评判法的运用来进行风险分析的计算过程说明。第三方破坏U4的事故树图见图2，管道内腐蚀的事故树图见图3。对于该公司的此次事故的风险因素进行分析。
1.第三方破坏因素案例计算；
1.1改进后的“五标度法”计算
(1)建立第三方破坏U4的风险因素集
根据前面第三章事故树的建立原则，得出影响第三方破坏的主要基本事件有5种，分别是X41-X45，则该城市燃气管道的第三方破坏的风险因素集可以表示为：U＝(UX41，UX42，UX43，UX44，UX45)根据该燃气公司的数据，专家进行统计分析后，将这些影响因素分为5个风险评价等级，因此得出影响第三方破坏的各个因素等级见表1.1(a)。
表1.1(a)影响因素和风险等级
根据的隶属度的定义以及隶属函数的筛选，确定了选择正态分布(即b＝2.3时)的隶属函数的误差最小。根据该公司发布的影响城市燃气管道元素的分布规律，再进行统计后，确定得出城市燃气管道泄漏事故中各个等级的隶属度。见表1.1(b)。
表1.1(b)因素等级和隶属度向量归量
经过归一化处理后,得到影响因素的等级隶属度矩阵Ri如下：
(2)建立第三方破坏U4的评语集
根据城市燃气管道中第三方破坏的影响因素的特点，并与专家在打分方面的知识水平和实践经验，将评语集定义为Y＝(很小，较小，中等，较大，很大)分别对应为五个等级。具体对应关系见表1.1(c)。
表1.1(c)评语集的等级对应关系
(3)求得评价因素权重向量
根据上述的改进的层次分析法，用改进后的“五标度法”建立两两因素判断表U-u，因此5个基本事件的两两重要程度比较见表1.1(d)。
表1.1(d)两两因素判断表U-u
将表中的数据带入式(1)中，用几何平均算法计算出上述七个影响因素的权重比例的近似值：
再将近似值进行归一化处理后，得到的第三方破坏的权重比例为这W4＝(0.2875，0.1393，0.0800，0.4222)这也就是最后得到的关于第三方破坏的五个影响因素的权重分配。
(4)建立模糊评判矩阵
对影响城市燃气管道泄漏的第三方破坏中的每个因素Ui＝(i＝1，2，3，4，5)进行单因素评判矩阵的建立，得到与之对应的模糊评判集。
根据公式：Bi＝Aj·Ri
其中，式中的i＝1,2,3,4,5；j＝Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ。
根据表1.1(a)以及表1.1(b)得出影响元素和风险等级以及隶属向量间的关系，如表1.1(e)。
表1.1(e)影响因素的权重系数
在这上述的模糊矩阵的传统算法，得到如下计算结果：
根据Bx41，Bx43 Bx44 Bx45的计算结果，得到城市燃气管道泄漏的第三方破坏的模糊综合评判矩阵：
(5)进行模糊综合评判
根据公式(5)L＝WB可以得出城市燃气管道泄漏其中第三方破坏的风险模糊评判的集合。
即：
在这首先使用模糊数乘的模糊算法：模糊相乘(∧)取小，模糊相加(∨)取大的原则。得到如下计算结果：
L4(1)＝(0.2875∧0.1608)∨(0.1393∧0.0756)∨(0.0800∧0.0756)∨(0.0800∧0.2162)∨(0.4222∧0.1115)＝0.1608∨0.0756∨0.0756∨0.0800∨0.1115＝0.1608
L4(2)＝(0.2875∧0.2186)∨(0.1393∧0.1459)∨(0.0800∧0.1459)∨(0.0800∧0.02551)∨(0.4222∧0.1796)＝0.2186∨0.1393∨0.0800∨0.0800∨0.1796＝0.2186
L4(3)＝(0.2875∧0.2412)∨(0.1393∧0.2287)∨(0.0800∧0.2287)∨(0.0800∧0.2375)∨(0.4222∧0.2375)＝0.2412∨0.1393∨0.0800∨0.0800∨0.2375＝0.2412
L4(4)＝(0.2875∧0.2186)∨(0.1393∧0.2829)∨(0.0800∧0.2829)∨(0.0800∧0.1796)∨(0.4222∧0.2412)＝0.2186∨0.1393∨0.0800∨0.0800∨0.2412＝0.2412
L4(5)＝(0.2875∧0.1608)∨(0.1393∧0.2670)∨(0.0800∧0.2670)∨(0.0800∧0.1115)∨(0.4222∧0.2162)＝0.1608∨0.1393∨0.0800∨0.0800∨0.2162＝0.2162
L4＝(L4(1)，L4(2)，L4(3)，L4(4)，L4(5))＝(0.1608,0.2186,0.2412,0.2412,0.2162)
根据最大隶属度的选取原则，即Vk＝0.2412，也就是VIII＝VIV＝0.2412，那么其中影响城市燃气管道发生泄漏事故的风险评价等级可能为Ⅲ级也可能为Ⅳ级。这是用改进后的“五标度法”得到的结果。
1.2改进前的“九标度法”计算
循环前面步骤1.1中的(1)～(2)的步骤，在运用步骤(3)求权重向量的时候，用传统没改进的步骤进行下计算比较。
根据传统的“九标度法”建立判断矩阵表U-u，因此5个基本事件的的两两重要程度见表1.2。
表1.2两两因素判断表U-u
因此判断矩阵
将表中的数据带入式(1)中，用几何平均算法计算出上述五个影响因素的权重比例的近似值：
再将上述近似值进行归一化处理后得到的第三方破坏的权重比例为:W4＝(0.3026，0.1230，0.0738，0.0583，0.4422)，这也就是利用未改进前的“五标度法”得到的关于第三方破坏的五个影响因素的权重分配。
传统的“九标度法”要考虑这个判断矩阵是否可行，所以接下来将进行一致性判断：
求出最大特征根λmax：
随后求出一致性指标CI
因为这是个五阶矩阵，即n＝5，RI＝1.123，所以一致性比率CR：
因为CR<0.1,所以满足一致性要求，所以该判断矩阵的两两判断因素表满足一致性检验，也就是说，以上结果有效。可以继续进行后面的计算。
继续重复步骤(4)得到模糊综合评评判矩阵B4；
根据Bx41，Bx42，Bx43，Bx44，Bx45的计算结果，得到城市燃气管道的第三方破坏的模糊综合评判矩阵：
(5)进行模糊综合评判
根据公式(5)L＝WB可以得出城市燃气管道第三方破坏的风险模糊评判的集合。
即：
L4＝W4B4
在这首先使用模糊数乘的模糊算法：即模糊相乘(∧)取小，模糊相加(∨)取大的原则。计算方法同上，得到如下计算结果：
L4＝(L4(1),L4(2),L4(3),L4(4),L4(5))＝(0.1608,0.2186,0.2412,0.2412,0.2162)
根据最大隶属度的选取原则，Vk＝0.2412，也就是VIII＝VIV＝0.2412，那么其中影响城市燃气管道发生泄漏事故的风险评价等级可能为Ⅲ级也可能为Ⅳ级。
从这个结果我们可以看出来，这个结果得到的值依旧和改进后的“五标度法”一样，所以改进后的“五标度法”体现了以下优点：
(1)改进后得到的最终结果等同于改进前的结果，它没有造成结果的不准确性，它依旧在一方面保证了结果的客观性。
(2)就另一方面来说，因为改进后的“五标度”不需要进行费力的文字间的比较，克服了类似于“稍微”重要，“比较”重要等重要文字间的模糊比较，所以用改进后的“五标度法”不用纠结于文字间的细微差异。所以在用这五个数字(1/4，1/2，1，2，4)进行比较时更加方便。
(3)也因为这五个数字之间成比例，所以不需要进行一致性检验就可以得到最后的结果，也更加方便简单明了。计算步骤也进行了简化，更加快捷的得到最后答案。最终的结果也没有差别，改进后的层次分析法也没有失去其本身的意义。
所以综上看来，用“五标度法”来代替传统的“九标度法”是可行的。
1.3改进后的模糊矩阵
根据上述得到的初步评断结果，我们得知其中影响该公司燃气管道发生泄漏事故的第三方破坏这一因素的风险等级可能为Ⅲ级也可能为Ⅳ级，但是具体到底因为第三方破坏而引起的泄漏事故的风险等级到底是哪一级我们无法判断，虽然在一方面来说可以得出由于第三方破坏而引起的城市燃气管道发生泄漏事故的可能性还算比较大的，可能达到了风险等级的Ⅲ级甚至Ⅳ级，但是从另一方面来说，却没有完全准确的得出到底是风险中的第几级，毕竟Ⅲ级和Ⅳ级在本质上也有很大的区别，相应采取的事前预防措施和事后紧急处理对策也是完全不一样的，因此严格的来说，在一定程度上来讲，这个风险评判结果是属于失效行列的。所以我们要寻求更为精确的结果。
因此，我们在这个基础上运用S4.2所述的模糊矩阵的改进方法进行了新一步的评判，得到了新的评估结果如下：
根据公式(14)得到：
G＝1×Lx41+2×Lx42+3×Lx43+4×Lx44+5×Lx45＝3.3674
由此结果可以看出，因为第三方破坏对于城市燃气管道泄漏的风险评价的的等级为Ⅲ级和Ⅳ级之间，但是更偏向Ⅲ级，这个风险等级的最终结果比之前没用改进直接得出失效结果更为客观和准确，客观表明了因为第三方破坏而可能导致城市燃气管道泄漏事故的可能性表现为中等，进一步说明由于第三方破坏而带来的危害不容小觑。
2内腐蚀因素案例计算
我们知道除了第三方破坏是造成管道泄漏的最主要因素外，管道腐蚀是第二大造成管道泄漏事故发生的因素。其中内腐蚀占据了管道腐蚀的百分之七八十，所以我们又着重以管道腐蚀中的内腐蚀为例，进行更进一步的案例说明。
2.1改进后的“五标度法”计算
(1)建立管道内腐蚀M1的风险因素集
根据前面第三章事故树的建立原则，得出影响管道内腐蚀的主要基本事件有7种，分别是X1-X7，则该城市燃气管道的管道内腐蚀的风险因素集可以表示为：U＝(Ux1,Ux2,Ux3,Ux4,Ux5,Ux6,Ux7,)根据该燃气公司的数据，专家进行统计分析后，将这些影响因素分为5个风险评价等级，因此得出影响第三方破坏的各个因素等级具体见表2.1(a)。
表2.1(a)管道内腐蚀的影响因素和风险等级
根据隶属度的定义以及隶属函数的筛选，确定了选择正态分布(即b＝2.3时)的隶属函数的误差最小。根据该公司发布的影响城市燃气管道元素的分布规律，再进行统计后，确定得出城市燃气管道泄漏事故中各个等级的隶属度。见表2.1(b)
表2.1(b)因素等级和隶属度向量归量
经过归一化处理后,得到影响因素的等级隶属度矩阵Ri如下：
(2)建立管道内腐蚀M1的评语集
根据城市燃气管道中管道内腐蚀的影响因素的特点，加上考虑到专家在打分方面的知识水平和实践经验，将评语集定义为Y＝(很小，较小，中等，较大，很大)分别对应为五个等级。具体对应关系见表2.1(c)
表2.1(c)评语集的等级对应关系
(3)求得评价因素权重向量
根据S3.2的改进的层次分析法，用改进后的“五标度法”建立两两因素判断表U-u，因此这7个基本事件的两两重要程度比较见表2.1(d)。
表2.1(d)两两因素判断表U-u
将表中的数据带入式(1)中，用几何平均算法计算出上述七个影响因素的权重比例的近似值：
再将近似值进行归一化处理，得到的第三方破坏的权重比例为W4＝(0.2817，0.0928，0.07043，0.0474，0.7043,0.2817,0.1555)，这也就是最后得到的关于管道内腐蚀的七个影响因素的权重分配。
(4)建立模糊评判矩阵
对影响城市燃气管道泄漏的管道内腐蚀中的每个因素Ui(i＝1,2,3,4,5,6,7)，Ui进行单因素评判矩阵的建立，得到与之对应的模糊评判集。
根据公式(2)：Bi＝Aj·Ri
其中，式中的i＝1,2,3,4,5；j＝Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ
根据2.1(a)以及2.1(b)得出影响元素和风险等级以及隶属向量间的关系，如表2.1(e)。
表2.1(e)影响因素的权重系数
在这用传统的模糊矩阵的算法，得到如下计算结果：
Bx1＝AⅣ·Ri＝(0.1115,0.1796,0.2375,0.2412,0.2162)
Bx2＝AⅢ·Ri＝(0.1608,0.2186,0.2412,0.2186,0.1608)
Bx3＝AⅡ·Ri＝(0.2162,0.2412,0.2375,0.1796,0.1115)
Bx4＝AⅡ·Ri＝(0.2162,0.2412,0.2375,0.1796,0.1115)
Bx5＝AⅤ·Ri＝(0.0756,0.1459,0.2287,0.2829,0.2670)
Bx6＝AⅤ·Ri＝(0.0756,0.1459,0.2287,0.2829,0.2670)
Bx7＝AⅢ·Ri＝(0.1608,0.2186,0.2412,0.2186,0.1608)
根据Bx1，Bx2，Bx3，Bx4，Bx5，Bx6，Bx7的计算结果，得到城市燃气管道的内腐蚀的模糊综合评判矩阵：
(5)进行模糊综合评判
根据公式(5)L＝WB可以得出城市燃气管道内腐蚀的风险模糊评判的集合。
即：
在这首先使用模糊数乘的模糊算法：模糊相乘(∧)取小，模糊相加(∨)取大的原则。得到如下计算结果：
Lm1＝(Lm1(1),Lm1(2),Lm1(3),Lm1(4),Lm1(5))＝(0.1555,0.1796,0.2375,0.2817,0.2817)
根据最大隶属度的选取原则，即Vk＝0.2817，也就是VIV＝VV＝0.2817，那么其中影响城市燃气管道发生泄漏事故的风险评价等级可能为Ⅳ级也可能为Ⅴ级。这是用改进后的“五标度法”得到的结果。
2.2改进前的“九标度法”的计算
循环前面(1)～(2)的步骤，在运用步骤(3)求权重向量的时候，用传统没改进的步骤进行以下计算比较。根据的传统的“九标度法”建立判断矩阵表U-u，因此7个基本事件的两两重要程度见表2.2。
表2.2两两因素判断表U-u
因此判断矩阵A(U-u)为：
将表中的数据带入式(1)中，用几何平均算法计算出上述五个影响因素的权重比例的近似值：
再将近似值进行归一化处理后，得到的管道内腐蚀的权重比例为Wm1＝(0.2967,0.1007,0.0749,0.0467，0.0749,0.2540,0.1522)，这也就是利用未改进前的“五标度法”得到的关于管道内腐蚀的七个影响因素的权重分配。
传统的“九标度法”要考虑这个判断矩阵是否可行，所以接下来将进行一致性判断
求出最大特征根λmax：
随后求出一致性指标CI：
因为这是个五阶矩阵，即n＝7，RI＝1.32，所以一致性比率CR：
因为CR<0.1,所以满足一致性要求，所以该判断矩阵的两两判断因素表满足一致性检验，也就是说，以上结果有效。可以继续进行后面的计算。
继续重复步骤(4)得到模糊综合评评判矩阵Bm1
根据Bx1，Bx2，Bx3，Bx4，Bx5，Bx6，Bx7的计算结果，得到城市燃气管道的内腐蚀的模糊综合评判矩阵：
(5)进行模糊综合评判
根据公式(5)L＝WB可以得出城市燃气管道第三方破坏的风险模糊评判的集合。
即：
在这首先使用模糊数乘的模糊算法：模糊相乘(∧)取小，模糊相加(∨)取大的原则。得到如下计算结果：
Lm1＝(Lm1(1),Lm1(2),Lm1(3),Lm1(4),Lm1(5))＝(0.1522,0.1796,0.2375,0.2540,0.2540)
根据最大隶属度的选取原则，即Vk＝0.2540，也就是VIV＝VV＝0.2540，那么其中影响城市燃气管道发生泄漏事故的风险评价等级可能为Ⅳ级也可能为Ⅴ级。同样结果为失效，但是这个结果对于改进后的“五标度法”得到的风险评价等级是一样的，所以又再一次用这个案例说明了可以用改进的“五标度法”代替传统的“九标度法”，两个方法得到的结果没有本质上的区别，但是改进后的“五标度法”可以简化打分过程，缩小人为性的误差，优化了计算过程。所以可以考虑用“五标度法”代替“九标度法”。
2.3改进后的模糊矩阵
根据上面得到的初步评断结果，我们得知其中影响该公司燃气管道发生泄漏事故的管道内腐蚀这一因素的风险等级可能为Ⅳ级也可能为Ⅴ级，但是具体到底因为管道内腐蚀而引起的事故的风险等级到底是哪一级我们无法判断，虽然在一方面来说可以得出由于管道內腐蚀而引起的城市燃气管道发生泄漏事故的可能性达到了Ⅳ级甚至可能是Ⅴ级，这一危险性是很大的，但是从另一方面来说，却没有完全准确的得出到底是风险中的第几级，毕竟Ⅳ级和Ⅴ级在本质上也有很大的区别，相应采取的事前预防措施和事后紧急处理对策也是完全不一样的，因此严格的来说，在一定程度上来讲，这个风险评判结果是属于失效行列的。所以我们要寻求更为精确的结果。
因此，我们在这个基础上运用S4.2所述的模糊矩阵的改进方法进行了新一步的评判，得到了新的评估结果如下：根据公式(14)得到：
G＝1×Lm(1)+2×Lm(2)+3×Lm(3)+4×Lm(4)+5×Lm(5)＝3.7625
由此结果可以看出，因为管道內腐蚀对于城市燃气管道泄露的风险评价的等级为Ⅲ级和Ⅳ级之间，但是更偏向Ⅳ级，这个风险等级的最终结果比之前没用改进直接得出失效结果更为客观和准确，客观表明了因为管道内腐蚀而可能导致城市燃气管道泄漏事故的可能性表现为较大，管道内腐蚀带来的危害十分严峻。
3其他管道泄漏因素的模糊评判集
按照上诉以第三方破坏U4以及管道内腐蚀Um1为例的具体算法，通过该燃气公司的工程数据，循环(1)～(5)的方法步骤，可以得到其余影响管道泄漏的一级因素：管道腐蚀U1、管道本质缺陷U2、管道的管理维护不当U3的模糊综合评判集合如下：
L1＝W1B1＝(0.0958,0.1637,0.2354,0.2558,0.1751)
L2＝W2B2＝(0.2185,0.2645,0.1954,0.1725,0.1036)
L3＝W3B3＝(0.1446,0.2559,0.2674,0.1769,0.1029)
L4＝W4B4＝(0.1608,0.1608,0.2412,0.2551,0.2551)
这样L1～L4就构成了影响城市燃气管道发生泄漏的4个主要的风险因素的模糊综合评判矩阵L总。
4.城市燃气管道的总模糊综合评判集
4.1改进后的“五标度法”计算
根据影响城市燃气管道发生泄漏事故的4个主要因素以及该燃气公司的相关内部数据资料统计，依照S3.2的改进的层次分析法，用改进后的“五标度法”建立一级两两因素判断表，见表4.1。
表4.1主要因素两两判断表
将表中的数据带入式(1)中，用几何平均算法计算出上述四个一级影响因素的权重比例的近似值：
再将近似值进行归一化处理得到四个主要影响因素的权重比例为W总＝(0.2687,0.1344,0.0765,0.5044)也就是得到的权重分配：U4>U1>U2>U3按照以上对城市燃气管道泄漏事故的模糊综合评判方法，可以得出该燃气公司的总的失效可能性评判集合：
V＝WL(V1,V2,V3,V4,V5)＝(0.1608,0.2687,0.2412,0.2558，0.2162)
根据最大隶属度的原则，即Vk＝0.2687，即该公司的城市燃气管道发生泄漏事故的总失效等级为Ⅱ级,这是改进后的“五标度法”得到的风险结果。
4.2改进前的“九标度法”计算
根据影响城市燃气管道发生泄露事故的4个主要因素以及该燃气公司的相关内部数据资料统计，根据上述的传统的“九标度法”建立判断矩阵表U-u，因此这4个主要因素的两两重要程度见表4.2。
表4.2一级因素两两判断表
判断矩阵U-u为
将表中的数据带入式(1)中，用几何平均算法计算出上述四个主要影响因素的权重比例的近似值：
再将近似值进行归一化处理得到城市燃气管道泄漏的权重比例为W总＝(0.2776,0.1603,0.0953,0.4669)也就是得到的权重分配：U4>U1>U2>U3。这也就是利用未改进前的“九标度法”得到的四个主要影响因素的权重分配。
传统的“九标度法”要考虑这个判断矩阵是否可行，所以接下来将进行一致性判断：
求出最大特征根λmax：
随后求出一致性指标CI：
因为这是个五阶矩阵，即n＝4，RI＝0.9，所以一致性比率CR：
因为CR<0.1,所以满足一致性要求，所以该判断矩阵的两两判断因素表满足一致性检验，也就是说，以上结果有效。可以继续进行后面的计算。
按照以上对城市燃气管道泄露事故的模糊综合评判方法，可以得出该燃气公司的总的失效可能性评判集合：
V＝WL(V1,V2,V3,V4,V5)＝(0.1608,0.2776,0.2412,0.2558，0.2162)
根据最大隶属度的原则，即Vk＝0.2776，即该公司的城市燃气管道发生泄漏事故的总失效等级为Ⅱ级,这个评价结果和改进后的五标度法相比而言，虽说数值结果不一样，但根据最大隶属度原则最后得到的风险评价等级是一样的，又进一步说明说明改进后的五标度法在一定程度上可以用来代替九标度法的使用，简化打分过程，优化计算过程。
4.3改进后的模糊矩阵
根据上面得到的初步评断结果，我们得知该公司的城市燃气管道发生泄漏事故的总失效等级为Ⅱ级，但是由于判断矩阵的打分情况具有或多或少的人为性误差以及计算过程中采用的模糊数乘的关系等原因，我们得出这个结果是并不客观的结论，因此，我们在这个基础上运用S4.2所述的模糊矩阵的改进方法进行了新一步的评判，得到了新的评估结果如下：根据公式(8)得：
G＝1×V1+2×V2+3×V3+4×V4+5×V5＝3.5266
新的结果表明，总的风险评价结果介于Ⅲ级和Ⅳ级之间，也就是说发生泄漏事故的可能性介于中等以及较大之间，已经属于比较危险行列。这个结果明显比只用模糊数乘得到的风险等级为Ⅱ级，更加精确，更加客观准确，也使得我们得知该公司城市燃气管道一旦发生泄漏，那么产生事故后果的等级介于中等和较大之间，也就为做好对应的事前预防和事后紧急处理打下良好的基础。我们也可以更加全面的针对这4个主要一级因素：管道的本质缺陷U1，管道的腐蚀U2、管道的维护管理不当U3以及第三方破坏U4采取适当的措施，以此达到降低风险等级的目的。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (4)
1.一种基于“五标度法”的城市燃气管道风险评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：利用故障树方法构建城市燃气管道事故的故障树，对风险因素进行识识别；
S2：建立风险评价因素集及评语集；
S2.1：先建立风险评价因素集u＝{u1，u2,u3，...um}；
S2.2：随后建立风险评价评语集V＝{v1，v2,v3，...,vn}；
S3：确定因素权重；
S3.1：建立两两因素判断表，使用“平均几何方法”得出权重；
S3.2：运用层次分析法确定判断矩阵时，采用5标度(1/4，1/2，1，2，4)确定判断矩阵A；
S4：对各级因素进行模糊综合评价；
S4.1：进行单因素模糊综合评价；
S4.1.1：建立模糊关系矩阵；
S4.1.2：在一级模糊综合评价基础上进行多级模糊综合评价；
S4.2：模糊矩阵的改进；
S5：在一级模糊综合评判的基础上进行多级模糊综合评判，得出最后的总的风险模糊综合评判；
S6：定量与定性结合，将传统事故树的最小割集分析和模糊数学理论中的模糊综合评判法最后计算得出的风险等级结果相结合，得出更加全面的风险分析。确定城市燃气管道事故风险等级。
2.如权利要求1所述的基于“五标度法”的城市燃气管道风险评估方法，其特征在于：步骤S1中具体步骤包括：
S1.1：根据故障树顶端事件的确立原则，选择城市燃气管道泄漏事故为顶上事件；随后建立起城市燃气管道泄漏事故的故障树；
S1.2：进行定性分析；即寻找该事故树的最小割集(MCS)以最小割集的形式来描述事故树：
S1.3：进行定量分析；即计算顶端事件以及各个基本事件的相对重要度；
S1.4：故障树分析法的定性和定量结果的总结与探讨。
3.如权利要求1所述的基于“五标度法”的城市燃气管道风险评估方法，其特征在于：步骤S3.1中利用传统的“9标度法”进行两两因素的重要程度判断，经过几何平均法的公式：
得出权重比例，其中，wi是各个权重系数，aij是判断矩阵A中的各个向量。
4.如权利要求1所述的基于“五标度法”的城市燃气管道风险评估方法，其特征在于：步骤S4是对各级因素进行模糊综合评判，其具体步骤包括：
S4.1，进行单因素模糊综合评价；
S4.1.1，建立模糊关系矩阵；
首先在一级模糊综合评判的基础上建立模糊关系矩阵Ri，一级模糊综合评判:假设rij表示因素Vk对于ηij的隶属度，对于每类因素Ui，rij可表示为相应的评判矩阵Ri：
其中，gi表示第i类因素类中构成因素的个数，评判矩阵Ri就可以通过上述改进的层次分析法得到；
在模糊关系矩阵的基础上得出评判矩阵Bi：
Bi＝Ai×Ri＝(bi1,bi2,....bin,)
其中，bik是评判矩阵B中的各个向量，R为[U×V]上的模糊矩阵，R＝(B1,...Bi,...Bm)T；
S4.1.2在一级模糊综合评价基础上进行多级模糊综合评价；
Bi＝AiRi＝(b1,b2,....bm,)
S4.2模糊矩阵的改进；
根据模糊矩阵的算法：模糊相乘(∧)取小，模糊相加(∨)取大的总运算法则；最后根据归一化的原则，得到的R＝(B1,......Bj......Bm)T为模糊矩阵；
其中：
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