CN111310323B - 一种基于matlab软件的深海管道综合风险指标评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法，包括以下步骤：步骤1：分别构建评价空间、风险等级和未确知测度函数；步骤2：根据评价空间、风险等级和未确知测度函数进行未确知测度计算，获得未确知测度矩阵和未确知测度值；步骤3：根据未确知测度值进行权重计算，获得一级权重；步骤4：根据未确知测度矩阵和一级权重，构建未确知多指标测度向量；步骤5：根据未确知多指标测度向量，计算得出评价系数，并根据评价系数判定风险等级。此发明解决了传统深海管道风险指标评价复杂和效率低的问题，通过设置程序自动计算深海管道的风险等级，解决了目前繁琐的各项工作，更具有针对性，确保了深海水下油气输送系统的安全运行。

Description

一种基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法

技术领域

本发明涉及海洋油气运输技术领域，具体涉及一种基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法。

背景技术

快速的经济发展使得我国对于石油天然气等资源的需求不断增加。在我国领海范围之内，蕴藏着丰富的石油、天然气、可燃冰等资源。随着南海海域油气资源的开发，尤其是南海珠江口盆地流花油田群的顺利开发以及“海洋石油981”钻井平台在南海北部深水区测试作业，标志着我国海洋油气资源的开发进入了全面发展阶段。

海洋油气资源的开发体系中，深海管道是关键装备之一，采用海底管网将油气资源输送到位于岸上的处理厂，和海上处理终端方式相比，具有更高的经济效益。随着水下生产系统的发展，海底油气管道运输已成为了海洋油气开发的主要传送手段。

深海管道是深海水下油气输送系统的重要组成部分，面临极端环境和复杂地质条件，极易发生油气输送管道的结构失效问题，如若造成管道破裂，还会引起油气泄漏事故，造成巨额的经济损失和灾难性的污染后果。与陆上管道相比,深海管道作业环境复杂,存在较多不确定性因素,为了确保深海水下油气输送系统的安全运行,需要针对深海水下油气输送系统,尤其是深海管道的实际运营情况,提高运营者、作业人员对于事故灾害的预测能力和控制能力。

深海管道在运输油气中占据了很重要的作用，一般事故的发生有相当大的偶然性，但都有其根本的原因。事故是自然因素、社会因素、管理因素以及人为因素综合影响造成的，这些物质的、管理的、环境的以及人为的原因就构成了海底管道复杂多变的危险因素。设计一套合理的、高效的、快速的综合风险评价系统是目前急需解决的重大问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法。此方法旨在解决传统深海管道风险指标评价复杂和效率低的问题，通过设置程序自动计算深海管道的风险等级，解决目前繁琐的各项工作，更具有针对性，确保深海水下油气输送系统的安全运行。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法，包括以下步骤：

步骤1：分别构建深海管道风险评价指标的评价空间、风险等级和未确知测度函数；

步骤2：根据评价空间、风险等级和未确知测度函数进行未确知测度计算，获得深海管道风险评价指标的未确知测度矩阵和未确知测度值；

步骤3：根据未确知测度值进行权重计算，获得深海管道风险评价指标的一级权重；

步骤4：根据未确知测度矩阵和一级权重，构建深海管道风险评价指标的未确知多指标测度向量；

步骤5：根据未确知多指标测度向量，计算得出深海管道风险评价指标的评价系数，并根据评价系数，判定深海管道风险评价指标的风险等级。

最优选的，评价空间X包括划分为两层的深海管道风险评价指标；

第一层将深海管道风险评价指标划分为i类一级指标x_i，且满足：

X＝{x₁,x₂,...,x_i}；

第二层在第一层的基础上划分为m个二级指标x_im，且满足：

x_i＝(x_i1,x_i2,...,x_im)。

最优选的，未确知测度计算包括以下步骤：

步骤2.1：根据二级指标x_im的二级指标值F_m、风险等级Q和未确知测度函数r，构建深海管道风险评价指标的未确知测度矩阵B；未确知测度矩阵B 满足：

其中，p为评价级别个数，q_k为风险等级Q评价空间级别，y_mp为每个二级指标值F_m对应的风险等级Q的未确知测度；

步骤2.2：根据未确知测度矩阵B，计算深海管道风险评价指标的第i类评价因素第j个指标x_ij属于风险等级Q中q_k级别的未确知测度值r_ijk，且满足：

r_ij1＝1,r_ij2＝r_ij3＝...＝r_ijp＝0；当x_ij≥y_j1

r_ijp＝1,r_ij1＝r_ij2＝...＝r_ij(p-1)＝0；当x_ij≤y_jp

当y_il≤x_ij≤y_j(l+1)

r_ijk＝0；当k＜l或k＞l+1,其中1＜l＜p

未确知测度矩阵B中y_j1＞y_j2＞...＞y_jp，未确知测度函数r满足0≤r≤1，则未确知测度值r_ijk满足：

步骤2.3：根据未确知测度矩阵B和未确知测度值r_ijk，建立四种不同评价因素x_i下各个指标的未确知测度矩阵B_i,(i＝1,2,3,4)，分别满足：

最优选的，权重计算还包括以下步骤：

步骤3.1：定义信息不确定程度的度量为信息熵；信息熵为H(x)，且满足：

其中，P_i为某一状态发生的概率，1≤i≤n；

步骤3.2：根据信息熵H(x)和未确知测度值r_ijk，计算出深海管道风险评价指标的指标值峰值υ_ij，且满足：

步骤3.3：根据指标值峰值υ_ij，计算出深海管道风险评价指标的二级权重ω_ij，且满足：

步骤3.4：将二级权重ω_ij归一化，得到深海管道风险评价指标的四种不同评价因素x_i的一级权重W_i,(i＝1,2,3,4)。

最优选的，构建未确知多指标测度向量包括以下步骤：

步骤4.1：根据四种不同评价因素x_i下各个指标的未确知测度矩阵B_i和一级权重进行第一次测度计算，获得四种不同评价因素x_i的单指标测度矩阵 A_i,(i＝1,2,3,4)，且满足：

A_i＝W_i×B_i(i＝1,2,3,4)；

步骤4.2：将单指标测度向量A_i组成向量，得到多指标测度矩阵A，且满足：

步骤4.3：将一级权重W_i组合为深海管道风险评价指标的总权重W_s，且满足：

W_s＝(W₁,W₂,W₃,W₄)；

步骤4.4：根据总权重W_s和多指标测度矩阵A进行第二次测度计算，获得深海管道风险评价的未确知多指标测度向量f，且满足：

f＝W_s×A＝(r₁,r₂,r₃,r₄)。

最优选的，评价系数为k₀，且满足：

其中，k为风险等级Q中第k个级别；λ为置信度，λ＞0.5。

运用此发明，解决了传统深海管道风险指标评价复杂和效率低的问题，通过设置程序自动计算深海管道的风险等级，解决了目前繁琐的各项工作，更具有针对性，确保了深海水下油气输送系统的安全运行。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的风险指标评价方法更加高效快捷的得到深海管道的风险等级，解决了繁杂的工作，更加规范化。

2、本发明提供的深海管道风险评价指标，将各个影响因素考虑在内，相比于现有技术更加全面。

3、本发明提供的风险指标评价方法只要得到相应的数值，即可求解更加简便，节省了人力，能使工作人员更加迅速判断出深海管道的破损情况。

附图说明

图1为本发明提供的深海管道综合风险指标评价方法流程图；

图2为本发明提供的海底管道风险评价的评价空间结构图；

图3为本发明提供的深海管道综合风险评价的界面图；

图4为本发明提供的二级指标的等级评价界面图；

图5为本发明提供的权重计算的系统界面图；

图6为深海管道综合风险指标的评价等级界面图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

本发明是一种基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：分别构建深海管道风险评价指标的评价空间X、风险等级Q和未确知测度函数r。

根据评价指标标准，应用阶梯层次分析方法，评价空间X包括划分为两层的深海管道风险评价指标。

第一层将深海管道风险评价指标划分为i类一级指标x_i，且满足：

X＝{x₁,x₂,...,x_i}；

第二层在上述第一层的基础上划分为m个二级指标x_im，且满足：

x_i＝(x_i1,x_i2,...,x_im)。

本实施例中，如图2所示，第一层的一级指标将深海管道风险评价指标划分为四类评价因素x_i,(i＝1,2,3,4)，分别为自然条件因素、第三方影响因素、设计建造因素以及运营管理因素；一级指标的四类评价因素为相对独立事件。

第二层的二级指标在上述四类第一层的基础上划分为十九个综合风险评价指标x_im,(i＝1,2,3,4，m＝1,2,...,19)；二级指标值为F_m,(m＝1,2,...,19)，其中，第一层的自然条件因素划分为六个二级指标，分别为海水酸碱度F₁，管段处海流流速F₂，土壤类型F₃，海底地形F₄，地震可能性F₅，滑坡可能性 F₆；第一层的第三方影响因素划分为五个二级指标，分别为渔船作业F₇，船舶抛锚F₈，货物坠落F₉，恶意破坏F₁₀，通航密度F₁₁；第一层的设计建造因素划分为四个二级指标，分别为设计埋深F₁₂，管道壁厚平均值F₁₃，设计防腐层厚度F₁₄，管道施工质量F₁₅；第一层的运营管理因素划分为四个二级指标，分别为装配质量F₁₆，操作规范程度F₁₇，损坏预防工作F₁₈，维修质量 F₁₉。

则一级指标四类评价因素x_i与19个二级指标x_im分别满足：

x₁＝(x₁₁,x₁₂,x₁₃,x₁₄,x₁₅,x₁₆)

x₂＝(x₂₁,x₂₂,x₂₃,x₂₄,x₂₅)

x₃＝(x₃₁,x₃₂,x₃₃,x₃₄)

x₄＝(x₄₁,x₄₂,x₄₃,x₄₄)。

其中，海水酸碱度F₁范围在0到14之间；管段处海流流速F₂，土壤类型F₃，通航密度F₁₁，管道壁厚年均值F₁₃和设计防腐层厚度F₁₄的指标值的最大值为将上述指标值乘以1.2的宽裕度；设计埋深F₁₂的最小埋深为0.3m；其余十二个指标值运用量化的方法进行划分，且满足最小值均为0，最大值均为100。

在深海管道风险评价指标中，风险等级Q为一个有序分割级别，且级别为k的深海管道风险评价指标的风险等级Q满足：

Q＝{q₁,q₂,...,q_k}；

其中，q_k＞q_k+1。

在本实施例中，风险等级Q划分为五个级别，即k＝5，分为I级低风险、 II级较低风险、III级中等风险、IV级较高风险以及V级高风险，即满足：

Q＝{q₁,q₂,q₃,q₄,q₅}＝{I级、II级、III级、IV级、V级}；

且q_k＞q_k+1(k＝1,2,3,4)。

其中，针对深海管道风险评价指标中的每个等级制定相应的取值标准；在对深海管道风险评价指标进行五个等级划分时，将I级指标取值区间的下限值赋予给I级标准；把II级、III级、IV级这三个级别各自所在区间的中间值作为对应的等级标准；把V级指标取值区间的上限值赋予给V级标准。

步骤2：如图3所示，根据深海管道风险评价指标的评价空间X、风险等级Q和未确知测度函数r进行未确知测度计算，获得深海管道风险评价指标的未确知测度矩阵B和未确知测度值r_ijk。

其中，如图4所示，未确知测度计算包括以下步骤：

步骤2.1：根据深海管道风险评价指标的评价空间X的二级指标值F_m、风险等级Q和未确知测度函数r，构建深海管道风险评价指标的未确知测度矩阵B；未确知测度矩阵B满足：

其中，p为评价级别个数，q_k为风险等级评价空间级别；y_mp为每个二级指标值F_m对应的风险等级Q的未确知测度，且每个指标的未确知测度相加为1。

步骤2.2：根据深海管道风险评价指标的未确知测度矩阵B，计算深海管道风险评价指标的未确知测度值r_ijk。

假设未确知测度矩阵B中y_j1＞y_j2＞...＞y_jp，则第i类评价因素第j个指标 x_ij属于深海管道风险评价指标Q中q_k级别的未确知测度值r_ijk满足：

r_ij1＝1,r_ij2＝r_ij3＝...＝r_ijp＝0；当x_ij≥y_j1

r_ijp＝1,r_ij1＝r_ij2＝...＝r_ij(p-1)＝0；当x_ij≤y_jp

当y_il≤x_ij≤y_j(l+1)

r_ijk＝0；当k＜l或k＞l+1,其中1＜l＜p

未确知测度函数r满足0≤r≤1，则未确知测度值r_ijk满足：

步骤2.3：根据未确知测度矩阵B和未确知测度值r_ijk，建立四种不同评价因素x_i下各个指标的未确知测度矩阵B_i,(i＝1,2,3,4)，分别满足：

步骤3：根据深海管道风险评价指标的未确知测度值r_ijk进行权重计算，获得深海管道风险评价指标的四种不同评价因素x_i的一级权重W_i。

其中，如图5所示，权重计算还包括以下步骤：

步骤3.1：定义信息不确定程度的度量为信息熵；信息熵为H(x)，且满足：

其中，P_i为某一状态发生的概率，1≤i≤n；

步骤3.2：根据信息熵H(x)和深海管道风险评价指标的未确知测度值r_ijk，计算出深海管道风险评价指标的指标值峰值υ_ij，且满足：

步骤3.3：根据深海管道风险评价指标的指标值峰值υ_ij，计算出深海管道风险评价指标的二级权重ω_ij，且满足：

步骤3.4：将深海管道风险评价指标的二级权重ω_ij归一化，得到深海管道风险评价指标的四种不同评价因素x_i的一级权重W_i,(i＝1,2,3,4)。

步骤4：根据深海管道风险评价指标的未确知测度矩阵B和一级权重 W_i，构建深海管道风险评价指标的未确知多指标测度向量f。

构建未确知多指标测度向量f还包括以下步骤：

步骤4.1：根据四种不同评价因素x_i下各个指标的未确知测度矩阵B_i和一级权重进行第一次测度计算，获得四种不同评价因素x_i的单指标测度矩阵 A_i,(i＝1,2,3,4)，且满足：

A_i＝W_i×B_i(i＝1,2,3,4)；

步骤4.2：将单指标测度向量A_i组成向量，得到多指标测度矩阵A，且满足：

步骤4.3：将深海管道风险评价指标的四种不同评价因素x_i的一级权重 W_i，组合为深海管道风险评价指标的总权重W_s，且满足：

W_s＝(W₁,W₂,W₃,W₄)；

步骤4.4：根据总权重W_s和多指标测度矩阵A进行第二次测度计算，获得深海管道风险评价指标的未确知多指标测度向量f，且满足：

f＝W_s×A＝(r₁,r₂,r₃,r₄)。

步骤5：根据深海管道风险评价指标的未确知多指标测度向量f，计算得出深海管道风险评价指标的评价系数k₀，且满足：

其中，k为风险等级Q中第k个级别；λ为置信度，λ＞0.5；在本实施例中，λ取0.6；

如图6所示，在显示综合等级评价按钮处查看回调函数，并在回调函数下根据评价系数k₀，判定深海管道风险评价指标的风险等级Q属于第k个级别。

本发明的工作原理：

分别构建深海管道风险评价指标的评价空间和未确知测度函数；根据评价空间和未确知测度函数进行未确知测度计算，获得深海管道风险评价指标的未确知测度矩阵和未确知测度值；根据未确知测度值进行权重计算，获得深海管道风险评价指标的一级权重；根据未确知测度矩阵和一级权重，构建深海管道风险评价指标的未确知多指标测度向量；根据未确知多指标测度向量，计算得出深海管道风险评价指标的评价系数，并根据评价系数，判定深海管道风险评价指标的风险等级。

综上所述，本发明一种基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法，解决了传统深海管道风险指标评价复杂和效率低的问题，通过设置程序自动计算深海管道的风险等级，解决了目前繁琐的各项工作，更具有针对性，确保了深海水下油气输送系统的安全运行。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (4)

1.一种基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：分别构建深海管道风险评价指标的评价空间、风险等级和未确知测度函数；

步骤2：根据所述评价空间、所述风险等级和所述未确知测度函数进行未确知测度计算，获得深海管道风险评价指标的未确知测度矩阵和未确知测度值；

步骤3：根据所述未确知测度值进行权重计算，获得深海管道风险评价指标的一级权重；

步骤4：根据所述未确知测度矩阵和所述一级权重，构建深海管道风险评价指标的未确知多指标测度向量；

步骤5：根据所述未确知多指标测度向量，计算得出深海管道风险评价指标的评价系数，并根据所述评价系数，判定深海管道风险评价指标的风险等级；其中，

所述未确知测度计算包括以下步骤：

步骤2.1：根据所述二级指标x_im的二级指标值F_m、风险等级Q和未确知测度函数r，构建深海管道风险评价指标的未确知测度矩阵B；所述未确知测度矩阵B满足：

其中，p为评价级别个数，q_k为风险等级Q评价空间级别，y_mp为每个二级指标值F_m对应的风险等级Q的未确知测度；

步骤2.2：根据所述未确知测度矩阵B，计算深海管道风险评价指标的第i类评价因素第j个指标x_ij属于风险等级Q中q_k级别的未确知测度值r_ijk，且满足：

r_ij1＝1,r_ij2＝r_ij3＝...＝r_ijp＝0；当x_ij≥y_j1

r_ijp＝1,r_ij1＝r_ij2＝...＝r_ij(p-1)＝0；当x_ij≤y_jp

当y_il≤x_ij≤y_j(l+1)

r_ijk＝0；当k＜l或k＞l+1,其中1＜l＜p

未确知测度矩阵B中y_j1＞y_j2＞...＞y_jp，未确知测度函数r满足0≤r≤1，则未确知测度值r_ijk满足：步骤2.3：根据所述未确知测度矩阵B和所述未确知测度值r_ijk，建立四种不同评价因素x_i下各个指标的未确知测度矩阵B_i,(i＝1,2,3,4)，分别满足：

构建所述未确知多指标测度向量包括以下步骤：

步骤4.1：根据所述四种不同评价因素x_i下各个指标的未确知测度矩阵B_i和所述一级权重进行第一次测度计算，获得四种不同评价因素x_i的单指标测度矩阵A_i,(i＝1,2,3,4)，且满足：

A_i＝W_i×B_i(i＝1,2,3,4)；

步骤4.2：将单指标测度向量A_i组成向量，得到多指标测度矩阵A，且满足：

步骤4.3：将所述一级权重W_i组合为深海管道风险评价指标的总权重W_s，且满足：

W_s＝(W₁,W₂,W₃,W₄)；

步骤4.4：根据所述总权重W_s和所述多指标测度矩阵A进行第二次测度计算，获得深海管道风险评价指标的未确知多指标测度向量f，且满足：f＝W_s×A＝(r₁,r₂,r₃,r₄)。

2.如权利要求1所述的基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法，其特征在于，所述评价空间X包括划分为两层的深海管道风险评价指标；第一层将深海管道风险评价指标划分为i类一级指标x_i，且满足：

X＝{x₁,x₂,...,x_i}；

第二层在所述第一层的基础上划分为m个二级指标x_im，且满足：

x_i＝(x_i1,x_i2,...,x_im)。

3.如权利要求1所述的基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法，其特征在于，所述权重计算还包括以下步骤：

步骤3.1：定义信息不确定程度的度量为信息熵；所述信息熵为H(x)，且满足：

其中，P_i为某一状态发生的概率，1≤i≤n；

步骤3.2：根据所述信息熵H(x)和所述未确知测度值r_ijk，计算出深海管道风险评价指标的指标值峰值υ_ij，且满足：

步骤3.3：根据所述指标值峰值υ_ij，计算出深海管道风险评价指标的二级权重ω_ij，且满足：

步骤3.4：将所述二级权重ω_ij归一化，得到深海管道风险评价指标的四种不同评价因素x_i的一级权重W_i,(i＝1,2,3,4)。

4.如权利要求1所述的基于MATLAB软件的深海管道综合风险指标评价方法，其特征在于，所述评价系数为k₀，且满足：

其中，k为风险Q中第k个级别；λ为置信度，λ＞0.5。