3DGIS地下燃气管道风险模糊综合评价

刘兴权，郭珊珊

（中南大学 地学与环境工程学院，湖南长沙 410083）

3DGIS地下燃气管道风险模糊综合评价

刘兴权，郭珊珊

（中南大学 地学与环境工程学院，湖南长沙 410083）

对地下燃气管道进行风险评价，可提供有效的辅助决策支持，对于建立城市地下燃气管网的安全评估综合管理体系具有十分重要的意义。给出了一种3DGIS地下燃气管道风险模糊综合评价方法，阐述了模糊风险评价的流程，基于层次分析法进行管道风险因素权重分析，结合单因素相对隶属度的模糊评价矩阵，建立了模糊综合评价模型；最后对研究区域燃气管道失效的问题，应用测试数据进行了模糊综合评价，计算出这片区域内管道相对风险值，并在3DGIS场景中进行可视化展示。

GIS；地下燃气管道；模糊综合评价

近年来，随着城市发展和人民生活水平的提高，地下燃气管道建设进入飞速发展阶段。城市地下燃气管道输送着易燃、易爆的流体，大多长期埋设于地下，经过人类生活和工作活动密集区域，一旦发生泄露、爆炸等安全事故，将造成巨大的人员伤亡和财产损失。通过管道风险评价技术对管道存在的风险进行预测，找到超过阈值范围的在役管道，安排施工维修，能够有效维护人民生命财产的安全。科学合理的对城市地下燃气管道进行风险评价，是提高管道安全管理水平的重要途径，能够对城市地下燃气管道的危害进行有效地预防和监控。我国对管道风险评价的研究始于20世纪90年代中期，所研究的风险评价体系大部分都是基于英国Muhlbauer的评价方法，基本上都是针对油气长输管，对地下燃气管道风险评价的研究较少。风险评价的常用方法中，定性风险评价和定量风险评价都有一定的局限性，作为定性定量综合集成方法之一，模糊综合评价在风险评价的各个方面得到了广泛应用。随着信息技术的快速发展，地理信息系统（GIS）技术在国内外许多领域得到应用，GIS强大的数据管理和可视化功能使它在地下燃气管道的管理方面也得到重要应用。本文研究了建立多级模糊综合评价数学模型的方法，并在此基础上给出了一种基于GIS的地下燃气管道风险模糊综合评价方法，为城市管理者提供一个掌握全局和决策的辅助工具。

1 多级模糊综合评价模型

地下燃气管道风险评价是基于风险影响因素对地下燃气管道事故发生可能性的综合评价。其目的是通过计算整个管道系统或者是某段管道的相对风险值，对各个管段进行风险排序，确定最大可能导致管道事故原因和进行预防的手段，制定出合理的维修方案。对地下燃气管道进行风险评价，需要建立多级模糊综合评价模型。本文在建立模型时，引入模糊数学的思想，首先建立风险影响因素集，然后建立等级权重集，再确定等级评价矩阵和建立风险影响因素权重集，最后通过模糊综合评价得到评价指标。

1.1 建立风险影响因素集

风险评价的核心是确定风险影响因素集，这关系到风险评价的结果能否真实反映地下燃气管网风险状况。风险影响因素集U包含m个风险影响因素Ui，其中i=1,2,…,m，U=(U1,U2,…,Um)。

1.2 建立等级权重集

1.3 确定等级评价矩阵

单因素评判也即因素等级评判，是指单独求取某一因素某一等级对于评价集中的某一个评价的隶属函数，隶属函数的数值能够反映事物渐变的整体特征。现有确定隶属函数的方法包含模糊统计法、专家评分法、二元对比序列法及推理方法等，建立管道单因素评判集的隶属度rij组成等级评价矩阵R：

1.4 建立影响因素权重集

各个风险影响因素的权重，反映了该因素对地下燃气管道风险结果的影响程度，将风险影响因素权重=（a1,a2,…,ai）,ai是因素Ui的权重

1.5 模糊综合评价

1.5.1 一级模糊综合评价

一级模糊综合评价，就是指按风险影响因素集中各个因素进行综合评价。假定按第i个因素实际情况uij进行判断，得到因素的等级权重集Ai。这样，对第i个因素进行一级模糊综合评价，得到评价集Bi=Ai·R。评价结果Bi构成的矩阵B即为单因素模糊评价矩阵：

1.5.2 二级模糊综合评价

一级模糊综合评价是对每个因素进行的评价，要得到地下管道的风险状况，需要对各个因素进行综合评判，也即二级模糊综合评价。考虑到影响因素权重集，得到二级模糊综合评价指标D=·B。经过二级模糊综合评价，得到了评价指标D=（d1,d2,…,dj），采用最大隶属度法，可确定管道失效的严重程度级别。

2 3DGIS地下燃气管道风险模糊综合评价

在社会城市化建设飞速发展的情况下，城市空间逐渐向空中和地下扩展，管网管理成为当前城市建设和日常管理中非常重要的一环，基于三维数字城市的地下管网管理成为城市建设中的重要课题。开发一套地下燃气管道风险评价系统，能够有效地为地下燃气管道管理提供辅助决策。在实际生产生活中，地下燃气管道是一个巨大的管网系统，只对某一管段或某片区域的风险评价计算，不能够满足城市管理者分析指挥的需求，而利用3DGIS强大的数据管理能力和可视化能力，实现地下燃气管网风险评价的计算及其分析，能够更加快速、准确、直观地为决策者提供预警信息。因此，本文给出了一种3DGIS地下燃气管道风险模糊综合评价方法，具体内容包括以下3个部分。

2.1 数据管理

基于GIS的风险评价数据管理，包括3D场景模型创建和管理、录入数据和管理、专家权重管理和评价数据结果管理。将遥感影像数据、数字高程模型、三维建筑模型等数据导入系统，建立基于三维数字城市的地上、地下管网的综合集成化管理。采用专家评价法对地下燃气管道进行模糊评价，将评价数据录入数据库中进行管理。在数据库中建立相应的表格，对权重和评价结果进行存储和管理。

2.2 分析计算

在进行地下燃气管道风险评价时，建立科学合理的风险评价指标体系直接影响评价结果的精确程度。由于地下燃气管道风险影响因素种类多，量化处理较为复杂，因此，在建立因素集时，需要遵循完备性、针对性、主成分性和独立性原则。地下燃气管道风险影响因素的辨别，应该由其发生的可能性来确定，这就需要统计地下燃气管道历史事故数据，经过数据分析，选取具有代表性的风险影响因素，建立地下燃气管道风险影响因素集。结合某市某片区地下燃气管道历史事故数据，在对片区地下燃气管道进行风险评价时，管道失效影响因素为管道质量、埋地深度、防腐层质量、操作条件、管理水平和第三方破坏。将所有影响因素划分为5个评价等级，各因素和因素等级Uij含义如表1所示。

表1 影响因素和因素等级

在对该片区地下燃气管道进行风险评价时，邀请多位专家进行评判。对某一具体管道进行模糊综合评价，其影响因素水平如下：管道质量：较好；埋地深度：较深；防腐层质量：一般；操作条件：较安全；管理水平：差；第三方破坏：较严重。根据等级隶属度确定原则，某个等级隶属于同一等级的隶属度为 1.0，隶属于其他等级的隶属度以等比值2极差的方式获取，最大差别等级的隶属度值为0，由此可推得等级权重集：

本文采用线性插值确定隶属函数值（如图1所示），横坐标表示单因素的等级（设有 5个评价等级）所对应的不同评价水平，纵坐标表示隶属函数的数值，曲线1～曲线5分别为对应于某因素等级对应不同评价水平的隶属度曲线。

图1 单因素评判隶属度函数曲线

结合单因素评判隶属度函数曲线，等级评价矩阵R取为：

目前我国地下管道风险影响因素权重确定方法有专家调查法、专家评议法、层次分析法等。专家调查法和专家评议法主观性强，准确性不高，而层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称 AHP）在多目标决策问题中的应用越来越广泛。AHP是美国运筹学家Saaty教授于20世纪70年代初期提出的一种简便实用的多准则决策方法，能够针对一些较为复杂和模糊的问题做出决策，特别适用于那些难于完全定量分析的问题。

AHP首先运用影响因素建立递阶层次结构模型，然后构造出层次中的判断矩阵，再通过层次单排序一致性检验和层次总排序一致性检验，综合判断出各个影响因素的权重值。应用AHP，将风险影响因素u1，u2，…，u6按照其对管道风险结果的影响程度进行两两比较，得到判断矩阵后，经过一致性检验，得到权重集=(a1,a2,…,a6)=(0.21,0.21,0.14,0.18,0.14, 0.12)。

结合多级模糊综合评价计算方法，得到该管道评价指标D=（0.347 512 40，0.465 124 2，0.573 651 2，0.3654124，0.4578612），根据最大隶属度法则，东北某市某段地下燃气管道失效风险值为 0.573 651 2，风险等级为Ⅲ级。

2.3 三维可视化

开发风险评价软件，程序化模糊综合评价模型，将地下燃气管道风险评价结果标示在三维地下管网模型上，对处于不同风险等级的管道标注为不同的颜色进行预警提示，发布结果如图 2所示，能够直观地展示区域管道风险状况。

图2基于GIS的地下燃气管道风险模糊综合评价展示

3 结论与展望

本文首先介绍了建立多级模糊综合评价模型的方法，阐述了模糊风险评价的流程，通过建立风险影响因素集、等级权重集、等级评价矩阵和影响因素权重集，建立起模糊综合评价模型，给出了一种3DGIS的地下燃气管道风险模糊综合评价方法；并且详细阐述了利用本文提出的模糊综合评价模型、GIS和 3DGIS技术相结合对研究区域地下燃气管道进行风险评价的过程，得到评价区域内管道的风险评价值及所处风险等级，将评价结果在3D场景中展示。利用这种风险评价方法指导日常维护工作，可以优化社会资源，将目标集中在风险等级较高的管段，给管理层提供合理建议，从而带来较大的安全和经济效益。

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Fuzzy Comprehensive Evaluation of Underground Gas Pipeline Risk Based on 3D GIS

by LIU Xingquan

The evaluation of the risk of underground gas pipeline can provide effective decision support aid.It is crucial to the establishment of a comprehensive safety evaluation and management system for the urban underground gas pipeline.This paper present a method of GIS-based fuzzy comprehensive evaluation on underground gas pipeline risk and elaborates the flow of fuzzy risk evaluation in detail.Meanwhile,a fuzzy comprehensive evaluation model was built herein by analyzing the pipeline risk factor weight by means of analytic hierarchy process according to the fuzzy evaluation matrix for relative single-factor membership.Finally,a fuzzy comprehensive evaluation with test data was made on the failure to research the regional gas pipeline issue,the relative risk value of the pipelines in the area was calculated and visualization was made in 3DGIS scene.

3DGIS,underground gas pipeline,fuzzy comprehensive evaluation（Page:23）

P208

B

1672-4623(2011)02-0023-03

2010-09-28

项目来源：湖南省自然科学基金资助项目（07JJ6076）。

刘兴权，教授，主要从事城市GIS、矿山GIS方面的教学与研究工作。