油气管道第三方破坏风险等级划分方法研究*

赵新好 姚安林 蒋宏业

西南石油大学 石油工程学院 （四川 成都 610500）

油气管道第三方破坏风险等级划分方法研究*

赵新好 姚安林 蒋宏业

西南石油大学 石油工程学院 （四川 成都 610500）

基于油气管道第三方破坏半定量风险评估，利用已获得的大量的半定量风险值，结合物元与可拓集合理论对管道第三方破坏风险等级进行划分。通过输入第三方破坏评价指标不同的评分值，运用层次分析法对各评价指标权重赋值，计算可拓集合关联函数得到相应的风险等级，进而为管道运营单位风险管理提供理论上的决策依据。该分析方法具有较强的普适性与可操作性，能很好地结合评价人员的专业知识，综合评价管道第三方破坏的风险水平，使油气管道第三方破坏风险等级的划分更加科学合理。

第三方破坏 物元 可拓集合 层次分析法 风险等级

在油气管道事故风险可能性的影响因素中，第三方破坏是管道失效的重要因素之一[1]。随着我国能源需求加剧，油气管道建设步伐的不断加快，油气管道越来越多地需要通过经济发达人口稠密的地区，由此引起的第三方破坏事故大有不断上升的趋势[2]。因此，合理评估油气管道第三方破坏的风险程度，并通过科学可行的方法对管道第三方破坏风险等级进行划分，从而为预防第三方破坏的发生提供理论依据。

目前，油气管道的第三方破坏大多采用半定量风险评估的方法，由此可以得到不同管段的半定量风险值。如何对这些风险值进行合理等级划分，还没有比较统一的认识。笔者将物元与可拓集合理论引入到油气管道第三方破坏风险等级划分中来。该理论由广东工业大学蔡文教授于1983年创立，经过多年的研究应用，在管理学、人工智能、故障诊断等多个领域取得一定的效果[3]。基于物元和可拓集合理论，通过建立第三方破坏多指标参数的评定模型，并以定量化的数值对管道第三方破坏风险等级进行评定，较真实地反映了待评管道的风险水平。

1 物元与可拓集合理论

物元理论的基本单位是物元，是由事物N、事物特征c和该特征的量值v所组成的三元组，记作R=（N,c,v）。它把事物、特征和量值放在一个统一体中考虑，要求人们在处理实际问题时既要考虑量，又要考虑质，正确地反应了质与量之间的关系，更贴切的描述了客观事物的变化过程。

物元的可拓性是指事物变化的可能性。事物的变化以物元的变换来描述，物元理论研究的核心是物元的可拓性和物元的变换以及物元变换的性质。

物元理论既可以利用物元可拓性的方法，又可以采用可拓集合理论，通过关联函数进行定量计算来解决实际问题。

可拓评价法的基本思想是根据日常管理中积累的数据资料，把评价对象划分为若干等级，综合专家意见给出各等级的数值范围，再将评价对象的指标代入各等级集合中进行多指标评定。评定结果取决于它与各等级的综合关联度大小，综合关联度越大，表示评价对象处于该等级的可能性越大。

2 第三方破坏风险等级的划分标准

油气管道第三方破坏诱因错综复杂，随机性高且不易预测和控制[4]。为了科学地采取相应的防范和风险管理措施，需要对管道第三方破坏的风险等级进行划分。油气管道通过地区按沿线居民户数和建筑物的密集程度，将管道所经之处分为4类地区等级，1类地区人口最少，4类地区人口最多[5]。

参照国内外半定量研究的经验，依据大量的半定量风险值，可将管道第三方破坏风险等级分为5个层次。各等级定义如下：

（1）低风险

处于该风险等级的管道安全，管道目前的各项保护条件好，不存在第三方破坏的历史记录，应维持现有管理水平，注意监视环境条件的变化。

（2）较低风险

处于该风险等级的管道安全，管道目前的各项保护条件较好，存在个别第三方破坏的历史记录，应维持现有管理水平，注意监视环境条件的变化。

（3）中等风险

处于该等级的管道第三方破坏迹象正在萌生，该管道一般处于2、3类地区，大多数管道目前的保护条件基本满足正常使用的要求，有较少的第三方破坏历史记录，需要加强日常检查维护或考虑必要的防控方案。

（4）较高风险

处于该等级的管道第三方破坏事故发生可能性具有增大趋势，该管道一般处于2、3、4类地区，管道目前的保护条件大多数丧失其功能，有较多的第三方破坏历史记录，管道可靠性降低，考虑必要的防控和维护方案。

（5）高风险

处于该等级的管道属于即将发生事故或人口稠密区段，出现大量第三方破坏事件迹象，该管道一般处于3、4类地区，大多数管道目前的保护条件已丧失应有的保护功能，有较多的第三方破坏历史记录，应及时采取防控和维护措施。

3 基于物元理论的油气管道第三方破坏风险等级评定

3.1 确定与第三方破坏有关的评价指标

根据物元理论定义，将油气管道的第三方破坏视为事物N，第三方破坏的各评价指标视为事物特征ci（i=1,2,…,n）；笔者将管道第三方破坏的评价指标分为：社会环境与公共关系c1，管道敷设状况c2，破坏与防控c3，管理与误操作c4，失效后果影响c5，故n=5。各评价指标分值可由专家打分确定[6]。

3.2 确定待评物元

根据油气管道第三方破坏所给出的评价指标，把各评价指标对应的分值用物元表示，可以建立物元模型（1）式，称（1）式为油气管道第三方破坏的待评物元。

式中：N表示油气管道第三方破坏；v1为N关于c1的量值，即评价指标ci的具体分值。

3.3 确定经典域与节域

根据可拓理论，结合油气管道第三方破坏的5个综合评价指标的经典域值，可将其表述如（2）式：

式中：R0j为第j（j=1，2，…，5）级物元模型；N0j表示风险等级为第j级；Voji（i=1，2，…，n）为风险等级为第j级时第i项评价指标的量值域，即评价指标关于各等级的取值范围-经典域。

油气管道第三方破坏5个评价指标的允许取值范围即节域，物元模型如（3）式：

式中：R0为油气管道第三方破坏评价指标节域的物元模型；N0为第三方破坏全部风险等级；Voi（i=1，2，…，n）为N0关于ci的取值范围，即节域。

3.4 计算各评价指标的关联函数

由文献[3]，按（4）式计算评价指标ci在各风险等级下N0j的关联函数值，Kj(vi)的正负值含义可参见文献[7]：

设x为实域上一点，即x∈(-∞,+∞)；X0=(a,b)为实数域上任一区间，则关联函数ρ(x,X0)的定义如下：

3.5 确定第三方破坏各风险因素的权重

权重确定方法大致可以分为3类[8]：①主观评价法，如德尔菲法（专家调查法）、专家会议法等；②客观评价法，如熵权法、主成分分析、灰色关联法等；③主客观相结合的评价方法，如ELECTRE法、证据理论、粗糙集等。各种评价方法原理各不相同，方法迥异。

层次分析法是定性与定量相结合的风险系统分析方法，最适宜于解决那些难以完全用定量方法进行分析的风险评价问题，其确定过程主要包括以下几个步骤：①建立递阶层次结构模型；②通过专家采用1～9标度打分，对各层因素两两间量化比较，构造出各层次中所有的两两判断矩阵；③层次单排序及一致性检验；④层次总排序及组合一致性检验。

利用层次分析法的严格逻辑性和两两比较法的原理,确定管道第三方破坏风险因素的权重λi(i=1,2,…,5)，并进行归一化处理，大幅度地减少了主观因素可能造成的偏差，所以这种方法比较实用可靠[9]。

3.6 计算油气管道第三方破坏的关联函数

由公式（1）～（6）计算油气管道第三方破坏关于各风险等级N0j(j=1,2,…,5)的关联函数值：

3.7 确定风险等级

根据公式（4）～（6）计算结果，取对应关联函数最大时的风险等级为评价结果，即：

可以根据（7）结果判定油气管道第三方破坏风险等级为j0。

4 实例计算与验证

设由半定量风险评估法计算某天然气长输管道部分管段第三方破坏风险因素的分值如表1。

表1 第三方破坏评价指标打分表

4.1 确定待评物元与关联函数计算

根据物元理论，由表1可确定待评管段1第三方破坏的物元：

并可得到管段1第三方破坏5项评价指标的取值范围：

为便于计算，将油气管道第三方破坏5个评价指标在5个等级下的取值范围V0ji合并，物元模型如下：

由上述分析，按公式（1）～（6）计算管段1的关联函数，计算结果见表2。

4.2 确定各指标权重

笔者采用层次分析法对各指标的权重进行赋值。根据风险评价的规定，将失效后果作为评价指标时，其权重为0.5，其他指标的权重之和为0.5。对其它4项指标按层次分析法的一般步骤进行计算。

首先，将管道第三方破坏的风险影响指标分解为5大类（见图1），每一类反映了一个一般的领域对第三方破坏风险的影响。

其次，构造判断矩阵。通过各指标对第三方破坏影响相对重要性的两两比较，采用Saaty提出的1～9标度法[9]，建立各指标两两比较的判断矩阵。

表2 管段1关联函数计算结果

图1 第三方破坏风险因素分解层次图

最后，可以通过发放调查表，专家打分法等方式对各风险因素相对重要性排序。假设该管道风险因素排序从高到低为社会环境与公共关系、管理与误操作、破坏与防控、管道敷设情况。按1～9标度法构造影响管道第三方破坏的判断矩阵，如表3所示。

详细的计算方法参见文献[9]。根据计算其最大特征根及特征向量，随机一致性比率CR=0.0056＜0.10，满足要求。故各指标权重比值为：

在计算出管段1第三方破坏各评价指标与5个风险等级关联度，以及各评价指标的权重比值后，按公式（6）得出管段1第三方破坏各风险等级的关联函数值，如表4所示。

因此，管段1的第三方破坏风险等级为：较高风险。

同理：可对管段2、管段3进行评定。评定结果为：管段2为较低风险，管段3为低风险。

4.3 风险管理建议措施

表3 管道第三方破坏判断矩阵

表4 各等级下管段1的关联函数值

依据文章第2部分第三方破坏风险等级划分标准中风险管理建议：管段1应考虑必要的防控和维护方案；管段2、3应维持现有管理水平，注意监视环境条件的变化。

为减少第三方破坏发生的可能性，管理人员可从以下几个角度加强工作。首先，从社会环境与公共关系方面，管道管理人员应经常深入沿线居民中进行法制与公德教育宣传，加强与沿线政府和居民的沟通，并通过开展一些公益性的建设，在沿线居民受益的同时建立较融洽的企地关系。其次，从管理与误操作方面，公司应加强对管理人员业务素质的培训，提高危险识别能力与巡检质量，并具备应对第三方破坏突发事件的协调公关能力。最后，应加强对管道沿线第三方施工的现场监测，并通过合理增加管道埋深，加密管道上方标识桩等措施共同预防第三方破坏的发生。

5 结论

物元与可拓集合理论的引进，为油气管道第三方破坏的定性与定量风险评估的结合搭建了一座很好的桥梁，通过该理论的关联函数计算，输入第三方破坏各评价指标不同的评分值，可得到相应的风险等级。

油气管道第三方破坏风险评估是一个综合评价的过程，国内外风险评估研究表明，在风险等级划分过程中考虑的评价指标越多，其结果就越符合实际。笔者仅对影响管道第三方破坏的5大类一级风险因素进行了综合评价，而一级风险因素下还有若干二级风险因素，可利用该理论建立更详细的指标评价体系，以提高风险等级划分的合理性。

物元与可拓集合理论结合评价人员的专业知识，综合判断管道第三方破坏的风险水平，从而降低了传统风险等级划分中的人为主观影响，实现风险等级划分科学合理的目的。该方法的可操作性与普适性，有待在实践中加以验证。

[1]R.B.Frnacini，R.W.Hyatt，B.N.Leis.Real-time monitoring to detect Third-Party damage.U.S.GTI，April，1997.

[2]赵忠刚,姚安林,李又绿,等.油气管道第三方破坏研究进展[J].石油工业技术监督,2008(11):5-9.

[3]蔡文,杨春燕,林伟初.可拓工程方法[M].北京:科学出版社,2000.

[4]张启波,贾颖,闫晓静.石油天然气长输管道危险性分析[J].中国安全科学学报,2008,18(7):134-138.

[5]输气管道工程设计规范GB 50251-2003[M].北京:石油工业出版社,2003.

[6]蔡良君,姚安林.城市燃气管道风险评价技术现状分析与展望[J].天然气与石油,2008,26(6):28-34.

[7]倪大平,刘金禄,史开泉.可拓集与关联函数空间[J].信息工程学院学报,1995,14(2):39-44.

[8]黄小美,李百战,彭世尼,等.基于层次分析和模糊综合评判的管道风险评价[J].煤气与热力,2008,28(2):13-18.

[9]郭金玉,张忠彬,孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报,2008,18(5):148-153.

Based on the semi-quantitative risk assessment of the third party damage in oil and gas pipelines,the risk ranks of the third party's damage in pipelines are classified by the application of a great deal of obtained semi-quantitative risk value,together with matter-element and extension set theories.The corresponding risk rank are gotten from the input of different scoring values about the assessing standard of the third party's damage,the use of analytic hierarchy process in evaluating the weight of various evaluation indexes and the calculation of correlation function of extension set,and thus offering the theoretical decision basis of risk management to pipeline operation units.The analysis method with stronger generality and operability can comprehensively assess the risk level of the third party's damage in pipelines according to the professional knowledge of evaluating staffs,and finally make it more sensible and scientific to classify the risk ranks of third party's damage in oil and gas pipelines.

the third party's damage;matter element;extension set;analytic hierarchy process;risk ranks

*基金论文：国家科技支撑计划项目资助（2006BAK02B01）；中国石油西气东输管道公司项目资助（XQSGL01423）。

赵新好（1986-），在读研究生，主要从事于油气管道完整性管理与评价方面的研究工作。

尉立岗

2011-02-22