油气管道坡面水毁风险评价中的不确定性因素分析

郑青川，张锦伟

油气管道坡面水毁风险评价中的不确定性因素分析

郑青川，张锦伟

中国市政工程西南设计研究总院有限公司燃气热力院(四川成都610081)

油气管道坡面水毁评价体系中涉及随机性与模糊性相综合表示的问题，从不确定性入手，简要说明了不确定性定义，不确定性在油气管道坡面水毁的一些表现。重点分析了人的因素的不确定性，评价准备阶段的不确定性，不确定性评价方法。在不确定性因素的基础上，从失效因素的认识和不确定性推理过程2个方面做出一些改进，并给出了权重云模型具体算法，解释了权重的不确定性对后续评价结果的影响。针对评价过程中的各种不确定性因素的特点，提出了相应的规避措施。

油气管道;安全工程;不确定性;云模型;坡面水毁;风险评价

油气管道坡面水毁是一类久治不愈的地质灾害[1]。风险评价是油气管道坡面水毁安全管理核心的工作，亟需进行安全管理研究，降低油气管道坡面水毁风险评价结果的不确定性，提高安全管理水平。由于在评价的准备工作期间，在油气管道坡面水毁评价过程中，以及该过程中的风险辨识、危害评价、危害敏感性分析，再到最后评价结果，无不充斥着不确定性的影子。如果最后评估的结果不确定性很大，那就意味着相关决策者会随着这种不确定性做出决策，可能引发一系列严重的后果，使得整个评价的流程失去意义。因此有必要对油气管道坡面水毁风险评价的不确定性做一个详尽的分析，从根源上找出这种不确定性产生的原因、不确定性的影响，以及如何规避这种不确定性，为以后的油气管道管理运营和风险评估质量改进提供指导。

1 不确定性起源和定义

“不确定性”一词最早出现于1836年詹姆斯·穆勒的《政治经济学是否有用》一文中[2]。诺贝尔经济学奖、图灵奖获得者赫尔曼·西蒙，从认知科学和行为科学出发，认为不确定性不可避免。在经济领域中，不确定性指经济行为者在事先不能准确地知道自己的某种决策的结果，只要经济行为者的一种决策的可能结果不止一种，就会产生不确定性[3]。在研究量子力学中量子运动的不确定性时，由于观测对某些量的干扰，使得与它关联的量(共轭量)不准确，这就是不确定性。经济学中关于风险管理的概念的不确定性，主要指经济主体对于未来的经济状况(尤其是收益和损失)的分布范围和状态不能确知。近十几年来，随着科技的不断发展，不确定性在各个行业普遍存在，不确定性所产生的问题也逐渐被社会各界重视。在《不确定人工智能》[4]一书中，不确定性主要包含5个方面:随机性、模糊性、不完全性、不稳定性和不一致性，目前国内研究的不确定性主要指随机性和模糊性。

2 油气管道坡面水毁安全评价不确定性因素

油气管道风险评估是一个多因素综合评定过程[5]。在评估过程中，国内外的应用和研究实践都表明，管道地质灾害评价的准确性与如下的几条信息有关:①收集的历史资料完整性;②油气管道敷设坡面防护有效性;③参与评价的团队成员相关知识经验，心理素质等;④评价过程中考虑的因素是否全面;⑤评价方法选取是否得当，评价体系划分是否合理等。不确定性分析的具体流程如图1所示。从图1可以看出，油气管道的不确定性主要受到评价准备阶段因素、人的因素和评价过程阶段因素3个方面的影响，其中人的因素是油气管道坡面水毁的整个不确定性评价流程最主要和核心的影响因素，它自始至终贯穿整个评价流程，评价准备阶段因素和评价过程阶段因素的不确定性直接受到人因因素的影响。在油气管道坡面水毁评价过程中，若让评价结果更加合乎实际，需要采取合理的措施适当控制人因因素的不确定性，在人因因素确定的条件下，再考虑选择合适的评价方法来模拟这种评价过程的不确定性的变化，为以后的评价方案的改进提供依据。

2.1人的因素的不确定性分析

人的因素的不确定性主要包括感觉、知识、记忆、思维、操作、身体状况6个因素。感觉的不确定性就是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物个别属性的反映不一致。例如评价人员对坡面现场考察时，主要通过“看”、“听”、“摸”、“量”来判断油气管道坡面水毁灾害实际情况。知识的不确定性主要是指在分析一个具体问题时，知识结构在人脑海的重要度不确定，致使对同一个油气管道坡面水毁灾害的严重性分析不一样。如一个力学专业的教授和一个地质类的专家在对坡面水毁的分析后，可能会提出不同的防护措施。记忆的不确定性，主要指记忆的模糊性，对过去发生的现象只能记住一个轮廓，对最近发生的事情则记忆犹新。思维的不确定性主要是涉及联想、创造、推算、顿悟等思维时，没有确切的规律可循[4]。例如评价人员对油气管道坡面水毁进行综合评价时，遇到比较复杂数学推算时，无法像计算机那样做到精确的计算，从而不可避免遗漏一些因素，导致评价结果的偏差。操作的不确定性主要指相关人员在做出某一个决策时，表现出与实际情况的偏差。如数据输入员在录入数据时，某个数据的小数点的错位，导致评价结果不准确。身体状况的不确定性指的是相关人员在不确定的时间和不确定的地点因生理因素或身体病变而影响其对工作不认真，注意力无法集中，最后产生一系列影响评价质量的不良后果。人因因素6种不确定性因素并不是孤立存在，在一定条件下，几个因素同时存在、相互关联，形成一个完整的人因因素不确定性系统。

2.2评价准备阶段的不确定性分析

油气管道风险评价准备阶段是一个十分关键的步骤，大量评价工作不得不依靠该阶段的有力支撑，从国内评价项目报告的分析来看，一般项目准备阶段的历时比评价阶段要长，长时间的评价准备就是以后评价的安全保障。在油气管道坡面水毁评价准备阶段，一般包括现场收集坡面数据，整理以前相关的评价报告，组建参与评价的相关人员，熟悉一些相关法律规章制度等。根据油气管道坡面水毁风险评价的经验，评价准备阶段的主要不确定性因素包括历史资料的不确定性、专家组成的不确定性，环境的不确定性、规章制度的不确定性和调查对象的不确定性。

1)历史数据主要包括数值数据和文本数据，历史数据是油气管道坡面水毁风险评价的基础，历史数据的完整性和真实性将直接决定着坡面水毁风险评价结果的可靠性。

2)专家组成的不确定性，专家成员并不是一成不变，专家的数量和专家的结构的变化使得评价结果发生变化。

3)环境包括人文环境和自然环境，人文环境的不确定性可能给评价结果造成致命的影响。例如在一个评价团队中，评价人员与公司管理人员因为利益驱动，提高一些坡面的风险等级，或者对一些本来风险较高的坡面根本不予评价。

4)调查对象的不确定性主要指被调查的坡面和人有一定的随机性，不能完全确定。如评价人员对坡体考察前，需要考虑哪些坡面需要现场调查，哪些坡面只需要线路管理人员向上做一个汇报即可。

5)调查的时空不确定性则指在现场调查时，被调查的对象在时间上和属性上不够全面。

6)合同规章制度的不确定性也对最终的评价结果有一定的影响，一般在合同书上明确写明:如何调查，调查多少因素，采用什么样的调查方法，多长时间出评价结果等。

2.3评价方法不确定性分析

油气管道坡面水毁评价体系是一个复杂的体系，由于其不确定性，很难准确地对其安全性进行有效的效能评估。由于人因因素的不确定性和评价准备阶段的不确定性存在于整个坡面水毁的评价阶段，随着评价过程的因素的归类、体系划分、逻辑推理的进行，评价的不确定性会在传递过程中不断放大，因此需要一种评估方法，能够充分考虑到评估过程中出现的模型优劣，来衡量这种不确定性的变化。在以往油气管道坡面水毁的地质灾害评价中，如吴迪[6]分别从地层岩性及地质构造、地形地貌、水文气象、植被和地质物理现象入手，运用模糊综合评价和灰色聚类分析对西气东输沿线水毁灾害等级进行了评定。郭磊将水毁灾害的风险因素归纳为自然因素、管道敷设状况、灾害活动以及设计与误操作4大类，采用变权方法对各因素的权重进行赋值，对油气管道坡面水毁进行了评价[7]。郑青川、姚安林等从坡面状况、管道敷设状况、坡面防护效果3个方面出发，系统地阐述了云模型在油气管道坡面水毁安全评价的应用，并比较了参与评价的4个坡面的评价结果，合理解释了云模型在油气管道坡面水毁的一些不确定性[1]。

但令人遗憾的是模糊综合评价和灰色聚类模型主要是凭借专家经验得出隶属函数进行处理，当模糊隶属度一旦确定，模糊集合的后续数值计算实际上已经把不确定性撇开，并没有继续将其传递到输出结果，使得不确定性在推理过程中无法得以传播和继承，且传播和继承中的误差累计也无法度量。变权思想虽然解释了在常权评价坡面风险评分一致的情况下，各个因素之间作用的不同，而引发的与实际不符的评价结果，需要对权重重新做出一些调整，但是权重一旦确定，必须以一个固定的数值，使得最终的评价结果不得不以一个固定的风险分值来表示。文献[1]详尽地阐述了云模型在油气管道坡面水毁中的应用，在因子水平和失效危险分数之间有效而简约地实现定性与定量的相互转换[4]，实现了坡面水毁失效因素的不确定性划分，失效因子属性值与危险分值之间的不确定性推理，合理显示了这种不确定性的演变;但是评价过程中的权重向量以具体的数值刻画，以精确的运算规则合并各个因素危险分值云模型，无法在最终的评价中找到权重的不确定性对评价结果的影响，评价结果的不确定性也无法从结果中真实地表现。

3 基于云模型的管道灾害风险评价

综上分析可知，油气管道风险评价存在大量的不确定信息，而一般的风险评价文献中，对于风险中的可能性与后果程度等的认识往往是用概念表述的定性知识，而这两个属性都既有模糊性信息，又有随机性信息。因此，对风险定量化评价可考虑采用不确定性信息处理的工具来模拟这种不确定性变化。

云模型是在传统模糊集理论和概率统计的基础上逐渐演变而来的定性定量不确定性转换模型。目前，云模型已在复杂系统的综合评价中得到广泛应用。从文献[8-10]可看出，云模型可表现如下特性:①云模型是一个自然语言表达的一个定性概念，云模型中的期望、熵、超熵决定着这个概念的属性;②云模型是一个具有随机倾向的具体数值，这个数值服从一定分布的频次统计;③云模型是一种隶属函数，能够像普通函数一样参与相关运算，从云图可看出，这个隶属函数带有一定的不确定性;④云模型就是大量数值的一种统计，图形反映着统计规律;⑤云模型是一种不确定性的反映，或者受不确定性影响的一种反映。目前，在大多文献的综合评价方法中，因素水平以云模型的隶属函数划分在大多评价工作中已被广泛接受，而对权重一般的不确定性只做出讨论，并未真实地反映权重的不确定性是如何影响最终评价结果的不确定性。笔者以油气管道坡面水毁为例，以云模型表示权重的不确定性，判断权重的不确定性到底对最终的评价结果产生多大的影响。

3.1权重云模型在综合评价中应用

设权重云模型集合为{C1(Ex，En，He)，C2(Ex，En，He)，…，Cn(Ex，En，He)}，各因素危险分值云模型为{SC1(Ex，En，He)，SC2(Ex，En，He)，…，SCn(Ex，En，He)}，其中Ci(Ex，En，He)为权重云模型集合中的第i个云模型;Ex，En，He分别为该云模型的期望、熵和超熵;n为评价因素的个数。以此类推，可知各因数的分值云模型的含义。权重云模型在此可作为一个具有稳定倾向的随机数，分值云模型则表示一个带有不确定性的隶属函数，隶属函数的横坐标表示具有单位属性因素危险分值，相应的纵坐标表示该危险分值隶属于某类风险的隶属度。在合并各因素的分值云模型时，先由权重云模型集合正向云发生器随机生成一组权重数值[4]，按如下公式合并各因素的分值云模型[11]：

式中:wij为因素i的权重云模型第j次生成的随机权重;Exi、Eni、Hei为第i因素分值云模型的期望、熵、超熵;Exj、Enj、Hej为相应的综合云模型的期望、熵、超熵。

由上面公式随机生成的分值综合云模型记为SC(Exj，Enj，Hej)。假定一种权重云模型集合正向云发生器共运行了m次，则共生成m个分值综合云模型。将这些分值综合云模型按正向云发生器随机生成足够数量的云滴，观看云滴分布判断不确定变化即可。

3.2油气管道坡面水毁权重云模型实例分析

参考西气东输地质灾害勘查报告，油气管道坡面水毁的影响因素包括坡面状况、管道敷设状况和坡面防护效果，由数据、信息、知识的失效机理分析，可得出某坡面如下的因素危险分值云模型和相应的权重云模型，见表1。根据正态云发生器，各因素分值云模型如图2～图4所示。参考3.1节权重云模型的分析的相关运算。可得出图5所示的云滴图。为了便于比较图2～图5的不确定性，每幅图中均含有2 500个云滴。

比较图2～图5所示云滴，可以发现图5的云滴凝聚性明显低于前面3副图中的云滴凝聚性。在油气管道的坡面水毁的安全评价中，权重的不确定性对油气管道坡面水毁的评价结果的影响十分强烈，权重不确定性的作用，使得油气管道坡面水毁的不确定性程度进一步增大，降低了评价结果的可靠性。因此，评价过程中尽量减少权重的主观性和随意性，这对提高风险分析的评价精度与灵敏度、提高评价结果的质量可信度等，具有十分重要的意义。

4 不确定性的规避措施

在油气管道坡面水毁评价过程中，不确定性不可避免，只能采取相应的措施，尽量降低不确定因素对最后的综合风险评价结果影响，以提高评价结果的可靠性。在确定不确定性控制措施前，需要考虑如下3个问题:①危险因素的识别是否超出了评价人员的自然感知范围;②危险因素的危险程度是否能够通过精确的数学模型计算;③风险评价结果的这种不确定性是否在合理的范围之内。

油气管道坡面水毁系统对初始条件极具敏感，即便是初始条件(危险因素水平、历史资料、现场勘查报告、专家意见、评价体系层次结构、权重等)的微小误差也将导致评价结果的巨大差异。人因因素的控制是目标能否实现的决定性因素，为实现这一目标，应充分重视人因因素在评价的各个流程对评价结果的不确定性影响。第一是保证整个评价过程在一个合理而必要的时间段完成。一般情况下短期内较难完成可靠的评价结果。在充足的评价时间内，相关人员收集和调研历史资料，保证参考资料的时效性、一致性和完整性。然后依据评价人员的特长，专家的特点，预设现场各种环境，编制出深度不同且具有控制性和直接指导评价项目的进度计划表、任务分配表、组织结构表，分析出评价过程中影响评价结果的偶然事件，并采取相应的防御措施。第二是提升评价人员的整体知识能力。主要是指对油气管道坡面水毁因素的辨识能力，对主要危险因素的失效机理分析的能力，尽量减少每个失效因素的模糊性。第三是合理分析油气管道坡面水毁安全评价的评级体系层次结构。一般来讲层次结构越少，评价过程中不确定性推理就越少，现场收集的坡面各因素的数据经过不确定性推理后，因素受到这种不确定性的因果推理关系影响就越小，误差传播的次数也就越少，评价结果更加准确。但是层次结构的减少，使得底层因素粒度变大，每个因素模糊性就会增加，使得评价结果更加粗糙，因此在评价层次结构时应尽可能兼顾这两方面的不确定性影响。第四是合理改善权重的不确定性。权重的不确定性对评价结果的影响十分敏感，然而，完全客观的权重是不存在的，因此，在实际操作中尽可能通过历史数据，专家经验，甲乙双方的意见来综合选择权重。

5 结论及建议

不确定性是油气管道坡面水毁风险评价质量的一大瓶颈，它贯穿整个评估流程，随着评估过程的前进，各种不确定性因素相互融合，评价结果的概念进一步泛化。对油气管道坡面水毁的各种不确定性因素做出了分析，并提出了适当的不确定性规避措施，为输气管道环境地质灾害不确定性因素分析提供参考。但是现实的评价过程不止文中所述的几种不确定性因素，油气管道环境地质灾害也不止坡面水毁一种，不确定性信息量更大，推理过程更多，因此必须对不确定性的规避措施持续改进，落实到每个管道安全管理人员的一举一动之中，提升整个队伍的整体素质，逐渐降低不确定性因素影响。

[1]郑青川，姚安林，关惠平，等.基于云模型的油气管道坡面水毁安全评价[J].安全与环境学报，2012，12(4):235-239.

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大庆油田天然气分公司完善标准化建设

2015年年初，大庆油田天然气分公司展开的第一项工作就是安全生产标准化大检查，共发现各类问题254个，明确防控措施、落实责任人，持续推进安全生产标准化、完善规章制度，形成长效机制，切实提高安全生产管理水平。

作为国家高危甲类一级消防重点单位，在推进管理提升中，天然气分公司探索形成了安全生产标准化管理新常态，筑牢企业安全发展的生命线，并荣获大庆油田“安全生产、文明生产”金牌单位21连冠。

推行生产操作标准化，消除生产过程的差异性。这个公司结合行业规范要求，把15项重要操作事项的操作程序、操作步骤总结归纳为标准操作文本，规范员工操作行为，使岗位操作安全受控。制定了变电所停电4步操作法、计量孔板检查要领、民用气入户“三备三查一宣讲”的安检程序、装置“点项卡”交叉巡检等22项操作流程和标准，形成了装置操作的“规定动作”，减少安全生产操作过程的差异性，切实提高安全生产保障的响应速度和完善程度。

推行危险作业标准化，强化安全生产的制度性。为确保危险作业安全受控，这个公司编制了《施工及高危作业安全技术规范》《清罐施工环保标准化作业》等14项作业规范，建立了与“危险作业审批单”配套的《危险作业技术方案》，所有危险作业均由作业人员、监护人员按《作业条件确认单》逐条对防护措施进行“唱票”核对，并由操作人员亲自确认所有措施全部到位、有效，签字后方能作业，从制度上杜绝了违章作业、违章指挥等不安全行为。

推行装置检修标准化，增强施工作业的流程性。这个公司对标国际先进水平，借鉴国内外安全管理经验，采用“SOP(标准作业程序)”和“6S”管理法，建立“2图、6表、5方案”体系，实现装置检修的流程化、表单化。在装置检修现场，他们探索推广了检修工具、物料和零配件的定点摆放、定人管理、定量发放的“三定”管理，以及作业现场“三不见天，四不落地”“工完料净场地清”标准化施工，使检修工作科学规范，提高了生产效率。

(石监摘自http：//news.cnpc.com.cn 2015-03-20)

The flooding damaging evaluation system of oil and gas pipeline slope involves randomness and fuzziness，so the definition of the uncertainty of the flooding damaging of oil and gas pipeline slope and the reflections of the uncertainty are described.The human uncertainties，the uncertainties in the evaluation preparation phase and the uncertainties of evaluation method are emphatically analyzed.Based on this，some improvements are made from the understanding of failure factors and the reasoning of uncertainty，and the specific algorithm of weight cloud model is presented.The influences of the uncertainty of the weights on the subsequent evaluation results are explained.According to the characteristics of the various uncertainties in the evaluation process，the corresponding avoidance measures are proposed.

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梅

2014-11-23

郑青川(1986-)，男，硕士，主要从事油气管道及城镇燃气管网设计管理工作。