基于ANP的输气管道坡面水毁风险缓解措施效能评估

徐 惠，蒋宏业，姚安林，李 平，薛欢庆

1.西南石油大学石油与天然气工程学院(四川成都610500)

2.中国石油西气东输管道公司(上海200122)

基于ANP的输气管道坡面水毁风险缓解措施效能评估

徐 惠1，蒋宏业1，姚安林1，李 平1，薛欢庆2

1.西南石油大学石油与天然气工程学院(四川成都610500)

2.中国石油西气东输管道公司(上海200122)

输气管道坡面水毁风险缓解措施的效能评估对输气管道坡面水毁工程的管理具有重要的意义。针对某输气管道的实际情况，借鉴国内外关于管道完整性管理效能评估方面的法律法规，建立某输气管道坡面水毁风险缓解措施的效能评估体系，并运用网络层次分析法对3个方案进行效能评估，评估结果具有一定的合理性和准确性。

输气管道;坡面水毁;效能评估;层次分析法

长距离输气管道沿途的地质灾害种类多、成因复杂、范围广，所导致的管道事故又极易诱发严重的次生灾害，其直接和间接损失往往比其他类别的事故更大。在所有长距离输气管道的环境地质灾害中，水毁灾害是经济损失最严重、人口伤亡最多和社会影响最大的自然灾害之一，而坡面水毁又是水毁中占比例最大的［1］，故对于输气管道坡面水毁风险缓解措施的效能评估就尤为重要。

目前，国际上在管道完整性管理效能评价方面尚未形成统一的体系和标准。API 1160-2001《有害液体管道系统的完整性管理》规定了完整性管理方案的效能检测和评价要求，但均未涉及具体的开展方式和评价指标［2］。ASME B31.8S-2001《输气管道完整性管理系统》在借鉴API 1160和其他相关标准的基础上提出了完整性管理方案的效能测试和改进要求，其规定至少每年进行一次效能评价，与天气和外力有关的危险的度量指标是天气和外力造成泄漏的次数;天气和外力造成管道补修、更换或改线的次数［3］。

在美国，管道完整性管理效能评价和审核均由DOT的美国管道安全办公室(OPS)强制执行，只涉及高后果区段的风险消减和完整性评价的完成情况。在欧洲，管道完整性管理效能评价没有硬性要求，且均与HSE审核结合实施，审核其选择的若干要素，判断并审核其结果［4］。目前国内主要遵照执行的是将ASME B31.8S及API 1160等同采纳而转标的2个推荐性行业标准，SY/T 6621-2005《输气管道系统的完整性管理》和《SY/T 6648-2006危险液体管道的完整性管理》，其中对于效能评价的相关要求与上面介绍的内容一致［5-6］。

1 输气管道坡面水毁风险缓解措施效能评估研究

1.1 效能评估步骤

借鉴国内外在管道完整性管理效能评价方面的法律法规及标准要求、评价内容、开展方式和考核指标等，结合长距离输气管道完整性管理的具体情况，建立输气管道坡面水毁灾害风险缓解措施指标体系，并用网络层次分析法对其进行效能评估研究。其步骤如图1所示。

图1 效能评估步骤

1.2 输气管道坡面水毁风险缓解措施

坡面水毁主要是水力侵蚀所引起的，而坡面的水力侵蚀能力主要取决于雨量、地面坡度、植被覆盖、土壤类型以及坡长和人为因素。坡面水毁的治理遵循生物治理和工程治理相结合的治理原则。对于中西部干旱少雨、植被短时间恢复困难的区段，采用工程护坡;对于中东部水量充沛、植被短时间即可恢复的区段，采用生态护坡;对于坡度大、水土流失严重地区的输气管道，管道管理者采用生态护坡和工程护坡相结合的工程措施来缓解管道坡面水毁的风险。其缓解措施如图2所示。

图2 输气管道坡面水毁风险缓解措施

其中综合护坡包括砌石草皮护坡和格状框条护坡。

1.3 输气管道坡面水毁风险缓解措施评价指标体系的建立

管道风险缓解措施效能评价指标分为投入控制指标与效果控制指标。其中，执行难易程度采用5标度等级进行定性描述，难易程度从低至高依次为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级。投入费用高低采用5标度等级进行定性描述，投入费用从低至高依次为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级。工期长短采用5标度等级进行定性描述，工期从短至长依次为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级。时间敏感性是指风险缓解措施受施工期间外界条件影响的程度。例如是否能在冬季、雨季施工等，时间敏感性从低至高依次为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级。措施类别采用2标度等级进行定性描述，长期有效性为Ⅰ级、近期有效性为Ⅱ级。

输气管道坡面水毁风险缓解措施效能评价指标体系如图3所示。

图3 输气管道坡面水毁风险缓解措施效能评价指标体系

2 网络层次分析法(ANP)概述

网络层次分析法即ANP(The Analytic Network Process)是T.L.Saaty教授于1996年提出的一种适应非独立递阶层次结构的决策方法，是在AHP基础上发展的一种实用决策方法［7］。ANP首先将系统元素划分为两大部分:第一部分称为控制因素层;第二部分为网络层。图4就是典型的ANP结构。

图4 典型的ANP结构

鉴于长输管道坡面水毁的缓解措施之间相互影响，关系错综复杂，所以选用ANP方法来对其进行评估。ANP法计算步骤复杂，在没有开发出实用的计算软件之前其实际应用受到了限制。目前Expert Choice公司已开发出相应的ANP计算软件(Super Decisions)，该软件实现了由T.L.Saaty教授发展的关于决策的数学理论—具有依存和反馈的决策方法—网络层次分析法，极大地提高了网络层次分析法的实用性和可操作性。

3 输气管道坡面水毁风险缓解措施的具体效能评估过程

研究中针对某处典型输气管道破面水毁的3种风险缓解措施进行效能评估:方案一为草袋子护坡;方案二为造林护坡;方案三为种草和排水沟2种措施的结合。首先对上述风险缓解措施影响因素进行等级划分，见表1。

由于风险缓解措施效能评价指标之间的相互影响，计算错综复杂，为了更准确、快速地给出决策，选用ANP方法，所有的计算过程由超级决策Super Decisions软件来完成。

表1 风险缓解措施影响因素等级划分

3.1 构造判断矩阵

影响各因素的重要性各不相同，采用1～9标度，根据风险缓解措施影响因素的等级划分，及管道风险缓解措施效能评价指标之间的关系，分别构造准则E中4种指标E1、E2、E3、E4对3种方案造成影响的判断矩阵，准则F中2种指标F1、F2对3种方案造成影响的判断矩阵，准则E中4种指标E1、E2、E3、E4对准则F造成影响的判断矩阵，准则F中2种指标F1、F2对准则E造成影响的判断矩阵，方案1#、2#、3#分别对准则E、F造成影响的判断矩阵［7］。下面列举几个判断矩阵见表2～表4。

表2 E1对备选方案造成影响的判断矩阵

表3 F1对准则E造成影响的判断矩阵

表4 方案1#对准则E造成影响的判断矩阵

3.2 计算极限超矩阵

以下计算过程由Super Decision完成。

首先确定ANP结构的未加权超矩阵M，然后计算加权超矩阵W，列归一化，为了计算方便，需要将超矩阵的每列归一化，用加权矩阵实现(Wij=aijwij)，最后计算极限超矩阵［8-10］limk→∞Wk，见表5。

表5 极限超矩阵

3.3 合成排序结果

合成排序结果见表6。结果表明方案3#效能评估最好，其次是方案1#，最后是方案2#，即在条件允许的条件下生态措施与工程措施相结合时，输气管道坡面水毁的风险缓解措施效果要更好些。

表6 合成排序结果

4 结论

应用网络层次分析法建立某输气管道坡面水毁风险缓解措施效能评估数学模型，结合SD软件较易得出效能排序，从而为进一步提升西气东输管道坡面水毁的风险缓解措施的有效性，将风险控制在合理、可接受范围内，最终达到持续改进，减少管道事故、经济合理地保证管道安全、平稳运行提供了理论依据。

［1］鲜福，关惠平，姚安林，等.西气东输管道地质灾害辨识［J］.油气田地面工程，2010，29(3):80-82.

［2］API Standard 1160-2001 Managing system integrity for hazardous liquid pipelines［S］.

［3］ASME B31.BS2001 Managingsystem integrity of gas pipeline［S］.

［4］郑洪龙，许立伟，谷雨雷，等.管道完整性管理效能评价指标体系［J］.油气储运，2012，31(1):8-12.

［5］吴志平，蒋宏业，李又绿，等.油气管道完整性管理效能评价技术研究［J］.天然气工业，2013，33(12):131-137.

［6］叶冲，蒋宏业，姚安林，等.油气管道第三方破坏风险管理效能评估方法研究［J］.石油工业技术监督，2014，30(1):38-43.

［7］辜冬梅，姚安林，尹旭东，等.基于层次-模糊评价法的山区油气管道地质灾害易发性研究［J］.中国安全生产科学技术，2012，8(5):52-57.

［8］孙宏才，田平，王莲芬，等.网络层析分析法与决策科学［M］.北京:国防工业出版社，2011.

［9］陈治奎，薛超凯，断福兴.基于网络层次分析法的逆向物流运作模式决策研究［J］.山东理工大学学报:自然科学版，2013，27(3):55-61.

［10］孙宏才，徐关尧，田平，等.用网络层次分析法(ANP)评估应急桥梁设计方案［J］.系统工程理论与实践，2007(3):63-69.

The effectiveness evaluation of flood damage risk mitigation measures of gas pipeline slope surface is important to the flood damage engineering management of gas pipeline slope surface.The effectiveness evaluation system of flood damage risk mitigation measures of some gas pipeline slope surface is established based on the laws and regulations on the effectiveness evaluation of pipeline integrity management at home and abroad，and the effectiveness of three plans of the flood damage risk mitigation measures of the gas pipeline slope surface is evaluated using analytic hierarchy process.The evaluation result is reasonable and accurate.

gas pipeline;flood damage of slope;effectiveness evaluation;analytic hierarchy process

梅

2014-07-07

徐惠(1989-)，女，主要从事油气管道完整性管理与评价方面的研究工作。