城市管道系统风险分析及闭环管理研究*

张宇栋，吕淑然，杨　凯

(1. 首都经济贸易大学 安全与环境工程学院，北京 100070；2. 北京石油化工学院 安全工程学院， 北京 102617)

0　引言

管道设施广泛应用于保障城市运行的多领域，已成为城市公共基础设施的重要组成，并逐渐形成了错综复杂的管网系统。给排水、燃气、热力及油气运输等诸多管道相互交织布置于城市空间中，构成巨大安全风险。国内外因管道泄漏、爆炸等造成的严重安全事故屡有发生，2013年11月22日青岛中石化东黄输油管道泄漏爆炸特大事故导致巨大人员伤亡和财产损失。故此，研究城市管道系统可靠性，建立适于城市管道风险管控的系统化科学体系，对城市安全运行及可持续发展具有重大意义。

当前，针对城市管道系统安全问题典型研究有，杨振宏等[1]基于层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)构建城市燃气管道安全模糊综合评判体系；骆正山等[2]基于天然气管道事故概率，提出综合多因素对管道安全影响的定量风险评估方法；杨凯等[3]对城市排水涵道油气混合气体爆炸事故进行分析研究；王春雪等[4]对城市燃气管线泄漏致灾灾害链开展研究；李军等[5]基于AHP和模糊数学理论，计算燃气管道第三方破坏失效的风险。结合系统可靠性与安全系统工程理论，引入故障模式影响和危害度分析(Failure Mode Effects and Criticality Analysis，FMECA)、事故树(Fault Tree Analysis，FTA)与事件树(Event Tree Analysis，ETA)、故障报告分析及纠正措施系统(Failure Report Analysis and Corrective Action System，FRACAS)用于构建系统风险管理模式是行之有效的，且取得了一些有益实践：陈业朋[6]将3F(FMECA-FTA-FRACAS)综合分析系统应用于无人机飞控系统；张宇栋[7]将正向FTF(FMECA To FTA)及逆向FTF (FTA To FMECA)方法引入承压特种设备安全及可靠性分析；杨田等[8]将正向FTF方法用于核级安全阀故障模式分析；卿黎等[9]运用综合模糊FMECA和Bow-tie模型的正向FTF 方法对电站锅炉承压部件失效模式进行分析；李淑庆等[10-11]研究了3F技术在产品可靠性工程的应用；陈玉超等[12]将Bow-tie 模型结合改进的层次分析法应用于城镇输油管道风险评价。

基于此，尽管城市管道致灾风险多因素耦合机理的研究取得一定成果，但尚缺乏科学、完整的风险管理体系。笔者对城市管道系统失效故障模式致因分析的基础上，基于管道安全系统分析时所呈现出“小样本(少数据)、贫信息”的数据模糊和灰色系统等特性，利用模糊FMECA、模糊灰关联FTA等定量分析方法，优化城市管道系统失效故障模式分析，进而构建遵循PDCA(Plan-Do-Check-Act)闭环管理原则的科学、完整的风险闭环管理体系。

1　风险闭环管理体系概述

风险闭环管理体系是将FMECA，Bow-tie模型及FRACAS有机结合，利用三者优势互补，涵盖系统风险辨识、风险要素构成研判、多因素耦合逻辑、致灾机理分析、风险潜在危害评估、风险纠正与消除措施及现实事故反馈等，形成完整闭环管理的一系列技术方法集合。基于系统安全及可靠性分析的风险管理技术主要有FMECA，FTA & ETA，FRACAS，FTF及3F一体化技术等，各技术特征比较如表1所示。

表1　技术特征比较

FMECA包括故障模式及效应分析(Failure Mode and Effect Analysis，FMEA)和危害度分析(Criticality Analysis，CA)，是确定失效模式并依据严酷度及发生概率分析其危害度的单要素归纳方法；融合FTA与ETA的Bow-tie模型为多要素复杂系统的逻辑因果关系图形演绎和归纳全面分析的系统工程技术；FRACAS通过分析故障报告，制定实施有效的纠正措施以防止故障再生，并通过反馈实现系统可靠性增长。

按照PDCA闭环管理思路，克服FMECA，Bow-tie及FRACAS单独应用的局限性，参照3F一体化技术思路融合构建风险闭环管理体系，如图1所示。基本原理方法为：通过FMEA全面排查系统潜在故障隐患，研判故障模式； CA量化故障模式危害度，识别系统薄弱及关键环节；构建高危害度故障模式Bow-tie模型并通过定性定量FTA及ETA分析事故风险致因机理；针对FMECA和Bow-tie所得结果运用FRACAS管控系统风险事件。此外，现实事故故障通过FRACAS分析积累完整的失效模式信息，补充及反馈修正FMECA 和Bow-tie模型的应用；Bow-tie模型定性定量分析结果对FMECA的应用提供系统失效模式信息的补充。

图1　风险闭环管理体系模型结构Fig.1　Themodel structure of risk closed loop management system

2　系统失效故障模式风险分析

2.1　系统模糊FMECA综合分析

基于模糊综合评价(Fuzzy Comprehensive Evaluation，FCE)改进FMECA风险评价模型，量化分析结果，对城市管道系统失效模式进行系统性的综合评价[13-14]。

1)综合FMECA中固有风险的影响，构建评价要素一级指标集合：U={u1,u2,…,um}，其中，ui对应各故障模式，i=1,2,…,m。用US，UO，UD分别刻画严酷度(Severity)、出现度(Occurrence)和察觉度(Detection)，构建评价要素二级指标集合：U2={US,UO,UD}，对应状态集合VS，VO，VD分别为故障模式严酷度等级(S)(见表2)、故障模式概率等级(O)(见表3)和故障模式察觉度等级(D)(见表4)。

表2　故障模式影响严酷度等级评分原则参考

表3　故障模式概率等级评分原则参考

表4　故障模式察觉度等级评分原则参考

2)根据抽样实验、调查统计、文献统计等方法得出模糊综合评价矩阵RS。

通常rij为第i个因素ui第j个评价因素vSj对应的概率分布，对其归一化且满足∑rij=1，矩阵RS满足无量纲化。同理构造矩阵RO和RD。

3)引入要素论域U上的一个要素重要度模糊子集A=(a1,a2,…,am)，用以表征各要素ui(i=1,2,…,m)所占的重要度比重，ai≫0且∑ai=1(i=1,2,…,m)。重要度比重分配常利用DELPHI，AHP等方法，虽难免掺杂主观影响，但逻辑严密的运算起到一定滤波和修正作用。

4)一级FCE，利用要素重要度模糊集A与综合评价矩阵RS模糊线性变换(算子符号记为*)，构造论域VS上的一个模糊集BS作为决策集。同理算得BO和BD。

BS=A*RS=

(b1，b2，…，bn)

5)依据一级FCE结果，可得二级FCE矩阵R=[RS,RO,RD]T。利用DELPHI，AHP等方法同理确定二级要素指标US，UO，UD的重要度模糊子集W，即二级FCE结果为：B2=W*R。

2.2　基于FCE的CA研究

通过提取模糊评价矩阵RS，RO和RD第i(i=1,2,…,m)行为要素集合US,O,D的评价集合VS,O,D对故障模式ui的评价向量，构造各要素对某一故障模式的模糊评价矩阵1R，2R，…，mR。基于二级要素指标重要度模糊子集W计算个故障模式ui(i=1,2,…,m)的FCE：iB=W*iR，i(i=1,2,…,m)。

将VS，VO和VD3组评价集合统一于V=(vi|i=1,2,3,4,5) =(5,4,3,2,1)。对故障模式的FCE结果清晰化，进行故障模式u1的系统全面危害度计算：

式中：1bi(i=1,2,3,4,5)为集合1B中的各元素。进而同理得全部失效故障模式的全面危害度集合：C=(1C,2C, …,mC)。

2.3　高危害度故障模式Bow-tie模型分析

基于上述管道系统模糊FMECA综合分析结论，以具有高危害度的失效故障模式为顶事件T，演绎和归纳分析其复杂致因的逻辑关系，构建由FTA和ETA混合的Bow-tie模型。

考虑到城市管道系统失效涉及底事件大多存在“小样本(少数据)、贫信息”的数据特征，因此利用模糊灰关联FTA定量分析进一步对高危害度失效故障模式进行计算[15]。

1)利用布尔代数简化事故树并得出最小割集(Minimal Cut-Set，MCS)。n个底事件的事故树结构函数表示为：Ф(X1,X2,…,Xn)。基于模糊数学理论，使用三角模糊数通过归一化处理所有底事件概率值。进而计算顶事件三角模糊概率：

三角模糊数(a,m,b)的中值计算公式为：

即顶事件T的模糊概率(aT,mT,bT)的中值记为zT。当某一底事件Xi不发生，顶事件T被触发的模糊概率表示为：

=(aTi，mTi，bTi)

对应的中值记为zTi。则底事件Xi的模糊重要度计算为：ei=zT-zTi。

2)灰色关联分析方法按照序列几何曲线相似程度判断关联程度紧密。在模糊灰关联FTA的应用中，首要确定参考序列。通常均值化各底事件模糊重要度得到参考序列。即：

3)当求得事故树MCS有m个时，构造特征向量(Fk) 表征相应的MCS，k=1, 2, …,m。进而可以得到典型故障的特征矩阵F，中每个特征向量(Fk)k=1, 2, …,m作为比较序列。特征矩阵中的底事件Xi，若其在第k个MCS 对应向量Fk中出现时，取xk(i)=1，否则取xk(i)=0。

4)按照灰色关联度的计算方法，计算参考序列的元素x0(i)和比较序列的元素xk(i)之间的关联系数，计算公式为：

式中，Δ0k(i)=|x0(i)-xk(i)|，ρ为分辨系数，通常取ρ=0.5。

通过MCS对应的特征向量Fk计算MCS的灰色关联度，计算公式为：

比较m个MCS的灰色关联度，关联度越大，则相应故障模式触发顶事件T的概率就越大，反之关联度越小，相应故障模式触发顶事件T的概率就越小。

3　城市管道系统风险闭环管理应用

3.1　事故风险分析

城市管道系统多由各种压力管道设备构成，其工况、工质差异巨大，系统可靠性受复杂因素影响。参考美国PRCI(Pipeline Research Committee International)针对欧美长距输气管道事故相关的数据分析[16]，结合国内典型城市燃气管道失效调查[17]，总结管道系统结构失效主要涉及三类致因，如图2所示。

基于管道系统的工程实际，建立城市管道系统的模糊FMECA风险决策模型。结合管道系统结构失效致因统计分析，确定评价要素一级指标集合U={u1,u2,…,u10}，ui对应故障模式如表5所示。

表5　评价因素一级指标集合

图2　压力管道失效基本致因Fig.2　Basic cause of pressure pipe failure

依据上文2.1及2.2算法运算各个故障模式的全面危害度，并得出集合：C=(1C,2C, …,10C)。进而比较对应各失效故障模式的危害度，确定系统高危害度故障模式。本文以第三方破坏[18]为高危害度故障模式之一，以此为例构造其Bow-tie模型如图3所示，事件说明见表6。

进而利用上文2.3构建的模糊灰关联FTA算法对第三方破坏失效故障模式进行定量分析计算，得出各组MCS所刻画的第三方破坏致因事件组及其触发安全事故的关联度排序。同理，按此方法对全部高危害度故障模式进行分析计算，辨识城市管道系统全部风险致因。

3.2　FRACAS方法应用

将以上辨识城市管道系统全部风险致因分类收集，形成故障报告。利用FRACAS闭环控制的思想对管道系统潜在安全隐患进行管控，以此提高系统安全及可靠性。FRACAS闭环管控流程如图4所示。

4　结论

1)分析研究了管道系统结构失效的三类主要致因，并以城市管道第三方破坏为例，进一步建立了这一高危害度故障模式的Bow-tie模型，描述了定性定量分析过程。

图3　第三方破坏故障模式Bow-tie模型Fig.3　Bow-tie model of third party damage on pipeline

代码事件名称代码事件名称代码事件名称代码事件名称M1直接破坏M11施工过失破坏X4盗窃X14装配质量缺陷M2占压破坏M12工程过失X5信息沟通不畅X15装配过程机械损伤M3蓄意破坏M13运行管理失效X6法规制度不健全X16维检失效M4管道破坏M14场站施工作业X7安全责任未落实X17操作失误M5设施破坏M15巡检联防失效X8安全管控工作失效X18隐患管控失效M6场站破坏M16动土作业X9施工单位无证作业X19地上施工M7管理失效M17施工管理缺陷X10施工人员能力不足X20设备部件装配M8人为恶意破坏X1管道占压X11挖掘X21巡检联防制度缺陷M9盗窃破坏X2社会不稳定因素X12打桩钻孔X22巡检联防责任缺失M10违章施工破坏X3防盗装置失效X13回填压实X23预警报警系统失效

注：顶事件T为第三方破坏；M1-M17为中间事件；X1-X23为底事件。

图4　FRACAS闭环管控流程Fig.4　Closed loop management and control flow

2)模糊FMECA与模糊灰关联FTA等定量计算方法有效的克服了城市管道系统失效故障模式统计信息匮乏、数据具有一定模糊性所造成的对其安全及可靠性研究的局限性，提高了针对城市管道系统的多态、多要素耦合、不确定性复杂系统整体风险分析研究的可信度。

3)融合FCE改进的模糊FMECA、引入模糊灰关联FTA 的Bow-tie模型及FRACAS等技术思想，充分利用三者优势互补，针对城市管道系统安全及可靠性构建了涵盖故障模式辨识、影响及危害度分析、纠正措施执行等内容的科学、完整的风险闭环管控体系。

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