基于ISM和AHP的燃气管道完整性影响因素研究

王庆国， 郭 敏

(1.天津市陕津天然气集输有限公司，天津300112；2.天津市赛达管道工程有限公司，天津300385)

1 概述

随着城市燃气需求量的日益增长，天然气在我国已经得到了普遍的应用[1]，尤其是在节能环保的大环境下，天然气因其高效、洁净的特点，在能源利用中所占比例日趋增大[2]，2015年末我国城镇燃气管网总长度已超过60×104km。伴随城镇燃气管网的日渐完善，天然气泄漏带来的安全问题也成为人们关注的重点，因此提出了管道完整性的概念。管道完整性是指管道承受荷载范围及其安全运行能力，管道完整性管理是为了保证完整性展开的管控活动[3]。管道完整性管理首先必须综合考虑各影响因素的关联性，寻找潜在的危险因素[4]。为保证燃气管网的安全运行，管道完整性管理应做到“重点”、“要点”相结合，“要点”是保证燃气管网完整性的必要条件，“重点”则是影响管网完整性的关键因素。笔者通过整理分析城镇燃气管道完整性影响因素之间的关联性，建立解释结构模型(Interpretative Structural Modeling,简称ISM)，并利用解释结构模型和层次分析法分析城镇燃气管道完整性影响因素之间的层次关系以及各影响因素的影响权重，为管道完整性管理提供理论依据。

2 解释结构模型建立步骤

解释结构模型(ISM)需要根据人们知识和实践经验，通过将繁琐的系统分解成多个子系统来构造多级阶梯结构模型[5]，该模型可以清晰地对同一系统中容易模糊混淆的观点或影响因素之间的关联性进行表述。燃气管道完整性的影响因素错综复杂，相互影响，但有相对明显的阶层关系，因此本文通过建立燃气管道完整性影响因素的解释结构模型，并对模型进行层级间的划分，分析各阶层影响因素。解释结构模型建立步骤为：

① 选定研究目标及其影响因素。确定燃气管道完整性为目标事件，并通过收集专家意见及现场调研等多种途径对目标事件的影响因素进行收集整理。

② 建立意识模型[6]及影响因素有向图。通过学术讨论会反复讨论研究，并结合专家意见，确定目标事件与影响因素以及影响因素之间的关联方案，建立主观意识模型，划分子系统，并绘制影响因素有向图[7]。此步骤人为因素起作用较大。

③ 建立并计算邻接矩阵与可达矩阵。通过各影响因素的关联性建立邻接矩阵，并利用布尔达代数运算法则对邻接矩阵进行计算，得到可达矩阵。通过可达矩阵对影响燃气管道的24个因素进行定量描述。

④ 建立解释结构模型。解析可达矩阵，分解目标事件影响因素的层次与连通模块[5]，建立解释结构模型。

3 管道完整性解释结构模型

3.1 管道完整性影响因素分析

本文所选目标事件为燃气管道完整性。基于2016年天津市14家管道气公司安全检查数据、现场调查、专家意见收集整理燃气管道完整性的影响因素，并结合“人、机、料、法、环”管理思路[8]，从人为因素、环境因素、安全技术、法治监管、社会经济利益、管理体系、管网因素7个子系统对影响因素进行划分，并将7个子系统细化分为24个影响因素[9-13]，见表1。解析燃气管道完整性影响因素内部关联性并绘制有向图，结果见图1。

表1 影响因素的隶属关系

图1 燃气管道完整性影响因素有向图

3.2 建立邻接矩阵与可达矩阵

邻接矩阵A可描述某因素Si通过长度为l的通路可到达其他因素Sj的情况[14]：当i≠j时，若因素Si对因素Sj有直接影响，则记Aij=1，否则记Aij=0；当i=j时，Aij表示因素自身的通路情况，数值为0。例如员工素质S1可能造成操作失误S2，则A12=1。本文基于燃气管道完整性影响因素有向图建立邻接矩阵A，见图2。

图2邻接矩阵

可达矩阵计算见式(1)、(2)。通过邻接矩阵A加上单位矩阵I后的幂运算得到，其中矩阵(A+I)的幂运算[5]的运算法则为布尔达代数运算法则[13]。

通过依次取n为1～24进行试算，找出能满足公式(1)的n值，然后代入公式(2)计算得到可达矩阵。

(A+I)1≠(A+I)2，…，(A+I)n-1≠

(A+I)n，(A+I)n=(A+I)n+1

(1)

R=(A+I)n

(2)

式中A——邻接矩阵

I——单位矩阵

n——整数，取值范围1～24

R——可达矩阵

通过MATLAB编程计算可得，当n=7时公式(1)成立，此时R=(A+I)7。可达矩阵见图3。

图3可达矩阵

3.3 建立解释结构模型

可达矩阵R中元素Rij表示因素Sj对因素Si的影响情况，当且仅当i行中只有一列元素为1时，表示因素Si有且仅有一个影响因素Sj，则定义因素Si为一级影响因素。删除一级影响因素所在的行与列，得到新的可达矩阵R1[7]，矩阵R1中m行当且仅当只有一列元素为1时，定义该因素Sm为二级影响因素。以此类推可将24个影响因素进行等级划分。

影响管道完整性的影响因素共划分为7个等级，各级影响因素分别为L1={7，19，22，23}，L2={5，18，21，24}，L3={2，9，15，20}，L4={1，3，4，6，14}，L5={8，13，17}，L6={12，16}，L7={10，11}。分析7级影响因素，根据影响因素连通模块建立燃气管道完整性影响因素的解释结构模型，见图4。

根据图4，划分7级影响因素至3个层面：表层影响因素、中间影响因素及深层影响因素。对管道完整性有直接影响的因素为表层影响因素，包括第三方破坏、管道外腐蚀及应力腐蚀、巡线频次、运行压力及波动、管网设备故障、操作失误、使用时间、管道内腐蚀、管材质量。不受其他因素影响且不可控程度较高的因素为深层影响因素，包括第三方利益、安全监控水平、不可抗力因素、政府监控体制、法律法规标准以及企业利润，其中身体状况虽然不受其他因素影响，但其可控程度较高，因此划分至中间影响因素。除表层影响因素、深层影响因素以外的其他影响因素称为中间影响因素，包括安全防护程度、防护设备完整性、规章制度完整性、身体状况、员工素质、操作技能、安全教育培训制度、安全投入、安全评价体系。

图4燃气管道完整性影响因素解释结构模型

4 影响力计算

层次分析法(AHP)可以通过定量及定性分析，对多影响因素事件处置提供数据支持[15]。因此利用层次分析法分别分析管道完整性3个层面的影响因素，可以得到各层面每个影响因素的影响力。其中表层影响因素对目标事件有着最为直接的影响，也是对目标事件进行掌控最为有效的环节，因此本文以表层影响因素为例，利用AHP法对燃气管道完整性表层影响因素的影响力进行排序。

基于城镇燃气管道完整性影响因素解释结构模型，建立表层影响因素指标体系。基于天津市管道气安全检查数据及专家意见，结合标度法[6]对各表层影响因素的影响力进行赋值，并通过建立判断矩阵计算管道完整性的表层影响因素指标权重，计算结果见表2。分析表2数据可知：在表层影响因素中，管网设备故障、运行压力及波动、使用时间、管材质量、管道内腐蚀都属于管网因素，所占权重达0.509 4，更容易对管道完整性造成破坏，因此加强对管道设计、管材选取、管道施工以及管道维护的监控对燃气管道完整性有着最为直接的影响。

表2 燃气管道表层影响因素指标权重

5 结论

① 针对燃气管道完整性影响因素众多、关系复杂且结构不清的特点，采用解释结构模型(ISM)方法，通过可达矩阵对影响燃气管道完整性的24个因素进行定量描述，将燃气管道完整性影响因素分为7级，并划分层次和关联关系，为城镇燃气管道完整性管理提供理论依据。

② 基于解释结构模型确定的燃气管道完整性表层影响因素，通过层次分析法(AHP)对各表层影响因素的影响力进行计算。在表层影响因素中，管网因素(指管网设备故障、运行压力及波动、使用时间、管材质量和管道内腐蚀)和人为因素(指操作失误)是影响安全生产的最直接、最重要的因素，管网因素占比达50.94%，其中操作失误、管网设备故障以及管材质量对管道完整性的影响较大。