基于模糊层次分析法的热网泄漏风险评估

黄 涛， 杨 迪， 崔旭阳， 雷万宁，白 超， 高 琳， 杨俊红

(1.西安瑞行城市热力发展集团有限公司， 陕西 西安 710021； 2.中低温热能高效利用教育部重点实验室(天津大学)， 天津 300350 )

1 概述

目前，针对热网泄漏检测与定位已有较多研究[1-4]，但对热网泄漏风险评价的研究较少。热网泄漏风险评价涉及诸多因素，根据相关文献[5-8]、专家评估意见、历史数据资料等，热网泄漏风险因素有管道属性、管道穿孔、管道断裂、设备故障4类，这些风险因素的量化一般是以有关专家的主观估计为依据。

模糊层次分析法(FAHP)能够将评价者对复杂系统的定性分析进行定量化处理[9]，广泛应用于解决风险因素量化问题中[10-12]，如燃气管道事故风险评价[13]、油气管道破坏风险评价[14]等。本文采用模糊层次分析法对热网泄漏风险进行评估，以某热网作为研究对象，选取热网中的某个管段对风险等级的确定进行计算分析。

2 泄漏风险评估模型

2.1 层次结构模型

应用模糊层次分析法分析问题时，首先要把问题条理化、层次化，构造出一个包括目标层、准则层、指标层的层次结构模型。

a.目标层：评价目标为热网泄漏风险。

b.准则层：风险因素为管道属性、管道穿孔、管道断裂、设备故障。

c.指标层：管道属性指标包括管道管厚比、运行压力、管段服役时间等。管道穿孔指标包括供热介质腐蚀性、外护结构情况、保温层情况、井室情况、埋设环境腐蚀性、土壤移动可能性等。管道断裂指标包括敷设方式、管顶埋深、第三方破坏等。设备故障指标包括阀门与管件类型、阀门与管件泄漏风险、施工单位资质、施工监理等。指标层各项指标的评分规则参照文献[7]。

2.2 风险等级

将泄漏风险等级划分为Ⅰ～Ⅴ级[15]，即风险等级集P={p1，p2，p3，p4，p5}。各等级含义如下：

Ⅰ级：低风险级。风险水平低，在规定的检修期和设计条件下可以安全使用。

Ⅱ级：较低风险级。风险水平较低，在规定的检修期和设计条件下可以安全使用。

Ⅲ级：中等风险级。风险水平中等，在规定检修期和使用条件下可以监控使用。

Ⅳ级：较高风险级。风险水平较高，建议立即消除隐患，如确实需要使用，需重点监控。

Ⅴ级：高风险级。风险水平高，应立即采取措施消除隐患。

2.3 风险因素的重要性排序

通过专家评分对各风险因素的相对重要性进行分析，构造模糊判断矩阵，经进一步处理后得到各风险因素的权重。根据各风险因素权重对风险因素的重要性进行排序，权重越大说明重要性越高，越小说明重要性越低。

用两两比较方法将各风险因素的重要性定量化，每次取两个风险因素xi、xj，用aij表示xi与xj的重要性之比。本文用0.1～0.9标度法[9]进行aij的标度(见表1)。

表1 0.1～0.9标度法及意义

风险因素两两比较重要程度的模糊判断矩阵A为：

式中A——风险因素两两比较重要程度的模糊判断矩阵

由于在实际决策分析中人们认识上可能产生的片面性，构造出的模糊判断矩阵往往不具有一致性[10]。因此，将模糊判断矩阵A进行变换,得到模糊一致性矩阵Rn×n，元素rik的计算式为：

式中rik——模糊一致性矩阵R的元素

Ai——模糊判断矩阵A第i行的元素和

Ak——模糊判断矩阵A第k行的元素和

n——矩阵的行(列)数，即风险因素数量

模糊一致性矩阵R的表达式为：

第i个风险因素的权重ωi的计算式为[16]：

(1)

式中ωi——第i个风险因素的权重

rik——模糊一致性矩阵R第i行第k个元素

W——中间变量

2.4 待评价管段风险等级的确定[15]

在对各风险等级进行分值区间设定以及对待评价管段各风险因素进行评分的基础上，对待评价管段的风险等级进行确定。

① 风险因素与风险等级的关联函数值

当风险因素xi的评分si属于第f(f=1～5，对应风险等级Ⅰ～Ⅴ)个风险等级分值区间sf时，风险因素与泄漏风险等级的关联函数值Kf(si)的计算式为：

(2)

sf=mf-nf

式中Kf(si)——风险因素xi与第f个泄漏风险等级的关联函数值

ρ(si,sf)——第i个风险因素的分值si与第f个风险等级分值区间的距

sf——第f个风险等级的分值区间

mf、nf——第f个风险等级分值区间的上、下限

当si∉sf时：

若ρ(si,s)≠ρ(si,sf)，则Kf(si)的计算式为：

(3)

s=m-n

式中ρ(si,s)——第i个风险因素xi的分值si与风险等级总分值区间的距

s——风险等级总分值区间

m、n——风险等级总分值区间的上、下限

式(3)中ρ(si,sf)的计算方法与式(2)中一致。若采用百分制，则m为100，n为0，s为100。

若ρ(si,s)=ρ(si,sf)，则Kf(si)的计算式为：

Kf(si)=-ρ(si,sf)-1

(4)

② 待评价管段与风险等级的关联函数值

待评价管段第f个风险等级的关联函数值Mf的计算式为：

(5)

式中Mf——待评价管段第f个风险等级的关联函数值

③ 待评价管段的风险等级

根据最大隶属度原则[12]，对应Mf最大时的风险等级为评价结果，所对应的风险等级即为待评价管段的风险等级。

3 案例分析

3.1 风险因素的重要性排序

热网风险因素为管道属性x1、管道穿孔x2、管道断裂x3、设备故障x4。根据专家与相关技术人员意见，确定各风险因素相对重要性，按0.1～0.9标度法列出模糊判断矩阵A：

进一步计算得到模糊一致性矩阵R：

由式(1)计算得到风险因素x1～x4的权重分别为0.267，0.232，0.207，0.294，由此确定风险因素的重要性排序为：设备故障、管道属性、管道穿孔、管道断裂。

3.2 待评价管段的风险等级

设定的风险等级分值区间见表2。待评价管段的管道规格D630×8，材质Q235B，设计供水温度为130 ℃，设计压力为1.6 MPa，供暖期运行压力1.33 MPa，服役时间为5 a。敷设方式为有补偿直埋敷设，管顶埋深3 m，周围无经常性的建设施工。安装2个三偏心金属硬密封蝶阀、2个跨越三通、3个90°弯头、6个波纹管补偿器。施工单位具有供热管道施工资质，施工过程有监理单位进行工程质量监督。根据文献[7]的评分方法，采取专家评分，得到的待评价管段风险因素x1～x4的评分分别为15、78、32、88，分值越高，表示风险因素的级别越高。根据式(2)～(4)计算得到待评价管段各风险因素与风险等级的关联函数值(见表3)。

表2 设定的风险等级分值区间

表3 待评价管段各风险因素与风险等级的关联函数值

根据表3数据及各风险因素的权重，由式(5)可计算得到待评价管段各风险等级的关联函数值(见表4)。根据最大隶属度原则，关联函数值最大的风险等级即为待评价管段的风险等级。由表4可知，待评价管段的风险等级为V级。由近年来该热网的泄漏事故数据可知，该管段多次出现泄漏，泄漏位置大多出现在阀门、波纹管补偿器，实际结果与评价结果相符合，这说明采用模糊层次分析法对热网泄漏风险进行评估有效。风险因素评分环节对评价结果影响重大，在实际应用中应紧密结合工程现场实际与专家意见。

表4 待评价管段各风险等级的关联函数值

4 结论

案例分析中，实际结果与评估结果相符合，说明采用模糊层次分析法对热网泄漏风险进行评估有效。风险因素评分环节对评估结果影响重大，在实际应用中应紧密结合工程现场实际与专家意见。