基于改进F-ANP方法的市政排水管网运行安全风险评估

巴振宁，王鸣铄，梁建文

(1.天津大学土木工程系，天津 300072;2.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

城市排水管网处于地下，不易及时发现存在的安全隐患。我国一些城市的市政排水管网大多修建于20世纪60年代，时间较久，由于管道自然老化以及施工质量、管材和接口方式等方面存在缺陷，排水管网经常会出现失效风险，尤其在强降雨天气时，会造成排水不及时，引发城市内涝等问题。因此，对市政排水管网运行安全进行风险评估，在风险事故未发生时进行及时整改，降低管道失效风险，是十分必要的。目前，国内外学者针对市政排水管网运行安全风险评估做了大量的研究工作，如王彪等[1]以较为成熟的油气管网风险评估作为参考，首次对排水管网运行安全风险评估进行了讨论，探讨了风险评估在排水管网领域应用的可行性；朱婷[2]通过建立雨水管网内涝模型，将模糊综合法与内涝模型相结合对内涝危害进行了分析；颜文涛等[3]以健康度为分析对象，建立了污水管网的灰色关联综合评价模型，并以四川省某市污水管网作为实例进行了分析；米莉[4]以城市污水管网气体爆炸风险为研究对象，通过文献和实际调查建立了爆炸风险评价指标体系，并运用层次分析法计算了各评价指标的权重；Zerger等[5]采用支持向量机模型，通过访问一组代表性的训练数据(已检查过的下水道数据)来预测其他未知下水道结构的状况。然而，针对市政排水管网运行安全的风险评估，大多只考虑各类风险因素的独立作用，很少考虑各类风险因素之间相互作用的影响。由于市政排水管网埋置在地下，所处的环境十分复杂，各风险因素之间不可避免地会有交叉作用，对管道的结构功能会产生严重的影响，若在风险评估中忽略各风险因素之间的相互作用，则会造成评估结果的准确性低。同时，市政排水管网由大量管道构成，传统的风险评估方法主要依赖于专家意见，难以评估管道数量庞大的管网系统，其应用性有限。

针对上述问题，本文引入改进的网络分析(ANP)法来计算各个风险因素的权重，能有效地考虑风险因素之间的相互影响，并采用改进的模糊综合评价法，借助三角形分布隶属函数以及对基础数据的等级划分，实现对含大量管段的管网系统进行多层次递阶风险评价。最后，以苏州市工业园区内排水管网作为工程实例，利用基于改进的模糊网络分析(F-ANP)方法对该排水管网运行安全进行风险评估，并与内部检测结果进行对比，以验证该方法的适用性。

1 市政排水管网风险评估指标体系的建立

市政排水管网的失效模式与其他市政管网不同，分为结构性失效和功能性失效两种。其中，结构性失效具体是指管道本身产生的断裂、破损等结构上的破坏，对排水管网整体的结构性能和使用寿命有很大的影响，常见的结构性失效有管道断裂等；功能性失效主要是指由于外来物在管道中堆积，导致管道水流受阻，譬如由于排水管网处在城市居民区，会有路面上的树枝垃圾等流入管网中，日积月累致使管网无法排放足够的水，引发雨水污水外溢。因此，市政排水管网发生管道失效事故，通常不是由单一因素造成的，而是人员、管道及设备、管理和环境等多种因素之间相互影响、相互耦合的综合结果。本文在借鉴以往研究成果[6-8]并征询专家意见的基础上，参照《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476—2008)、《城镇排水管渠与泵站维护技术规程》(CJ 68—2007)、《城镇排水管道检测与评估技术规程》(CJJ 181—2012)和 《城镇排水管道结构等级评定》(DB11/T 1492—2017)等标准规范，结合市政排水管网运行的特点，构建了基于“人-机(管道及设备)-管-环”的市政排水管网风险评估指标体系，见图1。

图1 市政排水管网风险评估指标体系Fig.1 Risk assessment index system of municipal drainage network

2 改进的F-ANP方法

本文利用改进的F-ANP方法对市政排水管网运行安全进行风险评估的步骤如下：

2.1 利用改进的ANP方法确定评价指标权重

网络层次分析(Analytic Network Process,ANP)法是在层次分析(Analytic Hierarchy Process)法基础上发展起来的，多被用于复杂繁琐问题的分析，其宗旨是为了将人对复杂问题的处理方式和思维方式数学化和量化，从而解决现实问题[9]。

ANP方法考虑了元素之间的联系，在ANP法中，一般将层次分为控制层和网络层。控制层主要包括目标和决策准则；网络层中所有元素均是由控制层中的元素控制的，相互之间不是独立的，网络层中的每一个元素都可能受到其他元素的影响。ANP层次结构见图2。

图2 ANP层次结构Fig.2 ANP hierarchy

传统的ANP方法采用九标度法，用1～9标度构造判断矩阵，标度所对应的术语概念模糊，专家的主观判断主导标度的确定，因此易使判断结果背离实际[10]。此外，计算结果需要通过一致性检验，若判断矩阵不具有一致性，则破坏了其优选排序的功能，需要重新构造构判断矩阵，违背了专家的本意且计算量大。改进的ANP方法采用三标度法来构造判断矩阵，计算结果不需要进行一致性检验，不仅提高了精度，而且更加便捷，因此具有较好的适用性[11]。

(1) 构建主准则判断矩阵：以管道失效事故发生的可能性为第一准则(控制层元素)，以Ui为子准则(此子准则为各一级指标，网络层元素)，并以比较间接优势度的方式构建子准则下的判断矩阵XUi:

(1)

其中：

(2)

(2) 构建次准则判断矩阵：仍以管道失效事故发生的可能性为第一准则，再分别以Ui层中的各影响因子Uij为新的子准则(此子准则为各二级指标，即网络层元素)，求得Uj因素集中各因素对Uij的相对重要性，并构造判断矩阵：

(3)

对所构造出的各判断矩阵进行归一化处理，分别得到第j个子准则下、第i个因素集进行比较的矩阵Wij:

Wij=(X1,X2,…,Xn)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2 改进的模糊综合评价

由于在现实项目中，很多因素是无法进行精准描述的[12]，排水管网的运行安全风险就是属于这一类，无法精准地判定其风险程度，而只能用一些定性的词语来描述，如高、较大等。对于这类事件，常采用模糊数学的方法来解决。模糊评价法就是基于模糊数学理论，通过建立隶属函数或隶属度概念，用数学语言来描述事物的不确定性，具体步骤如下：

(1) 建立评价指标集U：确定目标事物的评价对象，评价对象U是评价指标的集合，其具有层次性，可构建出多级评价指标体系：

一级评价指标为

U={U1,U2,…,Um}

(8)

二级评价指标为

U1={U11,U12,…,U1i}

(9)

U2={U21,U22,…,U2j}

(10)

Un={Un1,Un2,…,Unk}

(11)

(2) 建立评语集：针对建立的评价对象，对可能产生的结果进行分析，将确定的评价结果用集合的方式表示出来并形成评语集V。一般来说，建立的评语集中评语数量越多，最终的评价结果就越精准，但会造成计算量成倍增加。本文将评价结果分为5个等级，表示风险等级从低到高。建立的评语集如下：

V={V1,V2,…,Vn}

(12)

V={V1,V2,V3,V4,V5}={低，较低，中等，较高，高}

(13)

(3) 单个因素模糊评价：针对每个评价指标确定对应的风险等级叫做单个因素的模糊评价，其中评价指标集到评语集用一个映射来连接，这个映射叫做隶属函数，即：

f:U→F(V)

(14)

根据相关研究表明，常用的适用于城市市政管线运行安全风险评估的隶属函数是三角形函数，并且以等差为0.28的三角形分布函数最为准确，该三角形分布隶属函数有着较好的符合度[13]。

改进的模糊综合评价法将每个评价指标依据所对应的基础数据进行风险等级划分，从而使得每个评价指标都能确定相应的风险等级权重Ai(i为评价指标的风险等级，i=1,2,3,4,5)，借助三角形分布隶属函数，无需依赖专家逐一给出隶属度，就能实现大量数据的模糊评价工作。对单一因素j的模糊评价结果为Ej：

Ej=Ai·R

(15)

其中，R代表隶属函数矩阵。

(4) 多个因素模糊综合评价：综合所有单个因素评判结果Ej为新的集合R′，并根据已求得的因素权重W，可得到所有因素对U的综合影响[14]：

R′=(E1,E2,…,En)T

(16)

E=W·R′

(17)

求解出综合评判向量E后，判断评判向量中最大值所处的位置并结合评语集，即可知评价对象U的风险等级[15]。

3 实例应用与分析

本文以苏州工业园区排水管网作为工程实例，采用基于改进的F-ANP方法对其运行安全进行风险评估。

3.1 工程概况

苏州工业园区是地处苏州城东金鸡湖畔的高科技工业园区，是现代化、园林化、国际化的新城区，行政面积达288 km2，下辖4个街道，常住人口约80.78万人，是中国和新加坡两国政府的重要合作共建项目。

从苏州工业园区内排水管网运维公司GIS数据可知，园区内排水管网共有24 436段，除去基础属性数据不够完整的以外，本次针对GIS数据完整的23 341段管段进行风险评估。苏州工业园区内实际排水管网分布见图3。

图3 苏州工业园区内排水管网分布图Fig.3 Distribution of drainage network in Suzhou Industrial Park

根据当地水务公司提供的GIS数据，能够了解到苏州工业园区排水管网工程的概况：园区内大部分管段服役年限在10年到20年之间，约有14 544段，而服役年限在20年以上的有513段，整体上看大部分管段处于浴盆曲线的第二阶段和第三阶段，见图4；园区内排水管网的材质较多样，最主要的是塑料管，具体有HDPE和UPVC管，其次是钢筋混凝土管，除此之外，还有少量的钢管和球墨铸铁管，见图5。

图4 苏州工业园区内排水管网各管龄占比Fig.4 Proportion of pipe age of drainage network of Suzhou Industrial Park

图5 苏州工业园区内排水管网各管材占比Fig.5 Proportion of pipe material of drainage network of Suzhou Industrial Park

3.2 苏州工业园区内排水管网运行安全风险评估与分析

以苏州工业园区内水务公司提供的排水管网GIS数据为基础，结合相关专家的打分情况，对园区内排水管网运行安全进行风险评估。

3.2.1 利用改进的ANP方法计算评价指标的权重

以管道及设备风险因素评价为例,采用改进的ANP方法确定该因素各评价指标的权重。邀请对排水管道风险评估有经验的专家，以管道失效事故发生的可能性为主准则，以比较设备本体U21、外加保护U22间接优势度的方式采用三标度法构建判断矩阵：

对上述构建的判断矩阵进行归一化处理，组成管道及设备风险因素内的判断矩阵XU2：

以管径评价指标U211为次准则，将U21内元素进行两两比较得到判断矩阵：

对加权超矩阵求极限，可得到管道及设备因素各评价指标的权重向量：

P2=(0.166 6,0.166 6,0.166 6,0.173 1,0.077 0,0.077 0,0.173 1)

同理,可以得出其他因素各评价指标的权重，见表1。

表1 苏州工业园区排水管网运行安全风险评估指标 体系的权重Table 1 Weight of index system of operation safetyrisk assessment for municipal drainagenetwork in Suzhou Industrial Park

3.2.2 改进的模糊综合评价法

各因素评价指标的权重计算完成后，需要进行模糊综合评价。首先，确定各评价指标的风险等级划分准则，根据实测数据对每段管段的不同评价指标进行风险等级划分。以管道及设备因素为例，建立市政排水管网运行安全管道及设备因素风险等级划分准则如下(见表2)：

表2 市政排水管网运行安全管道及设备因素风险 等级划分准则Table 2 Criteria for risk classification of pipeline andequipment factors of the operation safety ofmunicipal drainage network

管径：管径与管道失效概率呈负相关关系，研究[16-18]表明管道管径越小，管道转动惯量越小，弯矩抗性越差，管道结构更容易恶化。我国实际排水管网数据表明，管径多在DN300～900之间，由此将管径划分为5个风险等级。

管龄：管道的服役年限越长，管道受到外界环境的影响越久，管道结构抗力越差。据统计，我国目前排水管网主要是在20世纪80年代后开始敷设的，由此将管龄划分为5个风险等级。

管材：混凝土管的失效概率比塑料管要大，但塑料管材拥有更好的抗腐蚀性。结合已有研究[16-18]对雨水管网脆弱性评价管材等级的划分结论，将管材划分为5个风险等级。

埋深：排水管道在运行过程中会受到上覆土压力、地面车辆等荷载的作用，突然的车辆荷载超载会导致管道出现断裂或破损。但在一定深度内随埋深的增加管道越安全，由此将管道埋深划分为5个风险等级。

管长：管道长度越长，管道所跨区域越大，管网运行环境越复杂，管道失效风险越大。通过统计目前我国市政排水管网的管长数据得出管道长度主要集中在20～200 m之间，由此将管长划分为5个风险等级。

防腐措施和警示标志：防腐措施和警示标志难以用定量的语言进行准确的等级划分，本文依据防腐措施越完善、警示标志越明显，管道越不易发生失效事故为原则来进行风险等级划分，由此将防腐措施和警示标志划分为5个风险等级。

市政排水管网其他因素的风险等级划分准则见表3至表5。

表3 市政排水管网运行安全人为因素风险等级 划分准则Table 3 Criteria for risk classification of human factorsof the operation safety of municipal drainagenetwork

表4 市政排水管网运行安全管理因素风险等级划分准则Table 4 Criteria for risk classification of managementfactors of the operation safety of municipaldrainage network

表5 市政排水管网运行安全环境因素风险等级划分准则Table 5 Criteria for risk classification of environmentalfactors of the operation safety of municipaldrainage network

由于管道数量庞大，依据专家意见得到管道每个评价指标的隶属度是不现实的。各因素评价指标风险等级划分完成后，只需要将管道基础数据对应到相应的风险等级当中，即可进行模糊综合评价，不必依赖专家给出隶属度意见。该工业园区内某管段管道及设备因素各评价指标实测数据见表6。

表6 苏州工业园区内排水管网某管段管道及设备因素 各评价指标的实测数据Table 6 Measured data of pipeline and equipmentfoctors of drainage network in SuzhouIndustrial Park

确定了各评价指标所属风险等级后，可借助三角形分布的隶属函数对其进行模糊综合评价。等差为0.28的三角形分布的隶属函数矩阵R为

则Ⅰ～Ⅴ级风险等级权重分别为A1～A5：

由公式(13)，可分别得到单个评价指标的模糊评价结果，以上述管段的管道及设备因素为例，分别计算出E21～E27,见表7。完成单一风险因素评价后，结合改进的ANP方法得到的权重值，进行多因素下的模糊综合评价，其评价结果见表8。

表7 苏州工业园区内排水管网某管段管道及设备因素各评价指标模糊综合评价结果Table 7 Fuzzy comprehensive evaluation results of pipeline and equipment factors of a pipe section in drainage networkin Suzhou Industrial Park

表8 苏州工业园区内排水管网某管段多因素各评价指标模糊综合评价结果Table 8 Fuzzy comprehensive evaluation results of multi-factor indicators of a pipe section in drainagenetwork in Suzhou Industrial Park

由最大隶属度原则可知，该管段运行安全综合风险评估结果为Ⅲ级，属中等风险。同理，可计算得出其他管段的风险等级，为了使每个管段的风险评估结果在GIS上清晰、直观地表现出来，将风险评估结果导入到排水管网GIS数据中，通过GIS软件即可展示该工业园区内排水管网运行安全风险评估结果分布，见图6。

图6 苏州工业园区排水管网运行安全风险评估结果 分布图Fig.6 Distribution of operation safety risk assessment result of drainage network in Suzhou Industrial Park

经过评估，苏州工业园区内排水管网运行安全主要处于Ⅱ级(较低风险)和Ⅲ级(中等风险)两个风险等级，其中处于较低风险的管段有21 557段，占总评估管段的92%，处于中等风险的管段共有1784段，占总评估管段的8%。故可以认为苏州工业园区内排水管网整体运行安全风险较低，管理水平较高，不需要进行管理制度和方式的改变。但针对风险评估等级为Ⅲ级即中等风险的管段，由于其具有一定发生管道失效事故的风险，建议对其进行初步的排查与检测。

本次风险评估结果表明，苏州工业园区排水管网运行安全的主要风险等级集中在较低风险和中等风险两种评估结果上，未出现低风险和高风险两种极端情况，这与评价方法中风险等级的划分以及支持评估的基础数据有关。虽然风险等级的类别不多，但不同管段之间运行安全风险的相对大小情况同样对于水务公司的运维管理具有一定的借鉴意义。

3.3 风险评估结果与检测数据的对比

为了验证风险评估结果的合理性，本文将风险评估结果与选取的该园区内排水管网检测点处的内部检测结果进行了对比，具体检测点位置见图7,各个检测点处内部检测状态，见图8。

图7 苏州工业园区内排水管网检测点位置图Fig.7 Location map of detection points of drainage network in Suzhou Industrial Park

图8 苏州工业园区内排水管网各检测点处内部检测 状态图Fig.8 Inspection photo of detection points of drainage network in Suzhou Industrial Park

由图8可见，选取的该工业园区内排水管网3个检测点处都有管道破损现象，其中检测点1处图片显示出管道由于破损已经有漏水事故发生，检测点2处则是出现了管道变形和破损现象，检测点3处管道由于老化已经出现管道破损，并已发生漏水现象，而这三个有管道失效事故发生可能性的检测点在风险评估结果中均显示为Ⅲ级即中等风险。管道内部检测情况表明，利用基于改进F-ANP方法得出的市政排水管网风险等级是可信的，该方法能够较为准确地评估市政排水管网运行安全的风险。

3.4 典型管段的风险评估结果分析

本文选取苏州工业园区内娄葑片区和唯亭片区的管段作为典型管段，对其运行安全进行风险评估，其结果见图9。由图9可见，此两处典型管段为苏州工业园区内排水管网安全运行综合风险较高的区域，相对较高的风险评估结果(Ⅲ级中等风险)集中出现。由当地水务公司提供的2019年前5个月管道维修记录可知，一共57次排水管道失效事故中有41次发生在这两处区域，占比高达71.93%，说明此两处区域为管道失效事故高发管段，与风险评估结果相符，同时该评估结果也获得了水务公司管理人员的认可。

图9 苏州工业园区内排水管网典型管段运行安全 风险评估结果分布Fig.9 Distribution of operation safety risk assessment result of typical pipe section of drainage network in Suzhou Industrial Park

4 结 论

本文运用基于改进的F-ANP方法对苏州工业园区内市政排水管网运行安全进行了风险评估。先采用改进的ANP法确定评价指标的权重，不仅考虑了评价指标之间的相互影响，而且与传统的相对独立评价指标的评估方法相比，可使评价结果更加客观且符合实际情况；然后利用改进的模糊综合评价法，借助三角形分布隶属函数以及对基础数据风险等级的划分，实现了大量管道数据的多层次递阶风险评价；最后以苏州工业园区内排水管网作为工程实例，利用改进的F-ANP方法对该排水管网运行安全进行了风险评估，得到该园区内市政排水管网运行安全的风险等级,同时在苏州工业园区内排水管网中选取了3个检测点进行了内部检测，并将风险评估结果与内部检测数据进行对比，结果显示两者符合度较好，表明基于改进的F-ANP方法得到的风险评估结果可以为水务公司提供较为准确的管网维护建议，具有一定的实用价值。