层次分析法城镇燃气管道网格化风险评价

焦建瑛，吴 波，顾先凯，朱 妍，杜玖松

(北京市燃气集团有限责任公司，北京100035)

1 概述

城镇燃气发展迅速，城镇燃气管道作为国民经济发展和人民生活保障的资源和能源大动脉，具有城市生命线的重要地位。城市燃气安全关系到城市及社会的发展，随着天然气管网建设加快，燃气供应能力不断增强，在城镇燃气输送过程中，出现了许多管网安全运行问题：部分管道超期服役，损坏老化，阴极保护失效等等，存在极大的安全隐患，因此一个全面、有效的燃气管网风险评估方法至关重要[1-2]。

目前的燃气风险计算主要是针对单独的燃气管道进行评价，并没有对类似于网格化的管道区域整体的评价。区域风险评价更有利于管理者对整体风险管控的把握，而且方便基层员工进行检查巡视。本文基于层次分析法对城镇燃气管道进行网格化风险评价，实现了燃气管网区域风险智能评估。

2 层次分析法理论

层次分析法是将定量分析与定性分析结合起来，用决策者的经验判断各衡量指标之间的相对重要程度，并合理地给出每个决策方案的每个指标的权重，利用权重和打分结果求出各方案的优劣次序[3]。运用层次分析法建模确定权重，大体上可按下面4个步骤进行。

① 递推层次结构的建立

首先把目标决策问题条理化、层次化，按照属性的不同将相关的各个因素从高到低分解成若干层次，形成多层次的指标结构模型。从高到低分成目标层、准则层、指标层。

② 构造出各层次中的判断矩阵

根据本层所有因素对上一层某一因素的相对重要性程度的比较，通常采用1-9标度法，为判断矩阵的元素赋值。判断矩阵P[4]为：

(1)

式中P——判断矩阵

n——评价指标的数量

pmn——第m个评价指标相对于第n个评价指标的相对重要性程度,m=1,2,3,…,n

③ 层次单排序及一致性检验

对于判断矩阵P,运用方根法求取评价指标的相对权重，计算公式[4]如下：

(2)

式中Wi——第i个评价指标的相对权重

(3)

为了保证判断矩阵的准确性，需对判断矩阵作一致性检验 ,计算最大特征值λmax[4]：

(4)

式中λmax——最大特征值

Ai——判断矩阵P中的第i个行向量

计算一致性指标(CI)[4],并检验判断矩阵的一致性，计算一致性检验判别式CR[4]。

(5)

式中CI——一致性指标

(6)

式中CR——一致性检验判别式

R——平均随机一致性指标,当评价指标的数量为3、4时，其值分别为0.58、0.9

若CR<0.1,则认为该判断矩阵通过一致性检验。

④ 整体一致性检验

进行整体一致性检验，公式为[5]：

(7)

式中CR,Z——整体一致性检验判别式

j——准则层的第j项

s——准则层的因素数量

CI(j)——准则层的第j项因素对应指标层的一致性指标

aj——准则层的第j项因素对应的归一化权重

R(j)——准则层的第j项因素所对应指标层的平均随机一致性指标

当CR,Z<0.1时，认为整体一致性检验通过检验。

3 评价指标体系的建立

燃气风险网格化评价体系由与燃气风险相关的相应指标组成，指标的选取具有合理性和代表性。本研究从管道本体、检测数据、外部环境3个方面构建了3个层次、11个指标的燃气风险网格化评价体系，评价体系层次结构见图1。

图1 燃气风险网格化评价体系结构

4 层次分析法确定权重

4.1 构建判断矩阵

判断指标之间的相对重要性，采用1-9标度法进行标度，最终得到4个判断矩阵，见表1～4。以表1为例，可知检测数据P2比管道本体P1重要，管道本体P1比外部环境P3重要，检测数据P2比外部环境P3重要。

表1 T-P1～P3判断矩阵

表2 P1-C1～C4判断矩阵

表3 P2-C5～C7判断矩阵

表4 P3-C8～C11判断矩阵

4.2 层次单排序结果

通过式(2)～(6)，计算各指标权重以及一致性检验相关指标，计算结果见表5～8，各矩阵的CR均小于0.1，通过层次单排序一致性检验。

表5 T-P1～P3判断矩阵的指标归一化权重及一致性检验相关指标

表6 P1-C1～C4判断矩阵的指标归一化权重及一致性检验相关指标

表7 P2-C5～C7判断矩阵的指标归一化权重及一致性检验相关指标

表8 P3-C8～C11判断矩阵的指标归一化权重及一致性检验相关指标

根据公式(7)对层次总排序结果进行一致性检验，总体CR，Z<0.1，通过一致性检验，说明权重设置合理。

5 网格化风险评价

5.1 城镇燃气网格划分

以北京某燃气公司管网为例进行网格划分，以天安门中轴线和长安街的交点为网格中心基准点，作300 m×300 m的网格线，共有网格2 652个。网格编号是从左下开始，从左到右，从下到上进行编号，每行都是从左到右。网格划分结果见图2，其中红线和蓝线为北京地铁线，蓝线为地铁10号线。

图2 网格划分结果

5.2 网格内指标得分计算

网格内的管龄、管径、压力等级分值是通过该指标对应的管道在应急事件中所占的比例确定，比如投运时间为<1990年、1991—2000年、2001—2010年、>2010年的管道在2016—2019年的应急事件中的占比分别为0.547、0.321、0.113、0.019，则1992年的管道的管龄得分为0.321，最终网格内所有管道管龄得分的平均值即为该网格的管龄得分。

网格内的管道长度、地铁长度、铁路长度、无轨电车轨道长度得分是通过该网格内该项指标值除以2 652个网格中该指标的最大值归一化得到。

网格内腐蚀泄漏事件数量、防腐层破损点数量、阴极保护测试桩数量、充电桩数量得分是通过四分位数法确定。以网格内充电桩数量为例，首先将2 652个网格按照充电桩数量进行升序排列，以排名前25%、50%、75%的网格为分界点将网格划分为4组，其中排名位于0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%的网格充电桩数量得分分别为0.3、0.5、0.8、1.0，即将25%、50%、75%、100%进行向上圆整。

5.3 网格风险计算

假设计算得到管道本体、检测数据、外部环境的归一化权重为WP1，WP2，WP3，网格内的管龄、管径、压力等级、管道长度、腐蚀泄漏事件数量、防腐层破损点数量、阴极保护测试桩数量、地铁长度、铁路长度、无轨电车长度、充电桩数量的归一化权重为WC1～WC11，网格风险值的计算公式为：

(8)

式中Ri——第i个网格的风险值

WP1，WP2，WP3——管道本体、检测数据、外部环境的归一化权重

WCk——指标层第k项指标的归一化权重

Si,k——第i个网格指标层第k项指标的得分

t——网格数量

将2 652个网格按照计算得到的风险值排名，得到网格风险值与网格风险排名的曲线图，见图3。由图3可知，曲线在排名173的网格后趋于平缓，说明网格的风险变化趋势趋于稳定。排名173的网格风险值为0.18，风险值大于等于0.18的网格有173个，占所有网格数的6.5%，该类网格为高风险网格。因此在日常巡视和管理中需对排名前6.5%的这173个网格进行重点关注。

图3 网格风险值与网格风险排名曲线

6 结论

① 介绍层次分析法建模确定权重的4个步骤。通过网格化技术将燃气管道进行网格划分，建立燃气管道网格化风险评价体系。对评价体系中的指标通过层次分析法进行权重的确定，最终对所有网格进行网格化风险评价。

② 将所有网格按照计算得到的风险值排名，得到网格风险值与网格风险排名的曲线图，找到曲线从剧烈变化到平稳的网格排名拐点。风险值大于该拐点对应的风险值的网格为高风险网格，在日常巡视和管理中需对这些网格进行重点关注。