基于未确知测度和博弈论集对理论的油气管道维抢修站队选址评价

曹俊杰工程师

(国家管网集团西部管道有限责任公司甘肃输油气分公司，甘肃 兰州 730000)

0 引言

油气管道维抢修站队是石油与天然气管道储运系统的重要组成部分，其主要职责是在油气管道风险事故或险兆事件发生时，第一时间对所辖区域管道或储运站场的维检修、应急抢险工作提供技术支援。因此，科学合理的油气管道维抢修站队选址方案能够有效地追踪应急预警信息并及时做出可靠的应急响应与处置，对油气管道储运系统的安全管理与应急决策具有重要意义。

目前，国内外研究学者和工程技术人员对油气管道维检修作业进行大量研究，石蕾等分析美国油气管道维抢修应急响应程序；薛光等通过构建川气东送数字化管道系统，分析提高维抢修反应速度和组织水平的具体措施；张仕民等综述现阶段维抢修装备技术水平；张乃禄等为减少维检修作业人员的失误事故，采用灰色—模糊理论对人员可靠性进行综合评价；张乃禄等为提高油气管道维抢修公司应急响应与处置能力，应用结构熵权法与多级可拓理论对应急抢险能力进行评估。国内外对于未确知测度理论的研究也较为成熟，广泛应用于矿山、交通领域，但在油气储运行业应用较少。宫凤强等将未确知测度理论应用于采空区危险性评价；穆成林等利用未确知测度理论对岩体围岩稳定性进行预测评估；王卫东等将未确知测度理论分别应用于车辆基地的选址规划与公路交通效率评价中。

综上所述，油气管道维检修作业评价模型较为成熟，而维抢修站队选址规划评价研究较少，为进一步提高油气管道维抢修站队在油气储运应急响应与处置方面的能力，保障油气管道的安全运行，本文从影响维抢修站队的自然条件、工程作业条件、工程可实施性以及工程经济性等因素入手，建立油气管道维抢修选址评价指标体系，基于未确知测度和博弈论组合赋权技术构建维抢修站队选址评价模型，最后将成果应用于某维抢修站队的选址规划评价。

1 评价指标体系的建立

1.1 评价指标的筛选

以《石油天然气工程总图设计规范》(SY/T0048-2016)为基础，现场调研国家管网公司甘肃输油气分公司所辖的兰州、古浪、武威等10余个油气储运站场及维抢修中心的实际建设与运营情况。依据科学性与实事求是原则、系统性与全面性、定量与定性分析相结合的评价指标设计原则，采用现场调研和文献查阅以及专家决策的方法，建立油气管道维抢修站队选址三级评价指标体系(如图1)，该体系包括自然环境条件、工程作业条件、工程可实施性、工程经济性4方面共12个三级指标。

图1 油气管道维抢修站队选址指标体系的构建Fig.1 The construction of site selection index system for oil andgas pipeline maintenance and repair station

1.2 评价指标的定义

1.2.1 自然环境条件

(1)地理位置

I

。油气管道维抢修站队选址应考虑选址区域与周围建筑物(如居民区、相邻厂矿等)的安全间距，由于周围建筑物种类繁多，较难实现对其的量化评价，通过文献[12]与现场调研，以人口密度作为定性评价准则，人口密度越低的区域评价等级越优。(2)地质条件

I

。油气管道维抢修站队选址应满足相应的地质要求，参考相应的国家标准、行业标准以及企业规范，维抢修站队应设在地形平缓、地势较高的区域，同时应避开不良工程地质地段、避开地震或断层区、避开堤坝等地区。(3)水文条件

I

。国家管网公司西部管道分公司所辖的油气管道维抢修站队设站选址大多地处我国西北地区，受天山山脉、昆仑山脉等积雪的影响，维抢修站队选址应考虑选址区域充水难度的影响，对于充水难度较高的区域，评价等级较优。

1.2.2 工程作业条件

(1)交通运输条件

I

。交通运输条件是指维抢修站队选址区域与周围道路的连接情况，即在选址过程中应考虑维抢修站队与周围埋地油气管道、油气储运站场或截断阀室的交通是否便捷、畅通，该交通便利性越好，评价等级越优。(2)作业地幅条件

I

。以《油气长输管道维抢修作业坑开挖技术规范》(Q/SY XG 0031-2018)的相关要求以及现场调研为基础，将维抢修作业过程中的地基坡度作为衡量作业地幅的评价准则，作业时地基坡度越低，评价等级越优。(3)维抢修出警时间

I

。在油气管道维抢修作业过程中，保证维抢修站队出警时间的高效是选址评价过程中应考虑的重要一环，合理有效的规划维抢修站队选址范围能有效保证出警效率，避免事故的后续发展。(4)维抢修出警距离

I

。维抢修站队的出警距离规划是基于具有拓扑结构的道路网格，选择合适、最佳的维抢修站队出警路径的过程，能够及时、有效、迅速地出警至维抢修现场。

1.2.3 工程可实施性

(1)选址岩石体积

I

。油气管道维抢修站队选址区域的地质构造、水文条件以及地形地势将直接决定工程施工的岩石体积，将对工程建设施工的可行性带来较大影响，因此可依据单位面积岩土的填挖体积进行定量评价。(2)选址范围符合性

I

。维抢修站队的选址应根据土地使用的总体规范，从土地用途的利用范围以及长远利益出发，对选址范围的开发、利用及保护应满足《土地管理法》等相关要求。(3)离储运站场距离

I

。除满足《石油天然气管道安全规程》(SY/T 6186-2007)、《石油天然气工业管道输送系统》(GB/T 24259-2009)等的相关要求，油气管道维抢修站队选址还应考虑与周围输油站场、压气站场等相关站场的距离，在本研究中，以量化的距离为标准对其进行定量评价。

1.2.4 工程经济性

(1)选址征地费用

I

。油气管道维抢修站队的设站选址可由维抢修站队的规模建筑面积确定单位面积征地费用，在征地成本较高的市区与郊区，维抢修站队的工程建设需要大量的征地和拆迁成本，因此可根据拆迁类型、选址面积进而确定单位面积的征地费用。(2)选址建设费用

I

。选址区域的地表起伏程度将直接影响到工程建设的造价及施工难度，因此维抢修站队选址范围内的工程建设费用可依据适宜建设和处理后可建设2方面进行等级划分，单位面积处理费用越高则选址评价等级越低。

1.3 评级指标定性与定量分级

为实现对油气管道维抢修站队选址规划的优选，减少选址评价中的主观性，结合相关研究与现场调研10余个储运站场及维抢修站队的现状特点，对选址评价指标体系内的各指标采用定性与定量分级方法进行衡量，使其能够反映评价的真实含义，并将量化等级划分为优(

N

)、良(

N

)、中(

N

)、差(

N

)、劣(

N

)5个级别，每个级别均有规定的数值区间，在三级选址评价指标体系中，5个定性指标，7个定量指标，通过合理、有效的分级标准实现定性评价向定量评价转化，见表1。

2 基于未确知测度的选址模型

本研究采用组合权重理论与未确知测度理论构建未确知测度选址评价模型，对油气管道维抢修站队选址方案进行决策评价，其评价流程，如图2。

设油气管道维抢修站队选址决策有

m

个待评价方案，用

X

,

X

,…,

X

表示，则评价方案空间

X

={

X

,

X

,…,

X

}；每个评价方案有

n

个评价指标，用

I

,

I

,…,

I

表示，则评价指标空间

I

={

I

,

I

,…,

I

}；每个评价指标有

p

个评价等级，用

N

,

N

,…,

N

(

p

=1,2,…，5)表示，则评价等级空间

N

={

N

,

N

,…,

N

}。

表1 油气管道维抢修站队选址指标评价准则Tab.1 Evaluation criteria for site selection of oil and gas pipeline maintenance and repair station

图2 基于未确知测度的维抢修站队选址评价模型Fig.2 Site selection evaluation model for maintenance andrepair station based on unascertained measure

定义

x

为第

i

个选址方案

X

关于第

j

个评价指标的实测值，

u

=

u

(

x

∈

N

)为

x

属于第

k

个评价等级

N

的程度 (

i

=1,2,…,

m

；

j

=1,2,…,

n

；

k

=1,2,…,

p

)，若同时满足：0≤

u

(

x

∈

N

)≤1

(1)

u

(

x

∈

N

)=1

(2)

(3)

则称

u

为未确知测度，式(1)为“非负有界性”，式(2)为“归一性”，式(3)为“可加性”。

2.1 单指标未确知测度构造

依据未确知测度的定义构造单指标测度函数，构造测度函数的方法有直线法、二次曲线构造法、指数构造法等，均符合“非负有界、归一、可加”的基本原则，但针对油气管道维抢修站队选址规划问题，直线法具有计算简便、应用广泛，且满足定性与定量相结合的精度要求，因此选用直线法作为测度函数，在区间[

a

,

a

+1]上对应的函数表达式为：

(4)

(5)

式中：

x

—各评价指标实测值；

u

(

x

)、

u

+1(

x

)—指标实测值

x

关于

N

、

N

+1的测度；

a

、

a

+1—

N

、

N

+1上指标实测值

x

的中间值。则各指标测度值

u

构成的单指标测度评价矩阵为(

u

)×：

(6)

2.2 多指标未确知测度构造

油气管道维抢修站队选址规划评价指标的权重为

W

，若

u

∈[0,1]且满足：

(7)

则多指标未确知测度评价矩阵(

u

)×为：

(8)

2.3 置信度准则识别

引入置信度

λ

∈[0.5,1)，若

N

>

N

>…>

N

，令：

(9)

则认为选址方案

x

属于第

k

个评价等级

N

。

3 组合权重确定指标权重

油气管道维抢修站队的选址方案是一个多层次、多目标的复杂结构系统，各指标权重确定的合理性直接影响到整个评价模型的结果。主观赋权法(如德尔菲法等)往往未考虑评价指标间的内在联系，客观赋权法(如熵权法等)较多忽略决策者的知识、经验与阅历，因此，为使选址评价指标更加准确与符合现场实际，本文提出主客观相结合的博弈论组合赋权法进行权重计算，该方法可实现主客观赋权的统一，弥补单一赋权法导致指标权重精确度偏低情况的局限性。

3.1 主观权重计算

(1)指标序关系确定。通过专家群体决策，对维抢修站队的选址评价指标{

I

,

I

,…,

I

}中决策出最为重要的指标

I

'；在余下的

n

-1个指标中决策出最为重要的指标

I

'；依次类推，最终确定优选后的指标排序分别为：

I

'>

I

'>…>

I

'。(2)指标相对重要度计算。依据赋权规则计算相邻指标序

I

'-1与

I

'的重要性程度比值

r

，即：

(10)

(3)主观权重计算。若指标相对重要度

r

满足：

(11)

则主观权重可由式(12)计算：

(12)

3.2 客观权重计算

(1)数据标准化处理。对于油气管道维抢修站队选址规划指标体系，对于定性指标

I

，

I

，

I

，

I

，

I

，分为1-5等级实现对数据的量化处理；而对于其余定量指标，均是指标值越大，评价等级越低，且指标间的数量级、量纲以及量纲单位往往不一致，为消除量纲对选址规划评价的影响，利用式(13)对定量指标进行标准化处理，以解决数据指标间的可比性问题。

(13)

式中：

max{

u

}—指标测度值的最大值；min{

u

}—指标测度值的最小值；

r

—指标测度值的标准化值。(2)信息熵值与信息效用值计算。维抢修站队选址规划指标的信息效用值

d

由该指标的信息熵值

e

与1之间的差值决定，其值的大小反映了对选址规划的影响程度。

(14)

式中：

f

—第

i

个指标中第

j

个评价者的比例。

(15)

d

=1-

e

(16)

(17)

3.3 博弈论组合权重计算

为弥补主客观权重之间既冲突又协调的矛盾，基于博弈论思想对油气管道维检修站队选址指标权重进行组合优化，进而得到更为合理有效的组合权重。

(1)各级权重向量计算。对于多层次维修站队选址评价体系，选用

M

种赋权方法得到各级权重向量记为

W

对(

h

=1,2,…,

M

)：

W

[

w

1,

w

2,…,

w

]

(18)

同时引入线性组合系数

α

记为：

α

=(

α

,

α

,…,

α

)

(19)

则以选址三级评价指标为例，

M

种权重向量线性组合为：

(20)

(2)组合权重优化。为使

W

与

W

的距离差值达最小值，利用式(21)对系数

α

进行优化，即有：

(21)

则由矩阵的微分性质，可推导出式(21)的最优化一阶导数条件为：

(22)

(3)归一化处理。对系数

α

利用式(23)进行归一化处理，则有：

(23)

(24)

4 案例分析

4.1 工程实例

选取国家管网公司西部分公司所辖的武威某维抢修站队为研究对象，该维抢修站队地处河西走廊，隶属黄土高坡，地势南高北低、地形平缓，具有较优的地质条件与水文条件，周围人口密度稀疏；负责辖区4个作业区、9座油气储运站场、48座截断阀室的各类设备维护、检修；承担辖区范围内双兰线、西气东输一、二、三线和3条分输支线(金昌天然气分输支线、武威天然气分输支线、武威成品油分输支线)共计1 870.48km的事故及管道应急抢维修工作。

目前，对于该维抢修站队的应急抢险任务，交通运输条件便捷，一般可由先遣组携带先遣设备、仪器10min内装车出发赶赴现场，建设基地坡度平均约为7°，出警最大距离为33km，选址面积约为105m×68m，存在约150m的拆迁量，岩土体积约为25万立方米，距离最远油气储运站场约为123km，单位面积征地费用约为0.5万元/m，单位面积建设费用约为68万元/m。

4.2 选址评价

4.2.1 单指标测度函数构造

由单指标位置测度构造的定义及式(4)-(5)，结合油气管道维抢修站队选址评价指标体系及分级标准，采用直线型测度函数，构造选址评价单指标测度函数，如图3。其中，图3(a)是对于定性评价指标地理位置、地质条件、水文条件、交通运输条件、选址范围符合性，依据指标的评价准则及分级标准进行定性与定量的转化。而对于作业地幅条件、维抢修出警时间、维抢修出警距离、选址岩石体积、离储运站场距离、选址征地费用、选址建设费用等7个定量评价指标的单指标测度函数分别，如图3(b)-(h)。

4.2.2 单指标测度评价矩阵计算

根据国家管网公司西部分公司所辖的武威某维抢修站队选址及现场调研的实际结果，结合前文所述的未确知测度选址评价模型(见表2)，对该维抢修站队选址进行评价。

注：(a)：I1，I2，I3，I4，I9；(b)：I5；(c)：I6；(d)：I7；(e)：I8；(f)：I10；(g)：I11；(h)：I12图3 油气管道维抢修站队单指标测度函数Fig.3 Single index measurement function of maintenance and repair station of oil and gas pipeline

表2 某油气管道维抢修站队选址评价指标值Tab.2 Evaluation index value of site selection for an maintenance and repair station of oil and gas pipeline

依据表2取值结果以及构造的油气管道维抢修站队单指标测度函数，可计算得该维抢修站队的单指标评价矩阵(

u

1)：

4.2.3 组合权重及多指标测度计算

结合单指标评价矩阵(

u

1)，利用前文所述主观权重法(G1法)和客观权重法(熵权法)分别计算油气管道维抢修站队选址评价体系指标权重值，见表3。

由表3可知，主客观权重存在一定差异，因此需要利用博弈论组合赋权法对选址评价权重值进行集成运算。根据式(22)可计算得最优化一阶线性方程组为：

表3 油气管道维抢修站队选址评价指标权重值Tab.3 Weight value of evaluation index for site selection of maintenance and repair station of oil and gas pipeline

表4 油气管道维抢修站队选址评价指标组合权重值Tab.4 Weight value of evaluation index combination for site selection of maintenance and repair station of oil and gas pipeline

由所得组合权重值，结合式(7)及单指标评价矩阵(

u

1)，可计算得油气管道维抢修站队选址评价的多指标综合测度评价向量

U

：

U

=[0.271,0.404,0.093,0.231,0]

4.2.4 置信度识别和评价等级排序

由多指标综合测度评价向量

U

及置信度评价准则，取置信度

λ

=0.6，于是从小到大有

k

=0.675>0.6，油气管道维抢修站队选址评价为良(

N

)，从大到小有

k

=0.728>0.6，油气管道维抢修站队选址评价也为良(

N

)。由此可知，二次判别的结果一致，即认为该维抢修站队的选址规划评价等级为良(

N

)。

根据调研资料显示，将该评价结果与武威某维抢修站队的选址规划论证结果进行对比分析发现，基于未确知测度模型和博弈论组合权重的选址模型评价结果与实际论证结果基本一致，也即所构建的选址评价模型具有一定的有效性与实用性。

5 结论

(1)通过分析影响选址规划决策的各种因素，构建自然环境条件、工程作业条件、工程可实施性与工程经济性等4个方面的油气管道维抢修站队选址规划综合评价指标体系，并以现场调研与文献查阅为手段，研究各指标的定性与定量分级准则，为维抢修站队选址评价提供一定基础。

(2)为弥补主客观赋权法的各自缺陷，基于博弈论组合赋权法实现对油气管道维抢修站队选址评价指标权重耦合计算，通过熵权法考虑选址评价过程中数据信息的包含量，基于G1法综合专家的知识、经验、阅历以及主观能动性，二者结合能够使评价结果更符合现场实际、更具有代表性。

(3)针对维抢修站队选址规划评价的不确定性问题，基于未确知测度理论建立油气管道维抢修站队选址评价模型。该模型选用直线法构造单指标测度函数，结合博弈论确定指标权重并计算多指标测度，利用置信度准则对选址评价等级进行排序。将评价模型应用于国家管网公司所辖的武威某维抢修站队选址评价，应用结果表明该评价模型评价结果与实际论证结果较为吻合，具有较高的实用性与可操作性，为站队选址评价与安全决策提供一种新的借鉴和参考思路。