城市燃气管道脆弱性评估及保护策略

王东良，魏甜甜，魏秀泉(山西明德能源产业技术研究有限公司，山西 太原 030021)

0 引言

天然气被国内外公认是最清洁的燃料能源之一，已经成为了构成城市生活的重要部分，管道运输是最主要的燃气运输形式，也是城市基建设施的一个主要部分。经过数年的发展，中国已经实现了气源供应形式多样化，调峰方法适宜度增加，大部分燃气管道能安全、可靠运行[1]。但客观的讲，当前城市燃气管道安全运维管理实践中依然存在一些不足，比如管道普遍老龄化及质量缺陷严重，管道产权归属模糊及应急处理能力薄弱等，增加了管道受损及失效的风险，对人们生命财产安全构成一定威胁。站在脆弱性削减的视角分析燃气管道的安全问题，主动辨识、防御危险因素，进而使管道本质安全得到更大保障。

1 燃气管道脆弱性的内涵

管道系统脆弱性并不是系统遭受扰动引起的，究其根本是因系统内自身就存在着本质属性，即在系统遭扰动前就已经客观存在了，只是有外界威胁因素作用于系统形成敏感性扰动时，才会呈现其脆弱性。城市燃气管道的独特性表现在如下两点[2]：(1)不稳定性，系统本体存在着一些缺陷与薄弱点，其在系统内部会相互制约、影响，以致系统自身产生脆弱性；(2)管道被建立在复杂的城市环境内，当发生灾害事故时，对其他市政管网等基础设施产生一定影响，严重时造成设施大面积失效，不利于城市社会正常运作。故而，站在这个角度上分析，燃气管网脆弱性评估和其所在的城市环境密切相关。

2 城市燃气管道脆弱性的评估方法及等级分析

2.1 脆弱性的评估方法

(1)计算脆弱性指标的权重：这是在层次分析的基础上进行的。这个模型建设过程中需要有数个指标的支持，所以涉及到权重配置问题在所难免。关于系统内各项脆弱性指标的重要性，是通过各个被赋予权重的指标组合而成的。结合既往做出的大量统计及客观分析限时情况后，分析管网系统内脆弱性同级指标所占比例，能够获得燃气管道系统的脆弱性分析结果。主要有[3]：

弱性权重的向量：A=[0.73 0.27]；

致灾因子脆弱性相关指标权重的向量：A1 =[0.15 0.09 0.06]；

在涉及时段内脆弱性权重的向量：A11 =[0.22 0.09 0.18]。

(2)基于模糊综合评价能够获得脆弱性模型的计算分析结果，具体是解读以上所得权重各自对应的各项矩阵情况，以此为据建设模糊评价模型，最后获得和各项作用相对应的权重，以及不同因素的综合评估影响结果[4]：

(3)通过对各算子进行模糊合成，利用常规的实数乘法进行计算，最后获得了常规修正以后的实数。以上是评价所有底层指标的分值后，获得管网系统的最大脆弱性评估计算方法。

2.2 模型评价的等级分析

当前，针对燃气管道的脆弱性评价，相应的等级划分标准主要是以模糊评价模型为基础建立的。关于等级分配标准的问题，国内外均形成了很多研究成果，主要被分成如下几项内容[4]：

(1)非常脆弱：管网脆弱性指数< 20，既往屡次发生泄漏事故，并形成相应记录，内部存在较大的隐患因素。

(2)比较脆弱：20≤脆弱性指数< 40，管段不能维持正常运转状态，有随时发生事故的风险。

(3)脆弱：40≤脆弱性指数< 60，评估后认定管段的事故临界性偏高，相应的巡检、运维工作上存在较多的不足。

(4)不太脆弱：60≤脆弱性指数< 80管段，基本能维持燃气管段的正常运转状态，常规巡检及运维管理工作相对合理化。

(5)不脆弱：80≤脆弱性指数< 100，评估判断管段运行状态安全，保护、维管方法较为合理、妥当。

3 攻防策略下的管道保护模型

在实际工程建设活动中，不管是在设计还是施工环节均对燃气管道进行相应保护，并且把以脆弱性评估模型下的管道保护方法作为事前保护主体方案。故而，在对敏感性因素产生攻击行为时，我们主观上认为前期时保护人员就已经对管道采取了一定保护措施，攻击者以后采攻击、破坏敏感性因素。

采用G(N，E)表示燃气管网，N、E分别代表消耗节点，燃气运输管道，E={e1，e2，…em0}。和其相对应的，各条边的脆弱度可以表示成C={c1，c2，…cm0}。

利用向量S表示当前运输管道的衔接状态，S=0时代表管道状态良好，S=1说明管道承受一定攻击并且已经断离或者抵达设计的脆弱度阈值。X与Y分别作为攻击向量，其中X={x1，x2，…xm0}，Y={y1，y2，…ym0}，向量内元素是攻击/防守强度的比值。

式中：α、β分别为攻防结果的影响系数；θ为能抵达目的的最低攻击强度；m为竞争强度。

maxyiF(Y)在这样的工况下，燃气管道保护规划模型[5]：

式中：yi≥0(i=1，2，…，m0)

如果城市燃气管道主干线运行状态良好，但是整体上存在着一定催化性，处于比较脆弱与脆弱之间的管线长度在总长中占比高于50%，且脆弱度呈现出增高的曲线。为了达到事前管理控制，需要辨别脆弱度偏高管道管线，并研究相关的保护性策略。

具体是采用MATLAB R2014a及Bioinformatic Toolbox 工具箱对B管道的保护策略加以分析，具体是先对管道进行规范化处理，使其抽象化变成拓扑复杂结构，网络上带有箭头的线路表示的是天然气的输运方向，边缘上括号中的阿拉伯数字代表相应管线的标记，外部表示的是脆弱度。

研究一定资源条件下管道系统的最佳保护策略，进而使攻击行为对绩效的降低效果达到最低。具体分析时，为了能和工程实际更加贴切，可以自由进行攻击，但是对于承灾体来说，以上这些攻击应均等配置到各组件节点，故而在构建的攻击局势内，保护向量Y迭代次数最多是10次，共计存在着100个样本，模拟次数1是300，设定脆弱度阈值2.4。

经分析后发现，当有攻击行为作用在组件上时，在均等保护即自适应覆盖均等保护轻的状况下，拓扑网络的生存概率不会出现明显改变，而自适应保护策略则会丧失保护能力。

鉴于现有燃气管线脆弱性处于较低等级的实际情况，可以尝试采用适当的冗余路径进行保护，即尽可能地在网络的冗余路径上合理部署所有保护性资源。这样在遭受攻击时，就会快速把主要路径的输送压力配置到冗余路径上，不仅能提升燃气管道路径的生存概率，还能在较低的风险状态下实现对冗余路径的有效保护，进而能显著减轻关键管线的运输压力，使其运输过程的安全性、可靠性得到更大保障。

4 结语

总之，燃气管线是现代城市内的一种关键的基础设施，在广大市民生活中发挥重要作用，其运行安全直接关系着国计民生。要以保护管线安全为宗旨对其脆弱性进行风险评判，建立出专门针对管道薄弱位置及风险隐患因素的风险机制分析途径。利用模糊综合评价模型分析燃气管道的特性，计算出管段的脆弱至及脆弱等级，希望能对攻击保护策略方案的编制提供一定参考，提升后期燃气管线项目的管理水平，为中国城市社会发展作出一定贡献。