西氣東輸管道坡面水毀風險變權綜合評價*

郭磊 劉凱 姚安林 蔣宏業 史爽

1中國石油西氣東輸管道公司 2中國石油天然氣與管道分公司 3西南石油大學

西氣東輸管道坡面水毀風險變權綜合評價*

郭磊1劉凱2姚安林3蔣宏業3史爽3

1中國石油西氣東輸管道公司 2中國石油天然氣與管道分公司 3西南石油大學

在坡面水毀災害風險因素辨識的基礎上，結合西氣東輸管道災害易發地區的實際環境狀況和管理條件，可以將水毀災害的風險因素歸納為自然因素、管道敷設狀況、災害活動以及設計與誤操作四大類。在進行管道坡面水毀風險評價時，必須建立一個科學的權重賦值模型。采用變權方法對各因素的權重進行賦值，能夠克服常權賦值方法的缺陷，合理地反映各評價指標的相對重要度和指標值對管道風險值的綜合影響。結合工程要求和各個變權形式的特點，管道坡面水毀災害風險評價應建立懲罰與激勵相結合的局部變權模型。

西氣東輸；坡面水毀；變權賦值；風險評價

西氣東輸管道橫貫我國東西，不可避免地穿越山地、黃土塬等地質地形條件復雜的地區，加之降雨和人類活動的影響，這些地區常常會發生各類地質災害，威脅管道的安全。由于坡面水毀災害具有突發性和快速成災性等特點，因而已成為部分管道亟需防治的主要災害[1-3]。管道坡面水毀災害風險評價的目的就是為制定合理的風險緩解方案提供決策依據。

圖1 西氣東輸管道坡面水毀災害風險因素層次關系

1 風險因素指標體系

1.1 指標分類

在坡面水毀災害風險因素辨識的基礎上，結合西氣東輸管道災害易發地區的實際環境狀況和管理條件，可以將水毀災害的風險因素歸納為自然因素、管道敷設狀況、災害活動以及設計與誤操作四大類。各類一級風險因素對應的二級風險因素見圖1。

1.2 指標分析

二級風險因素是相應一級風險因素的進一步細化，在對管道進行評價時，假設各二級風險因素指標的賦值范圍均為0~100分，指標值愈大，表示愈有利于管道安全。

（1）自然因素。主要是指管道所在斜坡的地形、地質、水文條件以及人類工程活動對這些條件的破壞或改善。在對該項指標進行評價時，應注意以下幾種造成或加劇坡面水土流失的情況，即大坡降斜坡、鹽漬土、膨脹土、黃土、軟土、土體松散、植被稀少、強降雨、冰雪融水沖刷、潰水沖刷、灌溉水沖刷和灌溉水滲透等。

（2）管道敷設狀況。主要是指管道在坡面水毀災害易發地區的敷設現狀。不同的敷設位置和管道埋深，對坡面水毀災害的抵御能力是不同的。

（3）災害活動。主要是指在斜坡表面已經存在的水毀跡象（地表破壞跡象和管道破壞跡象）和災害發生的頻繁程度。管道坡面水毀災害風險評價的主要內容是評價水力侵蝕繼續發展將對管道造成的危害，因此災害活動情況是進行評價的基點。在對該項指標進行評價時，應注意以下幾種典型的坡面水毀跡象，即坡面沖溝、坡面沉陷、斷頭渠、落水洞、管道被堆埋、管道覆土減薄、管道外保護層受損、管道裸露和管道懸空等。

（4）設計與誤操作。主要是指管道在設計、施工和管理方面是否因考慮水毀災害的影響而采取了相應措施，這是避免或緩解管道遭受坡面水毀災害的重要因素，也是管道管理者可以不斷改進的主要方面。

1.3 風險值的計算

管道坡面水毀災害風險值表示待評管段遭受坡面水毀破壞的程度，可按相關文獻給出的公式計算。

式中H為管道坡面水毀災害風險值；n為二級風險因素指標數；wi為第i個風險因素的權重；xi為第i個風險因素的指標值；K為泄漏影響系數。

按公式（1）得到的風險值愈大，表示管道愈安全。

2 風險因素指標權重賦值模型

為了準確評價管道水毀災害，不僅要求風險因素指標體系能夠科學、全面地概括造成管道水毀災害的主要因素，而且還要求在評價中所采用的權重賦值模型能夠準確地量化各個風險因素對管道風險評價結果的影響。因此，在進行管道坡面水毀風險評價時，必須建立一個科學的權重賦值模型。

2.1 常權賦值模型的缺陷

常權賦值模型可以較好地反映各基本因素的相對重要度，但是由于權向量始終固定不變，因而無法反映風險因素指標值的劇烈變化對管道風險的影響[4]。事實上，在管道坡面水毀災害風險評價中，各風險因素的重要程度是隨著因素指標值的改變而改變的，當其中1~2項重要指標值低于一定的閾值時，會大大增加該管段遭受坡面水毀的可能性。由于管道坡面水毀災害因素指標眾多，如果采用常權賦值模型對風險因素權重進行賦值，這時危險常常會被其他指標值中和而無法對評價結果產生足夠的影響，從而大大降低了評價的準確性和可信度。

對于這種常權賦值模型中由于眾多指標的平均化所引起的評價不合理問題可以舉例說明。假設管道坡面水毀災害一級風險因素的權向量W=(0.25,0.25,0.25,0.25)，管段1、管段2的風險因素指標值向量分別為X1=(50,50,50,50)、X2=(10,90,10,90)，且泄漏影響系數均為1。采用常權賦值模型得到的管道風險值分別為H1=0.25×50+0.25×50+0.25×50+0.25×50=50、 H2=0.25×10+0.25×90+0.25×10+0.25×90=50，即管段1與管段2的風險評價結果完全相同。但是，從指標分析可知，自然因素和災害活動均十分惡劣的管段顯然更易發生管道水毀破壞。由此可見，常權賦值模型的評價結果未能很好地反應工程實際情況。

2.2 變權綜合原理

變權賦值方法與常權賦值方法相比，其最大的優點是不僅考慮了各基本因素的相對重要性，而且考慮了因素指標值的差異性對目標值的影響，這兩方面的作用同時體現在可變的權重之中。因此，采用變權方法對各因素的權重進行賦值，能夠克服常權賦值方法的缺陷，合理反映各評價指標的相對重要度和指標值對管道風險值的綜合影響。

（1）數學原理。變權綜合是因素空間理論的重要內容之一。李洪興教授在文獻[5]、[6]中深入地闡釋了變權綜合理論，并給出了變權原理。即在變權向量空間里，設X=(x1,x2,…,xn)為風險因素指標值向量，變權向量W(X)=[w1(X),w2(X),…,wn(X)]就是因素常權向量W0=(w01,w02,…,w0n)與狀態變權向量S(X)=[S1(X),S2(X),…,Sn(X)]的歸一化Hadamard乘積

為了便于工程應用，文獻[5]同時給出了懲罰型變權、激勵型變權、混合型變權的公理化定義，文獻[7]給出了局部變權的公理體系。

（2）工程要求。為了客觀、準確地反應風險因素對管道風險值的綜合影響，風險因素變權賦值模型應該滿足以下三個條件：第一，能夠反映各個風險因素指標的相對重要度。管道的風險程度在很大程度上取決于常權值大的指標，因此變權模型應該對常權值大的指標反應靈敏，且常權值越大，相應的懲罰或激勵幅度就應該越大。第二，能夠設置不同的懲罰閾值，對不同水平的風險因素指標值進行分段懲罰。第三，能夠正確反映風險因素指標值對管道風險的影響。在管道坡面水毀災害風險評價中，單一風險因素指標值非常低時，往往會使管道風險顯著增加，但是單一風險因素指標值非常高時，卻不一定會使管道風險顯著降低。因此，變權模型的懲罰幅度應比激勵幅度大。

2.3 變權賦值模型

結合工程要求和各個變權形式的特點，管道坡面水毀災害風險評價應建立懲罰與激勵相結合的局部變權模型[7]。根據工程數據實驗，構造局部狀態變權映射，如圖2所示。公式為

式中n為風險因素指標數，此處n=21；a為否定水平，a∈[0,100]；b為及格水平，b∈[0,100]；c為激勵水平，c∈[0,100]；d為調整水平，d∈[0,100]；e為w0i=1/n時激勵與懲罰的幅度之比，e∈[0,1]；xi為第i項風險因素指標值，xi∈[0,100]。

式（2）和式（3）即為管道坡面水毀災害風險因素變權賦值模型。

圖2 局部變權映射曲線

由圖2可見，當xi∈[0,a)時，懲罰程度最大；當xi∈[a,b)時，懲罰程度隨xi的增大而減小；當xi∈[b,c)時，對第i個指標主觀上既不懲罰也不激勵；當xi∈[c,100]時，激勵程度隨xi的增大而增大。圖2中縱坐標的M代表由式（3）第1式算得的值，N代表由式（3）第4式算得的值。

3 應用實例

對西氣東輸管道坡面水毀災害易發管段分別進行常權和變權風險評價，假設各管段泄漏影響系數均為1，取a=30、b=60、c=90、d=20、e=0.8，用VB編程實現模型算法，給出管段1、管段2和管段3的風險評價數據。

從風險評價數據的計算結果可以看出，采用變權法得到的各管段風險值與常權法得到的風險值均有一定程度的變化。假定風險值0~19為高風險，20~39為較高風險，40~59為中等風險，60~79為較低風險，80~100為低風險，進一步計算變權賦值對評價結果的影響，結果見表1。

表1 變權對評價結果的影響

由風險評價數據及變權對評價結果的影響可見，管段1除B3和D2的指標值較高外，其他指標值均比較適中，通過變權風險評價，管段1的風險值有所增加（增幅為4.8%），實現了激勵效果；管段2、管段3除B3和D2的指標值較低外，其他指標值均比較適中，通過變權風險評價，管段2、管段3的風險值均有不同程度的降低（降幅分別為13.0%和24.5%），實現了懲罰效果。對比管段1和管段2的風險值變化幅度可知，該模型實現了懲罰幅度大于激勵幅度的要求；對比管段2和管段3的風險值變化幅度可知，管段3所接受的懲罰力度大于管段2的懲罰力度，這是因為管段3的B3和D2指標值已經低于否定水平，變權賦值模型加大了對管段3的懲罰水平，即實現了對不同水平的因素指標值進行分段懲罰的目的。對比各管段B3和D2的權重變化可知，該模型對于常權權重較大的風險因素（如B3）反應靈敏，懲罰或激勵的幅度均較大，對常權較小的風險因素（如D2）懲罰或激勵的幅度則相對較小。

以上分析證明，該模型可以較好地滿足工程應用中對風險因素權重的變權要求，從而說明所建立的管道坡面水毀風險變權綜合評價方法是切實可行的。

4 結語

西氣東輸管道坡面水毀災害風險變權綜合評價方法構建了較為全面的風險因素指標體系，并采用變權賦值模型解決了常權賦值模型由于眾多指標的平均化所引起的評價不合理問題。該方法可以很好得適應工程應用中對風險因素權重的動態要求，具有較好的應用前景；當然，對于變權賦值模型中各參數的取值方案，還應在生產實踐中進一步優化，以提高西氣東輸管道坡面水毀災害風險變權綜合評價方法的準確性和可信度。

[1]鮮福，關惠平，姚安林，等．西氣東輸管道地質災害辨識[J]．油氣田地面工程，2010，29（3）：80-82．

[2]胡濤，曾繼磊，牛振宇，等．西氣東輸二線甘肅段地質災害及防護措施[J]．石油工程建設，2010，36（1）：112-115．

[3]趙忠剛，姚安林，趙學芬，等．長輸管道地質災害的類型、防控措施和預測方法[J]．石油工程建設，2006，32（1）：7-12．

[4]趙忠剛．姚安林．基于變權賦值模型的應急預案質量優選[J]．油氣儲運，2009，28（4）：30-78．

[5]李洪興．因素空間理論與知識表示的數學框架（Ⅷ）——變權綜合原理[J]．模糊系統與數學，1995，9（3）1-9．

[6]Hong-Xing Li．Fuzzy Decision Making Based on Variable Weights[J]．Mathematical and Computer Modeling，2004（39）：163-179．

[7]姚炳學，李洪興．局部變權的公理體系[J]．系統工程理論與實踐，2000（1）：106-109．

10.3969/j.issn.1006-6896.2011.11.001

基金論文：四川省教育廳資助科研項目“超臨界CO2管道輸送技術研究”（09ZB097）。

郭磊：碩士，2011年畢業于西南石油大學油氣儲運工程專業，現在中國石油西氣東輸管道公司從事油氣儲運設備的維護與管理工作。13688327021、guolei0629@163.com

（欄目主持 楊 軍）