基于三角模糊和故障樹理論的西氣東輸管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)分析*

史 爽 郭 磊 徐濤龍 趙新好

西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院(四川成都610500)

基于三角模糊和故障樹理論的西氣東輸管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)分析*

史 爽 郭 磊 徐濤龍 趙新好

西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院(四川成都610500)

依據(jù)第三方施工對(duì)管道造成破壞的影響因素，建立故障樹。針對(duì)基本事件發(fā)生概率不確定的情況下，引入三角模糊理論，將基本事件的發(fā)生概率描述為模糊數(shù)，采用正態(tài)的R-L模糊數(shù)為參照函數(shù)，修正了各基本事件的發(fā)生概率，通過模糊運(yùn)算規(guī)則得出第三方施工對(duì)管道破壞概率的區(qū)間值。應(yīng)用中值法確定各底事件的模糊重要度，并對(duì)此進(jìn)行排序，確定主要影響因素，最后提出相應(yīng)的措施以減少第三方施工對(duì)管道的破壞。

三角模糊故障樹第三方施工風(fēng)險(xiǎn)分析西氣東輸

近年來，隨著天然氣需求的迅速增長(zhǎng)，管道建設(shè)的步伐逐漸加快，大量的現(xiàn)場(chǎng)資料調(diào)查表明，管道第三方破壞造成的事故呈上升趨勢(shì)，油氣管道第三方破壞已經(jīng)成為威脅管道安全的主要影響因素，第三方破壞可能直接導(dǎo)致管道破裂，引起管輸介質(zhì)泄漏或火災(zāi)爆炸事故，威脅管道周邊（特別是高后果區(qū)）的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。結(jié)合西氣東輸管道第三方事故的危害形式研究，分析得到管道第三方破壞的主要危害形式包括：①第三方施工造成的破壞（如：施工造成的開挖破壞、違章施工的開挖破壞、意外施工、河流魚塘以及渠道的清淤破壞等）；②占?jí)海ㄈ纾航ㄖ級(jí)?、物料堆放等）；③重型車輛碾壓（如：違章通行、管道保護(hù)失效等）；④其他破壞（如：惡意破壞等）。

針對(duì)第三方破壞事件概率無法量化成精確值的事實(shí)，將三角模糊數(shù)引入到故障樹分析方法中，成功地建立了以模糊理論為基礎(chǔ)的管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)分析模型，該模型有效地克服了傳統(tǒng)故障樹無法對(duì)系統(tǒng)的不確定性因素進(jìn)行定量分析的缺陷，對(duì)管道第三方破壞風(fēng)險(xiǎn)管理具有較強(qiáng)的工程意義。

1 原理概述

1.1 三角模糊數(shù)簡(jiǎn)介

模糊理論是由扎德在1965年提出來的[2]，用來處理現(xiàn)象不精確和模糊的問題。三角模糊數(shù)（圖1）在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛，故本文只介紹三角模糊數(shù)的方法。

1.2 故障樹分析方法概述

故障樹分析方法，就是對(duì)引起系統(tǒng)故障的各種因素進(jìn)行分析，畫出邏輯框圖（故障樹），從而確定系統(tǒng)故障原因的各種組合方式和發(fā)生概率，進(jìn)而采用相應(yīng)的改進(jìn)措施，是提高系統(tǒng)可靠性的一種分析方法[3,4]。

數(shù)學(xué)描述為：設(shè)xi(t)為底事件i在t時(shí)刻所處的狀況。如果底事件i在時(shí)刻t發(fā)生，則xi(t)=1；如果底事件i在時(shí)刻t不發(fā)生，則xi(t)=0。底事件i在時(shí)刻t發(fā)生的概率等于隨機(jī)事件xi的期望值，因此有：Pi(t)=P{xi(t)=1}。

同理，頂事件的狀態(tài)必然是底事件向量X(t)={x1(t),x2(t),…,xn(t)}的函數(shù)，設(shè)Φ為描述頂事件的隨機(jī)變量，則頂事件在時(shí)刻t發(fā)生的概率PΦ等于：

故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)可用最小割集進(jìn)行描述，其結(jié)構(gòu)函數(shù)一般分為或門（or）、與門（and）兩種。分別表示為：

故障樹分析計(jì)算是根據(jù)布爾代數(shù)原理和概率論進(jìn)行的，除了可以計(jì)算頂事件發(fā)生的概率，還可以求出底事件在故障樹中對(duì)頂事件所造成的影響重要度系數(shù)。

1.3 模糊故障樹理論

傳統(tǒng)的故障樹是把事件發(fā)生的概率處理成一個(gè)精確值，很難對(duì)系統(tǒng)的不確定性因素（如第三方施工對(duì)管道造成的破壞發(fā)生概率）用數(shù)學(xué)模型或者公式來分析計(jì)算。為此，把三角模糊數(shù)理論引入故障樹分析中，建立三角模糊故障樹，并應(yīng)用模糊計(jì)算法則進(jìn)行分析計(jì)算。

應(yīng)用三角模糊理論進(jìn)行處理，得到與門算子為：

或門算子為：

式中qi—i事件發(fā)生的精確概率；∏—模糊乘法運(yùn)算。

2 結(jié)合西氣東輸管道的實(shí)例風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估方法相對(duì)于確定性評(píng)估方法和概率評(píng)估方法而言，它將事故發(fā)生的概率及其產(chǎn)生的后果相結(jié)合，將風(fēng)險(xiǎn)與效益聯(lián)系起來進(jìn)行分析。本文對(duì)第三方施工造成管道破壞進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)分析，綜合考慮了第三方破壞的可能性和破壞造成的危害程度。

2.1 建立故障樹

故障樹的建立是故障樹分析法中最基本、最關(guān)鍵的部分，依據(jù)第三方施工造成管道破壞的各因素的不同性質(zhì)，建立故障樹（圖2）。

從圖2中所列的因素，不但可以找出影響上層事件發(fā)生的原因，而且能夠針對(duì)這些原因制定出相應(yīng)的預(yù)防措施，為第三方施工造成管道破壞的防止提供了一定的參考。基本事件如表1所示。

2.2 故障樹分析

由于在第三方施工中，各基本事件具有很大的隨機(jī)性，發(fā)生的可能性也很小，很難得到發(fā)生事件的精確概率。因此，應(yīng)用模糊理論，認(rèn)為發(fā)生的概率是一個(gè)模糊數(shù)[5]。

由于第三方施工造成的管道泄漏是一個(gè)小概率事件，因此基本事件發(fā)生的概率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較少，為了較可靠地反映工程實(shí)際情況，本文應(yīng)用專家打分法評(píng)定各事件的發(fā)生概率的估計(jì)值，評(píng)定組由4位專家組成。每個(gè)專家根據(jù)自身情況的不同，權(quán)重也有所差異。根據(jù)其實(shí)際情況，考慮3個(gè)權(quán)重項(xiàng)，并將各項(xiàng)細(xì)分為5個(gè)級(jí)別，具體分配情況見表2，利用強(qiáng)制比較法對(duì)其進(jìn)行賦值，則第k位專家的重要度為：

表1 故障樹基本事件

表2 專家權(quán)重因素表

續(xù)表1故障樹基本事件

其中，項(xiàng)目號(hào)i=1，2，3；專家號(hào)k=1，2，3，4。

設(shè)第k位專家對(duì)事件n的打分估計(jì)值為Mkn，則k位專家對(duì)事件n加權(quán)平均模糊數(shù)為：Mn=R1M1n+R2M2n+…+RkMkn

設(shè)估計(jì)概率值服從正態(tài)分布，取估計(jì)均值為m，方差σ，它的值落在區(qū)間[u-3σ,u+3σ]的概率為99.7%，故設(shè)α=β=3σ，將各概率值表述為(3σ,m,3σ)?；臼录悄：幚砗蟮母怕嗜绫?所示。

故障樹中基本事件發(fā)生與否直接影響著頂事件，但是各事件的發(fā)生對(duì)頂事件所起的作用并不相同，即各基本事件的重要度不同。應(yīng)用最小割集分析基本事件的重要度時(shí)，認(rèn)為各底事件發(fā)生的概率一樣，在實(shí)際中，只能很粗略地判斷各事件的重要度。而中值法能夠克服這個(gè)不足，故本文應(yīng)用中值法[6]確定基本事件的重要度。

設(shè)故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)為Φ(x1,x2,…,xn)，xi是故障樹的基本事件，其可能性分布模糊數(shù)為則頂事件可能分布概率為中位數(shù)記為PZ。

基本事件xi的模糊重要度：

如果Si＞Sj，則認(rèn)為xi比xj對(duì)頂事件影響大。利用3σ法則，認(rèn)為三角模糊數(shù)處理為左右對(duì)稱圖形，根據(jù)公式（3）得到底事件的排序?yàn)椋篩5=Y6=Y7＜Y1＜Y10＜X1＜Y2＜Y11＜X2=X3=X4=X5=X6=X7＜Y4＜Y16=Y17=Y18＜X19＜Y19=Y23＜Y9＜Y12＜Y13＜Y14＜X12=X13=X14=X15=X16=X17=X18＜X24=X25＜X20=X21=X22=X23＜X8=X9=X10=X11＜Y3＜Y15＜X26=X27=X28。

表3 基本事件三角模糊處理數(shù)據(jù)表(10-4)

3 結(jié)論及建議

（1）根據(jù)頂事件的確定原則，確定“第三方造成管道的破壞”為故障樹頂事件，然后以“管道破壞的可能性”和“管道破壞的嚴(yán)重性”為次頂事件，逐次分析其原因，層層深入，最后建立故障樹模型，

（2）引入三角模糊理論，對(duì)故障樹進(jìn)行定量分析，得到頂事件發(fā)生的模糊失效概率為5.616×10-6，從而也確定了各底事件對(duì)頂事件的影響程度。

（3）管道埋深資料缺失，走向資料缺失，地質(zhì)資料缺失，當(dāng)?shù)厝丝诘拿芏纫约氨Ｗo(hù)措施的失效等都對(duì)頂事件的發(fā)生起著重要的作用，所以，在實(shí)際中，應(yīng)該加大管理力度，盡量減少管道破壞的發(fā)生。

[1]趙忠剛,姚安林,蔣宏業(yè),等.油氣管道第三方破壞的研究進(jìn)展[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2008,24(11):5-9.

[2]李青,陸廷金,李寧萍,等.三角模糊數(shù)的模糊故障樹分析及其應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,29(1):56-59.

[3]毛建,蔣宏業(yè),李又綠,等.油氣管道第三方破壞人為因素分析研究[J].石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督,2010,26(1):12-15.

[4]張乃祿,趙曉姣,胡長(zhǎng)嶺.油田聯(lián)合站故障樹評(píng)價(jià)研究[J].油氣田地面工程,2007,12(11):3-5.

[5]趙奇峰,劉宏菊.基于模糊影響圖的油氣長(zhǎng)輸管道工程環(huán)境經(jīng)濟(jì)損益分析研究[J].石油工程建設(shè).2006,32(12):5-8.

[6]伍愛友,施式亮,王從陸.基于事故樹方法與三角模糊理論耦合理論的城市火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2009,19(7):31-36.

The fault tree is built up based on the influencing factors of third party construction damage to natural gas pipeline.With the uncertainty of the occurrence probability of basic events,the triangle fuzzy theory is introduced into the research.The probability of basic events is described as the fuzzy number while the positive R-L fuzzy number is used as the reference function,and then the occurrence probability of basic events has been modified.Meanwhile,the interval value of the probability of third party construction damage to the pipelines has been concluded from the regulation of fuzzy calculation.The median algorithm is applied to the determination about the fuzzy significant degree of different bottom events,followed by ordering them and determining major influencing factors.At last,some corresponding measures are presented so as to reduce the third party construction damage to pipelines.

triangle fuzzy;fault tree;the third party construction;risk analysis;west-to-east natural gas transmission

2010-08-26▎

*基金論文：中國(guó)石油西氣東輸管道公司項(xiàng)目（XQSGL01423）與國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2006BAK02B01）資助

史爽（1986-），男，現(xiàn)為西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)在讀碩士研究生，從事油氣管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)與完整性管理研究工作。