基于熵權物元理論的管道坡面水毀失效可能性評價

蔣常春，李 燦，周福剛

1.中國石油集團川慶鉆探測井公司(重慶400021)

2.中國石油西氣東輸管道公司蘇浙滬管理處(江蘇南京210002)

3.中國石油遼河油田分公司淺海石油開發公司(遼寧盤錦124011)

基于熵權物元理論的管道坡面水毀失效可能性評價

蔣常春1，李 燦2，周福剛3

1.中國石油集團川慶鉆探測井公司(重慶400021)

2.中國石油西氣東輸管道公司蘇浙滬管理處(江蘇南京210002)

3.中國石油遼河油田分公司淺海石油開發公司(遼寧盤錦124011)

為準確地評價油氣長輸管道坡面水毀的失效可能性，保障管道運行安全，提出一種基于熵權物元可拓理論的評價方法。建立管道坡面水毀的失效可能性評價體系;為減少主觀因素影響，采用熵權法計算指標權重值;引入物元可拓理論定量地評價失效可能性等級。評價結果表明，4處災害點的管道坡面水毀失效可能性等級分別為Ⅲ級(中等)、V級(低)、V級(低)和Ⅱ級(較高)，基本與客觀實際相符。

油氣管道;坡面水毀;失效可能性;熵權;物元理論

由于國內油氣管道里程迅猛增加，管道已成為我國五大交通運輸產業之一，為國民經濟發展不斷注入新鮮血液。但隨之而來的管道安全問題也成為企業、政府和社會關注的焦點，青島輸油管道11·22特大事故更是將這個問題推到風口浪尖之上。

坡面水毀是油氣長輸管道沿線的一種常見地質災害，對管道安全構成嚴重威脅。因此，管道坡面水毀失效可能性評價是確定油氣管道安全狀況的有效手段，也是修筑坡面水工保護設施的重要依據。文獻［1］采用層次分析法和模糊綜合評價法確定了管道水毀的安全等級;文獻［2］從不確定性出發，采用云模型理論實現管道坡面水毀的安全評價;文獻［3］引入變權原理，采用指標體系法計算管道坡面水毀的嚴重程度。以上研究都具有一定的借鑒意義，但在權重確定方面，均以主觀賦權量化各風險因素的重要程度，具有較強的主觀性，未考慮客觀因素的影響。因此，本文在以上研究的基礎上，采用一種客觀賦權模型計算指標的權重值，然后進一步引入物元可拓理論實現油氣管道坡面水毀的失效可能性評價，以期為管道的地質災害風險管理提供理論依據。

1 建立坡面水毀失效可能性評價指標體系

油氣管道坡面水毀是指分布在斜坡表面(地形坡度大于5°)上的季節性沖溝因降雨等因素影響形成坡面匯流，帶走坡面土壤或者沖刷管道設施，最終引起管道覆土不足甚至造成管道外露或懸空，具有較強的破壞性。坡面水毀受多種因素影響，借鑒已有研究［1-4］，遵循系統性、客觀性、可操作性、主導性和獨立性等基本原則［5-6］，從自然因素、管道敷設狀況、坡面現狀及防護效果等3大類指標出發，共選取了地形地貌特征等17個底層評價指標，如圖1所示。

圖1 油氣管道坡面水毀失效可能性評價指標體系

2 坡面水毀失效可能性的熵權-可拓評價

可拓學中將有序三元組(事物名稱N、事物特征C和事物特征的量值V)進行統一［7-9］，組成事物的基本元，記為R=(N，C，V)。首先根據熵權法確定管道坡面水毀各因素的相對重要性，再通過可拓模型進行綜合評價。

2.1 確定指標權重值

與層次分析法等主觀權重計算方法不同，熵權法是一種客觀賦權方法，它從樣本數據出發，通過一定的數學模型進行權重求解，避免了主觀因素的影響［10］。熵權法是依據現場客觀數據信息計算各指標的信息熵表示指標的變化程度，最終得到各要素權重值的一種方法。現假設有待評價的m段坡面水毀管道與n個底層指標，xij為第j段管道的第i個指標的得分值，熵權法計算步驟如下:

1)計算第j段管道的第i個指標得分值的比重pij:

2)確定第i個指標的熵值ei:

式中，k=1/lnm。

3)得到所有指標的熵值ei之后，可按式(3)計算第i個指標的熵權值ui:

2.2 確定經典域和節域

按照評價標準，將管道坡面水毀失效可能性評價劃分為t種分類等級(t=1，2，…，s)。當N0t為標準事物關于特征cj量值范圍V0tj=＜a0tj，b0tj＞時，經典域可表示為

式中，R0t為經典域物元;N0t為管道坡面水毀失效可能性類別;cj為決定N0t的影響因素(j=1，2，…，n)。

管道坡面水毀失效可能性評價的節域物元，本質上是各評價因素的從最低值到最高值的取值范圍，見式(5)。

式中，Rp為節域物元;Np為管道坡面水毀失效可能性評價的類別個體;Vpj=＜apj，bpj＞為節域物元關于特征cj的量化取值范圍;＜a0tj，b0tj＞?＜apj，bpj＞，j=1，2，…，n。

2.3 確定待評物元

根據實際情況對待評對象的物質單元的特征指標做出評價，按指標的實測值或者專家的經驗值確定指標的分值，從而獲得待評物元，見式(6)。

式中，Ni為管道坡面水毀失效可能性評價底層指標;vi為關于特征ci的取值。

2.4 確定底層指標關聯度函數

底層指標關于分類等級t的關聯度函數表達式為:

2.5 確定多指標綜合關聯度

綜合關聯度是指待評價的管道坡面水毀失效可能性對于各等級的歸屬程度，可表示為

2.6 確定失效可能性等級和級別變量特征值

式中，kt(vi)為底層指標相對不同失效可能性等級的關聯度;wi為底層指標的權重值，滿足，則所評價的管道坡面水毀N的失效可能性等級屬于等級t。

同時可得到級別變量的特征值，表示屬于某種失效可能性等級的程度，見式(9)

3 案例分析

現選取我國東部某管道公司汛前評估的4處坡面水毀地質災害點進行失效可能性評價。為便于分析計算，采用［0，100］論域上分值對各底層指標評價，分值越高表示失效可能性越低，并將管道坡面水毀失效可能性和底層指標劃分為5個等級(表1)。

表1 失效可能性等級劃分

表2 底層因素的評價分值及權重

3.1 指標的熵權值

邀請專家對各災害點的底層因素進行評價，之后通過2.1節的方法得到各因素的權重值(表2)。

3.2 可拓評價

以災害點A為例，進行管道坡面水毀失效可能性評價。運用2.2～2.4節中的可拓計算步驟確定各底層指標的關聯度(表3)。

按式(8)和式(9)可得災害點A對于各失效可能性等級的綜合關聯度和級別變量特征值，見表4。同理可得其余災害點的各等級關聯度和級別變量特征值(表4)。

從表4中可知，災害點A～D的管道坡面水毀失效可能性等級分別為Ⅲ級(中等)、V級(低)、V級(低)和Ⅱ級(較高)，評價結果與該公司風險識別和上報的修理計劃一致。

4 結論

1)坡面水毀是長輸管道所面臨的常見地質災害之一，從自然因素、管道敷設狀況、坡面現狀及防護效果3方面分析了坡面水毀的主要風險因素，建立了相應的評價體系。

2)引入熵權-可拓模型評價管道坡面水毀的失效可能性，充分發揮了熵權法客觀計算因素權重和

表3 災害點A的底層指標關聯度

表4 4處災害點的失效可能性等級關聯度和特征值

可拓量化評價的優點，減少了主觀因素的影響，使評價結果能夠反映現場實際情況，能夠為管道地質災害風險管理提供依據。

3)以數據采集為基礎的失效可能性評價是管道地質災害管理的前提和核心，逐步完善各類地質災害失效數據庫是今后管道完整性管理的工作重點。

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In order to accurately evaluate the possibility of long-distance oil/gas pipeline failure caused by flood damage of slope and ensure the safety of pipeline operation，an evaluation method based on entropy weight and extenics theory is proposed，and the evaluation model is established.The weights of indexes are calculated using entropy weight method to reduce the effects of subjective factors.The grades of the failure possibility can be quantitatively evaluated by extenics model.The evaluation results show that，the slope flood damage failure possibility grades of the pipeline at four places are middle，low，low and high respectively，which are in accordance with real circumstances.

oil/gas pipeline;flood damage of slope;failure possibility;entropy weight;matter-element theory

王梅

2015-03-03

蔣常春(1973-)，女，翻譯師，主要從事石油天然氣行業管理工作。