油氣管道坡面水毀風險評價中的不確定性因素分析

鄭青川，張錦偉

油氣管道坡面水毀風險評價中的不確定性因素分析

鄭青川，張錦偉

中國市政工程西南設計研究總院有限公司燃氣熱力院(四川成都610081)

油氣管道坡面水毀評價體系中涉及隨機性與模糊性相綜合表示的問題，從不確定性入手，簡要說明了不確定性定義，不確定性在油氣管道坡面水毀的一些表現。重點分析了人的因素的不確定性，評價準備階段的不確定性，不確定性評價方法。在不確定性因素的基礎上，從失效因素的認識和不確定性推理過程2個方面做出一些改進，并給出了權重云模型具體算法，解釋了權重的不確定性對后續評價結果的影響。針對評價過程中的各種不確定性因素的特點，提出了相應的規避措施。

油氣管道;安全工程;不確定性;云模型;坡面水毀;風險評價

油氣管道坡面水毀是一類久治不愈的地質災害[1]。風險評價是油氣管道坡面水毀安全管理核心的工作，亟需進行安全管理研究，降低油氣管道坡面水毀風險評價結果的不確定性，提高安全管理水平。由于在評價的準備工作期間，在油氣管道坡面水毀評價過程中，以及該過程中的風險辨識、危害評價、危害敏感性分析，再到最后評價結果，無不充斥著不確定性的影子。如果最后評估的結果不確定性很大，那就意味著相關決策者會隨著這種不確定性做出決策，可能引發一系列嚴重的后果，使得整個評價的流程失去意義。因此有必要對油氣管道坡面水毀風險評價的不確定性做一個詳盡的分析，從根源上找出這種不確定性產生的原因、不確定性的影響，以及如何規避這種不確定性，為以后的油氣管道管理運營和風險評估質量改進提供指導。

1 不確定性起源和定義

“不確定性”一詞最早出現于1836年詹姆斯·穆勒的《政治經濟學是否有用》一文中[2]。諾貝爾經濟學獎、圖靈獎獲得者赫爾曼·西蒙，從認知科學和行為科學出發，認為不確定性不可避免。在經濟領域中，不確定性指經濟行為者在事先不能準確地知道自己的某種決策的結果，只要經濟行為者的一種決策的可能結果不止一種，就會產生不確定性[3]。在研究量子力學中量子運動的不確定性時，由于觀測對某些量的干擾，使得與它關聯的量(共軛量)不準確，這就是不確定性。經濟學中關于風險管理的概念的不確定性，主要指經濟主體對于未來的經濟狀況(尤其是收益和損失)的分布范圍和狀態不能確知。近十幾年來，隨著科技的不斷發展，不確定性在各個行業普遍存在，不確定性所產生的問題也逐漸被社會各界重視。在《不確定人工智能》[4]一書中，不確定性主要包含5個方面:隨機性、模糊性、不完全性、不穩定性和不一致性，目前國內研究的不確定性主要指隨機性和模糊性。

2 油氣管道坡面水毀安全評價不確定性因素

油氣管道風險評估是一個多因素綜合評定過程[5]。在評估過程中，國內外的應用和研究實踐都表明，管道地質災害評價的準確性與如下的幾條信息有關:①收集的歷史資料完整性;②油氣管道敷設坡面防護有效性;③參與評價的團隊成員相關知識經驗，心理素質等;④評價過程中考慮的因素是否全面;⑤評價方法選取是否得當，評價體系劃分是否合理等。不確定性分析的具體流程如圖1所示。從圖1可以看出，油氣管道的不確定性主要受到評價準備階段因素、人的因素和評價過程階段因素3個方面的影響，其中人的因素是油氣管道坡面水毀的整個不確定性評價流程最主要和核心的影響因素，它自始至終貫穿整個評價流程，評價準備階段因素和評價過程階段因素的不確定性直接受到人因因素的影響。在油氣管道坡面水毀評價過程中，若讓評價結果更加合乎實際，需要采取合理的措施適當控制人因因素的不確定性，在人因因素確定的條件下，再考慮選擇合適的評價方法來模擬這種評價過程的不確定性的變化，為以后的評價方案的改進提供依據。

2.1人的因素的不確定性分析

人的因素的不確定性主要包括感覺、知識、記憶、思維、操作、身體狀況6個因素。感覺的不確定性就是人腦對直接作用于感覺器官的客觀事物個別屬性的反映不一致。例如評價人員對坡面現場考察時，主要通過“看”、“聽”、“摸”、“量”來判斷油氣管道坡面水毀災害實際情況。知識的不確定性主要是指在分析一個具體問題時，知識結構在人腦海的重要度不確定，致使對同一個油氣管道坡面水毀災害的嚴重性分析不一樣。如一個力學專業的教授和一個地質類的專家在對坡面水毀的分析后，可能會提出不同的防護措施。記憶的不確定性，主要指記憶的模糊性，對過去發生的現象只能記住一個輪廓，對最近發生的事情則記憶猶新。思維的不確定性主要是涉及聯想、創造、推算、頓悟等思維時，沒有確切的規律可循[4]。例如評價人員對油氣管道坡面水毀進行綜合評價時，遇到比較復雜數學推算時，無法像計算機那樣做到精確的計算，從而不可避免遺漏一些因素，導致評價結果的偏差。操作的不確定性主要指相關人員在做出某一個決策時，表現出與實際情況的偏差。如數據輸入員在錄入數據時，某個數據的小數點的錯位，導致評價結果不準確。身體狀況的不確定性指的是相關人員在不確定的時間和不確定的地點因生理因素或身體病變而影響其對工作不認真，注意力無法集中，最后產生一系列影響評價質量的不良后果。人因因素6種不確定性因素并不是孤立存在，在一定條件下，幾個因素同時存在、相互關聯，形成一個完整的人因因素不確定性系統。

2.2評價準備階段的不確定性分析

油氣管道風險評價準備階段是一個十分關鍵的步驟，大量評價工作不得不依靠該階段的有力支撐，從國內評價項目報告的分析來看，一般項目準備階段的歷時比評價階段要長，長時間的評價準備就是以后評價的安全保障。在油氣管道坡面水毀評價準備階段，一般包括現場收集坡面數據，整理以前相關的評價報告，組建參與評價的相關人員，熟悉一些相關法律規章制度等。根據油氣管道坡面水毀風險評價的經驗，評價準備階段的主要不確定性因素包括歷史資料的不確定性、專家組成的不確定性，環境的不確定性、規章制度的不確定性和調查對象的不確定性。

1)歷史數據主要包括數值數據和文本數據，歷史數據是油氣管道坡面水毀風險評價的基礎，歷史數據的完整性和真實性將直接決定著坡面水毀風險評價結果的可靠性。

2)專家組成的不確定性，專家成員并不是一成不變，專家的數量和專家的結構的變化使得評價結果發生變化。

3)環境包括人文環境和自然環境，人文環境的不確定性可能給評價結果造成致命的影響。例如在一個評價團隊中，評價人員與公司管理人員因為利益驅動，提高一些坡面的風險等級，或者對一些本來風險較高的坡面根本不予評價。

4)調查對象的不確定性主要指被調查的坡面和人有一定的隨機性，不能完全確定。如評價人員對坡體考察前，需要考慮哪些坡面需要現場調查，哪些坡面只需要線路管理人員向上做一個匯報即可。

5)調查的時空不確定性則指在現場調查時，被調查的對象在時間上和屬性上不夠全面。

6)合同規章制度的不確定性也對最終的評價結果有一定的影響，一般在合同書上明確寫明:如何調查，調查多少因素，采用什么樣的調查方法，多長時間出評價結果等。

2.3評價方法不確定性分析

油氣管道坡面水毀評價體系是一個復雜的體系，由于其不確定性，很難準確地對其安全性進行有效的效能評估。由于人因因素的不確定性和評價準備階段的不確定性存在于整個坡面水毀的評價階段，隨著評價過程的因素的歸類、體系劃分、邏輯推理的進行，評價的不確定性會在傳遞過程中不斷放大，因此需要一種評估方法，能夠充分考慮到評估過程中出現的模型優劣，來衡量這種不確定性的變化。在以往油氣管道坡面水毀的地質災害評價中，如吳迪[6]分別從地層巖性及地質構造、地形地貌、水文氣象、植被和地質物理現象入手，運用模糊綜合評價和灰色聚類分析對西氣東輸沿線水毀災害等級進行了評定。郭磊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4大類，采用變權方法對各因素的權重進行賦值，對油氣管道坡面水毀進行了評價[7]。鄭青川、姚安林等從坡面狀況、管道敷設狀況、坡面防護效果3個方面出發，系統地闡述了云模型在油氣管道坡面水毀安全評價的應用，并比較了參與評價的4個坡面的評價結果，合理解釋了云模型在油氣管道坡面水毀的一些不確定性[1]。

但令人遺憾的是模糊綜合評價和灰色聚類模型主要是憑借專家經驗得出隸屬函數進行處理，當模糊隸屬度一旦確定，模糊集合的后續數值計算實際上已經把不確定性撇開，并沒有繼續將其傳遞到輸出結果，使得不確定性在推理過程中無法得以傳播和繼承，且傳播和繼承中的誤差累計也無法度量。變權思想雖然解釋了在常權評價坡面風險評分一致的情況下，各個因素之間作用的不同，而引發的與實際不符的評價結果，需要對權重重新做出一些調整，但是權重一旦確定，必須以一個固定的數值，使得最終的評價結果不得不以一個固定的風險分值來表示。文獻[1]詳盡地闡述了云模型在油氣管道坡面水毀中的應用，在因子水平和失效危險分數之間有效而簡約地實現定性與定量的相互轉換[4]，實現了坡面水毀失效因素的不確定性劃分，失效因子屬性值與危險分值之間的不確定性推理，合理顯示了這種不確定性的演變;但是評價過程中的權重向量以具體的數值刻畫，以精確的運算規則合并各個因素危險分值云模型，無法在最終的評價中找到權重的不確定性對評價結果的影響，評價結果的不確定性也無法從結果中真實地表現。

3 基于云模型的管道災害風險評價

綜上分析可知，油氣管道風險評價存在大量的不確定信息，而一般的風險評價文獻中，對于風險中的可能性與后果程度等的認識往往是用概念表述的定性知識，而這兩個屬性都既有模糊性信息，又有隨機性信息。因此，對風險定量化評價可考慮采用不確定性信息處理的工具來模擬這種不確定性變化。

云模型是在傳統模糊集理論和概率統計的基礎上逐漸演變而來的定性定量不確定性轉換模型。目前，云模型已在復雜系統的綜合評價中得到廣泛應用。從文獻[8-10]可看出，云模型可表現如下特性:①云模型是一個自然語言表達的一個定性概念，云模型中的期望、熵、超熵決定著這個概念的屬性;②云模型是一個具有隨機傾向的具體數值，這個數值服從一定分布的頻次統計;③云模型是一種隸屬函數，能夠像普通函數一樣參與相關運算，從云圖可看出，這個隸屬函數帶有一定的不確定性;④云模型就是大量數值的一種統計，圖形反映著統計規律;⑤云模型是一種不確定性的反映，或者受不確定性影響的一種反映。目前，在大多文獻的綜合評價方法中，因素水平以云模型的隸屬函數劃分在大多評價工作中已被廣泛接受，而對權重一般的不確定性只做出討論，并未真實地反映權重的不確定性是如何影響最終評價結果的不確定性。筆者以油氣管道坡面水毀為例，以云模型表示權重的不確定性，判斷權重的不確定性到底對最終的評價結果產生多大的影響。

3.1權重云模型在綜合評價中應用

設權重云模型集合為{C1(Ex，En，He)，C2(Ex，En，He)，…，Cn(Ex，En，He)}，各因素危險分值云模型為{SC1(Ex，En，He)，SC2(Ex，En，He)，…，SCn(Ex，En，He)}，其中Ci(Ex，En，He)為權重云模型集合中的第i個云模型;Ex，En，He分別為該云模型的期望、熵和超熵;n為評價因素的個數。以此類推，可知各因數的分值云模型的含義。權重云模型在此可作為一個具有穩定傾向的隨機數，分值云模型則表示一個帶有不確定性的隸屬函數，隸屬函數的橫坐標表示具有單位屬性因素危險分值，相應的縱坐標表示該危險分值隸屬于某類風險的隸屬度。在合并各因素的分值云模型時，先由權重云模型集合正向云發生器隨機生成一組權重數值[4]，按如下公式合并各因素的分值云模型[11]：

式中:wij為因素i的權重云模型第j次生成的隨機權重;Exi、Eni、Hei為第i因素分值云模型的期望、熵、超熵;Exj、Enj、Hej為相應的綜合云模型的期望、熵、超熵。

由上面公式隨機生成的分值綜合云模型記為SC(Exj，Enj，Hej)。假定一種權重云模型集合正向云發生器共運行了m次，則共生成m個分值綜合云模型。將這些分值綜合云模型按正向云發生器隨機生成足夠數量的云滴，觀看云滴分布判斷不確定變化即可。

3.2油氣管道坡面水毀權重云模型實例分析

參考西氣東輸地質災害勘查報告，油氣管道坡面水毀的影響因素包括坡面狀況、管道敷設狀況和坡面防護效果，由數據、信息、知識的失效機理分析，可得出某坡面如下的因素危險分值云模型和相應的權重云模型，見表1。根據正態云發生器，各因素分值云模型如圖2～圖4所示。參考3.1節權重云模型的分析的相關運算。可得出圖5所示的云滴圖。為了便于比較圖2～圖5的不確定性，每幅圖中均含有2 500個云滴。

比較圖2～圖5所示云滴，可以發現圖5的云滴凝聚性明顯低于前面3副圖中的云滴凝聚性。在油氣管道的坡面水毀的安全評價中，權重的不確定性對油氣管道坡面水毀的評價結果的影響十分強烈，權重不確定性的作用，使得油氣管道坡面水毀的不確定性程度進一步增大，降低了評價結果的可靠性。因此，評價過程中盡量減少權重的主觀性和隨意性，這對提高風險分析的評價精度與靈敏度、提高評價結果的質量可信度等，具有十分重要的意義。

4 不確定性的規避措施

在油氣管道坡面水毀評價過程中，不確定性不可避免，只能采取相應的措施，盡量降低不確定因素對最后的綜合風險評價結果影響，以提高評價結果的可靠性。在確定不確定性控制措施前，需要考慮如下3個問題:①危險因素的識別是否超出了評價人員的自然感知范圍;②危險因素的危險程度是否能夠通過精確的數學模型計算;③風險評價結果的這種不確定性是否在合理的范圍之內。

油氣管道坡面水毀系統對初始條件極具敏感，即便是初始條件(危險因素水平、歷史資料、現場勘查報告、專家意見、評價體系層次結構、權重等)的微小誤差也將導致評價結果的巨大差異。人因因素的控制是目標能否實現的決定性因素，為實現這一目標，應充分重視人因因素在評價的各個流程對評價結果的不確定性影響。第一是保證整個評價過程在一個合理而必要的時間段完成。一般情況下短期內較難完成可靠的評價結果。在充足的評價時間內，相關人員收集和調研歷史資料，保證參考資料的時效性、一致性和完整性。然后依據評價人員的特長，專家的特點，預設現場各種環境，編制出深度不同且具有控制性和直接指導評價項目的進度計劃表、任務分配表、組織結構表，分析出評價過程中影響評價結果的偶然事件，并采取相應的防御措施。第二是提升評價人員的整體知識能力。主要是指對油氣管道坡面水毀因素的辨識能力，對主要危險因素的失效機理分析的能力，盡量減少每個失效因素的模糊性。第三是合理分析油氣管道坡面水毀安全評價的評級體系層次結構。一般來講層次結構越少，評價過程中不確定性推理就越少，現場收集的坡面各因素的數據經過不確定性推理后，因素受到這種不確定性的因果推理關系影響就越小，誤差傳播的次數也就越少，評價結果更加準確。但是層次結構的減少，使得底層因素粒度變大，每個因素模糊性就會增加，使得評價結果更加粗糙，因此在評價層次結構時應盡可能兼顧這兩方面的不確定性影響。第四是合理改善權重的不確定性。權重的不確定性對評價結果的影響十分敏感，然而，完全客觀的權重是不存在的，因此，在實際操作中盡可能通過歷史數據，專家經驗，甲乙雙方的意見來綜合選擇權重。

5 結論及建議

不確定性是油氣管道坡面水毀風險評價質量的一大瓶頸，它貫穿整個評估流程，隨著評估過程的前進，各種不確定性因素相互融合，評價結果的概念進一步泛化。對油氣管道坡面水毀的各種不確定性因素做出了分析，并提出了適當的不確定性規避措施，為輸氣管道環境地質災害不確定性因素分析提供參考。但是現實的評價過程不止文中所述的幾種不確定性因素，油氣管道環境地質災害也不止坡面水毀一種，不確定性信息量更大，推理過程更多，因此必須對不確定性的規避措施持續改進，落實到每個管道安全管理人員的一舉一動之中，提升整個隊伍的整體素質，逐漸降低不確定性因素影響。

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大慶油田天然氣分公司完善標準化建設

2015年年初，大慶油田天然氣分公司展開的第一項工作就是安全生產標準化大檢查，共發現各類問題254個，明確防控措施、落實責任人，持續推進安全生產標準化、完善規章制度，形成長效機制，切實提高安全生產管理水平。

作為國家高危甲類一級消防重點單位，在推進管理提升中，天然氣分公司探索形成了安全生產標準化管理新常態，筑牢企業安全發展的生命線，并榮獲大慶油田“安全生產、文明生產”金牌單位21連冠。

推行生產操作標準化，消除生產過程的差異性。這個公司結合行業規范要求，把15項重要操作事項的操作程序、操作步驟總結歸納為標準操作文本，規范員工操作行為，使崗位操作安全受控。制定了變電所停電4步操作法、計量孔板檢查要領、民用氣入戶“三備三查一宣講”的安檢程序、裝置“點項卡”交叉巡檢等22項操作流程和標準，形成了裝置操作的“規定動作”，減少安全生產操作過程的差異性，切實提高安全生產保障的響應速度和完善程度。

推行危險作業標準化，強化安全生產的制度性。為確保危險作業安全受控，這個公司編制了《施工及高危作業安全技術規范》《清罐施工環保標準化作業》等14項作業規范，建立了與“危險作業審批單”配套的《危險作業技術方案》，所有危險作業均由作業人員、監護人員按《作業條件確認單》逐條對防護措施進行“唱票”核對，并由操作人員親自確認所有措施全部到位、有效，簽字后方能作業，從制度上杜絕了違章作業、違章指揮等不安全行為。

推行裝置檢修標準化，增強施工作業的流程性。這個公司對標國際先進水平，借鑒國內外安全管理經驗，采用“SOP(標準作業程序)”和“6S”管理法，建立“2圖、6表、5方案”體系，實現裝置檢修的流程化、表單化。在裝置檢修現場，他們探索推廣了檢修工具、物料和零配件的定點擺放、定人管理、定量發放的“三定”管理，以及作業現場“三不見天，四不落地”“工完料凈場地清”標準化施工，使檢修工作科學規范，提高了生產效率。

(石監摘自http：//news.cnpc.com.cn 2015-03-20)

The flooding damaging evaluation system of oil and gas pipeline slope involves randomness and fuzziness，so the definition of the uncertainty of the flooding damaging of oil and gas pipeline slope and the reflections of the uncertainty are described.The human uncertainties，the uncertainties in the evaluation preparation phase and the uncertainties of evaluation method are emphatically analyzed.Based on this，some improvements are made from the understanding of failure factors and the reasoning of uncertainty，and the specific algorithm of weight cloud model is presented.The influences of the uncertainty of the weights on the subsequent evaluation results are explained.According to the characteristics of the various uncertainties in the evaluation process，the corresponding avoidance measures are proposed.

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梅

2014-11-23

鄭青川(1986-)，男，碩士，主要從事油氣管道及城鎮燃氣管網設計管理工作。