基于層次分析法和MATLAB的運營期管道風險評價

陳 磊，王桂萱，趙 杰

（大連大學 土木工程技術研究與開發中心，遼寧 大連 116622）

基于層次分析法和MATLAB的運營期管道風險評價

陳 磊，王桂萱，趙 杰*

（大連大學 土木工程技術研究與開發中心，遼寧 大連 116622）

基于層次分析法對管道運營過程中所遇到的風險進行分析，建立管道風險評價模型，并采用MATLAB編程語言編寫了風險評價模型的子函數程序。將該模型運用到大連某實際輸油管道的風險評價中，確定了管道運營過程中的風險安全等級及風險應對措施，計算結果與實際相吻合。實例證明，利用層次分析法結合MATLAB子函數程序建立的風險評價模型不僅可以得出管道風險的具體量化指標對風險進行客觀評價，而且思路清晰，計算簡單、高效，能夠為管道運營中的風險評估和風險管理提供可靠依據。

層次分析法；MATLAB；運營管道；風險評價

0 引言

隨著城市化建設的推進，城市對于石油、天然氣和自來水的需求不斷增加，促進了管道運輸的飛速發展。預計至“十三五”時期，我國油氣和供水管道總長度將達到20萬公里，建成跨區域石油天然氣供應管網和城市供水管網體系[1]。隨著時間的推移，管道的使用年代也在增加，越來越多的管道處于“帶病”運營狀態，因此有必要對其進行健康診斷和風險管理。

近年來，我國管道研究方面的學者對管道風險進行了初步探索與研究，并取得了一些研究成果。劉佳明[2]運用多次改進層次分析法確定管道腐蝕、設備、第三方破壞和自然環境的權重分別為0.49、0.31、0.12、0.08，通過模糊綜合評判得出管道的健康指數為0.707，屬于存在安全隱患的級別。王軍防、于倩秀[3]運用未確知測度模型對某輸油管道10個管段的安全級別進行了評價，評價結果與實際相符合，表明采用未確知測度模型可以對油氣管道的安全進行有效的評價。董文浩[4]運用層次分析法和群決策法對四川某采氣干線線路方案的影響因素進行歸類和分析，選出了最優線路方案。王楷[5]運用事故樹分析方法對長輸壓力管道的風險進行定性與定量分析，找出了薄弱管段和危險因素及其危險程度，為管道的運行管理提供了具體的數據理論基礎，提高了管道運行的安全性。以上這些評價方法中，沒有建立程序化的計算模型，有關計算和分析的過程還有待簡化，計算效率也有待提高。

本文在層次分析法原理的基礎上，對管道運營過程中所遇到的風險因素進行研究，并運用MATLAB編程語言編寫了層次分析法的子函數程序，建立了管道風險評價模型，該模型不僅可以對管道的風險進行量化評估，還可以根據評估結果制定相應的風險管理方案，為管道后續的風險管理提供可靠的判斷依據，并且計算和分析過程簡單，計算效率高。

1 AHP結構評價模型

1.1 AHP的基本原理及步驟

層次分析法（Analytic Hierarchy Process簡稱AHP）是美國Saaty教授等于20世紀70年代初提出的一種層次權重決策分析方法[6]。該方法是將與目標問題有關的元素都羅列出來，并根據各個影響因素間的相互關聯、隸屬關系等建立目標層、準則層、指標層三個層次，從而建立多層次的結構分析模型，是將決策者對復雜系統的決策思維過程模型化、數量化及系統化的過程，并利用量化的方式來體現各個因素間的主觀重要性進而展開定量分析與研究。具體可以分為以下幾個步驟[7]：建立層次結構分析模型；構造判斷矩陣；計算判斷矩陣的權重向量；一致性檢驗；判斷決策。

層次分析法首先是將問題條理化，構造出一個層次清晰的結構分析模型。其次，層次分析法具有嚴格的上下層隸屬關系，運用1~9標度法[8]進行本層因素相對上一層指標的重要性比較并具體量化，建立判斷矩陣。

式中，aij是第i個因素相對第j個因素的重要程度，矩陣A為互反矩陣，滿足對于遞階層次結構，從最頂層到最底層有幾個隸屬關系就要建立幾個判斷矩陣。在建立判斷矩陣之后，最重要的就是求得其最大特征值及對應的特征向量，特征向量即為權重向量。通常使用特征多項式進行矩陣特征值的求解，即：

式中，I為單位向量，λ為特征值，特征向量可由特征值進一步求得。

實踐表明，隨著問題復雜程度的增加和結構層次的增多，層次分析法計算和分析過程也會非常復雜，特別是判斷矩陣特征值和特征向量的求解。實際上，MATLAB可以輕松實現矩陣特征值和特征向量的求解，通過編寫子函數程序也可以實現判斷矩陣的一致性檢驗，大大簡化計算過程。

1.2 管道風險指標評價體系

影響管道運營的風險因素眾多，選取合適的評價指標對于最終評價結果的準確性和可靠性有重要影響。參照國內外管道破壞方面的研究成果[9-11]及管道完整性規范[12]，選取影響管道安全運營的具有代表性的風險因素共2層5類12項風險指標（選取12項具有代表性的響管道安全運營的風險指標），建立能夠較為全面反映管道運營期結構風險特點的層次評價模型，如圖1所示。

圖1 運營期管道安全評價體系

1.3 管道風險安全等級劃分

目前國內管道的狀態評估大多采用模糊的評價方法，比如管道運營比較安全、存在某些安全隱患等模糊定性的評價，尚沒有明確的管道運營風險安全等級劃分方法及對應的風險應對措施。參照工業管道(安全狀況等級劃分)將管道安全狀況分為4個等級的方法，確定四級劃分法作為運營期管道風險安全等級的劃分方法，根據風險因素的權重大小結合專家和現場管理人員的經驗，建立管道風險安全等級及應對機制，如表1所示。

表1 運營期管道風險等級及應對機制

2 AHP程序化模型設計

利用MATLAB編程語言編寫層次分析法的子函數，從判斷矩陣的輸入到求層次單排序、總排序、一致性檢驗以及最終得出所有風險因素的總排序權重值，實現計算與分析過程的程序化[13]。

2.1 求解歸一化特征向量

調用MATLAB中eig函數求解矩陣的最大特征值及對應特征向量，調用格式為式中V為特征向量矩陣，D為特征值矩陣。定義函數maxeigvalvec.m來實現。

function[maxeigval，w]=maxeigvalvec(A)；%求判斷矩陣A的最大特征值及其對應的歸一化的特征向量

[v,d]=eig(A)；%v是特征向量矩陣，d是特征值矩陣，

2.2 計算層次單排序及一致性檢驗

在構造判斷矩陣的時候，由于管道所面臨風險的多樣性及檢查人員對各個風險因素認識的局限性，判斷矩陣的一致性難免會遭到破壞，造成判斷結果發生偏頗。為避免在同一層中出現A比B重要，B比C重要，而C卻比A重要的錯誤，由求得的最大特征值λmax進行判斷矩陣的一致性檢驗。因此，必須對判斷矩陣進行一致性檢驗。定義函數examine.m進行判斷矩陣的一致性檢驗。

function[CI,RI]=examine(maxeigval,A);%對層次單排序的權重向量進行一致性檢驗，maxeigval為最大特征值，A為判斷矩陣

2.3 計算層次總排序及一致性檢驗

定義function tsw=tolsortvec(utw,dw,CIC,RIC);%求層次總排序權重向量，同時對其進行一致性檢驗，tsw為第二層風險因素的總排序權重，utw為上一層因素的總排序權重行向量，dw為下一層因素對上一層因素的單排序權重向量矩陣，CIC為一致性指標列向量，RIC為隨機一致性指標列向量。

3 工程應用

3.1 工程概況

大連某油罐區位于大連市甘井子區，整個罐區管道運營年代超過10年。罐區輸油管道長約600 m，管道直徑200 mm，壁厚6 mm，管線圍繞罐區布設，采用架空式布置方案，管道底部距離地面30 cm左右。該油罐區管道由于運行時間較長，根據對現場管道的調研和罐區工作人員的檢查記錄，發現管道的內表面和外表面已經有不同程度的腐蝕，同時還伴有一定的微變形和人為因素造成的破壞。

根據圖1層次結構圖，把管道結構安全狀態S作為目標層，管道腐蝕S1、疲勞破壞S2、蠕變破壞S3、環向變形S4和人為破壞S5作為準則層，指標層則具體分為12個影響因素，運用1~9標度法對風險因素進行兩兩比較，建立準則層和指標層的判斷矩陣。如表2~表6所示。

表2 準則層判斷矩陣S

表3 管道腐蝕判斷矩陣S1

表4 疲勞破壞判斷矩陣S2

表5 蠕變破壞判斷矩陣S3

對于環向變形，影響因素只有膨脹變形一項，故其判斷矩陣為S4=[1]。

表6 人為破壞判斷矩陣S5

3.2 編寫計算程序

（1）輸入判斷矩陣

判斷矩陣S2、S3、S4、S5階數小于3，默認滿足完全一致性，不需要進行一致性檢驗，故RIS2=0，CIS2=0；RIS3=0，CIS3=0；RIS4=0，CIS4=0；RIS5=0，CIS5=0。

3.3 程序運行結果

運行以上程序，彈出兩次“判斷矩陣通過一致性檢驗”和一次“層次總排序通過一致性檢驗”，說明判斷矩陣S、S1和層次總排序都通過了一致性檢驗，同時得到第二層各個風險因素的總排序權重：tsw=[0.1968 0.0782 0.1231 0.0205 0.0381 0.0320 0.0107 0.0218 0.0436 0.1604 0.2061 0.0687]。

依據1.3節管道風險安全等級，比較計算結果可以知道施工或者人為破壞對應的權重最大，為0.2061，屬于一級風險；腐蝕深度和環向膨脹變形的權重也較大，分別為0.1968和0.1604，屬于二級風險；環向腐蝕長度權重為0.1231，屬于三級風險；而輸送介質、加載頻率、管道結構和材料等的權重均小于0.1，屬于四級風險。結合管道實際運營狀況和現場管理人員日常管理記錄知道，周邊施工和人為不小心破壞確實給管道運營造成諸多不利影響，同時因為外界自然環境和內部介質的原因，管道面臨腐蝕的風險也較大。因此，以上計算結果與管道實際狀況吻合。最后，根據計算得出的風險等級確定相應的風險應對措施，從而保證管道的安全運營。

4 結論

本文通過MATLAB編程語言實現了層次分析法的計算與分析步驟，建立了管道風險評價模型，并將該模型應用于某實際輸油管道的風險評價中，對比計算結果與管道實際狀況，可以得出以下結論：

（1）依據層次分析法基本原理、管道風險因素和工業管道安全狀況等級，建立了運營期管道結構的風險層次評價模型。結合MATLAB編程語言編寫了層次分析法的計算程序，實現計算與分析程序化，減少了定量化的計算，得到的結果也更加準確。

（2）將層次分析法的程序化計算模型應用到某實際的輸油管道風險評價中，可以準確快速地得出管道所面臨的各個風險因素的權重大小，并根據權重大小確定風險等級，最后根據風險安全等級和應對機制采取相應的風險應對措施，將原本復雜難以判斷的問題變得清晰明了，是處理模糊問題的一種好方法，有較強的可推廣性和實用性。

[1]張志宏,王麗娟,李可夫,等.我國油氣儲運技術發展趨勢分析[J].石油科技論壇,2012,31(1):1-6.

[2]劉佳明.模糊層次綜合評價法在油氣管道安全中的應用[J].化學工程與設備,2014(1):201-204.

[3]王軍防,于倩秀.基于未確知測度理論的油氣管道安全評價模型[J].油氣儲運,2009,28(5):14-18.

[4]董文浩.基于層次分析法和群決策的集輸管道線路評價[J].油氣儲運,2015,34(10):1-5.

[5]王楷.基于事故樹分析的壓力管道風險評價方法研究[D].武漢:武漢理工大學,2009.

[6]蘇毅,張鴻.基于層次分析法的商業銀行信貸業務風險研究[J].新西部,2011(13):46-47.

[7]何芙蓉.層次分析法在施工招投標中的應用研究[D].成都:西南交通大學,2014.

[8]蘇樹軍.運用層次分析法（AHP）對新疆教育投資決策的評價與確定[J].昌吉學院學報,2008(1):10-14.

[9]姜德林,王志杰,孫 霞.壓力管道的破壞形式和預防措施[J].化工技術與開發,2011,40(5):53-54.

[10]Thomas jones,Harold Berger.Thermographie detection of impact damage in graphite-epoxye composites[J].Materials Evaluation,1992(11):1446-1453.

[11]Benkherouf A,Auiodina A Y.Leak detection and location in gas pipelines[J].IEE Processing,1988,135(2):142-148.

[12]Q/SY1180-2009,管道完整性管理規范[S].

[13]宋飛,趙法鎖.地下工程風險分析的層次分析法及MATLAB應用[J].地球科學與環境學報,2008,30(3):292-296.

Risk Evaluation of Pipelines in their Service Lifespan based on Analytic Hierarchy Process and MATLAB Software

CHEN Lei,WANG Gui-xuan,ZHAO Jie*
(Research and Development Center of Civil Engineering Technology,Dalian University,Dalian 116622,China)

Arisk evaluation model of the pipeline is established based on the analysis of risks appearing in the service lifespan of the pipeline and a sub function algorithm of the risk model is complied by means of a MATLAB software.Based on the model,the risk evaluation of an on-site oil pipelines located in Dalian was conducted,which identifies the method to determine the risk safety grade and the measures to control in the lifespan of the pipeline was studied,and the calculated results is consistent with the actual ones.The examples show that using the risk evaluation model established by the combination of AHP and MATLAB can not only draw the specific quantitative indicators to carry on the objective assessment of pipeline risks,but also have a clear idea and simple and efficient calculation process which can provide reliable basis of the risk assessment and management for the pipelines in their service span.

AHP;MATLAB software;service pipelines;risk evaluation

TE89

：A

：1008-2395(2016)06-0015-06

2016-07-11

國家自然科學基金(11272069)；遼寧省教育廳項目（L2015035）；大連市科技計劃項目(2014E13SF145)。

陳磊（1989-），男，碩士研究生，研究方向：管道風險評估和完整性管理。

趙杰（1980-），男，講師，博士，研究方向：巖土與地下結構穩定分析、工程抗震。