基于改進二元語義的滑坡誘發管道失效可能性評估*

姚安林，曾躍輝，羅　珊，毛　建，徐濤龍

(1.西南石油大學 石油與天然氣工程學院，四川 成都 610500；2.油氣消防四川省重點實驗室，四川 成都 610500；3.中國石油管道公司 西氣東輸分公司，上海 200122)

0　引言

滑坡作為常見地質災害，其誘發管道失效的事件時有發生。2015年發生的“12·20”深圳山體滑坡事故使西氣東輸二線廣深支干線受損，導致對港供氣中斷，該事件再次引起社會對管道所經地區滑坡災害防治問題的關注。因此，采用先進方法評估滑坡誘發管道失效的可能性，識別導致管道失效的主要因素，對確保管道安全運營具有重要意義。

目前，滑坡作用下管道安全評估主要有管道失效概率預測及監測治理效果分析兩方面。文獻[1-5]在建立滑坡災害管道失效可能性指標體系時，將監測治理措施劃入災害易發性和管道易損性中，通過對災害易發性和管道易損性兩方面的分析可得出穿滑坡區管道的失效概率，為評估管道的運營狀態提供一定的理論依據。但該指標體系劃分方式不能分析出監測治理措施對管道失效概率的影響，無法評估出管道運營單位采取治理措施的效果情況；文獻[6-8]通過監測對比采取治理措施前后管道的受力情況，可直接分析出管道在滑坡災害下的安全狀態以及不同治理措施的效果，為是否采取治理措施以及采取何種治理措施提供相應的理論依據，但是這些研究中又未同時考慮災害易發性和管道易損性對穿滑坡區管道失效概率的影響。鑒于此，從致災影響因素(致)、承災敏感程度(承)和監測治理情況(監)3方面分析，建立滑坡誘發管道失效可能性評估指標體系，以期克服現有研究中不能同時評估3方面(致、承、監)對滑坡區管道失效概率影響的不足。

滑坡誘發管道失效可能性評估是典型的多指標評估問題，影響因素眾多且難以定量，此類問題評估多憑借有經驗的評估人員使用專用語言完成。基于語言形式偏好分析的二元語義評估方法，在集結多個評估者的意見時，能避免評估信息扭曲和丟失，使評估結果更加準確[9-10]。因此，基于最小偏差綜合賦權及二元語義理論建立滑坡誘發管道失效可能性評估模型，以期在降低評估語言轉換失真程度的基礎上，識別導致管道失效的主要因素，為管道運營單位制定相應的防范措施提供科學依據。

1　建立滑坡誘發管道失效可能性評估指標體系

滑坡災害發生時，監測治理措施未達到相應要求且滑坡體施加到管道的應力大于管道的屈服極限才會發生滑坡誘發管道失效事件。滑坡災害發生的可能性由環境地質及誘發因素共同決定；管道承受災害的能力由管道本體及管道敷設因素決定；監測治理情況由監測情況、滑坡治理措施及管道保護措施三者決定。因此，借鑒已有研究成果[1-8,11-12]，建立由致災影響因素、承載敏感程度和監測治理情況3個一級指標構成的滑坡誘發管道失效可能性評估指標體系，如圖1所示。

圖1　滑坡誘發管道失效可能性評估指標體系Fig.1　Evaluation index system of failure probability of pipeline induced by landslide

2　確定滑坡誘發管道失效可能性評估指標的權重

目前權重確定方法可分為主觀法和客觀法2類。主觀法依靠決策者的經驗對評估指標直接進行賦權，該方法簡單快捷、可解釋性強，但受決策者的主觀影響大。客觀法在考察各指標屬性信息量的基礎上，用概率論的相關知識確定評估指標權重，該方法雖以數學理論作為基礎，能較好反映樣本原始信息，但易受數據波動干擾，導致結果偏離工程實際。為克服上述方法的不足，以下采用網絡層次分析法(ANP)與變異系數法分別求各指標的主客觀權重，并基于最小偏差理論進行權重優化，得出組合權重值。

2.1　基于ANP的主觀權重

滑坡誘發管道失效的評估指標體系中，耦合作用使各指標既相互影響又相互依存。在滑坡誘發管道失效可能性評估指標體中，截排水措施及降雨情況都會影響坡腳沖刷情況；巖土體類型直接影響風化防護措施的選擇與實施；坡體角度及坡體高差決定滑坡體監測及抗滑加固措施的實施。因此，需考慮各指標的影響及依存關系，才能得出更合理的主觀權重。

2.2　基于變異系數法的客觀權重

目前常用的客觀賦權法有變異系數法和熵權法，變異系數法[14]克服了熵權法所求權重均衡化分配的缺陷，因此本文選用變異系數法確定客觀權重。變異系數法通過指標數量決定權重的大小，所求權重更加客觀合理，其確定權重的步驟[14]如下：

1)構造評估指標特征值矩陣：

設有l個參評樣本，每個參評樣本有n個評估指標，則有評估指標特征矩陣：X=[xij]nl(i=1,2,…,n;j=1,2,…,l)，其中，xij為第j個參評樣本的第i個評估指標的特征值。

2)計算各項評估指標的變異系數：

(1)

(2)

3)計算各項評估指標權重：

(3)

式中：vi為第i項指標的客觀權重。

2.3　基于最小偏差的優化組合賦權

根據組合權重與各單一權重之間偏差盡可能小的思想，建立基于ANP與變異系數法的權重優化組合模型[15]：

(4)

式中：wi為第i項指標組合權重；ui為第i項評估指標的主觀權重；vi為第i項評估指標的客觀權重。

3　基于改進二元語義的滑坡誘發管道失效可能性評估模型

3.1　二元語義原理

二元語義是西班牙Herrera[10]提出的使用二元組(sk,σk)語言表示專家評估信息的分析方法，其核心思想是將復雜的語言評估信息轉化為簡單的數字評估信息，其中，sk為預先定義的自然語言術語集S={s0，s1，…，sm}中第k個元素，m+1稱為粒度；σk稱為符號轉移值，且滿足σk∈[-0.5,0.5)，表示評估結果與sk之間的差別。二元語義能有效避免評估過程中出現的信息扭曲和丟失現象，目前該方法在多屬性決策[16]和安全評估[9,17]兩方面應用廣泛。在應用二元語義分析方法的過程中，若轉換過程中轉換標度選擇不當，容易導致轉換信息提取與合成失真。以下借鑒文獻[18]的研究成果，應用改進二元語義分析方法進行滑坡誘發管道失效可能性評估。

3.2　改進二元語義評估模型

改進二元語義的定義及計算公式如下[17-18]：

定義1若sk∈S是1個語言短語，那么相應的二元語義形式可通過函數θ獲得：

θ(sk)∈(sk,0)，sk∈S

(5)

(6)

即：

Δ(β)=(sk,σk)=

(7)

式中：round為四舍五入取整算子；a為等級比率參數，取a=1.4[18]。

(8)

即：

(9)

(10)

(11)

3.3　基于改進二元語義的滑坡誘發管道失效可能性評估步驟

步驟2：運用公式(9)，將步驟1中的二元語義矩陣轉換成對應的數值β。

步驟5：運用公式(7)，將加權平均評估值轉換成對應的二元語義形式。

步驟6：重復上述步驟，得出滑坡誘發管道失效的評估結果，并根據3.4節中表1所示的失效可能性等級對評估結果進行分析。

3.4　滑坡誘發管道失效可能性等級及轉移數值區間

表1　失效可能性等級及轉移數值區間Table 1　Failure probability level and transition interval

4　實例分析

根據第1節建立的滑坡誘發管道失效可能性評估指標體系，以我國西南地區滑坡災害易發區內某輸氣管道為例，采用改進二元語義評估方法，從致災影響因素、承載敏感程度和監測治理情況3個方面進行實例分析。

4.1　指標等級劃分和權重計算

由2位研究滑坡地質災害、2位研究油氣管道完整性及1位研究巖土的專家組成的專家組(E1，E2，E3，E4和E5)，根據所評估管段滑坡災害及管道的實際情況，按照表1中所給的失效可能性等級對底層指標進行評估。因滑坡誘發管道失效指標體系中的指標眾多且多數難以定量，使用Super Decision軟件求主觀權重ui；客觀權重vi通過公式(1)-(3)求出，將ui和vi帶入公式(4)求組合權重wi。專家組底層指標評估結果和權重計算結果見表2。

4.2　管道失效可能性評估

根據3.3節中改進二元語義的評估步驟，以誘發因素A2為例介紹具體評估過程：

1)將專家底層指標評估結果轉換成對應的二元語義形式。誘發因素由降雨情況、地震烈度及工程活動情況3方面組成。由表2可知降雨情況的專家組評估結果為：H，VL，M，L，H，通過公式(5)和表1將其轉換成二元語義形式為：(s3,0)，(s0,0)，(s2,0)，(s1,0)，(s3,0)。

2)運用公式(9)求出對應的β值，如(s3,0)，β=Δ-1(s3,0)=1.4(3-2)-1=0.4。同理，求出降雨情況中其他專家評估結果的β值分別為：-0.96，0，-0.4和0.4。

表2　指標評估結果及權重Table 2　Evaluation result and weight of index

注：表中括號內的數值表示該指標的組合權重值。

表3　二元語義評估結果Table 3　Two-tuple linguistic information of evaluation results

4.3　分析與討論

由表3的計算結果與表1的評估等級對比可知：

由致災影響因素、承災敏感程度、監測治理情況和目標層的評估等級(低等、低等、高等和中等)可知，該處滑坡導致管道失效的主要因素是監測治理情況。因此，為保證管道的安全運營應及時加強完善監測治理措施。根據第1節建立的滑坡誘發管道失效可能性評估指標體系可知，監測治理情況由監測情況、滑坡治理措施和管道保護措施三者決定。管道地質災害防護的策略之一是提升管道的抗災能力，因此應重點加強管道保護各項措施；為徹底治理該處滑坡災害并消除其對管道造成的影響，還應完善滑坡治理措施，如對坡體進行抗滑加固以降低坡體滑動對管道的影響，完善截排水措施以降低雨水入滲對坡體的促滑作用，同時為及時了解管道與坡體的情況，還應該對管道和坡體加強實時監測，通過監測數據來評判所采取治理措施的效果。

5　結論

1)把致災影響因素、承災敏感程度和監測治理情況3方面同時納入滑坡誘發管道失效可能性評估中，既可分析致災影響因素和承災敏感程度對滑坡區管道失效概率的影響，又可同時評估出監測治理措施的效果，有助于檢驗管道運營單位所采取防范措施的實際效果。

2)將最小偏差理論和改進二元語義用于滑坡誘發管道失效可能性分析，既能得到更為合理的組合權重值，又能避免信息失真、扭曲和丟失等問題的出現，使評估結果更加符合工程實際。

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