基于ISM和AHP的燃氣管道完整性影響因素研究

王慶國， 郭 敏

(1.天津市陜津天然氣集輸有限公司，天津300112；2.天津市賽達管道工程有限公司，天津300385)

1 概述

隨著城市燃氣需求量的日益增長，天然氣在我國已經得到了普遍的應用[1]，尤其是在節能環保的大環境下，天然氣因其高效、潔凈的特點，在能源利用中所占比例日趨增大[2]，2015年末我國城鎮燃氣管網總長度已超過60×104km。伴隨城鎮燃氣管網的日漸完善，天然氣泄漏帶來的安全問題也成為人們關注的重點，因此提出了管道完整性的概念。管道完整性是指管道承受荷載范圍及其安全運行能力，管道完整性管理是為了保證完整性展開的管控活動[3]。管道完整性管理首先必須綜合考慮各影響因素的關聯性，尋找潛在的危險因素[4]。為保證燃氣管網的安全運行，管道完整性管理應做到“重點”、“要點”相結合，“要點”是保證燃氣管網完整性的必要條件，“重點”則是影響管網完整性的關鍵因素。筆者通過整理分析城鎮燃氣管道完整性影響因素之間的關聯性，建立解釋結構模型(Interpretative Structural Modeling,簡稱ISM)，并利用解釋結構模型和層次分析法分析城鎮燃氣管道完整性影響因素之間的層次關系以及各影響因素的影響權重，為管道完整性管理提供理論依據。

2 解釋結構模型建立步驟

解釋結構模型(ISM)需要根據人們知識和實踐經驗，通過將繁瑣的系統分解成多個子系統來構造多級階梯結構模型[5]，該模型可以清晰地對同一系統中容易模糊混淆的觀點或影響因素之間的關聯性進行表述。燃氣管道完整性的影響因素錯綜復雜，相互影響，但有相對明顯的階層關系，因此本文通過建立燃氣管道完整性影響因素的解釋結構模型，并對模型進行層級間的劃分，分析各階層影響因素。解釋結構模型建立步驟為：

① 選定研究目標及其影響因素。確定燃氣管道完整性為目標事件，并通過收集專家意見及現場調研等多種途徑對目標事件的影響因素進行收集整理。

② 建立意識模型[6]及影響因素有向圖。通過學術討論會反復討論研究，并結合專家意見，確定目標事件與影響因素以及影響因素之間的關聯方案，建立主觀意識模型，劃分子系統，并繪制影響因素有向圖[7]。此步驟人為因素起作用較大。

③ 建立并計算鄰接矩陣與可達矩陣。通過各影響因素的關聯性建立鄰接矩陣，并利用布爾達代數運算法則對鄰接矩陣進行計算，得到可達矩陣。通過可達矩陣對影響燃氣管道的24個因素進行定量描述。

④ 建立解釋結構模型。解析可達矩陣，分解目標事件影響因素的層次與連通模塊[5]，建立解釋結構模型。

3 管道完整性解釋結構模型

3.1 管道完整性影響因素分析

本文所選目標事件為燃氣管道完整性。基于2016年天津市14家管道氣公司安全檢查數據、現場調查、專家意見收集整理燃氣管道完整性的影響因素，并結合“人、機、料、法、環”管理思路[8]，從人為因素、環境因素、安全技術、法治監管、社會經濟利益、管理體系、管網因素7個子系統對影響因素進行劃分，并將7個子系統細化分為24個影響因素[9-13]，見表1。解析燃氣管道完整性影響因素內部關聯性并繪制有向圖，結果見圖1。

表1 影響因素的隸屬關系

圖1 燃氣管道完整性影響因素有向圖

3.2 建立鄰接矩陣與可達矩陣

鄰接矩陣A可描述某因素Si通過長度為l的通路可到達其他因素Sj的情況[14]：當i≠j時，若因素Si對因素Sj有直接影響，則記Aij=1，否則記Aij=0；當i=j時，Aij表示因素自身的通路情況，數值為0。例如員工素質S1可能造成操作失誤S2，則A12=1。本文基于燃氣管道完整性影響因素有向圖建立鄰接矩陣A，見圖2。

圖2鄰接矩陣

可達矩陣計算見式(1)、(2)。通過鄰接矩陣A加上單位矩陣I后的冪運算得到，其中矩陣(A+I)的冪運算[5]的運算法則為布爾達代數運算法則[13]。

通過依次取n為1～24進行試算，找出能滿足公式(1)的n值，然后代入公式(2)計算得到可達矩陣。

(A+I)1≠(A+I)2，…，(A+I)n-1≠

(A+I)n，(A+I)n=(A+I)n+1

(1)

R=(A+I)n

(2)

式中A——鄰接矩陣

I——單位矩陣

n——整數，取值范圍1～24

R——可達矩陣

通過MATLAB編程計算可得，當n=7時公式(1)成立，此時R=(A+I)7。可達矩陣見圖3。

圖3可達矩陣

3.3 建立解釋結構模型

可達矩陣R中元素Rij表示因素Sj對因素Si的影響情況，當且僅當i行中只有一列元素為1時，表示因素Si有且僅有一個影響因素Sj，則定義因素Si為一級影響因素。刪除一級影響因素所在的行與列，得到新的可達矩陣R1[7]，矩陣R1中m行當且僅當只有一列元素為1時，定義該因素Sm為二級影響因素。以此類推可將24個影響因素進行等級劃分。

影響管道完整性的影響因素共劃分為7個等級，各級影響因素分別為L1={7，19，22，23}，L2={5，18，21，24}，L3={2，9，15，20}，L4={1，3，4，6，14}，L5={8，13，17}，L6={12，16}，L7={10，11}。分析7級影響因素，根據影響因素連通模塊建立燃氣管道完整性影響因素的解釋結構模型，見圖4。

根據圖4，劃分7級影響因素至3個層面：表層影響因素、中間影響因素及深層影響因素。對管道完整性有直接影響的因素為表層影響因素，包括第三方破壞、管道外腐蝕及應力腐蝕、巡線頻次、運行壓力及波動、管網設備故障、操作失誤、使用時間、管道內腐蝕、管材質量。不受其他因素影響且不可控程度較高的因素為深層影響因素，包括第三方利益、安全監控水平、不可抗力因素、政府監控體制、法律法規標準以及企業利潤，其中身體狀況雖然不受其他因素影響，但其可控程度較高，因此劃分至中間影響因素。除表層影響因素、深層影響因素以外的其他影響因素稱為中間影響因素，包括安全防護程度、防護設備完整性、規章制度完整性、身體狀況、員工素質、操作技能、安全教育培訓制度、安全投入、安全評價體系。

圖4燃氣管道完整性影響因素解釋結構模型

4 影響力計算

層次分析法(AHP)可以通過定量及定性分析，對多影響因素事件處置提供數據支持[15]。因此利用層次分析法分別分析管道完整性3個層面的影響因素，可以得到各層面每個影響因素的影響力。其中表層影響因素對目標事件有著最為直接的影響，也是對目標事件進行掌控最為有效的環節，因此本文以表層影響因素為例，利用AHP法對燃氣管道完整性表層影響因素的影響力進行排序。

基于城鎮燃氣管道完整性影響因素解釋結構模型，建立表層影響因素指標體系。基于天津市管道氣安全檢查數據及專家意見，結合標度法[6]對各表層影響因素的影響力進行賦值，并通過建立判斷矩陣計算管道完整性的表層影響因素指標權重，計算結果見表2。分析表2數據可知：在表層影響因素中，管網設備故障、運行壓力及波動、使用時間、管材質量、管道內腐蝕都屬于管網因素，所占權重達0.509 4，更容易對管道完整性造成破壞，因此加強對管道設計、管材選取、管道施工以及管道維護的監控對燃氣管道完整性有著最為直接的影響。

表2 燃氣管道表層影響因素指標權重

5 結論

① 針對燃氣管道完整性影響因素眾多、關系復雜且結構不清的特點，采用解釋結構模型(ISM)方法，通過可達矩陣對影響燃氣管道完整性的24個因素進行定量描述，將燃氣管道完整性影響因素分為7級，并劃分層次和關聯關系，為城鎮燃氣管道完整性管理提供理論依據。

② 基于解釋結構模型確定的燃氣管道完整性表層影響因素，通過層次分析法(AHP)對各表層影響因素的影響力進行計算。在表層影響因素中，管網因素(指管網設備故障、運行壓力及波動、使用時間、管材質量和管道內腐蝕)和人為因素(指操作失誤)是影響安全生產的最直接、最重要的因素，管網因素占比達50.94%，其中操作失誤、管網設備故障以及管材質量對管道完整性的影響較大。