基于FUZZY-AHP的危化品管道運(yùn)輸安全等級(jí)綜合評(píng)判模型與應(yīng)用

曹 建 施式亮,2教授 陳曉勇 李 巖 曹華娟

（1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷提升，危化品的運(yùn)輸需求日益增加，而管道運(yùn)輸業(yè)成為繼鐵路、公路、水路和航空業(yè)的第五大運(yùn)輸行業(yè)[1]，危險(xiǎn)化學(xué)品依托管道運(yùn)輸已成為化工行業(yè)的較優(yōu)選擇，而管道壽命一般設(shè)定為30年且危化品自身具有腐蝕、毒性等特殊性質(zhì)，加之國家頒布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒有被危化品企業(yè)重視與落實(shí)，使得危化品管道運(yùn)輸安全事故頻發(fā)[2]。如2017年貴州省黔西南州某天然氣輸氣管道由于泄漏而引發(fā)的二次事故，導(dǎo)致8人死亡、35人受傷[3]；2013年山東某地由于未正確處理天然氣管道泄漏而引發(fā)特大事故，導(dǎo)致160多人死傷和高達(dá)8億元的經(jīng)濟(jì)損失[4]；2013年中石化某分公司由于輸油管道突發(fā)裂隙造成泄漏和爆燃事故而造成198人傷亡與7.5億元直接經(jīng)濟(jì)損失[5]。綜合以上事故可知，危化品管道運(yùn)輸問題，嚴(yán)重威脅到了人民財(cái)產(chǎn)、生命安全和社會(huì)秩序。由此，對(duì)其進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)預(yù)防危化品管道運(yùn)輸安全事故發(fā)生，使其風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制與降低具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際價(jià)值[6]。

在危化品管道運(yùn)輸作業(yè)中，對(duì)危化品事故的預(yù)防與控制是目前亟待解決的問題，而運(yùn)用安全評(píng)價(jià)思想對(duì)其管道運(yùn)輸環(huán)節(jié)進(jìn)行評(píng)價(jià)是解決此問題的重要手段之一。國內(nèi)外許多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了研究，巴西學(xué)者Sérgio Barros da Cunha收集并分析了美國、加拿大、歐洲和巴西4個(gè)國家的管道失效數(shù)據(jù)，并采用了3種不同的方法對(duì)陸上管道運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量分析[7]；馮云飛[8]利用了層次分析法和灰色理論對(duì)油氣輸送管道進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；翁幫華[9]等引入計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)復(fù)雜地形中天然氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，以此開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；許謹(jǐn)[10]運(yùn)用熵權(quán)法對(duì)肯特法改進(jìn)后進(jìn)行長(zhǎng)輸管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；單克[11]等運(yùn)用基于修正因子的失效模型對(duì)油氣管道進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；王天瑜[12]提出了基于風(fēng)險(xiǎn)的天然氣管道安全距離計(jì)算方法。這些學(xué)者所做的研究促進(jìn)了危化品管道運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的發(fā)展，然而，危化品管道運(yùn)輸?shù)脑u(píng)價(jià)難點(diǎn)在于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的因素具有不確定性，如何將這些不確定的信息納入研究范圍并對(duì)其進(jìn)行量化是值得長(zhǎng)時(shí)間探索的一個(gè)問題。本文借鑒層次分析法和模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法的理論與思想，將不確定因素指標(biāo)運(yùn)用模糊量化的方法計(jì)算出權(quán)數(shù)，其次，與模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)法（FUZZY）有機(jī)結(jié)合，以此彌補(bǔ)層次分析法（AHP）中定量數(shù)據(jù)較少、定性成分多的不足，最終建立基于FUZZY-AHP的危化品管道運(yùn)輸安全等級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型，為危化品企業(yè)在進(jìn)行管道運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)管理中提供科學(xué)、可靠的戰(zhàn)略決策依據(jù)。

1 危化品管道運(yùn)輸安全等級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型

1.1 危化品管道運(yùn)輸安全等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

危化品管道運(yùn)輸事故是在多因素耦合下發(fā)生的，為了建立完善的評(píng)價(jià)體系，結(jié)合系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)，從造成事故的人員、物質(zhì)、管理和環(huán)境4個(gè)誘發(fā)因素出發(fā)，建立了以第三方破壞、管道腐蝕、管道設(shè)計(jì)、人員誤操作和自然災(zāi)害為準(zhǔn)則層的危化品管道運(yùn)輸安全綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，如圖1。

圖1 危化品管道運(yùn)輸安全等級(jí)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Comprehensive evaluation index system for safety grade of pipeline transportation of hazardous chemicals

1.2 構(gòu)建判斷矩陣

上述從系統(tǒng)工程學(xué)的觀點(diǎn)而建立的指標(biāo)體系，通過客觀信息和現(xiàn)實(shí)情況，采用1-9的標(biāo)度對(duì)每一層次的有關(guān)因素間的相對(duì)重要程度進(jìn)行兩兩比較，其具體方法如下：

公式（1）中q11=1，qji=1/qij。

通過公式（1），得到評(píng)價(jià)體系中評(píng)價(jià)指標(biāo)準(zhǔn)則層判斷矩陣如下：

1.3 評(píng)價(jià)因素權(quán)重

本文選擇使用層次分析法確定危化品管道運(yùn)輸安全等級(jí)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各因素的權(quán)重，并且采用特征根法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，其公式如下：

式中：

Q—判斷矩陣；

W—特征向量（權(quán)重值）；

λmax—Q的最大特征值。

通過式（2）得到其特征向量W=(0.327, 0.327,0.180, 0.106, 0.060)T，λmax=5.015。

1.4 一致性檢驗(yàn)

通過計(jì)算判斷矩陣的一致性比率，檢驗(yàn)判斷矩陣的構(gòu)建是否合理，計(jì)算公式如下：

式中：

CI—一致性指標(biāo)；

CR—一致性比率；

RI—隨機(jī)一致性指標(biāo)。其RI取值，見表1。

表1 RI隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.1 Random consistency indicator RI

通過式（3）得到其一致性比率CR=0.00335＜0.1，即表明上述構(gòu)建的判斷矩陣無邏輯混亂。并按表1所述，同理可得評(píng)判指標(biāo)層各項(xiàng)系數(shù)，見表2。

通過對(duì)指標(biāo)體系特征向量的計(jì)算，評(píng)價(jià)體系中各因素對(duì)危化品管道運(yùn)輸安全狀況的影響是不均等的，以管道的外腐蝕、活動(dòng)頻繁度、管壁實(shí)際厚度為主要影響因素，其他評(píng)價(jià)指標(biāo)起到次要作用。因此，在管道的實(shí)際運(yùn)輸過程中，針對(duì)主要影響因素加大管理和改善力度，可提升管道運(yùn)輸安全水平。

1.5 危化品管道運(yùn)輸模糊綜合評(píng)價(jià)

的危險(xiǎn)因素?cái)?shù)量較多且分布面廣，為彌補(bǔ)層次分析法中定性比例高于定量比例的不足，采用保證模糊關(guān)系矩陣一致性的模糊語言構(gòu)建評(píng)價(jià)集合，即著眼于總目標(biāo)的準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)集V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}分別表示由低到高的逐級(jí)模糊評(píng)價(jià)語言，其4個(gè)等級(jí)分別對(duì)應(yīng)著很安全、較安全、較不安全和很不安全，以此為依據(jù)，利用專家打分法，對(duì)每一層級(jí)指標(biāo)按照類別進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到各類別所對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣Ri。通過層次分析法所獲得的各層級(jí)特征向量Wi，與對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣Ri相結(jié)合，首先運(yùn)用模糊變換計(jì)算得出評(píng)判指標(biāo)層綜合評(píng)價(jià)集Bi=Wi·Ri，其中i=1,2,3,4；再運(yùn)用模糊變換求出總目標(biāo)等級(jí)模糊集S=W·B，根據(jù)最大隸屬度原則或加權(quán)平均原則對(duì)等級(jí)模糊集對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)語進(jìn)行判定，并由此展開分析得出結(jié)論。

通過上述分析和計(jì)算可知，危化品輸送管線

表2 評(píng)判指標(biāo)層各項(xiàng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of various factors in the evaluation index layer

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程實(shí)例概況

本文所研究的工程實(shí)例為湖南省某危化品經(jīng)營公司，對(duì)其采用管道輸送的經(jīng)營項(xiàng)目進(jìn)行安全等級(jí)評(píng)估。該公司管道運(yùn)輸經(jīng)營項(xiàng)目所采用的管材其外徑為377mm，管壁厚度為6.4mm和8mm，設(shè)計(jì)最高壓力為6.4MPa，運(yùn)輸量為200～300億m3/年，采用直埋和穿套的埋設(shè)方式且埋深為1.8m。

2.2 建立模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣

通過本文上述建立的危化品管道運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，邀請(qǐng)5位專家依據(jù)V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}所對(duì)應(yīng)的很安全、較安全、較不安全和很不安全對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)層各因素進(jìn)行投票及打分，對(duì)危化品管道運(yùn)輸安全等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，經(jīng)整理得出模糊關(guān)系矩陣如下：

由層次分析法得出表2中的評(píng)價(jià)指標(biāo)層各因素權(quán)重集，結(jié)合模糊變換公式Bi=Wi·Ri得到準(zhǔn)則層綜合評(píng)價(jià)向量Bi及其矩陣B為：

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

通過層次分析法確定的準(zhǔn)則層特征向量W=（0.327，0.327，0.180，0.106，0.060），由模糊變換S=W·B得到總目標(biāo)即危化品管道運(yùn)輸安全等級(jí)綜合評(píng)價(jià)向量S=（0.190，0.450，0.231，0.129），與評(píng)價(jià)集V={I,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ}相映射且由最大隸屬度原則可知，該公司管道輸送經(jīng)營項(xiàng)目安全等級(jí)為II，為較安全一類。

2.4 數(shù)據(jù)對(duì)比與結(jié)果分析

通過分析研究湖南省某危化品經(jīng)營公司某段管道發(fā)生的泄露事故，其2005～2015年事故發(fā)生原因，如圖2。與模型應(yīng)用的結(jié)果對(duì)比分析后表明，危化品管道運(yùn)輸安全等級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型較好的反映了該段管道的實(shí)際情況，該段管道屬于較安全一類。因而，由特征向量W能夠發(fā)現(xiàn)，第三方破壞、管道腐蝕對(duì)危化品管道運(yùn)輸安全狀況所占權(quán)重最大，管道設(shè)計(jì)因素次之，人員誤操作和自然災(zāi)害影響所占權(quán)重最小。對(duì)于正處于運(yùn)營狀態(tài)的管道而言，新替舊不僅耗費(fèi)人力物力，還可能達(dá)不到預(yù)期效果，而對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)層的各特征向量分析結(jié)果表明，從減少管道及其附屬設(shè)施安全保護(hù)范圍內(nèi)的人員活動(dòng)頻繁度，合理運(yùn)用《中華人民共和國石油天然氣管道保護(hù)法》[13]進(jìn)行管道沿線居民的宣傳教育工作；埋地管道可通過研究新的外涂層材料使其更好的與周圍環(huán)境隔絕，提升其金屬腐蝕電池的回路電阻；管壁實(shí)際厚度與設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照管道設(shè)計(jì)規(guī)定執(zhí)行，選線時(shí)應(yīng)避讓易發(fā)生滑坡與泥石流的地質(zhì)災(zāi)害體，并且按照“三同時(shí)”原則，使管道零隱患進(jìn)行投產(chǎn)運(yùn)營，并且嚴(yán)格要求操作人員按照操作規(guī)程進(jìn)行作業(yè)，減少人為失誤等幾方面著手進(jìn)行改進(jìn)，有極大的提升和創(chuàng)新空間。

圖2 湖南省某危化品經(jīng)營公司管道歷史泄漏數(shù)據(jù)圖Fig.2 Historical leakage status of a dangerous chemical products management company in Hunan Province

3 結(jié)論

為提升危化品管道運(yùn)輸安全狀況，針對(duì)危化品的特殊性質(zhì)、種類繁雜以及管道運(yùn)輸?shù)牧看蟆⒕€長(zhǎng)等特點(diǎn)，筆者從第三方破壞、管道腐蝕、管道設(shè)計(jì)、人員誤操作和自然災(zāi)害5個(gè)方面構(gòu)建科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模型，通過工程實(shí)例對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)并得到下述結(jié)論：

（1）本文從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，構(gòu)建了基于模糊綜合評(píng)價(jià)和層次分析法相結(jié)合的危化品管道運(yùn)輸安全等級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型，并且求解得出了第三方破壞、管道腐蝕對(duì)危化品管道運(yùn)輸安全狀況影響程度最大，管道設(shè)計(jì)影響程度次之，人員誤操作和自然災(zāi)害影響程度最小。為危化品管道運(yùn)輸企業(yè)采取針對(duì)性的安全管理措施、安全決策和安全投入起到了一定的參考作用。

（2）本文將構(gòu)建的模型應(yīng)用于湖南某危化品經(jīng)營公司并進(jìn)行了計(jì)算、數(shù)據(jù)處理和分析，印證了FUZZY-AHP綜合評(píng)價(jià)法的實(shí)用性、有效性和優(yōu)越性，并且數(shù)據(jù)分析的結(jié)果切實(shí)為該企業(yè)提供了安全狀況改善方向。