層次分析法城鎮燃氣管道網格化風險評價

焦建瑛，吳 波，顧先凱，朱 妍，杜玖松

(北京市燃氣集團有限責任公司，北京100035)

1 概述

城鎮燃氣發展迅速，城鎮燃氣管道作為國民經濟發展和人民生活保障的資源和能源大動脈，具有城市生命線的重要地位。城市燃氣安全關系到城市及社會的發展，隨著天然氣管網建設加快，燃氣供應能力不斷增強，在城鎮燃氣輸送過程中，出現了許多管網安全運行問題：部分管道超期服役，損壞老化，陰極保護失效等等，存在極大的安全隱患，因此一個全面、有效的燃氣管網風險評估方法至關重要[1-2]。

目前的燃氣風險計算主要是針對單獨的燃氣管道進行評價，并沒有對類似于網格化的管道區域整體的評價。區域風險評價更有利于管理者對整體風險管控的把握，而且方便基層員工進行檢查巡視。本文基于層次分析法對城鎮燃氣管道進行網格化風險評價，實現了燃氣管網區域風險智能評估。

2 層次分析法理論

層次分析法是將定量分析與定性分析結合起來，用決策者的經驗判斷各衡量指標之間的相對重要程度，并合理地給出每個決策方案的每個指標的權重，利用權重和打分結果求出各方案的優劣次序[3]。運用層次分析法建模確定權重，大體上可按下面4個步驟進行。

① 遞推層次結構的建立

首先把目標決策問題條理化、層次化，按照屬性的不同將相關的各個因素從高到低分解成若干層次，形成多層次的指標結構模型。從高到低分成目標層、準則層、指標層。

② 構造出各層次中的判斷矩陣

根據本層所有因素對上一層某一因素的相對重要性程度的比較，通常采用1-9標度法，為判斷矩陣的元素賦值。判斷矩陣P[4]為：

(1)

式中P——判斷矩陣

n——評價指標的數量

pmn——第m個評價指標相對于第n個評價指標的相對重要性程度,m=1,2,3,…,n

③ 層次單排序及一致性檢驗

對于判斷矩陣P,運用方根法求取評價指標的相對權重，計算公式[4]如下：

(2)

式中Wi——第i個評價指標的相對權重

(3)

為了保證判斷矩陣的準確性，需對判斷矩陣作一致性檢驗 ,計算最大特征值λmax[4]：

(4)

式中λmax——最大特征值

Ai——判斷矩陣P中的第i個行向量

計算一致性指標(CI)[4],并檢驗判斷矩陣的一致性，計算一致性檢驗判別式CR[4]。

(5)

式中CI——一致性指標

(6)

式中CR——一致性檢驗判別式

R——平均隨機一致性指標,當評價指標的數量為3、4時，其值分別為0.58、0.9

若CR<0.1,則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗。

④ 整體一致性檢驗

進行整體一致性檢驗，公式為[5]：

(7)

式中CR,Z——整體一致性檢驗判別式

j——準則層的第j項

s——準則層的因素數量

CI(j)——準則層的第j項因素對應指標層的一致性指標

aj——準則層的第j項因素對應的歸一化權重

R(j)——準則層的第j項因素所對應指標層的平均隨機一致性指標

當CR,Z<0.1時，認為整體一致性檢驗通過檢驗。

3 評價指標體系的建立

燃氣風險網格化評價體系由與燃氣風險相關的相應指標組成，指標的選取具有合理性和代表性。本研究從管道本體、檢測數據、外部環境3個方面構建了3個層次、11個指標的燃氣風險網格化評價體系，評價體系層次結構見圖1。

圖1 燃氣風險網格化評價體系結構

4 層次分析法確定權重

4.1 構建判斷矩陣

判斷指標之間的相對重要性，采用1-9標度法進行標度，最終得到4個判斷矩陣，見表1～4。以表1為例，可知檢測數據P2比管道本體P1重要，管道本體P1比外部環境P3重要，檢測數據P2比外部環境P3重要。

表1 T-P1～P3判斷矩陣

表2 P1-C1～C4判斷矩陣

表3 P2-C5～C7判斷矩陣

表4 P3-C8～C11判斷矩陣

4.2 層次單排序結果

通過式(2)～(6)，計算各指標權重以及一致性檢驗相關指標，計算結果見表5～8，各矩陣的CR均小于0.1，通過層次單排序一致性檢驗。

表5 T-P1～P3判斷矩陣的指標歸一化權重及一致性檢驗相關指標

表6 P1-C1～C4判斷矩陣的指標歸一化權重及一致性檢驗相關指標

表7 P2-C5～C7判斷矩陣的指標歸一化權重及一致性檢驗相關指標

表8 P3-C8～C11判斷矩陣的指標歸一化權重及一致性檢驗相關指標

根據公式(7)對層次總排序結果進行一致性檢驗，總體CR，Z<0.1，通過一致性檢驗，說明權重設置合理。

5 網格化風險評價

5.1 城鎮燃氣網格劃分

以北京某燃氣公司管網為例進行網格劃分，以天安門中軸線和長安街的交點為網格中心基準點，作300 m×300 m的網格線，共有網格2 652個。網格編號是從左下開始，從左到右，從下到上進行編號，每行都是從左到右。網格劃分結果見圖2，其中紅線和藍線為北京地鐵線，藍線為地鐵10號線。

圖2 網格劃分結果

5.2 網格內指標得分計算

網格內的管齡、管徑、壓力等級分值是通過該指標對應的管道在應急事件中所占的比例確定，比如投運時間為<1990年、1991—2000年、2001—2010年、>2010年的管道在2016—2019年的應急事件中的占比分別為0.547、0.321、0.113、0.019，則1992年的管道的管齡得分為0.321，最終網格內所有管道管齡得分的平均值即為該網格的管齡得分。

網格內的管道長度、地鐵長度、鐵路長度、無軌電車軌道長度得分是通過該網格內該項指標值除以2 652個網格中該指標的最大值歸一化得到。

網格內腐蝕泄漏事件數量、防腐層破損點數量、陰極保護測試樁數量、充電樁數量得分是通過四分位數法確定。以網格內充電樁數量為例，首先將2 652個網格按照充電樁數量進行升序排列，以排名前25%、50%、75%的網格為分界點將網格劃分為4組，其中排名位于0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%的網格充電樁數量得分分別為0.3、0.5、0.8、1.0，即將25%、50%、75%、100%進行向上圓整。

5.3 網格風險計算

假設計算得到管道本體、檢測數據、外部環境的歸一化權重為WP1，WP2，WP3，網格內的管齡、管徑、壓力等級、管道長度、腐蝕泄漏事件數量、防腐層破損點數量、陰極保護測試樁數量、地鐵長度、鐵路長度、無軌電車長度、充電樁數量的歸一化權重為WC1～WC11，網格風險值的計算公式為：

(8)

式中Ri——第i個網格的風險值

WP1，WP2，WP3——管道本體、檢測數據、外部環境的歸一化權重

WCk——指標層第k項指標的歸一化權重

Si,k——第i個網格指標層第k項指標的得分

t——網格數量

將2 652個網格按照計算得到的風險值排名，得到網格風險值與網格風險排名的曲線圖，見圖3。由圖3可知，曲線在排名173的網格后趨于平緩，說明網格的風險變化趨勢趨于穩定。排名173的網格風險值為0.18，風險值大于等于0.18的網格有173個，占所有網格數的6.5%，該類網格為高風險網格。因此在日常巡視和管理中需對排名前6.5%的這173個網格進行重點關注。

圖3 網格風險值與網格風險排名曲線

6 結論

① 介紹層次分析法建模確定權重的4個步驟。通過網格化技術將燃氣管道進行網格劃分，建立燃氣管道網格化風險評價體系。對評價體系中的指標通過層次分析法進行權重的確定，最終對所有網格進行網格化風險評價。

② 將所有網格按照計算得到的風險值排名，得到網格風險值與網格風險排名的曲線圖，找到曲線從劇烈變化到平穩的網格排名拐點。風險值大于該拐點對應的風險值的網格為高風險網格，在日常巡視和管理中需對這些網格進行重點關注。