城市燃氣管道脆弱性評估及保護策略

王東良，魏甜甜，魏秀泉(山西明德能源產業技術研究有限公司，山西 太原 030021)

0 引言

天然氣被國內外公認是最清潔的燃料能源之一，已經成為了構成城市生活的重要部分，管道運輸是最主要的燃氣運輸形式，也是城市基建設施的一個主要部分。經過數年的發展，中國已經實現了氣源供應形式多樣化，調峰方法適宜度增加，大部分燃氣管道能安全、可靠運行[1]。但客觀的講，當前城市燃氣管道安全運維管理實踐中依然存在一些不足，比如管道普遍老齡化及質量缺陷嚴重，管道產權歸屬模糊及應急處理能力薄弱等，增加了管道受損及失效的風險，對人們生命財產安全構成一定威脅。站在脆弱性削減的視角分析燃氣管道的安全問題，主動辨識、防御危險因素，進而使管道本質安全得到更大保障。

1 燃氣管道脆弱性的內涵

管道系統脆弱性并不是系統遭受擾動引起的，究其根本是因系統內自身就存在著本質屬性，即在系統遭擾動前就已經客觀存在了，只是有外界威脅因素作用于系統形成敏感性擾動時，才會呈現其脆弱性。城市燃氣管道的獨特性表現在如下兩點[2]：(1)不穩定性，系統本體存在著一些缺陷與薄弱點，其在系統內部會相互制約、影響，以致系統自身產生脆弱性；(2)管道被建立在復雜的城市環境內，當發生災害事故時，對其他市政管網等基礎設施產生一定影響，嚴重時造成設施大面積失效，不利于城市社會正常運作。故而，站在這個角度上分析，燃氣管網脆弱性評估和其所在的城市環境密切相關。

2 城市燃氣管道脆弱性的評估方法及等級分析

2.1 脆弱性的評估方法

(1)計算脆弱性指標的權重：這是在層次分析的基礎上進行的。這個模型建設過程中需要有數個指標的支持，所以涉及到權重配置問題在所難免。關于系統內各項脆弱性指標的重要性，是通過各個被賦予權重的指標組合而成的。結合既往做出的大量統計及客觀分析限時情況后，分析管網系統內脆弱性同級指標所占比例，能夠獲得燃氣管道系統的脆弱性分析結果。主要有[3]：

弱性權重的向量：A=[0.73 0.27]；

致災因子脆弱性相關指標權重的向量：A1 =[0.15 0.09 0.06]；

在涉及時段內脆弱性權重的向量：A11 =[0.22 0.09 0.18]。

(2)基于模糊綜合評價能夠獲得脆弱性模型的計算分析結果，具體是解讀以上所得權重各自對應的各項矩陣情況，以此為據建設模糊評價模型，最后獲得和各項作用相對應的權重，以及不同因素的綜合評估影響結果[4]：

(3)通過對各算子進行模糊合成，利用常規的實數乘法進行計算，最后獲得了常規修正以后的實數。以上是評價所有底層指標的分值后，獲得管網系統的最大脆弱性評估計算方法。

2.2 模型評價的等級分析

當前，針對燃氣管道的脆弱性評價，相應的等級劃分標準主要是以模糊評價模型為基礎建立的。關于等級分配標準的問題，國內外均形成了很多研究成果，主要被分成如下幾項內容[4]：

(1)非常脆弱：管網脆弱性指數< 20，既往屢次發生泄漏事故，并形成相應記錄，內部存在較大的隱患因素。

(2)比較脆弱：20≤脆弱性指數< 40，管段不能維持正常運轉狀態，有隨時發生事故的風險。

(3)脆弱：40≤脆弱性指數< 60，評估后認定管段的事故臨界性偏高，相應的巡檢、運維工作上存在較多的不足。

(4)不太脆弱：60≤脆弱性指數< 80管段，基本能維持燃氣管段的正常運轉狀態，常規巡檢及運維管理工作相對合理化。

(5)不脆弱：80≤脆弱性指數< 100，評估判斷管段運行狀態安全，保護、維管方法較為合理、妥當。

3 攻防策略下的管道保護模型

在實際工程建設活動中，不管是在設計還是施工環節均對燃氣管道進行相應保護，并且把以脆弱性評估模型下的管道保護方法作為事前保護主體方案。故而，在對敏感性因素產生攻擊行為時，我們主觀上認為前期時保護人員就已經對管道采取了一定保護措施，攻擊者以后采攻擊、破壞敏感性因素。

采用G(N，E)表示燃氣管網，N、E分別代表消耗節點，燃氣運輸管道，E={e1，e2，…em0}。和其相對應的，各條邊的脆弱度可以表示成C={c1，c2，…cm0}。

利用向量S表示當前運輸管道的銜接狀態，S=0時代表管道狀態良好，S=1說明管道承受一定攻擊并且已經斷離或者抵達設計的脆弱度閾值。X與Y分別作為攻擊向量，其中X={x1，x2，…xm0}，Y={y1，y2，…ym0}，向量內元素是攻擊/防守強度的比值。

式中：α、β分別為攻防結果的影響系數；θ為能抵達目的的最低攻擊強度；m為競爭強度。

maxyiF(Y)在這樣的工況下，燃氣管道保護規劃模型[5]：

式中：yi≥0(i=1，2，…，m0)

如果城市燃氣管道主干線運行狀態良好，但是整體上存在著一定催化性，處于比較脆弱與脆弱之間的管線長度在總長中占比高于50%，且脆弱度呈現出增高的曲線。為了達到事前管理控制，需要辨別脆弱度偏高管道管線，并研究相關的保護性策略。

具體是采用MATLAB R2014a及Bioinformatic Toolbox 工具箱對B管道的保護策略加以分析，具體是先對管道進行規范化處理，使其抽象化變成拓撲復雜結構，網絡上帶有箭頭的線路表示的是天然氣的輸運方向，邊緣上括號中的阿拉伯數字代表相應管線的標記，外部表示的是脆弱度。

研究一定資源條件下管道系統的最佳保護策略，進而使攻擊行為對績效的降低效果達到最低。具體分析時，為了能和工程實際更加貼切，可以自由進行攻擊，但是對于承災體來說，以上這些攻擊應均等配置到各組件節點，故而在構建的攻擊局勢內，保護向量Y迭代次數最多是10次，共計存在著100個樣本，模擬次數1是300，設定脆弱度閾值2.4。

經分析后發現，當有攻擊行為作用在組件上時，在均等保護即自適應覆蓋均等保護輕的狀況下，拓撲網絡的生存概率不會出現明顯改變，而自適應保護策略則會喪失保護能力。

鑒于現有燃氣管線脆弱性處于較低等級的實際情況，可以嘗試采用適當的冗余路徑進行保護，即盡可能地在網絡的冗余路徑上合理部署所有保護性資源。這樣在遭受攻擊時，就會快速把主要路徑的輸送壓力配置到冗余路徑上，不僅能提升燃氣管道路徑的生存概率，還能在較低的風險狀態下實現對冗余路徑的有效保護，進而能顯著減輕關鍵管線的運輸壓力，使其運輸過程的安全性、可靠性得到更大保障。

4 結語

總之，燃氣管線是現代城市內的一種關鍵的基礎設施，在廣大市民生活中發揮重要作用，其運行安全直接關系著國計民生。要以保護管線安全為宗旨對其脆弱性進行風險評判，建立出專門針對管道薄弱位置及風險隱患因素的風險機制分析途徑。利用模糊綜合評價模型分析燃氣管道的特性，計算出管段的脆弱至及脆弱等級，希望能對攻擊保護策略方案的編制提供一定參考，提升后期燃氣管線項目的管理水平，為中國城市社會發展作出一定貢獻。