基于博弈論-集對分析法的海底管道泄漏風險評估

劉 吼

（中海石油（中國）有限公司 深圳分公司，深圳 518067）

0 前 言

隨著我國經濟水平的不斷提高，人們對油氣資源的需求量也不斷提升，開發海上油氣資源已成為接續陸上資源的主要手段。海底管道的安全平穩運行對于保障能源安全、維持海洋生態多樣性具有重要意義[1-2]。目前，已有學者圍繞海底管道運行中的潛在風險進行了評價。張新生等[3]從擾動程度、安全屬性和預防措施等三個方面，利用概率神經網絡對管道風險進行了評價；余楊等[4]利用畢達哥拉斯算法和貝葉斯網絡，計算了管道泄漏的失效概率；淳明浩等[5]結合主成分分析法對影響海管運行的風險因子進行量化，獲取了不同管段的綜合因子排名。以上研究采用的評價方法具有一定的科學性，但部分方法過于復雜，且在權重計算時只考慮單一類別對權重的影響，指標值的柔化處理不夠。基于此，在調研國內外海底管道事故數據庫的基礎上，建立海底管道泄漏風險評價指標體系，結合博弈論和集對分析法對指標值進行處理，以此得到不同管段的泄漏風險等級。

1 構建海底管道泄漏風險評價指標體系

海底管道平鋪在海底或深埋在海泥中，所處環境惡劣，同時由于管道長期服役及海底環境的腐蝕會導致管體發生泄漏；此外，管道的保護措施即承載體的承受能力也會影響管體泄漏事故的發生概率。由此可見，影響海底管道泄漏的因素眾多，且與陸上油氣管道有較大區別。英聯合王國海上石油作業者協會（UKOOA）在1989 年建立了專門統計海底管道（含立管） 的失效數據庫PARLOC（pipeline and riser loss of containment: North Sea experience），統計的失效原因多為第三方破壞、腐蝕和結構缺陷[6]；美國安全與環境執行局（BSEE）統計了墨西哥灣和太平洋海域的海洋平臺作業事故，其中因第三方破壞和腐蝕造成的事故后果占絕對比例[7]；王紅紅等[8]統計了1986—2016 年期間，中海油所轄的315 條管道發生過的事故頻率和所在海域，將事故原因分為腐蝕、第三方破壞、自然與地質災害、工程質量問題等。

基于此，結合待評價海底管道所在海域的生態環境和管道自身屬性，參照上述事故數據的統計結果，從管道腐蝕、第三方破壞、自然災害、誤操作、管道結構缺陷和管理缺陷等因素出發，建立風險評價指標體系，如圖1所示。

圖1 海底管道泄漏風險評價指標體系

將風險等級劃分為低（I）、較低（II）、中（III）、較高（IV）和高（V），其中H2S腐蝕、CO2腐蝕、海水腐蝕、防腐層失效、陰極保護失效、漁船密度、航運船密度、地震、臺風、管材缺陷、管道埋深和服役年限等可通過現場監測數據、運行參數和歷史維搶修記錄獲得，屬于可量化指標，參照CCS《海底管道系統規范》（2021版本）要求劃分等級區間，具體見表1，其中臺風等級為語言型定量描述，風險等級I～V分別對應量化評價值1、3、5、7、9；其余為不可量化指標，通過專家經驗獲取評價值，等級區間分別為[0，1.6）、[1.6，4.8）、[4.8，7.6）、[7.6，8.8）、[8.8，10.0）。

表1 定量評價指標風險等級劃分結果

2 博弈論組合賦權

主觀權重雖可一定程度反映海底管道運行的真實情況，但容易受主觀情緒和專家認知的影響；客觀賦權通過真實樣本數據獲取指標權重，但對于個別指標的賦權差異較大。對于海底管道泄漏風險評價而言，指標權重需充分利用主觀經驗和客觀事實的內在規律，故采用博弈論組合賦權的方法使各方案的基本權重與理想權重的偏差最小化，以便最大程度保留原始方案信息，公式為

式中：w*——最優權重組合；

aj*——第j種賦權方法的最優組合系數，j=1～g，本研究g=2；

wj——第j種賦權方法的基本權重。

將公式（1）轉化為最優化問題，即可求解aj*。主觀賦權采用G1法，客觀賦權采用熵權法[9]。

3 集對分析法

將各指標的實際風險大小與等級結成集對，通過計算兩者之間的聯系度確定管段所屬風險等級[10]。聯系度用μ表示，計算方法為

式中：a——統一度；

b——差異度；

c——對立度；

p——差異度標記系數；

q——對立度標記系數。

由于風險等級劃分為5個，故將集對分析擴展為5元聯系度，通過隸屬度函數計算單一指標的聯系度，計算方法為

式中：μnk——評價指標值xn在第k個風險等級上的聯系度；

s1～s5——風險等級的閾值，對于越小越優的指標依次取上限閾值，對于越大越優的指標依次取下限閾值。

最后，結合指標權重和單一聯系度計算復合聯系度，即

式中：μk——待評價管段在第k個風險等級上的復合聯系度；

w*——最優權重組合；

m——指標個數。

4 實例驗證

4.1 基礎數據獲取

以南海某海域的海底管道為例，該地區管道采用雙層結構API X60管線鋼，內管直徑為200～300 mm，外管直徑為400～500 mm，海域水深15～30 m。取20 個不同的混輸管段為研究對象，結合海文信息、附近海域船只往來信息和管道運行參數確定可量化指標；邀請5位熟悉該海域和管道情況的專家確定不可量化指標，將5位專家的意見按照學歷、工作年限和職稱進行意見整合，最終結果見表2。

表2 評價指標取值結果

4.2 指標權重計算

針對表2的數值采用熵權法進行賦權，得到地震、臺風及巡查力度不足的權重較大。自然災害會引發地表變形、海床發生地面運行，此時管道容易裸露、懸空甚至斷裂，但考慮到目前氣象部門預報準確性的提升，可通過各項減緩措施減少自然災害對管道的拖拽和沖刷行為，因此自然災害并不是影響海底管道泄漏的最主要因素。此外，管輸介質中H2S含量、漁船密度和航運船密度相對較大，數據對應的風險等級多在IV 級以上，但熵權法得到的權重較小，這與熵權法對變異性較小的數據集指標不敏感有關。由此可見，需要采用G1 法進行主觀賦權，結合博弈論確定出主、客觀方法對應的最優組合系數分別為0.68、0.32，結合公式（1）計算得到組合權重。組合權重大于0.06的指標從大到小依次為漁船密度、航運船密度、臺風、海水腐蝕、H2S 腐蝕、地震和管道埋深。繪制不同權重結果的雷達圖，如圖2所示。組合權重結果位于兩種賦權方法的中間，說明權重進行了柔化處理，結果與實際情況相符。

圖2 不同權重結果的雷達圖

4.3 聯系度計算

以管段1 的A11 可量化指標和A61 不可量化指標為例，進行單一聯系度計算，將管段1指標為A11 的評價結果174 代入公式（3）～公式（7），其中s1、s2、s3、s4、s5分別為50、100、150、200、300，對應等級I～V 的單一指標聯系度分別為-1、-1、0.04、1、-0.04；同理，將A61 的評價結果4.5 代入公式（3）～公式（7），其中s1、s2、s3、s4、s5分別為1.6、4.8、7.6、8.8、10.0，對應等級I～V 的單一指標聯系度分別為-0.812 5、1、0.812 5、-1、-1。依次類推，得到管段1不同指標在各自風險等級上的單一聯系度，結果見表3。

表3 管段1的單一聯系度結果

最后，利用公式（8）結合組合權重結果，計算復合聯系度并對風險等級進行評價，計算及評價結果見表4，并根據最大聯系度準則確定不同管段所處的風險等級，結果如圖3所示。

表4 復合聯系度及風險評價結果

圖3 不同管段所處的風險等級

其中，管段12 和管段20 的風險等級較高，為IV 級，這兩個管段的共同特征是受船只拋錨、脫錨及重物墜落的影響較大，且所處區域海洋資源豐富，漁業航行活動較多；海水電阻率較低、含鹽量大，在電化學腐蝕和沖刷腐蝕的作用下，處于全浸區和海泥區的管道腐蝕趨勢較強；管道埋深較淺，一方面可促使潮汐在局部管段形成湍流，加快防腐層的剝離，另一方面也增加了船錨和第三方重物造成的管道局部凹陷和變形；此外，巡查力度不足、安全標識不完整和公眾教育程度不夠也是管道泄漏不可忽略的因素。風險評價結果與現場實際情況相符，證明了博弈論-集對分析法用于海底管道泄漏風險評價是可行的。

集對分析法還可通過同一度a和對立度c的比值，確定集對勢e=|a/c|，如以實際風險為高風險作為理想參照，則e＞1 表示實際風險與理想風險在同勢區，該管段具有不穩定的風險態勢；反之同理。不同管段的集對勢結果如圖4 所示。根據圖4 可知，管段9、13、15、20 處在同勢區，說明目前風險有增加的趨勢；管段8、12、14 處在均勢區，說明目前風險基本保持穩定；其余管段處在反勢區，說明風險有降低的趨勢。因此，應重點關注風險發展較快的管段，從限制船舶航速、禁止在管道保護區停泊、設置天氣預警裝置、加強巡線、設置警告牌、對管道添加緩蝕劑或定時清管、增加混凝土防護板和填充沙袋等方面全面降低海底管道泄漏風險，提高管道完整性管理水平。

圖4 不同管段的集對勢結果

5 結 論

（1）為避免單一賦權方法的主觀性和片面性，采用博弈論組合賦權的方式糅和了G1 法和熵權法的結果，使得海底管道泄漏風險評價結果更合理。組合權重大于0.06 的指標從大到小依次為漁船密度、航運船密度、臺風、海水腐蝕、H2S腐蝕、地震和管道埋深。

（2）將各指標的實際風險大小和風險等級組成集對，應用集對分析法實現單一聯系度向復合聯系度的轉變，其風險評價結果與現場實際相符，并通過集對勢分析，得到了不同管段的風險發展趨勢，為進一步制定海底管道泄漏風險減緩措施提供了實際參考。

（3）海底管道處于復雜多變的環境中，今后還應將動態權重或動態概率融入模型中，實現不同工況、不同場景下的風險評價與預測。