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摘 要：输气管道一旦发生泄漏，极易引发火灾爆炸等重大事故，给社会、经济和环境造成重大损失。为指导事故的预防和控制，提出了基于模糊规则的管道风险评估方法。首先，基于管道泄漏为初事件的事件树，构建输气管道失效后果框架图；接下来，采用层次分析法和专家评判来确定各因素的权重值；然后，引入三角模糊数对后果事件等级进行判断，并与模糊综合评价相结合来分析各个后果事件的严重程度；最后，结合失效后果模糊概率，利用模糊规则库对管线的风险进行分析。结果表明，利用该方法可以实现管线风险的量化，为管线的风险评价和完整性管理提供一种新的思路。
关键词：输气管道 泄漏后果 模糊层次分析法 三角模糊数 模糊规则库 风险分析
输气管道是天然气资源的主要输送方式。输气管道一旦失效，易燃、易爆的天然气将由于扩散、燃烧和爆炸等导致严重后果，对管道公司造成巨大的损失。对输气管道的失效后果进行分析评价，指导管道公司制定相应的管理措施具有重要意义[1]。
输气管道失效后果可以用失效后果发生概率与失效后果严重程度的乘积来表示。对于失效后果概率的确定通常基于管线失效事故数据库和事件树定量分析来完成[2]。国外一些国家已建立起较为完善的管线失效数据库，而我国尚无这类可信的数据库，国内一些学者将模糊集合理论引入输气管道的事件树分析中，得到了失效后果的模糊概率，采用模糊综合评价，可以更加清晰的量化输气管道泄漏的复杂后果。本文拟将层次分析法（AHP）和模糊综合评价法相结合来评估管线的失效后果严重度，然后与失效后果模糊概率相结合[3]，基于模糊规则库来确定输气管道的风险。
一、输气管道失效后果框架图
输气管道发生泄漏后，介质受其自身特性和管线周围因素的影响，可能出现的后续事件会有不同，输气管线失效后果的事件树如图1所示[3]。
图1 输气管线失效后果通用事件树
而对输气管道失效后果进行评价，可以从社会、经济和环境等方面进行衡量。社会后果是以对周围的人和建筑物的损失作为衡量指标，经济后果是以对管道公司的各项事故损失作为衡量指标，环境后果则是以对周围环境的污染及消除污染所用的花费作为衡量指标。其评价体系框架图如图2所示。
二、输气管道失效后果分析
采用模糊综合评价对输气管道失效后果进行评价，可以改善人为主观性造成的模糊信息和后果各因素之间的相互影响。但在该评价中，各个因素权重值的确定带有专家的主观因素。层次分析法要求对每一层次内各个因素进行两两之间进行比较，然后对各个因素对整体权重的影响进行排序，并最终确定各个元素的权重值，这就巧妙的解决了如何科学计算复杂问题中多个因素权重的问题。
1.确定输气管道失效的各后果的权重值
在上述输气管道失效后果框架图的基础上，采用层次分析法对同层的各个因素之间相互比较，结合专家判断以数值的形式对每层的各个因素给出判断。采用的判断标准如表1所示。
图2 输气管线失效后果评价体系框架图
表1 判断矩阵标准及含义
将各个因素采用矩阵列出，求得该矩阵的最大特征值λmax以及对应的特征向量D。D=[D1，D2…Dn]作为因素的权重。为了验证所构造的判断矩阵是否合理，就需要引入指标CR标准作为一致性随机检验。
（1）
式中RI为是平均随机一致性指标，它的取值详见表2：
表2 一致性指标RI的取值
2.确定输气管道失效后果事件等级
输气管道泄漏后，会出现不同的后果事件（见图2），这些事件的第二级因素也有轻重之分。可以采用三角模糊数来对后果事件及其各级因素的模糊性进行量化。
三角模糊数可以表示A=（m1，m2，m3），其隶属度函数公式为：
（2）
式中，m2表示模糊数A的均值，m1和m3分别表示模糊数A的下限和上限。
三角模糊数[4]表示的等级如表3所示。
表3 后果等级表（用三角模糊数表示）
3.管线失效后果的计算
参照三角模糊数表示的后果等级表，采用专家评判的方法对爆燃、火球、蒸气云爆炸、闪火火灾、窒息及大气污染的后果严重程度进行评价，采用后果因素的权重与其对应的模糊数按矩阵乘法进行求解，公式如下：
（3）
式中，B表示专家评判的各个因素所对应的模糊数；C表示失效后果； D表示B所对应的权重。
4. 基于模糊规则的风险评价
风险评价是风险管理的先决条件。该管线风险可由失效后果发生概率与失效后果严重程度的乘积来表示，即Ri=Li×Ci。基于以下模糊規则库[4]对该管线失效后果进行评价，如表4所示。
表4 模糊规则库
如表4所示，模糊规则库中共有25种表示风险的规则，为了减少规则的数目，将Li和Ci转化为表3所示的隶属度函数，依据模糊规则库采用相乘之后再相加的方法来评估各个后果事件的风险指数：
例如： 。
5.解模糊化
为了得到一个清晰的风险指数，现采用加权平均的方法来进行计算[5]，其公式如下：
（4）
式中，mi为权重值：mVL=0，mL=2.5，mM=5.0，mH=7.5，mVL=10.0。
三、应用实例与分析
对某条在役天然气长输管线的失效后果进行评价，管线失效后果事件树如图1所示，失效后果框架图如图2所示。
1.权重确定
采用层次分析法和专家估测法，得到的天然气管线失效后果的第一级因素数据，如表5所示。
表5 天然气管线失效后果第一级因素的判断矩阵所对应的元素值
表中，u1表示社会后果、u2表示经济后果、u3表示环境后果。对表5进行矩阵计算，得出其最大特征值为λmax=3， 代入公式（2）和（3）进行一致性检验：
即通过一致性检验，则λmax对应的特征向量即为3个因素的权重值，即因素权重向量为D={0.60，0.20，0.20}。
同理求得第二级因素的权重值如表6所示。
表6 天然气管线泄漏后果框架图中各因素权重
2.确定后果事件等级
参照三角模糊数表示的后果等级表（表3），采用专家评判的方法各个事件的后果严重程度进行评价，评价结果详见表7。
表7 后果严重程度等级评价表
3.失效后果计算
依据公式（5）对失效后果严重程度进行求解。如爆燃事件后果（C1）的第二級因素社会后果的后果计算如下：
同理求得：
则爆燃事件（E1）所造成的总后果C1为：
同理可求得其它事件的所造成的总后果，依次为C2= [0.2875， 0.5325， 0.7500]、C3= [0.5325， 0.7775， 0.9400]、C4= [0.1650， 0.3025， 0.5250]、C5= [0.0300， 0.1175， 0.3625]、C6= [0.0700， 0.1575， 0.4025]。
4.基于模糊规则的风险评价
失效后果发生概率可借鉴之前的研究成果[3]，L1= [1.22E-06， 1.35E-05， 1.81E-05， 6.97E-05]、L2= [6.19E-04， 3.11E-03， 3.12E-03， 6.25E-03]、L3= [1.77E-06， 7.89E-06， 1.40E-05， 5.38E-05]、L4= [8.96E-04， 1.81E-03， 2.42E-03， 4.82E-03]、L5= [1.01E-04， 2.47E-04， 3.33E-04， 6.79E-04]、L6= [5.14E-02， 5.67E-02， 5.74E-02， 6.09E-02）]。
将Li和Ci转化为表3所示的隶属度函数，并依据模糊规则库（表4）得到各个后果事件的风险指数 ，依次为[0.0164， 0.1775， 0.8061， 0， 0]、[0， 0.0855， 0.7082， 0.2063， 0]、[0， 0.1421， 0.8579， 0， 0]、[0.0591， 0.3013， 0.6228， 0.0168， 0]、[0.4822， 0.3784， 0.1394， 0， 0]、[0， 0， 0.5909， 0.4091， 0]。
5.解模糊化
按照公式（6），计算得到各个事件的风险指数依次为4.4743，5.3021，4.6447，3.993，1.6430，6.0228。由结果可以看出，一旦该管线发生泄漏，导致大气污染的概率最高。建议该管道公司加强巡线工作，对损坏严重的管段进行更换，同时做好事故应急预案。
四、结论
1.构建了输气管道泄漏后果框架图，并采用层次分析法和专家估测法得到各级因素权重值，为管线泄漏后果事件的评估提供了依据。
2.采用模糊规则库的方法对输气管线风险进行评估，为管线风险的量化评估提供了另一种求解思路。
3.量化社会、经济和环境后果的因素众多，在今后的研究中可对这些因素进一步细化，使得权重分配更加合理，评价结果更接近实际。
参考文献
[1] 严大凡，翁永基，董绍华.油气长输管道风险评价与完整性管理[M]. 北京：化学工业出版社，2005.
[2] 陈利琼，张鹏，马剑林，彭星煜. 基于故障树的油气管道失效概率模型[J]. 石油工业技术监督，2006，10：10-15.
[3] 王大庆，张鹏，陈利琼.油气输送管线失效后果模糊事件树分析[J]. 安全与环境学报，2013，12：13-19
[4] Anjuman Shahriar， Rehan Sadiq*， Solomon Tesfamariam. Risk analysis for oil & gas pipelines： A sustainability assessment approach using fuzzy based bow-tie analysis[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012，25（3）：505-523.
[5] Sadiq， R.，Kleiner，Y.，& Rajani，B. Aggregative risk analysis for water quality failure in distribution network[J]. Journal of Water Supply，2004，53：243-261.
关键词：输气管道 泄漏后果 模糊层次分析法 三角模糊数 模糊规则库 风险分析
输气管道是天然气资源的主要输送方式。输气管道一旦失效，易燃、易爆的天然气将由于扩散、燃烧和爆炸等导致严重后果，对管道公司造成巨大的损失。对输气管道的失效后果进行分析评价，指导管道公司制定相应的管理措施具有重要意义[1]。
输气管道失效后果可以用失效后果发生概率与失效后果严重程度的乘积来表示。对于失效后果概率的确定通常基于管线失效事故数据库和事件树定量分析来完成[2]。国外一些国家已建立起较为完善的管线失效数据库，而我国尚无这类可信的数据库，国内一些学者将模糊集合理论引入输气管道的事件树分析中，得到了失效后果的模糊概率，采用模糊综合评价，可以更加清晰的量化输气管道泄漏的复杂后果。本文拟将层次分析法（AHP）和模糊综合评价法相结合来评估管线的失效后果严重度，然后与失效后果模糊概率相结合[3]，基于模糊规则库来确定输气管道的风险。
一、输气管道失效后果框架图
输气管道发生泄漏后，介质受其自身特性和管线周围因素的影响，可能出现的后续事件会有不同，输气管线失效后果的事件树如图1所示[3]。
图1 输气管线失效后果通用事件树
而对输气管道失效后果进行评价，可以从社会、经济和环境等方面进行衡量。社会后果是以对周围的人和建筑物的损失作为衡量指标，经济后果是以对管道公司的各项事故损失作为衡量指标，环境后果则是以对周围环境的污染及消除污染所用的花费作为衡量指标。其评价体系框架图如图2所示。
二、输气管道失效后果分析
采用模糊综合评价对输气管道失效后果进行评价，可以改善人为主观性造成的模糊信息和后果各因素之间的相互影响。但在该评价中，各个因素权重值的确定带有专家的主观因素。层次分析法要求对每一层次内各个因素进行两两之间进行比较，然后对各个因素对整体权重的影响进行排序，并最终确定各个元素的权重值，这就巧妙的解决了如何科学计算复杂问题中多个因素权重的问题。
1.确定输气管道失效的各后果的权重值
在上述输气管道失效后果框架图的基础上，采用层次分析法对同层的各个因素之间相互比较，结合专家判断以数值的形式对每层的各个因素给出判断。采用的判断标准如表1所示。
图2 输气管线失效后果评价体系框架图
表1 判断矩阵标准及含义
将各个因素采用矩阵列出，求得该矩阵的最大特征值λmax以及对应的特征向量D。D=[D1，D2…Dn]作为因素的权重。为了验证所构造的判断矩阵是否合理，就需要引入指标CR标准作为一致性随机检验。
（1）
式中RI为是平均随机一致性指标，它的取值详见表2：
表2 一致性指标RI的取值
2.确定输气管道失效后果事件等级
输气管道泄漏后，会出现不同的后果事件（见图2），这些事件的第二级因素也有轻重之分。可以采用三角模糊数来对后果事件及其各级因素的模糊性进行量化。
三角模糊数可以表示A=（m1，m2，m3），其隶属度函数公式为：
（2）
式中，m2表示模糊数A的均值，m1和m3分别表示模糊数A的下限和上限。
三角模糊数[4]表示的等级如表3所示。
表3 后果等级表（用三角模糊数表示）
3.管线失效后果的计算
参照三角模糊数表示的后果等级表，采用专家评判的方法对爆燃、火球、蒸气云爆炸、闪火火灾、窒息及大气污染的后果严重程度进行评价，采用后果因素的权重与其对应的模糊数按矩阵乘法进行求解，公式如下：
（3）
式中，B表示专家评判的各个因素所对应的模糊数；C表示失效后果； D表示B所对应的权重。
4. 基于模糊规则的风险评价
风险评价是风险管理的先决条件。该管线风险可由失效后果发生概率与失效后果严重程度的乘积来表示，即Ri=Li×Ci。基于以下模糊規则库[4]对该管线失效后果进行评价，如表4所示。
表4 模糊规则库
如表4所示，模糊规则库中共有25种表示风险的规则，为了减少规则的数目，将Li和Ci转化为表3所示的隶属度函数，依据模糊规则库采用相乘之后再相加的方法来评估各个后果事件的风险指数：
例如： 。
5.解模糊化
为了得到一个清晰的风险指数，现采用加权平均的方法来进行计算[5]，其公式如下：
（4）
式中，mi为权重值：mVL=0，mL=2.5，mM=5.0，mH=7.5，mVL=10.0。
三、应用实例与分析
对某条在役天然气长输管线的失效后果进行评价，管线失效后果事件树如图1所示，失效后果框架图如图2所示。
1.权重确定
采用层次分析法和专家估测法，得到的天然气管线失效后果的第一级因素数据，如表5所示。
表5 天然气管线失效后果第一级因素的判断矩阵所对应的元素值
表中，u1表示社会后果、u2表示经济后果、u3表示环境后果。对表5进行矩阵计算，得出其最大特征值为λmax=3， 代入公式（2）和（3）进行一致性检验：
即通过一致性检验，则λmax对应的特征向量即为3个因素的权重值，即因素权重向量为D={0.60，0.20，0.20}。
同理求得第二级因素的权重值如表6所示。
表6 天然气管线泄漏后果框架图中各因素权重
2.确定后果事件等级
参照三角模糊数表示的后果等级表（表3），采用专家评判的方法各个事件的后果严重程度进行评价，评价结果详见表7。
表7 后果严重程度等级评价表
3.失效后果计算
依据公式（5）对失效后果严重程度进行求解。如爆燃事件后果（C1）的第二級因素社会后果的后果计算如下：
同理求得：
则爆燃事件（E1）所造成的总后果C1为：
同理可求得其它事件的所造成的总后果，依次为C2= [0.2875， 0.5325， 0.7500]、C3= [0.5325， 0.7775， 0.9400]、C4= [0.1650， 0.3025， 0.5250]、C5= [0.0300， 0.1175， 0.3625]、C6= [0.0700， 0.1575， 0.4025]。
4.基于模糊规则的风险评价
失效后果发生概率可借鉴之前的研究成果[3]，L1= [1.22E-06， 1.35E-05， 1.81E-05， 6.97E-05]、L2= [6.19E-04， 3.11E-03， 3.12E-03， 6.25E-03]、L3= [1.77E-06， 7.89E-06， 1.40E-05， 5.38E-05]、L4= [8.96E-04， 1.81E-03， 2.42E-03， 4.82E-03]、L5= [1.01E-04， 2.47E-04， 3.33E-04， 6.79E-04]、L6= [5.14E-02， 5.67E-02， 5.74E-02， 6.09E-02）]。
将Li和Ci转化为表3所示的隶属度函数，并依据模糊规则库（表4）得到各个后果事件的风险指数 ，依次为[0.0164， 0.1775， 0.8061， 0， 0]、[0， 0.0855， 0.7082， 0.2063， 0]、[0， 0.1421， 0.8579， 0， 0]、[0.0591， 0.3013， 0.6228， 0.0168， 0]、[0.4822， 0.3784， 0.1394， 0， 0]、[0， 0， 0.5909， 0.4091， 0]。
5.解模糊化
按照公式（6），计算得到各个事件的风险指数依次为4.4743，5.3021，4.6447，3.993，1.6430，6.0228。由结果可以看出，一旦该管线发生泄漏，导致大气污染的概率最高。建议该管道公司加强巡线工作，对损坏严重的管段进行更换，同时做好事故应急预案。
四、结论
1.构建了输气管道泄漏后果框架图，并采用层次分析法和专家估测法得到各级因素权重值，为管线泄漏后果事件的评估提供了依据。
2.采用模糊规则库的方法对输气管线风险进行评估，为管线风险的量化评估提供了另一种求解思路。
3.量化社会、经济和环境后果的因素众多，在今后的研究中可对这些因素进一步细化，使得权重分配更加合理，评价结果更接近实际。
参考文献
[1] 严大凡，翁永基，董绍华.油气长输管道风险评价与完整性管理[M]. 北京：化学工业出版社，2005.
[2] 陈利琼，张鹏，马剑林，彭星煜. 基于故障树的油气管道失效概率模型[J]. 石油工业技术监督，2006，10：10-15.
[3] 王大庆，张鹏，陈利琼.油气输送管线失效后果模糊事件树分析[J]. 安全与环境学报，2013，12：13-19
[4] Anjuman Shahriar， Rehan Sadiq*， Solomon Tesfamariam. Risk analysis for oil & gas pipelines： A sustainability assessment approach using fuzzy based bow-tie analysis[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012，25（3）：505-523.
[5] Sadiq， R.，Kleiner，Y.，& Rajani，B. Aggregative risk analysis for water quality failure in distribution network[J]. Journal of Water Supply，2004，53：243-261.