基于层次分析法和MATLAB的运营期管道风险评价

陈 磊，王桂萱，赵 杰

（大连大学 土木工程技术研究与开发中心，辽宁 大连 116622）

基于层次分析法和MATLAB的运营期管道风险评价

陈 磊，王桂萱，赵 杰*

（大连大学 土木工程技术研究与开发中心，辽宁 大连 116622）

基于层次分析法对管道运营过程中所遇到的风险进行分析，建立管道风险评价模型，并采用MATLAB编程语言编写了风险评价模型的子函数程序。将该模型运用到大连某实际输油管道的风险评价中，确定了管道运营过程中的风险安全等级及风险应对措施，计算结果与实际相吻合。实例证明，利用层次分析法结合MATLAB子函数程序建立的风险评价模型不仅可以得出管道风险的具体量化指标对风险进行客观评价，而且思路清晰，计算简单、高效，能够为管道运营中的风险评估和风险管理提供可靠依据。

层次分析法；MATLAB；运营管道；风险评价

0 引言

随着城市化建设的推进，城市对于石油、天然气和自来水的需求不断增加，促进了管道运输的飞速发展。预计至“十三五”时期，我国油气和供水管道总长度将达到20万公里，建成跨区域石油天然气供应管网和城市供水管网体系[1]。随着时间的推移，管道的使用年代也在增加，越来越多的管道处于“带病”运营状态，因此有必要对其进行健康诊断和风险管理。

近年来，我国管道研究方面的学者对管道风险进行了初步探索与研究，并取得了一些研究成果。刘佳明[2]运用多次改进层次分析法确定管道腐蚀、设备、第三方破坏和自然环境的权重分别为0.49、0.31、0.12、0.08，通过模糊综合评判得出管道的健康指数为0.707，属于存在安全隐患的级别。王军防、于倩秀[3]运用未确知测度模型对某输油管道10个管段的安全级别进行了评价，评价结果与实际相符合，表明采用未确知测度模型可以对油气管道的安全进行有效的评价。董文浩[4]运用层次分析法和群决策法对四川某采气干线线路方案的影响因素进行归类和分析，选出了最优线路方案。王楷[5]运用事故树分析方法对长输压力管道的风险进行定性与定量分析，找出了薄弱管段和危险因素及其危险程度，为管道的运行管理提供了具体的数据理论基础，提高了管道运行的安全性。以上这些评价方法中，没有建立程序化的计算模型，有关计算和分析的过程还有待简化，计算效率也有待提高。

本文在层次分析法原理的基础上，对管道运营过程中所遇到的风险因素进行研究，并运用MATLAB编程语言编写了层次分析法的子函数程序，建立了管道风险评价模型，该模型不仅可以对管道的风险进行量化评估，还可以根据评估结果制定相应的风险管理方案，为管道后续的风险管理提供可靠的判断依据，并且计算和分析过程简单，计算效率高。

1 AHP结构评价模型

1.1 AHP的基本原理及步骤

层次分析法（Analytic Hierarchy Process简称AHP）是美国Saaty教授等于20世纪70年代初提出的一种层次权重决策分析方法[6]。该方法是将与目标问题有关的元素都罗列出来，并根据各个影响因素间的相互关联、隶属关系等建立目标层、准则层、指标层三个层次，从而建立多层次的结构分析模型，是将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化及系统化的过程，并利用量化的方式来体现各个因素间的主观重要性进而展开定量分析与研究。具体可以分为以下几个步骤[7]：建立层次结构分析模型；构造判断矩阵；计算判断矩阵的权重向量；一致性检验；判断决策。

层次分析法首先是将问题条理化，构造出一个层次清晰的结构分析模型。其次，层次分析法具有严格的上下层隶属关系，运用1~9标度法[8]进行本层因素相对上一层指标的重要性比较并具体量化，建立判断矩阵。

式中，aij是第i个因素相对第j个因素的重要程度，矩阵A为互反矩阵，满足对于递阶层次结构，从最顶层到最底层有几个隶属关系就要建立几个判断矩阵。在建立判断矩阵之后，最重要的就是求得其最大特征值及对应的特征向量，特征向量即为权重向量。通常使用特征多项式进行矩阵特征值的求解，即：

式中，I为单位向量，λ为特征值，特征向量可由特征值进一步求得。

实践表明，随着问题复杂程度的增加和结构层次的增多，层次分析法计算和分析过程也会非常复杂，特别是判断矩阵特征值和特征向量的求解。实际上，MATLAB可以轻松实现矩阵特征值和特征向量的求解，通过编写子函数程序也可以实现判断矩阵的一致性检验，大大简化计算过程。

1.2 管道风险指标评价体系

影响管道运营的风险因素众多，选取合适的评价指标对于最终评价结果的准确性和可靠性有重要影响。参照国内外管道破坏方面的研究成果[9-11]及管道完整性规范[12]，选取影响管道安全运营的具有代表性的风险因素共2层5类12项风险指标（选取12项具有代表性的响管道安全运营的风险指标），建立能够较为全面反映管道运营期结构风险特点的层次评价模型，如图1所示。

图1 运营期管道安全评价体系

1.3 管道风险安全等级划分

目前国内管道的状态评估大多采用模糊的评价方法，比如管道运营比较安全、存在某些安全隐患等模糊定性的评价，尚没有明确的管道运营风险安全等级划分方法及对应的风险应对措施。参照工业管道(安全状况等级划分)将管道安全状况分为4个等级的方法，确定四级划分法作为运营期管道风险安全等级的划分方法，根据风险因素的权重大小结合专家和现场管理人员的经验，建立管道风险安全等级及应对机制，如表1所示。

表1 运营期管道风险等级及应对机制

2 AHP程序化模型设计

利用MATLAB编程语言编写层次分析法的子函数，从判断矩阵的输入到求层次单排序、总排序、一致性检验以及最终得出所有风险因素的总排序权重值，实现计算与分析过程的程序化[13]。

2.1 求解归一化特征向量

调用MATLAB中eig函数求解矩阵的最大特征值及对应特征向量，调用格式为式中V为特征向量矩阵，D为特征值矩阵。定义函数maxeigvalvec.m来实现。

function[maxeigval，w]=maxeigvalvec(A)；%求判断矩阵A的最大特征值及其对应的归一化的特征向量

[v,d]=eig(A)；%v是特征向量矩阵，d是特征值矩阵，

2.2 计算层次单排序及一致性检验

在构造判断矩阵的时候，由于管道所面临风险的多样性及检查人员对各个风险因素认识的局限性，判断矩阵的一致性难免会遭到破坏，造成判断结果发生偏颇。为避免在同一层中出现A比B重要，B比C重要，而C却比A重要的错误，由求得的最大特征值λmax进行判断矩阵的一致性检验。因此，必须对判断矩阵进行一致性检验。定义函数examine.m进行判断矩阵的一致性检验。

function[CI,RI]=examine(maxeigval,A);%对层次单排序的权重向量进行一致性检验，maxeigval为最大特征值，A为判断矩阵

2.3 计算层次总排序及一致性检验

定义function tsw=tolsortvec(utw,dw,CIC,RIC);%求层次总排序权重向量，同时对其进行一致性检验，tsw为第二层风险因素的总排序权重，utw为上一层因素的总排序权重行向量，dw为下一层因素对上一层因素的单排序权重向量矩阵，CIC为一致性指标列向量，RIC为随机一致性指标列向量。

3 工程应用

3.1 工程概况

大连某油罐区位于大连市甘井子区，整个罐区管道运营年代超过10年。罐区输油管道长约600 m，管道直径200 mm，壁厚6 mm，管线围绕罐区布设，采用架空式布置方案，管道底部距离地面30 cm左右。该油罐区管道由于运行时间较长，根据对现场管道的调研和罐区工作人员的检查记录，发现管道的内表面和外表面已经有不同程度的腐蚀，同时还伴有一定的微变形和人为因素造成的破坏。

根据图1层次结构图，把管道结构安全状态S作为目标层，管道腐蚀S1、疲劳破坏S2、蠕变破坏S3、环向变形S4和人为破坏S5作为准则层，指标层则具体分为12个影响因素，运用1~9标度法对风险因素进行两两比较，建立准则层和指标层的判断矩阵。如表2~表6所示。

表2 准则层判断矩阵S

表3 管道腐蚀判断矩阵S1

表4 疲劳破坏判断矩阵S2

表5 蠕变破坏判断矩阵S3

对于环向变形，影响因素只有膨胀变形一项，故其判断矩阵为S4=[1]。

表6 人为破坏判断矩阵S5

3.2 编写计算程序

（1）输入判断矩阵

判断矩阵S2、S3、S4、S5阶数小于3，默认满足完全一致性，不需要进行一致性检验，故RIS2=0，CIS2=0；RIS3=0，CIS3=0；RIS4=0，CIS4=0；RIS5=0，CIS5=0。

3.3 程序运行结果

运行以上程序，弹出两次“判断矩阵通过一致性检验”和一次“层次总排序通过一致性检验”，说明判断矩阵S、S1和层次总排序都通过了一致性检验，同时得到第二层各个风险因素的总排序权重：tsw=[0.1968 0.0782 0.1231 0.0205 0.0381 0.0320 0.0107 0.0218 0.0436 0.1604 0.2061 0.0687]。

依据1.3节管道风险安全等级，比较计算结果可以知道施工或者人为破坏对应的权重最大，为0.2061，属于一级风险；腐蚀深度和环向膨胀变形的权重也较大，分别为0.1968和0.1604，属于二级风险；环向腐蚀长度权重为0.1231，属于三级风险；而输送介质、加载频率、管道结构和材料等的权重均小于0.1，属于四级风险。结合管道实际运营状况和现场管理人员日常管理记录知道，周边施工和人为不小心破坏确实给管道运营造成诸多不利影响，同时因为外界自然环境和内部介质的原因，管道面临腐蚀的风险也较大。因此，以上计算结果与管道实际状况吻合。最后，根据计算得出的风险等级确定相应的风险应对措施，从而保证管道的安全运营。

4 结论

本文通过MATLAB编程语言实现了层次分析法的计算与分析步骤，建立了管道风险评价模型，并将该模型应用于某实际输油管道的风险评价中，对比计算结果与管道实际状况，可以得出以下结论：

（1）依据层次分析法基本原理、管道风险因素和工业管道安全状况等级，建立了运营期管道结构的风险层次评价模型。结合MATLAB编程语言编写了层次分析法的计算程序，实现计算与分析程序化，减少了定量化的计算，得到的结果也更加准确。

（2）将层次分析法的程序化计算模型应用到某实际的输油管道风险评价中，可以准确快速地得出管道所面临的各个风险因素的权重大小，并根据权重大小确定风险等级，最后根据风险安全等级和应对机制采取相应的风险应对措施，将原本复杂难以判断的问题变得清晰明了，是处理模糊问题的一种好方法，有较强的可推广性和实用性。

[1]张志宏,王丽娟,李可夫,等.我国油气储运技术发展趋势分析[J].石油科技论坛,2012,31(1):1-6.

[2]刘佳明.模糊层次综合评价法在油气管道安全中的应用[J].化学工程与设备,2014(1):201-204.

[3]王军防,于倩秀.基于未确知测度理论的油气管道安全评价模型[J].油气储运,2009,28(5):14-18.

[4]董文浩.基于层次分析法和群决策的集输管道线路评价[J].油气储运,2015,34(10):1-5.

[5]王楷.基于事故树分析的压力管道风险评价方法研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[6]苏毅,张鸿.基于层次分析法的商业银行信贷业务风险研究[J].新西部,2011(13):46-47.

[7]何芙蓉.层次分析法在施工招投标中的应用研究[D].成都:西南交通大学,2014.

[8]苏树军.运用层次分析法（AHP）对新疆教育投资决策的评价与确定[J].昌吉学院学报,2008(1):10-14.

[9]姜德林,王志杰,孙 霞.压力管道的破坏形式和预防措施[J].化工技术与开发,2011,40(5):53-54.

[10]Thomas jones,Harold Berger.Thermographie detection of impact damage in graphite-epoxye composites[J].Materials Evaluation,1992(11):1446-1453.

[11]Benkherouf A,Auiodina A Y.Leak detection and location in gas pipelines[J].IEE Processing,1988,135(2):142-148.

[12]Q/SY1180-2009,管道完整性管理规范[S].

[13]宋飞,赵法锁.地下工程风险分析的层次分析法及MATLAB应用[J].地球科学与环境学报,2008,30(3):292-296.

Risk Evaluation of Pipelines in their Service Lifespan based on Analytic Hierarchy Process and MATLAB Software

CHEN Lei,WANG Gui-xuan,ZHAO Jie*
(Research and Development Center of Civil Engineering Technology,Dalian University,Dalian 116622,China)

Arisk evaluation model of the pipeline is established based on the analysis of risks appearing in the service lifespan of the pipeline and a sub function algorithm of the risk model is complied by means of a MATLAB software.Based on the model,the risk evaluation of an on-site oil pipelines located in Dalian was conducted,which identifies the method to determine the risk safety grade and the measures to control in the lifespan of the pipeline was studied,and the calculated results is consistent with the actual ones.The examples show that using the risk evaluation model established by the combination of AHP and MATLAB can not only draw the specific quantitative indicators to carry on the objective assessment of pipeline risks,but also have a clear idea and simple and efficient calculation process which can provide reliable basis of the risk assessment and management for the pipelines in their service span.

AHP;MATLAB software;service pipelines;risk evaluation

TE89

：A

：1008-2395(2016)06-0015-06

2016-07-11

国家自然科学基金(11272069)；辽宁省教育厅项目（L2015035）；大连市科技计划项目(2014E13SF145)。

陈磊（1989-），男，硕士研究生，研究方向：管道风险评估和完整性管理。

赵杰（1980-），男，讲师，博士，研究方向：岩土与地下结构稳定分析、工程抗震。