基于AHP的城市燃气门站管道风险模糊综合评价方法

丁战武 张晓婕 徐 勇 党鹏飞 夏可茹

（1.沈阳特种设备检测研究院 沈阳 110035）

（2.沈阳化工大学 机械与动力工程学院 沈阳 110142）

城市燃气输配系统是由门站、储气设施、调压设施等组成的工程系统。城市燃气门站作为燃气输配系统的气源点，其输送的物质具有易爆性、易燃性、易扩散性等危险特性[1]。如若引发安全事故，不仅影响用户用气，还会带来经济损失以及危害人民生命健康。因此，有必要对城市燃气门站管道进行有效的风险评估。

国内外学者在燃气管道风险评估方面进行了不少研究。杨振宏等人[2]在城市燃气管道评判体系研究中引入了层次分析法和模糊综合评价法。金菊良等人[3]运用模糊评价矩阵直接确定判断矩阵以改进层次分析法，并用于水资源系统工程评价中。赵建平[4]利用故障树方法结合模糊综合评价法分析城市埋地燃气管道第三方破坏。万蓓蕾[5]对上海城市社区风险评估指标体系进行评价，并运用层次分析法与模糊综合评价法相结合对其致灾因子进行识别，综合脆弱性评估与致灾因子识别获得综合风险度评价。Chen等人[6]提出了一种基于层次分析法及模糊综合评判相结合的风险评估方法，对腐蚀套管进行风险评估。Li等人[7]利用改进的基于模糊集核心和熵权的多层次模糊综合评价算法评价网络安全性能。

目前，现有研究主要关注的是长输埋地管道，对城市燃气门站管道研究成果较少。本文通过专家访谈研讨确定管道失效可能性风险评价体系，结合层次分析法（AHP）计算权重，同时构建模糊综合评价模型，并以沈阳市燃气门站管道为研究对象，实现对城市燃气门站管道风险的量化评估。

1 建立评价体系

根据GB/T 27512—2011《埋地钢质管道风险评估方法》[8]以及专家经验，本文分别从管道破损失效、管道腐蚀失效、配套设施失效和安全管理及人为因素4个方面构建城市燃气门站管道失效可能性风险评价体系如图1所示。城市燃气门站管道失效后果风险评价体系如图2所示。

图1 管道失效可能性风险评价体系

图2 管道失效后果风险评价体系

2 层次分析法原理

2.1 建立层次结构模型

将城市燃气门站管道失效风险评价因素按照它们之间的相互关系分为最高层、中间层和最底层，绘出城市燃气门站管道失效风险评价体系图。

2.2 构造判断矩阵

1）邀请m位专家对风险因素进行分析。每位专家因经历和经验不同，权重属性不同，需要对各专家分配不同的权重值。每位专家的权重得分Vi是权重属性的总和，专家权重系数计算式见式（1）。

式中：

Wi——第i名专家的权重系数；

Vi——第i名专家的权重得分。

2）邀请m位专家，根据表1通过两两比较管道风险因素的重要程度，构造阶判断矩阵A。

表1 比例标度表

2.3 一致性检验

一致性检验公式见式（2）、式（3）。

式中：

λmax——判断矩阵的最大特征值；

N——判断矩阵的阶数；

CI——一致性指标；

CR——检验系数；

RI——随机一致性指标。

当CR≤0.10时，则认为该判断矩阵通过一致性检验。

计算城市燃气门站管道风险因素的综合权重见式（4）。

式中：

Zj——风险因素的权重；

Wij——单个专家对因素评价的权重。

3 建立模糊综合评价模型

3.1 确定因素集

风险评价因素集见式（5）。

式中：

Uj——评价因素。

3.2 确定评价集

根据所要评价因素的性质，管道失效可能性风险评价集见式（6）。

管道失效后果风险评价集见式（7）。

3.3 确定权重集

通过因素的权重来反映城市燃气门站管道各因素的重要程度[9]。本文根据层次分析法来确定权重Z，见式（8）。

式中：

Zj——第j个因素的权重。

3.4 进行单因素评价

对城市燃气门站管道的单个因素进行评价，确定评价因素对评价集合的隶属度[10]。单因素评价矩阵R见式（9）。

式中：

R——单因素评价矩阵；

Rj——第j个评价因素的模糊向量；

rji——对失效可能性因素进行评价，评价集的隶属度。

3.5 模糊综合评价

本文根据因素的权重和单因素评价矩阵利用加权平均模型M（.，+）求出失效模糊综合评价B，见式（10）。

式中：

B——模糊综合评价集；

bi——评价因素的模糊评价。

3.6 管道风险确定

1）城市燃气门站管道风险值由管道失效可能性和管道失效后果组成。对管道风险评价给定加权集Q见式（11）。

管道失效可能性P和管道失效后果C分别见式（12）、式（13）。

式中：

P——管道失效可能性；

C——管道失效后果。

管道风险值R见式（14）。

2）运用美国石油协会的API 581标准的风险矩阵确定管道的风险评价等级，如图3所示。风险的失效可能性等级和后果等级分别见表2、表3。

表2 失效可能性等级

表3 失效后果等级

图3 风险矩阵图

4 实例分析

本文以沈阳市某燃气门站管道为例，邀请5位专家对管道失效因素进行评价，并结合本文所构建的模糊综合评价模型对燃气门站管道进行风险等级确定。

4.1 模糊评价

以城市燃气门站管道失效可能性风险评价体系中外腐蚀因素为例，外腐蚀可分为3个子因素，包括土壤腐蚀、大气腐蚀、阴极保护失效。根据式（1）得5位专家权重值分别为0.21、0.17、0.15、0.07、0.06。

1）层次分析法计算权重

以专家1构造的判断矩阵为例，外腐蚀因素的判断矩阵及权重见表4，判断矩阵通过一致性检验。

表4 判断矩阵及权重

同理，其余4位专家所构造的判断矩阵均满足一致性检验，由式（4）综合所有专家权重得式（15）。

2）模糊综合评价

根据式（10）得管道失效可能性因素模糊综合评价B见式（16）。

管道失效后果因素模糊综合评价B'见式（17）。

4.2 风险确定

根据式（12）和式（13）得失效可能性P和失效后果C分别为P=0.06,C=0.07。

根据式（14）得相对风险R=0.004 2。根据表2得失效可能性等级为1，根据表3得失效后果等级为A，根据图3表明沈阳市某燃气门站管道风险等级为低风险。

5 结论

1）本文构建了城市燃气门站管道风险评价体系，为现有城市燃气门站管道体系的不完善问题提供了解决方案。

2）提出了运用层次分析法结合模糊综合评价的方法对城市燃气门站管道进行风险评价，通过沈阳市某燃气门站管道实例验证了该方法能够对城市燃气门站管道进行有效的定性、定量分析。

3）本文实现了对城市燃气门站管道失效风险的量化评估，有助于门站工作人员准确地评估城市燃气门站管道的高风险因素，及时制定完善的安全事故应急预案和安全事故救援预案。