基于熵权物元理论的管道坡面水毁失效可能性评价

蒋常春，李 灿，周福刚

1.中国石油集团川庆钻探测井公司(重庆400021)

2.中国石油西气东输管道公司苏浙沪管理处(江苏南京210002)

3.中国石油辽河油田分公司浅海石油开发公司(辽宁盘锦124011)

基于熵权物元理论的管道坡面水毁失效可能性评价

蒋常春1，李 灿2，周福刚3

1.中国石油集团川庆钻探测井公司(重庆400021)

2.中国石油西气东输管道公司苏浙沪管理处(江苏南京210002)

3.中国石油辽河油田分公司浅海石油开发公司(辽宁盘锦124011)

为准确地评价油气长输管道坡面水毁的失效可能性，保障管道运行安全，提出一种基于熵权物元可拓理论的评价方法。建立管道坡面水毁的失效可能性评价体系;为减少主观因素影响，采用熵权法计算指标权重值;引入物元可拓理论定量地评价失效可能性等级。评价结果表明，4处灾害点的管道坡面水毁失效可能性等级分别为Ⅲ级(中等)、V级(低)、V级(低)和Ⅱ级(较高)，基本与客观实际相符。

油气管道;坡面水毁;失效可能性;熵权;物元理论

由于国内油气管道里程迅猛增加，管道已成为我国五大交通运输产业之一，为国民经济发展不断注入新鲜血液。但随之而来的管道安全问题也成为企业、政府和社会关注的焦点，青岛输油管道11·22特大事故更是将这个问题推到风口浪尖之上。

坡面水毁是油气长输管道沿线的一种常见地质灾害，对管道安全构成严重威胁。因此，管道坡面水毁失效可能性评价是确定油气管道安全状况的有效手段，也是修筑坡面水工保护设施的重要依据。文献［1］采用层次分析法和模糊综合评价法确定了管道水毁的安全等级;文献［2］从不确定性出发，采用云模型理论实现管道坡面水毁的安全评价;文献［3］引入变权原理，采用指标体系法计算管道坡面水毁的严重程度。以上研究都具有一定的借鉴意义，但在权重确定方面，均以主观赋权量化各风险因素的重要程度，具有较强的主观性，未考虑客观因素的影响。因此，本文在以上研究的基础上，采用一种客观赋权模型计算指标的权重值，然后进一步引入物元可拓理论实现油气管道坡面水毁的失效可能性评价，以期为管道的地质灾害风险管理提供理论依据。

1 建立坡面水毁失效可能性评价指标体系

油气管道坡面水毁是指分布在斜坡表面(地形坡度大于5°)上的季节性冲沟因降雨等因素影响形成坡面汇流，带走坡面土壤或者冲刷管道设施，最终引起管道覆土不足甚至造成管道外露或悬空，具有较强的破坏性。坡面水毁受多种因素影响，借鉴已有研究［1-4］，遵循系统性、客观性、可操作性、主导性和独立性等基本原则［5-6］，从自然因素、管道敷设状况、坡面现状及防护效果等3大类指标出发，共选取了地形地貌特征等17个底层评价指标，如图1所示。

图1 油气管道坡面水毁失效可能性评价指标体系

2 坡面水毁失效可能性的熵权-可拓评价

可拓学中将有序三元组(事物名称N、事物特征C和事物特征的量值V)进行统一［7-9］，组成事物的基本元，记为R=(N，C，V)。首先根据熵权法确定管道坡面水毁各因素的相对重要性，再通过可拓模型进行综合评价。

2.1 确定指标权重值

与层次分析法等主观权重计算方法不同，熵权法是一种客观赋权方法，它从样本数据出发，通过一定的数学模型进行权重求解，避免了主观因素的影响［10］。熵权法是依据现场客观数据信息计算各指标的信息熵表示指标的变化程度，最终得到各要素权重值的一种方法。现假设有待评价的m段坡面水毁管道与n个底层指标，xij为第j段管道的第i个指标的得分值，熵权法计算步骤如下:

1)计算第j段管道的第i个指标得分值的比重pij:

2)确定第i个指标的熵值ei:

式中，k=1/lnm。

3)得到所有指标的熵值ei之后，可按式(3)计算第i个指标的熵权值ui:

2.2 确定经典域和节域

按照评价标准，将管道坡面水毁失效可能性评价划分为t种分类等级(t=1，2，…，s)。当N0t为标准事物关于特征cj量值范围V0tj=＜a0tj，b0tj＞时，经典域可表示为

式中，R0t为经典域物元;N0t为管道坡面水毁失效可能性类别;cj为决定N0t的影响因素(j=1，2，…，n)。

管道坡面水毁失效可能性评价的节域物元，本质上是各评价因素的从最低值到最高值的取值范围，见式(5)。

式中，Rp为节域物元;Np为管道坡面水毁失效可能性评价的类别个体;Vpj=＜apj，bpj＞为节域物元关于特征cj的量化取值范围;＜a0tj，b0tj＞⊂＜apj，bpj＞，j=1，2，…，n。

2.3 确定待评物元

根据实际情况对待评对象的物质单元的特征指标做出评价，按指标的实测值或者专家的经验值确定指标的分值，从而获得待评物元，见式(6)。

式中，Ni为管道坡面水毁失效可能性评价底层指标;vi为关于特征ci的取值。

2.4 确定底层指标关联度函数

底层指标关于分类等级t的关联度函数表达式为:

2.5 确定多指标综合关联度

综合关联度是指待评价的管道坡面水毁失效可能性对于各等级的归属程度，可表示为

2.6 确定失效可能性等级和级别变量特征值

式中，kt(vi)为底层指标相对不同失效可能性等级的关联度;wi为底层指标的权重值，满足，则所评价的管道坡面水毁N的失效可能性等级属于等级t。

同时可得到级别变量的特征值，表示属于某种失效可能性等级的程度，见式(9)

3 案例分析

现选取我国东部某管道公司汛前评估的4处坡面水毁地质灾害点进行失效可能性评价。为便于分析计算，采用［0，100］论域上分值对各底层指标评价，分值越高表示失效可能性越低，并将管道坡面水毁失效可能性和底层指标划分为5个等级(表1)。

表1 失效可能性等级划分

表2 底层因素的评价分值及权重

3.1 指标的熵权值

邀请专家对各灾害点的底层因素进行评价，之后通过2.1节的方法得到各因素的权重值(表2)。

3.2 可拓评价

以灾害点A为例，进行管道坡面水毁失效可能性评价。运用2.2～2.4节中的可拓计算步骤确定各底层指标的关联度(表3)。

按式(8)和式(9)可得灾害点A对于各失效可能性等级的综合关联度和级别变量特征值，见表4。同理可得其余灾害点的各等级关联度和级别变量特征值(表4)。

从表4中可知，灾害点A～D的管道坡面水毁失效可能性等级分别为Ⅲ级(中等)、V级(低)、V级(低)和Ⅱ级(较高)，评价结果与该公司风险识别和上报的修理计划一致。

4 结论

1)坡面水毁是长输管道所面临的常见地质灾害之一，从自然因素、管道敷设状况、坡面现状及防护效果3方面分析了坡面水毁的主要风险因素，建立了相应的评价体系。

2)引入熵权-可拓模型评价管道坡面水毁的失效可能性，充分发挥了熵权法客观计算因素权重和

表3 灾害点A的底层指标关联度

表4 4处灾害点的失效可能性等级关联度和特征值

可拓量化评价的优点，减少了主观因素的影响，使评价结果能够反映现场实际情况，能够为管道地质灾害风险管理提供依据。

3)以数据采集为基础的失效可能性评价是管道地质灾害管理的前提和核心，逐步完善各类地质灾害失效数据库是今后管道完整性管理的工作重点。

［1］吴迪.西气东输管道沿线水毁灾害评价方法体系［D］.成都:西南交通大学，2008.

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In order to accurately evaluate the possibility of long-distance oil/gas pipeline failure caused by flood damage of slope and ensure the safety of pipeline operation，an evaluation method based on entropy weight and extenics theory is proposed，and the evaluation model is established.The weights of indexes are calculated using entropy weight method to reduce the effects of subjective factors.The grades of the failure possibility can be quantitatively evaluated by extenics model.The evaluation results show that，the slope flood damage failure possibility grades of the pipeline at four places are middle，low，low and high respectively，which are in accordance with real circumstances.

oil/gas pipeline;flood damage of slope;failure possibility;entropy weight;matter-element theory

王梅

2015-03-03

蒋常春(1973-)，女，翻译师，主要从事石油天然气行业管理工作。