基于危险源理论的油气管道安全管理模型的研究

蒋仲安，郑登锋，，曾发镔†，付明福，张明星

（1.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083；2.中国石油西部管道分公司，新疆乌鲁木齐 830012）

我国的油气管道安全管理主要包括安全风险辨识和安全风险预警两个阶段，然而由于缺乏有效的系统管理与风险控制，这两阶段常处于灰色状态.究其原因，在安全风险辨识阶段，我国还尚未形成完整、有效的油气管道安全风险数据库，传统的安全风险辨识需要大量的人力、物力及时间[1]；其次传统的安全风险辨识工作主要依据国家标准、行业规范或企业程序文件，该方式主观判断过多、易形成遗漏或错误的结论[2]；第三是缺乏有经验的安全风险辨识专家，站场基层对危害因素描述不准确、分类不明确及管控措施笼统模糊等将导致安全风险辨识成果流于形式.另一方面，在安全风险预警阶段，主要表现为缺乏有效的预警模式及应急手段，传统的安全风险预警系统仍处于二维平面[3]，缺乏动态的监测与监控技术，难以满足实时的预警和应急.因此，建立有效、合理的安全风险管理模型来辨识、预警、控制油气储运安全风险是十分有必要的.

目前，国内外对油气管道安全管理研究多集中于定量风险评价技术，而较少地研究风险管理模型.Bonvicini 等[4]运用模糊逻辑分析法，研究含不确定性因素导致事故发生的概率.JO 等[5]分析了人因对油气管道事故的影响，提出了动态管理人因失误的方法.姚安林等[6]引入模糊语言并建立风险评价模型对天然气长输管道升级管理进行研究.帅健等[7]建立了基于管道失效历史数据的油气管道定量风险评价模型以减少评价过程中主观因素的影响.国内对于危险源理论的研究也颇为成熟，何学秋等[8]认为危险源是认识主体中产生和强化负效应的核心.陈宝智[9]依据根源危险源和状态危险源提出了两类危险源理论.田水承[10]提出了3 类危险源的事故致因机理，强调防御失效是危险源和事故的中间环节.胡月亭[11]基于危险源理论分析了三级屏障风险防控机理，提出了安全风险防控微观模型.

综上所述，前人对油气管道定量风险评价的研究较为成熟，而风险辨识及风险预警模式的研究还有待进一步完善.本文从危险源理论的角度分析了油气管道安全风险管理模型，采用不确定性理论建立安全风险辨识模型，采用可拓学理论构建油气管道安全风险预警模型，运用信息化管理的方式搭建油气管道系统安全管理平台，以实现对油气储运过程中安全风险辨识和安全风险预警的耦合分析，最后将成果应用于某输油站场的安全风险管理进行模型可行性验证.

1 油气管道安全风险管理模型

1.1 危险源理论

根据能量意外释放理论和对事故发展的不同危害及影响[12-14]，将油气管道系统危险源分为固有危险源和可控危险源，图1 分析了油气管道伤亡事故与险兆事故发生的原因.

由图1 可知，应从4 个方面对油气管道安全风险进行管理与控制：①加强对固有危险源的辨识工作，建立全面、完整、有效的安全风险数据库，减少风险辨识的难度与力度；②加强对可控危险源的工程与管理控制，制定合理有效的技术措施、管理措施、个体防护措施，降低防护屏障失效导致伤亡事故或险兆事件发生的可能性；③制定科学的安全风险辨识、控制标准，将风险辨识结果指导日常的安全风险管理工作；④加强对固有危险源的监测和可控危险源的监控，建立行之有效的风险预警模式，预警并及时治理油气储运过程中存在的隐患.

图1 油气管道系统安全风险演化流程Fig.1 Safety risk evolution model of oil and gas pipeline system

1.2 安全风险管理模型

油气管道系统安全管理模型主要由安全风险辨识、安全风险预警、安全风险控制3 个工作流串联而成，如图2 所示.该模型以功能区域划分为起点，以应急处理信息反馈为终点，形成一个闭合、动态的系统安全管理流程.该模型主要有3 个特点：①交互式闭环反馈机制.各个工作流之间存在着一定反馈和闭环机制，主要体现在管控措施制定、动态风险管理以及应急处置反馈3 个方面，通过交互式闭环反馈机制，可不断优化管控措施、强化风险监测监控以及完善应急处置方案.②安全风险信息化管理.采用信息化管理的手段弥补经验式管理的缺陷，以实现风险信息的通用性、共享性与风险管理的规范化、标准化.③安全风险管理的全面性.基于危险源理论，实现对油气储运过程中的风险进行全面的辨识、评估、预警和分级管控，对固有危险源进行实时监测，对可控危险源进行有效监控.

图2 油气管道系统安全管理模型Fig.2 Oil and gas pipeline safety management model

2 基于不确定性理论的风险辨识

2.1 风险数据库的建立

风险信息描述的准确性和风险知识获取的难易程度影响着风险辨识的准确性与效率，因此规范风险信息的来源及表现形式是建立油气管道安全风险数据库的前提.其构建框架如图3 所示.一方面，以自然语言描述的显性知识主要集中在技术手册、程序文件及期刊文献[15]，通过对这些手册、文件、文献知识的结构化表达和解释，以达到安全风险辨识的目的.另一方面，以专家或工程师的知识经验为主的、难以用文字准确地表达隐性知识，可通过问卷调查、头脑风暴、群体决策的方法将油气管道安全风险有效地辨识出来[16].同时，通过计算机软件技术实现动态管理、更新、共享安全风险信息.

2.2 风险辨识机制的建立

采用不确定性推理来解决安全风险辨识主观、模糊等不确定性问题[17]，其基本思路为：从不确定性的初始事件即固有危险源或可控危险源的状态出发，运用不确定性传递算法，结合风险数据库，推演出合理或近似合理的安全风险辨识结果.

1）扩展产生式规则

式中：E 为可能导致伤亡事故或险兆事件的致险因子的组合；CF（H，E）∈[0，1]表示规则的可信度；CF（E）为致险因子的可信度，CF（E）≥λ；CF（H）为风险结论的可信度；λ∈[0，1]表示规则的阈值.

2）致险因子组合的不确定性计算

对于致险因子可信度的连词合取的可信度较小，对于致险因子可信度的连词析取的可信度较大[18]，即：

图3 安全风险数据库构建流程Fig.3 Security risk database construction process

3）平行规则的不确定性计算

当存在多种致险因子并行时且具有相同的风险结论时，即有：

首先分别计算每个致险因子导致风险发生的可信度CFi（H）：

然后计算风险结论的综合可信度CF（H）：

2.3 安全风险信息与现场实际的相关性分析

2.3.1 致险因子分析

油气管道安全风险涉及多个致险因子，且各个致险因子存在不确定性和关联性[19]，结合显性知识与隐性知识，对油气管道系统中存在的固有危险源与可控危险源进行致险因子机理分析，并形成致险因子集Eij（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n），i 为致险因子数，j 为发生原因的风险因子数.

2.3.2 致险因子权重计算

致险因子权重W′i表示第i 个致险因子对风险事件发生的贡献度，致险因子赋权步骤如下：

1）专家群体决策确定初始权重值.初步确定致险因子的种类、数量及相互间的关系，各致险因子的初始权重Wi由专家群体决策确定.

2）基于参数灵敏度修正权重值.为避免专家群体决策主观性的影响[20]，采用敏感性分析对各致险因子的权重进行修正.其计算方法如下：设U 为风险评价指标，致险因子集为E={e1，e2，…，em}.于是有U=f（E）=f（e1，e2，…，em），则致险因子敏感度的数学表达式为[21-22]：

式中：δi为风险评价指标U 相对于致险因子ei的敏感度.

同理，风险评价指标U 在风险因子数j 对第i 个致险因子ei的敏感度为：

2.3.3 安全风险数据库的建立

经现场调研，以输油站场储罐区火灾爆炸风险为例，建立风险数据库如表1 所示，分析得其致险因子集为：①明火（e1）；②电火花（e2）；③静电火花（e3）；④撞击火花（e4）；⑤雷击火花（e5）；⑥自燃（e6）；⑦泄漏（e7）；⑧储罐通风不良（e8）；⑨焊缝故障（e9）；⑩密封装置故障（e10）.

2.3.4 风险辨识规则库的制定

油气管道安全风险辨识规则库是进行不确定性推理的参考基[18]，结合风险辨识机制，每个规则由规则表达式Ra-B-C、规则可信度CF（H，E）和阈值λ组成.根据储罐区火灾爆炸风险表征的事实属性及因果关系事实，建立油气管道储罐区火灾爆炸安全风险识别规则库.总结出7 条风险识别规则，其结构如表2 所示.

表1 输油站场储罐区火灾爆炸安全风险数据库Tab.1 Fire and explosion safety risk database in storage tank area of oil terminal

表2 储罐区火灾爆炸风险辨识规则库Tab.2 Storage tank area fire and explosion risk identification rule base

3 基于可拓学理论的风险预警

可拓评价是在物元模型与可拓学理论基础上建立起来的一种预警评价方法[22-23]，通过物元可拓性进行定性描述，通过预警关联函数进行量化计算，在矿山、航空、交通等领域均有成功的应用.建立油气管道安全风险可拓预警模型，其基本流程如图4 所示.

图4 油气管道可拓预警评价流程图Fig.4 Extension evaluation and warning model of oil and gas pipeline system

3.1 经典域、节域与待评价物元

1）确定经典域物元

式中：Nd表示第d 个可拓评价预警等级，Ei表示第i个致险因子，经典域Vdi表示Nd关于Ei的取值范围，Vdi=.

2）确定节域物元

式中：N 表示可拓评价预警等级，节域Vpi表示评价预警等级所有的取值范围，Vpi=，显然有⊂.

3）待评价物元

式中：Nx表示待评价物元，Vi表示Nx关于Ei的数值.

3.2 安全风险预警关联度

式中：ρ（vi，vdi）表示点vi与区间Vdi的距[24]，

结合式（12）计算得致险因子Ei的权重值W，于是有待评价事物Nx关于预警等级d 的关联度：

3.3 安全风险预警等级

若

则预警对象Nx的预警等级为d.

若

则预警对象Nx的级别变量特征值为d*，表示预警级别的偏向程度.

3.4 安全风险预警级别

参考我国突发事件的预警级别及油气管道存在的安全风险[25]，将油气储运过程中的预警模式划分为无警（N1）、低预警（N2）、中预警（N3）、高预警（N4）4个级别[26].并由不确定性推理可知，当执行某风险辨识规则时，致险因子可信度CF（eij）的取值范围为[λ，1]，运用式（5）计算得CF（H）的取值范围为[λCF（H，eij），CF（H，eij）].因此，在油气管道可拓风险预警模型中，以[0，0.1）、[0.1，0.4）、[0.4，0.8）、[0.8，1.0）作为经典域，以[0，1.0]作为节域.

4 案例分析

4.1 安全风险辨识

选取我国西北部地区某典型输油站场储油罐区火灾爆炸风险作为工程实例，该输油站场主要分为工艺生产区、储油罐区、辅助生产区、行政管理区等若干部分，采用3Dmax 绘制其原型如图5 所示，储油罐区有4*10 万方原油储罐，8*5 万方成品油储罐，对其中某一原油储罐开展安全风险辨识工作，由表2 与专家群决策可知，该储罐安全风险主要集中于事实属性X4，X5，X6，X14，X17，X24，X26，X29，X33，X35，X36，X37.由式（1）～（7）计算得各致险因子对应的一级风险指标的可信度，CF（e1）～CF（e10）的可信度分别为：

图5 输油站场3D 原型示意图Fig.5 3D prototype sketch of oil station yard

0.46，0.00，0.18，0.12，0.00，0.12，0.72，0.00，0.06，0.36.

以CF（e1）为例进行计算：

4.2 安全风险预警

结合储罐区安全风险辨识的结果，对油气管道储罐区火灾爆炸进行可拓预警评价，依据可拓预警评价流程，将储罐区风险预警等级划分为无警（N1）、低预警（N2）、中预警（N3）、高预警（N4）4 级，如下式所示.

根据已确定的经典域、节域、待评价物元，由式（16）～（18）计算出待评价物元中各指标关于火灾爆炸预警等级的关联函数值，如表3 所示.

表3 某储油罐火灾爆炸预警等级关联函数值Tab.3 Correlation function value of fire and explosion warning level in storage tank area

由表3 可知，K3（Nx）=maxd∈（1，2，3，4）Kd（Nx），则该储油罐火灾爆炸预警等级为中预警.由式（21）（22）得到：1.000 0Nx）=0.则

d*=2.040 4 表明该储罐可拓评价的预警等级在低预警和中预警之间，主要偏向于低预警.说明此时该储罐存在发生火灾爆炸的风险，且风险性较低.该结果与输油站场实际情况吻合较好，应根据上述判断启动相应的应急预案，如图2 所示，依据系统安全管理模型进一步采取相应的技术措施、管理措施、个体防护措施，并提出整改意见和整改方案.

4.3 安全管理平台建立

图6 系统架构设计图Fig.6 Function architecture of system

基于油气管道安全管理模型，采用B/S 架构设计并搭建油气管道系统安全管理平台，系统架构图如图6 所示，主要分为研发端、基础平台层、数据支持层、核心功能层、用户界面层、用户端等6 个层次[27].研发端为开发者提供软件的入口，以实现对数据的检测、分析及平台的更新、维护；基础平台层是软件开发的硬件与软件基础，主要采用Windows 操作系统、Eclipse 集成开发环境以及Oracle 数据库；数据支持层是对系统使用过程中产生的数据进行增、删、改、查，分为结构化数据和非结构化数据，前者主要是涵盖危险物质、作业活动、设备设施、工艺流程等数据库，后者为视频、文件、文档、图片等相关数据；用户界面层是软件的界面操作部分，主要有权限登录、数据新增、数据修改、数据输出、数据存储、图像显示等操作；用户端为使用人员提供人机交互接口，主要是基层/作业区、集团分公司、集团公司等.该平台包括安全风险辨识、安全风险预警、安全信息化管理等3 大功能模块，工程实例（软著：2020R11S0059427）的应用表明其能够有效地辨识油气管道安全生产活动过程中存在的风险，强化安全风险预警，夯实油气储运安全风险管理工作.

5 结语

1）从危险源理论分析了伤亡事故与险兆事件发生的原因，并建立了油气管道系统安全管理模型，该模型由安全风险辨识、安全风险预警、安全风险控制3 个工作流串联而成.

2）从不确定性的初始事件即固有危险源或可控危险源的状态出发，依据显性知识与隐性知识建立油气管道安全风险数据库，运用不确定性传递算法与扩展产生式规则，推演出合理或近似合理的安全风险辨识结果.

3）从定性分析和定量计算两方面对油气储运过程中的风险等级进行预警评价，预警级别分为无警、低预警、中预警和高预警4 级，采用专家群体决策结合参数灵敏度分析确定权重系数，将安全风险辨识结果与预警等级相结合，通过实例分析验证了该模型的科学性和有效性，为油气储运的安全风险预警管理提供了思路.

4）利用Java 编程语言和Oracle 数据库技术，设计了包括安全风险辨识、安全风险预警、安全信息化管理等功能模块的油气管道系统安全管理平台，通过工程实例应用验证了风险管理模型可行性.