燃氣管網(wǎng)安全影響因素相互耦合分析

摘 要

摘要：綜合分析了燃氣管網(wǎng)安全評價中多因素相互作用指標體系，基于耦合理論探討了安全影響因素一級評價指標間的協(xié)調(diào)程度，建立了燃氣管網(wǎng)多因素相互耦合模型，以哈爾濱某區(qū)燃氣管網(wǎng)
摘要：綜合分析了燃氣管網(wǎng)安全評價中多因素相互作用指標體系，基于耦合理論探討了安全影響因素一級評價指標間的協(xié)調(diào)程度，建立了燃氣管網(wǎng)多因素相互耦合模型，以哈爾濱某區(qū)燃氣管網(wǎng)為例，進行了多因素相互耦合的定量分析。
關(guān)鍵詞：燃氣管網(wǎng)；安全評價；安全影響因素；耦合；耦合度
Mutual Coupling Analysis of Safety Impact Factors of Gas Network
WANG Qing-shu，TAN Yu-fei，QI Hua-yun
Abstract：The index system of multi-factor interaction in safety assessment of gas network is comprehensively analyzed. The coordination degree among first-level assessment indexes for the safety impact factors 1s discussed based on the coupling theory，and a model for mutual coupling among multi-factors of gas network is established. Taking the gas network in a district of Harbin City for example，the quantitative analysis of mutual coupling among multi-factors is carried out.
Key words：gas network；safety assessment；safety impact factor；coupling；coupling degree
1 概述
    作為城市生命線之一的燃氣管網(wǎng)是復雜的系統(tǒng)性綜合設(shè)施，其安全影響因素眾多，地質(zhì)災害或外部干擾、腐蝕、管材或施工質(zhì)量問題、運營管理不當?shù)纫蛩乜蓪е麻L期服役的燃氣管網(wǎng)發(fā)生失效事故，燃氣管網(wǎng)安全問題日益突出，且燃氣具有易燃、易爆、有毒等特點，燃氣管網(wǎng)事故導致的經(jīng)濟損失巨大，因此，對供氣的安全可靠性要求也越來越高[1]。燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)各安全影響因素相互耦合、相互影響，進行安全性評價時，不能僅對各因素進行單獨分析，還應研究各因素的相互耦合作用，對燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)整體安全進行分析。本文將影響燃氣管網(wǎng)安全的因素分為4個一級評價指標，建立相應的二級評價指標，對燃氣管網(wǎng)安全影響因素進行多因素相互耦合的分析。
2 市政燃氣管網(wǎng)安全評價指標的建立
   天然氣行業(yè)標準SY/T 6621—2005《輸氣管道系統(tǒng)完整性管理》將燃氣管網(wǎng)的安全影響因素分為9類，包括外腐蝕危險、內(nèi)腐蝕危險、應力腐蝕開裂危險、制造危險(管子和焊縫)、施工危險(管子環(huán)焊縫、制造焊縫、折皺彎曲、螺紋脫扣、管子或接頭破裂)、設(shè)備危險(墊圈和O形圈、控制、泄壓、密封、填料失效)、第三方損壞危險(第三方損壞立即失效、故意破壞、管子的舊損傷)、誤操作危險、與天氣有關(guān)的危險和外力危險(土體位移、暴雨或洪水、寒冷天氣、雷擊)。
    燃氣管網(wǎng)安全影響因素復雜，各影響因素間的相關(guān)性較強，部分因素對管網(wǎng)安全影響具有不確定性[2]，建立燃氣管網(wǎng)安全評價指標體系尤其是與人有關(guān)的定性指標時，應該充分考慮指標的模糊性[3、4]；相互間沒有影響或影響不大的因素劃為同一級評價指標體系，利于說明一級評價指標間的相關(guān)性。本文在對燃氣管網(wǎng)綜合分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建出燃氣管網(wǎng)安全評價指標體系，共分為4個一級評價指標，分別為：與人有關(guān)的安全影響因素指標(簡稱人因因素)，與管道本體結(jié)構(gòu)有關(guān)的安全影響因素指標(簡稱管體因素)，與管網(wǎng)所處的內(nèi)外環(huán)境有關(guān)的安全影響因素指標(簡稱環(huán)境因素)，與管網(wǎng)維修管理有關(guān)的安全影響因素指標[5](簡稱管理因素)。每個一級評價指標包含多個二級評價指標，具體如下。
    ① 人因因素指標F1
    a. 第三方野蠻施工破壞F1,1：主要指挖掘?qū)е滤查g破壞、打樁導致穿孔破壞、施工致使管道移位或劃痕導致滯后失效等。
    b. 設(shè)計人員失誤F1,2：包括設(shè)計合理性、材料選擇、安全系數(shù)設(shè)計等因設(shè)計人員經(jīng)驗、資質(zhì)造成的潛在失誤。
    c. 管道員工誤操作F1,3：由于經(jīng)驗不足、知識欠缺或工作壓力等造成的管道操作員工自身失誤。
    d. 員工素質(zhì)與經(jīng)驗F1,4：包括職工的文化水平、獲得技術(shù)職稱的人數(shù)、安全技術(shù)的掌握程度、安全意識和安全態(tài)度等。
    e. 公眾風險教育和認識水平F1,5：主要指對城市居民和施工人員的教育宣傳或培訓、管網(wǎng)安全知識普及等。
   ② 管體因素指標F2
   a. 管道埋深F2,1。
   b. 管道內(nèi)腐蝕F2,2：主要指管道內(nèi)壁與輸送燃氣所含雜質(zhì)間相互作用造成的腐蝕。
    c. 管材制造與焊接缺陷F2,3：主要指管材本身破損、小裂紋或折皺彎曲，焊接時焊縫存在的缺陷或強度不足。
   d. 管道壁厚F2,4。
   e. 管道施工影響F2,5：主要指管網(wǎng)建設(shè)與維修期間的施工中可能存在的環(huán)焊縫缺陷、接頭破壞、彎頭應力集中、外保護層破壞等。
   f. 使用年限F2,6。
   g. 運行壓力波動F2,7。
   h. 管網(wǎng)設(shè)備故障F2,8：主要指控制泄壓設(shè)備故障、密封填料失效、0型墊片失效、管網(wǎng)廠站設(shè)備故障等。
   ③ 環(huán)境因素指標B
   a. 管道外腐蝕F3,1：主要有土壤腐蝕、大氣腐蝕、管-地電位腐蝕、散雜電流影響等。
    b. 管道應力腐蝕F3,2。
    c. 與天氣有關(guān)因素F3,3：主要指氣溫過低、雷擊、暴雨洪水等。
    d. 土體移動F3,4。
    e. 城市地質(zhì)災害F3,5：包括地震、地面沉降、砂土液化等。
    ④ 管理因素指標F4
    a. 管道維修管理F4,1。
    b. 安全防護應急措施F4,2：包括應急預案的編制、應急設(shè)備配置、事故管理等。
    c. 管網(wǎng)事故報警系統(tǒng)F4,3。
    d. 人員巡線頻率F4,4。
    e. 政策法律保障F4,5：管網(wǎng)安全規(guī)章和責任制是否健全、安全責任制是否明確、責任落實及監(jiān)督情況等。
3 燃氣管網(wǎng)安全影響多因素相互耦合模型
3.1 耦合及耦合度
    耦合是指兩個(或兩個以上)系統(tǒng)或要素間通過相互作用而彼此影響的現(xiàn)象，系統(tǒng)或要素間存在相互依賴、相互協(xié)調(diào)、相互促進的動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系。耦合度是描述系統(tǒng)或要素間相互影響的程度，系統(tǒng)由無序趨向有序，其關(guān)鍵在于系統(tǒng)內(nèi)部各變量之間的協(xié)同作用，它們決定著系統(tǒng)變化的特征與規(guī)律，耦合度正是反映這種協(xié)同作用的度量[6]。
    燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)安全影響因素4個一級評價指標間既相互制約又相互對應發(fā)展，它們產(chǎn)生的相互影響程度(即耦合度)反映一級評價指標間的協(xié)調(diào)程度。人因因素的控制、管理因素的加強可以減少管體因素和環(huán)境因素的影響，同時又會增加額外的成本，反過來制約人因因素和管理因素的改善，通過這4個一級評價指標相互作用使燃氣管網(wǎng)的安全達到相對穩(wěn)定平衡。
3.2 功效函數(shù)
   ① 確定最優(yōu)指標向量
   本文對二級評價指標采用專家打分法賦值，設(shè)二級評價指標Fi,j的值為ei,j，可得到一級評價指標的初值向量如下：
    Ei=(ei,1，ei,2，…，ei,j，…，ei,m)T    (1)
式中Ei——一級評價指標的初值向量
    ei,j——二級評價指標Fi,j的值
    m——一級評價指標包含的二級評價指標個數(shù)
設(shè)emax,i,j為二級評價指標的最優(yōu)值，則：
    Emax,i=(emax,i,1，emax,i,2，…，emax,i,j，…emax,i,m)T   (2)
式中Emax,i——一級評價指標的最優(yōu)指標向量
   emax,i,j——二級評價指標Fi,j的最優(yōu)值
   ② 確定評判向量
以Emax,i為參考向量，Ei為被比較向量，則二級評價指標與最優(yōu)指標值間的關(guān)聯(lián)度計算式為：
 
式中εi,j——二級評價指標Fi,j的值與其最優(yōu)指標值間的關(guān)聯(lián)度
    k——二級評價指標序數(shù)，k=1，2，…，m
    ρ——分辨系數(shù)，一般取0.5或小于0.5
    min——取最小值函數(shù)
    max——取最大值函數(shù)
    一級評價指標的評判向量為：
    Pi=(εi,1，εi,2，…，εi,j，…，εi,m)T   (4)
式中Pi——一級評價指標E的評判向量
   ③ 確定二級評價指標權(quán)重
   二級評價指標權(quán)重由相關(guān)專家進行評估，對兩個二級評價指標之間的相對重要性進行比較，采用層次分析法計算，求得各二級評價指標的權(quán)重值，其值的大小即為該指標被接受的優(yōu)先級。該工作共分為2個步驟：
   第1步，建立成對比較矩陣。對二級評價指標以一級評價指標為準則進行成對比較，采用Satty 1～9標度法(見表1)對各要素進行賦值[7]。
表1 Satty 1～9標度法
標度
含義
1
兩者重要性相同
3
一個因素比另一個因素稍重要
5
一個因素比另一個因素較重要
7
一個因素比另一個因素很重要
9
一個因素比另一個因素極端重要
2、4、6、8
介于相鄰重要程度之間
成對比較矩陣Ai為正倒值矩陣，矩陣中各要素不僅為正數(shù)，且具有倒數(shù)特征。成對比較矩陣如下：
 
式中Ai——一級評價指標E的成對比較矩陣
    ai,j——第i個與第j個二級評價指標Satty 1～9標度值
    wi——第i個二級評價指標準則權(quán)重
    wj——第j個二級評價指標準則權(quán)重
第2步，計算準則權(quán)重向量并進行權(quán)重一致性檢驗。在計算矩陣Ai的一致性時，以矩陣Ai的最大特征值來取代，則求解準則權(quán)重向量公式如下：
(Ai-λmax,i)Wi=0        (9)
Wi=(w1，w2，…，wi，…，wm)T   (10)
式中λmax,i——成對比較矩陣Ai的最大特征值
    Wi——一級評價指標Fi的準則權(quán)重向量
   專家所作判斷的合理性程度需要進行一致性檢驗，以一致性指標(Consistency Index，CI)與一致性比率(Consistency Ratio，CR)來檢驗一致性。當兩者均小于0.1時，可認為專家所作判斷合理。
   一級評價指標的綜合指數(shù)計算式如下：
    xi=Wi·Ai    (11)
式中xi——一級評價指標E的綜合指數(shù)
   ④ 構(gòu)造一級評價指標功效函數(shù)
一級評價指標Fi對系統(tǒng)有序度的功效計算式如下：
   
式中ui——一級評價指標Fi對系統(tǒng)有序度的功效值
    αi、βi——系統(tǒng)穩(wěn)定時一級評價指標Fi綜合指數(shù)的上、下限值
    在系統(tǒng)中ui反映了各指標達到目標的滿意程度，ui=0時為最不滿意，ui=1時為最滿意，ui的范圍為[0，1]。
3.3 構(gòu)建耦合度函數(shù)
   根據(jù)物理學中的容量耦合概念及容量耦合系數(shù)模型確定兩個系統(tǒng)的耦合度函數(shù)為：
 
式中uj——一級評價指標Fj對系統(tǒng)有序度的功效值
    Ci,j——第i個與第j個一級評價指標的耦合度
推廣得到多個系統(tǒng)整體的耦合度模型為：
 
式中C——系統(tǒng)整體的耦合度
    系統(tǒng)耦合度值的范圍為[0，1)。當0≤C＜0.3時，市政燃氣管網(wǎng)4個一級評價指標間處于較低的耦合階段，此時的燃氣管網(wǎng)規(guī)模較小，人因因素、管體因素、環(huán)境因素、管理因素都不突出，彼此間的影響較小；當0.3≤C＜0.7時，4個一級評價指標間處于磨合期，管體因素、環(huán)境因素導致燃氣管網(wǎng)的安全性降低，需要加強管理，投入人力物力來提高安全性，但這種投入是有限度的，需要進行綜合考慮，使得燃氣管網(wǎng)的安全性得到提高；當0.7≤C＜1時，4個一級評價指標間處于高度耦合，彼此相互促進，良性發(fā)展，有效的管理、適當?shù)娜肆ξ锪ν度胧沟霉荏w因素、環(huán)境因素對燃氣管網(wǎng)安全性造成的不良影響得以降低，達到可接受的程度，保證燃氣管網(wǎng)安全性處于低風險區(qū)。
4 實例研究
    本文以哈爾濱某區(qū)燃氣管網(wǎng)為例，首先采用調(diào)查表的形式，由11名該領(lǐng)域?qū)＜覍Χ壴u價指標打分(每個二級評價指標滿分為10分)，取其平均值作為各二級評價指標的初值，得到初值向量Ei，分別為：
    E1=(9，6，7，7，8)T
    E2=(7，8，5，4，6，6，4，8)T
    E3=(9，6，6，5，8)T
    E4=(9，8，9，7，7)T
    參考向量中的元素值全為10，得到最優(yōu)指標值向量Emax,i；以該區(qū)燃氣公司記錄的近幾年管網(wǎng)歷史事故數(shù)據(jù)作參考，依據(jù)式(3)、(4)，綜合計算出燃氣管網(wǎng)安全影響因素各一級評價指標的評判向量為：
    P1=(1，0.5，0.6，0.6，0.75)T
    P2=(0.83，1，0.63，0.56，0.71，0.71，0.56，1)T
    P3=(1，0.55，0.55，0.47，0.78)T
    P4=(1，0.71，1，0.56，0.56)T
    由專家對二級評價指標相對重要性進行比較，取其平均值構(gòu)成成對比較矩陣：
 
    通過mat lab計算得到各成對比較矩陣的最大特征值分別為：
    λmax,1=5.06
    λmax,2=8.08
    λmax,3=5.03
    λmax,4=5.01
    二級評價指標構(gòu)成的權(quán)重向量由式(9)計算，分別為：
    W1=(0.44，0.06，0.11，0.11，0.28)T
    W2=(0.07，0.27，0.13，0.07，0.20，0.03，0.03，0.20)T
    W3=(0.33，0.17，0.17，0.08，0.25)T
    W4=(0.28，0.17，0.17，0.28，0.10)T
    一致性檢驗指標均滿足要求，一級評價指標的綜合指數(shù)由式(11)計算，分別為：
    x1=0.812
    x2=0.829
    x3=0.750
    x4=0.784
    各專家根據(jù)歷史經(jīng)驗確定一級評價指標變量的上、下限值，由式(12)計算得到各一級評價指標對管網(wǎng)安全的功效分別為：
    u1=0.838
    u2=0.516
    u3=0.259
    u4=0.782
    最后，根據(jù)相互耦合度模型，由式(13)、(14)計算一級評價指標間及管網(wǎng)系統(tǒng)整體的耦合度，計算結(jié)果見表2。
表2 哈爾濱市某區(qū)燃氣管網(wǎng)一級評價指標間及管網(wǎng)系統(tǒng)整體耦合度
C1,2
C1,3
C1,4
C2,3
C2,4
C3,4
C
0.486
0.425
0.500
0.472
0.489
0.432
0.343
    由表2可知，燃氣管網(wǎng)安全影響因素一級評價指標間均存在著耦合作用，尤其是人因因素和管理因素這兩個一級評價指標間的耦合作用最強，人的行為會對管網(wǎng)的安全造成影響，設(shè)計施工時都有可能出現(xiàn)失誤，加強管理可以導致這種失誤減少，但是同時也增加成本，燃氣公司應該進行綜合考慮。因此，在對燃氣管網(wǎng)進行安全性評價時，特別是在構(gòu)建評價指標體系及設(shè)計算法時，應該從系統(tǒng)的整體功能出發(fā)，重點分析一級評價指標間的相互作用、相互影響，在此基礎(chǔ)上對燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)進行安全性評價。燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)整體的耦合度為0.343，這表明燃氣管網(wǎng)4個一級評價指標間還處于磨合期，不太協(xié)調(diào)，需要進一步改進。因此，應該加強燃氣管網(wǎng)的安全管理，努力改善燃氣管網(wǎng)所處的內(nèi)外環(huán)境，如加強對職工的安全教育、提升安全設(shè)施的管理狀況、加強安全檢查和監(jiān)察等。
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(本文作者：王清樹 譚羽非 齊華云 哈爾濱工業(yè)大學 黑龍江哈爾濱 150090)