摘要:通過(guò)對(duì)多種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的比較,確定采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)城市天然氣管道占?jí)弘[患進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法建立了城市天然氣管道占?jí)弘[患的模糊綜合評(píng)價(jià)模型。結(jié)合實(shí)例,編制模糊綜合評(píng)價(jià)軟件對(duì)北京市城市天然氣管道占?jí)弘[患進(jìn)行評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞:風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);城市天然氣管道;占?jí)弘[患;模糊數(shù)學(xué)
自1997年引進(jìn)陜甘寧天然氣以來(lái),北京市城市天然氣管道建設(shè)得到飛速發(fā)展。截至2008年底,北京市已有天然氣管道長(zhǎng)逾1×104km,年輸氣量已超過(guò)52×108m3。與此同時(shí),隨著城市建設(shè)進(jìn)程不斷加快,一些建構(gòu)筑物占?jí)禾烊粴夤艿赖那闆r陸續(xù)出現(xiàn),嚴(yán)重威脅城市天然氣管道的安全運(yùn)行和管道沿線人民生命、財(cái)產(chǎn)安全。
目前,國(guó)內(nèi)各城市在進(jìn)行天然氣管道占?jí)弘[患處理時(shí),往往首先考慮處理方案的可行性,對(duì)那些易于拆除的違章建構(gòu)筑物進(jìn)行優(yōu)先處理,而對(duì)不同隱患的危害程度的差異缺乏深入研究。因此,不可避免地造成部分占?jí)弘[患處理過(guò)程中,處理方法和處理順序存在不合理性。因此,有必要對(duì)天然氣管道占?jí)弘[患進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),以確保隱患處理順序的合理性和隱患治理資金的使用效益最大化。
1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的選擇
管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一種基于理論分析、數(shù)據(jù)資料、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和直觀認(rèn)識(shí)的風(fēng)險(xiǎn)分析與判斷方法[1],經(jīng)過(guò)逾30年的發(fā)展已形成了失效模式、影響和危害分析法、概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法、故障樹(shù)分析法、指數(shù)法、專(zhuān)家評(píng)分法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等多種評(píng)價(jià)方法,其優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。
城市天然氣管道工作環(huán)境復(fù)雜,在管道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)期間存在諸多誘發(fā)事故的因素,這些因素往往難以量化并在一定程度上具有模糊性。此外,各因素對(duì)管道的影響往往不是獨(dú)立的,而是彼此關(guān)聯(lián)的,各種因素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系隨時(shí)間、地點(diǎn)等條件的不同而不同,具有很大的模糊性。由于模糊性的客觀存在,使天然氣管道占?jí)弘[患的各種風(fēng)險(xiǎn)影響因素難以被精確量化,常規(guī)的評(píng)價(jià)方法無(wú)法準(zhǔn)確描述客觀實(shí)際?;谝陨显?,經(jīng)過(guò)對(duì)各種評(píng)價(jià)方法的比較,本次研究確定采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)城市天然氣管道占?jí)弘[患進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。
表1 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)
風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法
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優(yōu)點(diǎn)
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缺點(diǎn)
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失效模式、影響和危
害分析法
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方法較為簡(jiǎn)單;結(jié)果簡(jiǎn)潔明了;能處理有效信息;不需要特別的軟件支持;適合對(duì)裝置進(jìn)行分析。
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系統(tǒng)劃分不易掌握,如果分析層次太淺,結(jié)果就不詳細(xì);如果分析層次太深,則工作量大。
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概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法
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具有比較完善的理論基礎(chǔ);比較容易移植;有可能與新興的理論和技術(shù)相結(jié)合而獲得對(duì)非確定系統(tǒng)安全狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法。
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要求原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、充分,分析完整,判斷和假設(shè)合理;并且能夠準(zhǔn)確描述系統(tǒng)中的不確定性。
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故障樹(shù)分析法
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故障樹(shù)具有直觀性,可查明與事故發(fā)生有關(guān)的所有可能的原因;利用圖形(樹(shù))明確地把分析對(duì)象的過(guò)程和結(jié)果形象地表示出來(lái);制定預(yù)防事故的措施。
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故障樹(shù)分析定量計(jì)算系統(tǒng)的故障概率及其可靠性參數(shù)所需的很多基礎(chǔ)數(shù)據(jù),如事故發(fā)生率等難以得到。
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指數(shù)法
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指數(shù)法分析成本低,可利用所得資料進(jìn)行直接處理;容易掌握,便于推廣;評(píng)價(jià)時(shí)可以綜合多方面的意見(jiàn)。
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指數(shù)法難以考慮所有相關(guān)因素間的關(guān)系;評(píng)價(jià)時(shí)存在較大的主觀性。
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專(zhuān)家評(píng)分法
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方法簡(jiǎn)單易行;可將專(zhuān)家的意見(jiàn)進(jìn)行綜合、歸納,充分發(fā)揮專(zhuān)家豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)。
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當(dāng)選擇專(zhuān)家不當(dāng)或處理專(zhuān)家意見(jiàn)不夠合理時(shí),容易使所得結(jié)果不夠客觀。
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模糊綜合評(píng)價(jià)法
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較好地解決了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中存在的大量模糊因素和不確定因素的量化問(wèn)題,使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合客觀實(shí)際情況。
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確定模糊關(guān)系矩陣和因素權(quán)重時(shí),易存在主觀差異。
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2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型的建立
模糊綜合評(píng)價(jià)通過(guò)構(gòu)造等級(jí)模糊子集把反映被評(píng)價(jià)事物的模糊指標(biāo)進(jìn)行量化(即確定隸屬度),然后再利用模糊變換原理將各指標(biāo)綜合[2]。建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型的步驟如下。
① 建立因素集
在本次研究中,所確定的因素應(yīng)對(duì)管道占?jí)弘[患發(fā)生事故的可能性以及事故后果的嚴(yán)重性存在影響。因素集表示為:
U={u1,u2,…,uk,…,un} (1)
式中u——因素集
uk——第k個(gè)影響評(píng)價(jià)對(duì)象的因素
n——影響評(píng)價(jià)對(duì)象因素的數(shù)量,個(gè)
② 建立評(píng)價(jià)集
評(píng)價(jià)集是由評(píng)價(jià)者對(duì)被評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的各種評(píng)價(jià)結(jié)果組成的集合,一般以程度語(yǔ)言或評(píng)定取值區(qū)間為評(píng)價(jià)目標(biāo),集合中元素?cái)?shù)量一般為奇數(shù)。評(píng)價(jià)集表示為:
V={v1,v2,…,vl,…,vm} (2)
式中V——評(píng)價(jià)集
vl——第l個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)
m——評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量,個(gè)
③ 建立因素權(quán)重向量
由于各因素對(duì)管道占?jí)弘[患的影響程度不一樣,因此需要考慮對(duì)各因素加權(quán),引入權(quán)重向量E,E中各因素權(quán)重之和應(yīng)為1。權(quán)重向量表示為:
E=(e1,e2,…,ek,…,en) (3)
式中E——權(quán)重向量
ek——因素集U中第后個(gè)因素uk的權(quán)重
④ 建立模糊關(guān)系矩陣
根據(jù)各因素的模糊性,選擇適當(dāng)?shù)碾`屬度函數(shù),就可以得到相應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣R,表達(dá)式為:
R=[rkl]n×m (4)
式中R——模糊關(guān)系矩陣
rkl——評(píng)價(jià)對(duì)象從因素uk來(lái)看對(duì)vl等級(jí)模糊子集的隸屬度
⑤ 綜合評(píng)價(jià)
將權(quán)重向量E與模糊關(guān)系矩陣R合成便得到對(duì)各因素的綜合評(píng)價(jià),綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣表示為:
B=E·R=(b1,b2,…,bl,…bm) (5)
式中B——綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣
bl——從整體上看,被評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)vl評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度
⑥ 評(píng)判指標(biāo)處理
常用的評(píng)判指標(biāo)處理方法有兩種,最大隸屬度法與加權(quán)平均法。由于最大隸屬度法僅考慮了最大評(píng)判指標(biāo)的貢獻(xiàn),舍去了其他指標(biāo)提供的信息,這是很可惜的;另外,當(dāng)最大評(píng)判指標(biāo)不止1個(gè)時(shí),用最大隸屬度法很難得出具體評(píng)判結(jié)果[3]。因此,本次研究采用加權(quán)平均法進(jìn)行評(píng)判指標(biāo)處理。
求出研究對(duì)象所隸屬等級(jí)A,對(duì)照評(píng)價(jià)集V中等級(jí)指標(biāo)可得出最終評(píng)價(jià)結(jié)果。A的計(jì)算式為:
式中A——研究對(duì)象所隸屬等級(jí)
vl——第1個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)取值
P——待定指數(shù),可取1或2,一般估算可取1,精確計(jì)算可取2
3 天然氣管道占?jí)弘[患模糊綜合評(píng)價(jià)
本次研究中,對(duì)燃?xì)夤艿勒級(jí)弘[患的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)參照GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)燃?xì)夤艿琅c建筑物、構(gòu)筑物、各類(lèi)相鄰管道之間的水平凈距、垂直凈距的要求。
① 建立因素集
據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2007年底,北京市共有天然氣管道占?jí)弘[患695個(gè)。通過(guò)對(duì)管道占?jí)弘[患特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外占?jí)菏鹿食梢蚣昂蠊M(jìn)行綜合分析,本次研究確定對(duì)天然氣管道占?jí)弘[患有影響的因素主要有7個(gè),因素集:U={占?jí)何镱?lèi)型,占?jí)盒问剑艿涝O(shè)計(jì)壓力,管徑,管材,使用時(shí)間,占?jí)弘[患發(fā)生區(qū)域}。
② 建立評(píng)價(jià)集
本次研究中將占?jí)弘[患的危險(xiǎn)程度分為5級(jí),即評(píng)價(jià)集:V={極大,較大,一般,較小,極小}。
③ 建立因素權(quán)重向量
確定各評(píng)價(jià)因素權(quán)重的常用方法有專(zhuān)家調(diào)查法、層次分析法、故障樹(shù)法等,綜合考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)的科學(xué)性、客觀性、針對(duì)性、可操作性,本文采用專(zhuān)家調(diào)查法確定權(quán)重。專(zhuān)家調(diào)查法是確定事件發(fā)生概率的常用方法之一,該方法通過(guò)選擇一定人數(shù)的專(zhuān)家組成評(píng)價(jià)小組,由分析人員把要評(píng)價(jià)的內(nèi)容設(shè)計(jì)成含義明確的評(píng)價(jià)意見(jiàn)征詢表,采用書(shū)面通信的方式請(qǐng)專(zhuān)家回答咨詢,由專(zhuān)家根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)評(píng)價(jià)事件發(fā)生的危險(xiǎn)程度做出判斷。影響因素權(quán)重評(píng)價(jià)意見(jiàn)征詢空白表見(jiàn)表2。
本次研究課題組從專(zhuān)家?guī)熘须S機(jī)選取城市燃?xì)膺\(yùn)行、管理、安全評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域?qū)<腋?位,共計(jì)12位專(zhuān)家組成天然氣管道占?jí)弘[患影響因素權(quán)重評(píng)價(jià)小組對(duì)各因素進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行處理。令評(píng)價(jià)等級(jí)V={極大,較大,一般,較小,極小}對(duì)應(yīng)分值為V={9,7,5,3,1},將專(zhuān)家評(píng)分值取算術(shù)平均后再進(jìn)行歸一化處理,即得到各因素權(quán)重的最終結(jié)果。影響因素權(quán)重向量:E=(0.22,0.16,0.17,0.09,0.06,0.17,0.13)
表2 影響因素權(quán)重評(píng)價(jià)意見(jiàn)征詢空白表
危險(xiǎn)程度
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占?jí)何镱?lèi)型
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占?jí)盒问?/span>
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管道設(shè)計(jì)壓力
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管徑
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管材
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使用時(shí)間
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占?jí)弘[患發(fā)生區(qū)域
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極大
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較大
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一般
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較小
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極小
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注:請(qǐng)?jiān)谡J(rèn)為合適的等級(jí)上打“√”。
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④ 建立模糊關(guān)系矩陣
根據(jù)北京市天然氣輸配管網(wǎng)現(xiàn)狀和管道占?jí)弘[患調(diào)差結(jié)果,確定每種因素的水平,見(jiàn)表3。
與因素權(quán)重向量的確定方法相似,仍使用專(zhuān)家調(diào)查法對(duì)各因素水平對(duì)應(yīng)的評(píng)分值進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了避免專(zhuān)家評(píng)分法中主觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的負(fù)面影響,選擇與影響因素權(quán)重評(píng)價(jià)專(zhuān)家組不同的專(zhuān)家,仍包括城市燃?xì)膺\(yùn)行、管理、安全評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域?qū)<?,?位,共計(jì)16位專(zhuān)家。以天然氣管道占?jí)弘[患中管道設(shè)計(jì)壓力因素為例,管道設(shè)計(jì)壓力對(duì)隱患影響程度專(zhuān)家意見(jiàn)征詢空白見(jiàn)表4。
令評(píng)價(jià)等級(jí)V={極大,較大,一般,較小,極?。龑?duì)應(yīng)分值V={9,7,5,3,1},將專(zhuān)家評(píng)分值取算術(shù)平均后再進(jìn)行歸一化處理,即得到各因素水平評(píng)分值的最終結(jié)果。將管道占?jí)弘[患對(duì)應(yīng)某因素uk的相應(yīng)水平的評(píng)分值x代入三角形隸屬度函數(shù)中,可得到占?jí)弘[患某因素uk的單因素評(píng)價(jià)向量。構(gòu)造三角形隸屬函數(shù)[4],其函數(shù)形式為:
表3 因素水平
影響因素名稱(chēng)
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因素水平
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占?jí)何镱?lèi)型
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磚混樓房
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磚混平房
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輕體建筑物
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構(gòu)筑物
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市政設(shè)施
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其他
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—
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占?jí)盒问?/span>
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壓線
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近線
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—
|
—
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—
|
—
|
—
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管道設(shè)計(jì)壓力
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高壓A
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高壓B
|
次高壓A
|
中壓
|
低壓
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—
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—
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管徑D
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D>700mm
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500mm≤D<700mm
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400mm≤D<500mm
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300mm≤D<400mm
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200mm≤D<300mm
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100mm≤D<200mm
|
D<100mm
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管材a
|
焦化廠鋼管
|
首鋼公司鋼管
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燃?xì)饧瘓F(tuán)鋼管
|
PE管
|
—
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—
|
—
|
使用時(shí)間/a
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>40
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30~40
|
20~30
|
10~20
|
<10
|
—
|
—
|
占?jí)弘[患發(fā)生區(qū)域
|
四環(huán)路以內(nèi)
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四環(huán)至
五環(huán)之間
|
五環(huán)路以外
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—
|
—
|
—
|
—
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注a:北京市天然氣管網(wǎng)鋼管系統(tǒng)中,除由北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)敷設(shè)外,另有部分鋼管為20世紀(jì)90年代首鋼公司與北京焦化廠敷設(shè),該部分管道在管材選擇、施工工藝要求、施工質(zhì)量管理上與北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)敷設(shè)的管道均存在一定差異,因此將鋼管管材細(xì)分為3類(lèi):燃?xì)饧瘓F(tuán)鋼管、首鋼公司鋼管、焦化廠鋼管。
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表4 管道設(shè)計(jì)壓力對(duì)隱患影響程度專(zhuān)家意見(jiàn)征詢空白表
危險(xiǎn)程度
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高壓A
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高壓B
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次高壓A
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中壓
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低壓
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極大
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|
|
|
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較大
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|
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一般
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較小
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|
|
|
|
|
極小
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|
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注:[1]請(qǐng)?jiān)谡J(rèn)為合適的等級(jí)上打“√”。
[2]表中設(shè)計(jì)壓力為目前北京市天然氣輸配系統(tǒng)中使用的設(shè)計(jì)壓力。
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式中x——專(zhuān)家評(píng)分值,x∈[0,10]
f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)、f5(x)——隸屬度函數(shù),依次為被評(píng)價(jià)因素對(duì)評(píng)價(jià)集V的5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度
因此,占?jí)弘[患某因素uk的單因素評(píng)價(jià)向量為:(fk1(x)、fk2(x)、fk3(x)、fk4(x)、fk5(x))。模糊關(guān)系矩陣R的表達(dá)式為:
R=[fkl(x)]7×5
⑤ 綜合評(píng)價(jià)
采用上述方法,分別對(duì)下列天然氣管道占?jí)弘[患進(jìn)行評(píng)價(jià),占?jí)弘[患特征描述見(jiàn)表5。
表5 占?jí)弘[患特征描述
序號(hào)
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占?jí)何镱?lèi)型
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占?jí)盒问?/span>
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管道設(shè)計(jì)壓力
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管徑/mm
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管材
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使用時(shí)間/a
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隱患發(fā)生區(qū)域
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1
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磚混平房
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壓線
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中壓
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300
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燃?xì)饧瘓F(tuán)鋼管
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<10
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四環(huán)路以內(nèi)
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2
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構(gòu)筑物(車(chē)庫(kù))
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近線
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低壓
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100
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燃?xì)饧瘓F(tuán)鋼管
|
10~20
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四環(huán)路以內(nèi)
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將上述2處隱患各影響因素水平分別代入隸屬度函數(shù)中,即可得到模糊關(guān)系矩陣R1與R2,將E=(0.22,0.16,0.17,0.09,0.06,0.17,0.13)及R1、R2分別代入式(5),即可得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣曰。經(jīng)計(jì)算,B1=[0.028 0.227 0.160 0.185 0.400],B2=[0.051 0.348 0.441 0.030 0.130]。
⑥ 評(píng)價(jià)指標(biāo)處理
考慮到人們的習(xí)慣,在評(píng)價(jià)指標(biāo)處理之前對(duì)評(píng)價(jià)集中危險(xiǎn)程度的5個(gè)等級(jí)分別進(jìn)行賦值,“極大”取100,“較大”取80,“一般”取60,“較小”取40,“極小”取20。根據(jù)式(6),取P=2,分別求出兩處占?jí)弘[患的模糊評(píng)價(jià)等級(jí)及模糊評(píng)分。隱患1得分82.14,危險(xiǎn)等級(jí)處于危險(xiǎn)較大與危險(xiǎn)極大之間。隱患2得分54.56,危險(xiǎn)等級(jí)處于危險(xiǎn)較小與危險(xiǎn)一般之間。
4 實(shí)例應(yīng)用
以天然氣管道占?jí)弘[患模糊綜合評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ),根據(jù)占?jí)弘[患影響因素權(quán)重及各因素水平的評(píng)分結(jié)果,編制占?jí)弘[患風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件。圖1、2為天然氣管道占?jí)猴L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件操作界面。
利用該軟件將北京市695個(gè)占?jí)弘[患進(jìn)行逐一評(píng)價(jià),其中大部分隱患處于60~80分,共計(jì)655個(gè),占總隱患數(shù)量的94.24%。
在對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析后,針對(duì)隱患的處理方式提出如下建議:
① 評(píng)價(jià)等級(jí)為危險(xiǎn)較大及以上級(jí)別的隱患
此類(lèi)隱患危害極大,建議應(yīng)當(dāng)立即處理。拆除造成隱患的建構(gòu)筑物,如拆除有困難,可采用遷改燃?xì)夤艿赖姆绞较[患。
② 評(píng)價(jià)等級(jí)為危險(xiǎn)較大以下級(jí)別的隱患
此類(lèi)隱患雖然危害程度不是非常嚴(yán)重,但也對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅,建議對(duì)此類(lèi)隱患如有條件也應(yīng)立即予以拆除。如果拆除存在困難,則近期可通過(guò)加強(qiáng)巡檢、加大對(duì)周邊居民的宣傳教育力度等方式最大限度地保障運(yùn)行安全,與此同時(shí)積極籌措資金,制定改造計(jì)劃,分年度實(shí)施改造。
5 結(jié)語(yǔ)
本文采用模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法對(duì)天然氣管道占?jí)弘[患進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),并在此基礎(chǔ)上提出處理占?jí)弘[患的建議。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用,證明該方法可行、有效。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)如下:
① 將模糊數(shù)學(xué)的思想和方法引入天然氣管道占?jí)弘[患的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作中,可以使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作更客觀、評(píng)價(jià)結(jié)果更加接近實(shí)際情況,增加了決策的科學(xué)性。
② 應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,可以全面考慮影響占?jí)弘[患的各種因素間的相互影響,既能夠充分體現(xiàn)評(píng)價(jià)因素和評(píng)價(jià)過(guò)程的模糊性,又能盡量減少個(gè)人主觀臆斷所帶來(lái)的弊端,比一般的專(zhuān)家評(píng)分法等方法更符合客觀實(shí)際,評(píng)價(jià)結(jié)果更可靠。
③ 應(yīng)用該方法,可以根據(jù)模糊評(píng)價(jià)等級(jí)區(qū)別出高、低風(fēng)險(xiǎn)隱患,有利于對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)隱患及時(shí)處理,對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)隱患進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
④ 模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法易于實(shí)現(xiàn)程序化,直觀易懂,可操作性強(qiáng),具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
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(本文作者:牛亞楠 張曉松 福鵬 張秀梅 北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100032)
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