摘 要：燃?xì)夤艿朗鹿室坏┌l(fā)生后果大多比較嚴(yán)重。為全面分析燃?xì)夤艿里L(fēng)險(xiǎn)的前因后果，確定重點(diǎn)維護(hù)和監(jiān)控的管段區(qū)域，引入了Bow-tie模型，將管道泄漏的故障樹(shù)與事件樹(shù)統(tǒng)一到一起對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。采用模糊集相關(guān)理論與專家評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法得出管道泄漏的模糊可能值；然后基于模糊層次分析法確定管道泄漏后果因素的權(quán)重系數(shù)；再通過(guò)矩陣乘法求得泄漏后果值。以某段燃?xì)夤芫€為案例，全面識(shí)別出各風(fēng)險(xiǎn)因素，量化得到管道各泄漏后果事件的風(fēng)險(xiǎn)值。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：①該方法可快速合理地評(píng)判出管道系統(tǒng)的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)大小；②三角模糊數(shù)與層次分析法的應(yīng)用減少了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)中主觀及模糊因素產(chǎn)生的評(píng)價(jià)偏差，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更接近客觀實(shí)際；③依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果制訂有針對(duì)性的預(yù)防維護(hù)措施，能夠?qū)崿F(xiàn)有限維護(hù)資源的合理配置，保障燃?xì)夤艿赖陌踩煽窟\(yùn)行。
關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿?span lang="EN-US"> 模糊Bow tie模型 故障樹(shù) 事件樹(shù) 定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià) 模糊層次分析法 三角模糊數(shù) 泄漏后果
Quantitative risk assessment of urban gas pipelines based on the fuzzv Bow-tie model
Abstract：Serious consequences will be inevitable once any accident occurs in urban gas pipelines．The Bow-tie model was applied to have an overall analysis of causes and consequences of urban gas pipelines risks and to determine the highlighted pipe section areas of maintenance and monitoring.The fault tree and thc event tree were unified by using the Bow-tie model to perform a quantitative riskanalysis of gas pipelines.The leakage possibility of gas pipelines was obtained by combining the fuzzy set theory with expert evaluation.The welght coefficients of the leakage consequences of gas pipelines were defined by the Fuzzy Analytic Hierarchy Process．The consequences pipeline leakage were calculated by the matrix multiplication method．Taking the risk assessment of a ccrtain gas pipe sectlon as an example'the rlsk factors were identified and the risk values of the pipeline leakage even心were quant‰d．The followmg flndlngs were concluded.(1)The relative risk values of gas system can be evaluated quickly in practice by use of this method．(2)The employment of the tnangular fuzzy number and the analytic hierarchy process helps reduce the evaluation deviation due to the subjectie and fuzzy factors in the traditional evaluation methods so the assessment results are much closer to reality．(3)The corresponding preventive and maintenance plans will be made based on the assessment results，making it easier to achieve the rational allocation of the limited maintenance resources and ensure the safe and reliable operation of urban gas pipelines．
Key words：gas pipeline，fuzzy Bow-tie model，fault tree，event tree，quantitative risk assessment，fuzzy analytic hierarchy process,triangular fuzzy number，leaking consequences
我國(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿朗冀ㄓ?span lang="EN-US">20世紀(jì)七八十年代，受資金、技術(shù)等影響，管道的改建及維護(hù)困難重重，而且每年不斷增加新管線，近幾年達(dá)到敷設(shè)的高峰期[1]。燃?xì)夤艿廊芷诘氖鹿事史?ldquo;浴盆曲線”的規(guī)律，早期(半年以內(nèi))和末期事故頻發(fā)[2]，目前我國(guó)燃?xì)夤艿来蟛糠痔幱谠缙诨蚰┢陔A段；再者管線淺埋于人口密集的大街小巷，一旦出現(xiàn)事故后果影響十分嚴(yán)重。因此，迫切需要對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，將被動(dòng)片面的事后響應(yīng)變?yōu)橹鲃?dòng)全面的事前預(yù)防，以保障其長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。
城市燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險(xiǎn)取決于管道失效的可能性和事故后果的嚴(yán)重性[3]，為將燃?xì)夤艿朗鹿实那耙蚝蠊Y(jié)合起來(lái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，首次引入Bow-tie模型，將風(fēng)險(xiǎn)分析中的故障樹(shù)和事件樹(shù)聯(lián)系起來(lái)。Bow-tie模型最早出現(xiàn)在澳大利亞昆士蘭大學(xué)關(guān)于帝國(guó)化學(xué)，工業(yè)公司危害分析的課程講義[4]，隨后殼牌公司將其應(yīng)用于阿爾法鉆井平臺(tái)爆炸災(zāi)難分析中[5]，至今這一技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到一些重大事故。
燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)、巡線及周圍環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)信息是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，由于歷史原因，許多管道的資料缺失，給管理和評(píng)價(jià)帶來(lái)閑難。管道的風(fēng)險(xiǎn)影響因素很多，這些因素很難用精確值去表示。故本文將模糊集的相關(guān)理論引入燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，其整體結(jié)構(gòu)如下：首先借助模糊數(shù)確定燃?xì)夤艿佬孤┑目赡苤?；再結(jié)合模糊層次分析法對(duì)泄漏后果進(jìn)行權(quán)重分配，通過(guò)專家小組評(píng)價(jià)后果等級(jí)；最后借助案例進(jìn)行分析，建立了燃?xì)夤艿佬孤?span lang="EN-US">Bow-tie模型，最終得出評(píng)價(jià)結(jié)果，并給出相應(yīng)的改進(jìn)建議。
1 風(fēng)險(xiǎn)因素可能值的確定
1．1 模糊數(shù)表示的事件概率及運(yùn)算
基于信息、模型以及人為因素的不確定性，事件發(fā)生的概率不宜使用精確值來(lái)表示，所以這里采用三角模糊數(shù)表示事件的概率值[6-7]，對(duì)事件的模糊性進(jìn)行量化。三角模糊數(shù)可以用3個(gè)參數(shù)表示，記為A＝(a，m，b)，其隸屬度函數(shù)用公式表示為：
式中A是指定論域x上的模糊集；mA(x)是指工對(duì)模糊集A的隸屬函數(shù)；m為模糊數(shù)A的均值；a、b分別為模糊數(shù)A的左右分布參數(shù)。
假設(shè)各事件相互獨(dú)立，故障樹(shù)中與門模糊算子為：
或門模糊算子為：
事件樹(shù)中的模糊算子為：
式中i為某一基本事件；n為事件的個(gè)數(shù)；k為某一結(jié)果事件。
將引起燃?xì)夤艿佬孤┦录L(fēng)險(xiǎn)分為11個(gè)等級(jí)[8]，相應(yīng)的語(yǔ)言變量及模糊數(shù)參照表l，語(yǔ)言變量可直觀表達(dá)風(fēng)險(xiǎn)因素的相對(duì)重要性。
1．2 模糊概率的聚合
在專家評(píng)分過(guò)程中，每個(gè)專家根據(jù)各自經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷不同事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，所以對(duì)于不同擘家的評(píng)價(jià)結(jié)果，還需進(jìn)行模糊概率的合并以及專家權(quán)重的分配。對(duì)于模糊數(shù)的聚合，這里利用加權(quán)平均數(shù)法[9]：
式中Pi是聚合后的模糊數(shù)；Wj是第個(gè)j專家的權(quán)重因子；Pi,j是第j個(gè)專家為第i個(gè)基本事件分配的模糊數(shù)；n為基本事件數(shù)目；m為專家個(gè)數(shù)。
1．3 將模糊數(shù)概率化
由于求得的結(jié)果事件都以模糊數(shù)表示，為了對(duì)比風(fēng)險(xiǎn)的大小，需要將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的概率值，即FPS(Fuzzy Possibility Score)。在模糊集理論中，這個(gè)過(guò)程又叫解模糊化，這里是基于Chen和Hwang提出的模糊最大和最小集合方法[10]。該方法定義的最小及最大模糊集分別為：
則模糊數(shù)的左、右模糊可能值為：
FAR=supx[mA(x)Ùmmax(x)]
FAL=supx[mA(x)Ùmmin(x)]
則模糊數(shù)A的模糊概率值由以下公式求得：
最后為了保證所有事件的真實(shí)概率和模糊概率之間的一致性，還需要將模糊可能值轉(zhuǎn)化為模糊失效概率FFR(Fuzzy Failure Rate) [11]：
其中k=[(1-FPS)／FPS]1/3×2.301。
2 燃?xì)夤艿佬孤┖蠊治?span lang="EN-US">
當(dāng)燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏后，會(huì)給人員、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境及社會(huì)帶來(lái)不同程度的影響。其后果就從人員、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境及社會(huì)4方面來(lái)考慮，具體受影響因素參照?qǐng)Dl。
2．1 確定各后果因素的權(quán)重系數(shù)
應(yīng)用本文參考文獻(xiàn)[12]中的模糊層次分析法，可得到第一級(jí)主因素，U＝{A1、A2、A3、A4)的優(yōu)先關(guān)系矩陣：
P A1 A2 A3 A4
A1 0.5 1.0 1.0 1.0
A2 0 0.5 0 0
A3 0 1.0 0.5 1.0
A4 0 1．0 0 0．5
式中A1表示人員傷亡、A2表示財(cái)產(chǎn)損失、A3表示環(huán)境后果、A4表示社會(huì)后果。
應(yīng)用本文參考文獻(xiàn)[12]中的公式求得權(quán)重為(W人員傷亡，W財(cái)產(chǎn)損失，W環(huán)境后果，W社會(huì)后果)＝(0.4，0.1，0.3，0.2)，同理求得第二級(jí)因素的權(quán)重(表2)。
2．2 確定燃?xì)夤艿佬孤┑暮蠊燃?jí)
基于點(diǎn)火時(shí)機(jī)及空間大小限制，燃?xì)夤艿佬孤┍憩F(xiàn)出不同的形式，如爆炸、火球、蒸氣云爆炸、閃火、氣體堆積以及安全泄放等，不同形式造成的后果有輕有重，因此將后果等級(jí)也進(jìn)行了分類(表3)。
3 燃?xì)夤艿佬孤┌咐治?span lang="EN-US">
如某市某段燃?xì)夤芫€穿越多條河流、公路、水塘，經(jīng)過(guò)綠化帶和農(nóng)田，管道上方植被較多，街道沿線人口密集，車輛來(lái)往頻繁，多條高壓線橫跨上方。通過(guò)對(duì)該段管線綜合評(píng)估及開(kāi)挖檢測(cè)，得出腐蝕、第三方破壞、不合理設(shè)計(jì)及誤操作是引起管道失效的主要原因。
3．1 建立Bew-tie模型
此燃?xì)夤芏蔚?span lang="EN-US">Bow—tie模型中的頂事件為燃?xì)夤艿佬孤?，其故障?shù)及事件樹(shù)組成部分見(jiàn)圖2，故障樹(shù)中的基本事件見(jiàn)表4。
3．2 專家評(píng)價(jià)
首先邀請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專家組成評(píng)價(jià)小組，冉對(duì)專家進(jìn)行權(quán)重分析，本文僅以兩位專家為例，并且賦予其相等的權(quán)重。依據(jù)故障樹(shù)中基本事件和事件樹(shù)中誘發(fā)事件的風(fēng)險(xiǎn)大小，由號(hào)家賦予每個(gè)事件相應(yīng)的三角模糊數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4，然后根據(jù)式(5)求得聚合后的事件模糊數(shù)。
3．3 Bow-tie模型中結(jié)果事件的發(fā)生概率
根據(jù)式(2)、(3)求得頂事件燃?xì)夤艿佬孤┑哪：龜?shù)值L＝(0.57，0.89，0.99)，再根據(jù)事件樹(shù)模糊算子式(4)求得泄漏造成的Cl(爆炸)、C2(火球)、C3(蒸氣云爆炸)、C4(閃火)、C5(蒸氣云爆炸)、C6(閃火)、C7(氣體堆積)以及C8(安全泄放事件)的模糊數(shù)(以Li表示，i=1，2，3……8)。
3．4 Bow-tie模型中結(jié)果事件相應(yīng)影響后果的計(jì)算
專家小組成員可參照三角模糊數(shù)表示的后果等級(jí)表，將燃?xì)夤艿佬孤┰斐傻谋?、火球、蒸氣云爆炸、閃火、氣體堆積以及安全泄放分別帶給人員、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境、社會(huì)的影響后果進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。
在計(jì)算結(jié)果事件后果影響時(shí)將后果因素的權(quán)重與其相應(yīng)的評(píng)價(jià)模糊數(shù)按矩陣乘法進(jìn)行合并[13]。如C1事件造成的第二級(jí)因素人員傷亡的后果計(jì)算如下。
相應(yīng)的求得：C1財(cái)產(chǎn)損失＝[0.40 0.65 0.90]
Cl環(huán)境后果＝[0.25 0.50 0.75]
C1社會(huì)后果＝[0.50 0.75 0.10]
所以爆炸造成的總后果：
同理可求得其他泄漏事件造成的總后果值Ci。
3．5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
對(duì)燃?xì)庑孤┑娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值Ri＝Li×Ci，由于計(jì)算的可能值和后果都以模糊數(shù)表示，所以為對(duì)比風(fēng)險(xiǎn)大小，應(yīng)用式(6)～(9)，將其轉(zhuǎn)化為表6中的各結(jié)果事件的模糊失效概率值(FFR)。
從各結(jié)果事件的模糊失效概率值可以看出，此管段一旦拙現(xiàn)泄漏，發(fā)生爆炸的概率極高。因此需從引起泄漏的潛在因素中加以控制，從表4可以看出，土壤電阻率及雜散電流的干擾對(duì)管道影響較大，所以：①加強(qiáng)陰極保護(hù)措施，在犧牲陽(yáng)極保護(hù)的基礎(chǔ)上還要增加外加電流的保護(hù)；②及時(shí)維護(hù)外防護(hù)涂層；③加強(qiáng)巡邏、檢測(cè)，重要管段可引入監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCA-DA，實(shí)時(shí)監(jiān)控管道的運(yùn)行狀況，對(duì)于嚴(yán)重破壞的管道立即進(jìn)行更換。相對(duì)來(lái)說(shuō)安全泄放的概率低且后果影響也小，但會(huì)造成資源浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境影響較大，所以此次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)完成后，還需要進(jìn)一步跟蹤檢測(cè)，在計(jì)劃性維護(hù)后重新評(píng)價(jià)管道風(fēng)險(xiǎn)，建立以事前預(yù)控為主的燃?xì)夤艿垃F(xiàn)代化管理方式。
4 結(jié)論
定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是燃?xì)夤艿绖?dòng)態(tài)完整性管理的重要部分，本文基于模糊Bow-tie模型，將影響管道泄漏的風(fēng)險(xiǎn)因素及后果關(guān)聯(lián)起來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果可制訂相應(yīng)的檢測(cè)計(jì)劃，合理分配資源。
1)傳統(tǒng)的概率分析需建立概率模型，但燃?xì)夤艿澜?jīng)受各種不確定因素的影響，且各因素隨機(jī)變化；由于人類知識(shí)的有限性難以確定精確的概率表達(dá)式，故本文借助三角模糊數(shù)表示事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，通過(guò)模糊與門、或門計(jì)算，求得模糊可能值，然后解模糊化，對(duì)燃?xì)夤艿赖娘L(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)定，其結(jié)果更加符合客觀實(shí)際。
2)利用模糊層次分析法確定了燃?xì)夤艿佬孤└黝惔渭?jí)因素的權(quán)重，使得泄漏后果的分析真實(shí)有效。
3)本次評(píng)價(jià)是以各風(fēng)險(xiǎn)因素相互獨(dú)立為前提的，但工程實(shí)際中不僅要承認(rèn)各因素的模糊性，還要考慮各因素間的關(guān)聯(lián)，存這方面還需進(jìn)一步探索。
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本文作者：於孝春 賈朋美 張興
作者單位：南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力丁程學(xué)院
中國(guó)石油管道科技研究中心
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