基于模糊综合评价的燃气管道第三方破坏失效研究-李军.pdf

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1、第12卷 第8期2016年8月中国安全生产科学技术Journal of Salty Science and TechnologyV0112 No8Aug2016文章编号：1673193X(2016)一08014006基于模糊综合评价的燃气管道第三方破坏失效研究木李 军1一，张 宏1，梁海滨2，赵琪棋3，任乐梅3，焦文玲3(1中国石油大学机械与储运学院，北京102249；2中石油昆仑燃气有限公司，北京100101；3哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)摘要：针对燃气管道第三方破坏事故复杂的特点，基于层次分析和模糊数学的理论，计算燃气管道第三方破坏风险失效的可能性。全面识别城

2、镇燃气管道第三方破坏事故的危害因素，构建包含56个基本事件的燃气管道第三方破坏故障树。利用模糊集合隶属函数，计算燃气管道发生第三方破坏事故基本事件的模糊概率。利用改进的层次分析法，得出各专家权重并修正各专家的评估意见，计算管道第三方破坏失效的可能性。以某大型省会城市燃气管道为例进行验证分析，证明该方法的风险评价结果与实际情况相符，可为燃气公司安全风险防控提供依据。关键词：燃气管道；第三方破坏；层次分析；模糊数学；失效中图分类号：X936 文献标志码：A doi：1011731jissn1673193x201608024Study on failure of gas pipeline due t

3、o third party damage basedon fuzzy comprehensive evaluationLI Jun 1一，ZHANG Hon91，LIANG Haibin3，ZHAO Qiqi3，REN Lemei3，JIAO Wenlin93(1College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China；2PetroChina Kunlun Gas Co，LTD，Beijing 100101，China；3School of Mu

4、nicipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin Heitongjiang 150090，China)Abstract：Aiming at the characteristics of complexity for gas pipeline accidents due to third party damage，the possibility ofgas pipeline failure due to the risk by third party damage was calculated

5、based on the theories of analytic hierarchy processand fuzzy mathematicsThe hazard factors of third party damage accidents for urban gas pipeline were identified comprehen-sively，and a fault tree of third party damage for gas pipeline was constructed，which included 56 basic eventsThe fuzzyprobabilit

6、y of basic events were calculated by using the fuzzy set membership functionThe weights of each expert were determined and the evaluation opinions of each expert were revised by using the improved analytic hierarchy process method，thenthe possibility of gas pipeline failure due tO third party damage

7、 was calculatedThe validation analysis was conducted by tak-ing the urban gas pipeline in a large provincial capital city as example，and it showed that the risk evaluation structure of thismethod was in line with the actual situationIt can provide basis for the prevention and control of safety risk

8、in gas companyKey words：gas pipeline；third party damage；analytic hierarchy process；fuzzy mathematics；failure0 引言城镇燃气作为城镇基础设施，燃气管道遍布城镇街头巷尾，易受到第三方施工活动的破坏。如2016年4月10日，北京海淀区红联南村小区4号楼发生爆燃，致1死2伤，过火面积300多平，原因是施工挖断燃气管道H 3。根据中国城市燃气协会城镇燃气安全现状对策措施和监管体系研究课题，20102012年，发生燃气事故1 789起，其中第三方破坏事故608起，占比34。作为城镇燃气管道事故的主

9、要原因，对燃气管道第三方收稿日期：2016一0426作者简介：李军，高级工程师，博士研究生。+基金项目：国家自然科学基金项目(51534008)破坏失效可能性评价开展相关研究具有较强应用价值p1。城镇燃气管道第三方破坏是指非供气单位造成燃气管道的破损，不含自然灾害。第三方破坏的风险原因多样，导致其发生具有很强的随机性，不易防控H 3。将模糊综合评价方法应用到城镇燃气管道第三方破坏中，既体现了第三方破坏事故的不确定性，又可以量化失效风险。应用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)对专家能力进行评估，根据专家能力的评估结果，修正各专家对基本事件概率的评估，得

10、到一组更加接近客观概率的评估结果。1 建立故障树本文研究采用故障树分析方法，选取燃气管道第三万方数据第8期 中国安全生产科学技术 141方破坏为顶事件，所有引起顶事件发生的直接原因为输入事件，根据它们之间的逻辑关系用恰当的逻辑门(“与门”或者“或门”)连接起来，按照此原则可以继续向下分析连接，则这些原因作为引起顶事件的中间事件1。例如造成燃气管道第三方破坏的直接原因有直接破坏和占压破坏，两者之间通过或门连接，即认为发生一个事件都能引起城镇燃气系统第三方破坏，而直接破坏和占压破坏又可以继续向下分析，则直接破坏和占压破坏为中间事件。对每个中间事件用同样方法，逐级向下分析，例如对中间事件直接破坏继续

11、向下分析：挖掘、打桩、钻孔等都可能产生直接破坏，对每一个事件继续向下分析，直到所有的输入事件都不需要再分析为止，即得到故障树的各个基本事件，这些基本事件彼此独立、互不影响。将顶事件、中间事件、基本事件按照逻辑关系并采用故障树分析法的标准符号进行演绎组合，即构成故障树1。以此类推，根据调查资料，确定中间事件44个，基本事件56个，见图1。利用基于下行法布尔代数化简法求得故障树最小割集，确定由525个各阶最小割集组成。2基本事件模糊概率计算城镇燃气管道第三方破坏的风险因素具有不确定性。本文采用梯形、三角形分布确定模糊集合隶属函数厂(戈)，进而确定基本事件的模糊概率1。21 对基本事件作主观判断设定

12、基本事件x。评估范围为：很大、大、较大、中等、较小、小和很小。22隶属函数量化专家意见采用模糊集的截集对评估意见进行综合处理1，得到各模糊语言对应的模糊数形的关系函数：厶(髫)=等(茹口+01)百丁 (茹口+)鲁 (6-o1并6) (1)1 (口+01戈b一01)0 其他式中：口、b分别代表自然语言模糊数的上F限。10 (0菇01)f 、厶=等(01ISUB323构造评估矩阵评估矩阵的建立原则：矩阵中的数值c。表示因素万方数据142 中国安全生产科学技术 第12卷五 局 (d)置 局玉o X(e)恐。 置l蜀2 蜀3 玉4 五， 蜀6 禺7万方数据第8期 中国安全生产科学技术 143x4l 图

13、1城镇燃气管网第三方破坏故障树Fig1 Fault tree model for third-party damage to urban gas pipelineU；和q相比较时，U相对于的优越程度。满足如下关系式： C。=1【C巳=1 (9)专家个人能力I l l1个人知识PK 个人经验PE l信息来源Is lI评估公正性UBI lIlI 专家l 专家2 专家I图2专家能力评估层次分析模型Fig2 Expert ability evaluation model based APH表1指数标度表Table 1 Index scale标度定义 标度同等重要稍微重要重要明显重要强烈重要极端重要I1

14、316 l1732 135。196 69本文采用指数标度表，详见表1。如(，。相对于乩稍微重要，则C。3=1316 1，C，。=11316 1=0759 8。各目标对总目标的影响权重采用根式算法：万方数据144 中国安全生产科学技术 第12卷式中：k为影响专家评估能力的指标个数；埘。为影响专家评估能力的指标i所占有的权重值。依照指数标度表，由式(9)得到影响专家评估能力的各因素优先关系矩阵，详见表2。表2 影响专家评估能力的各指标优先关系矩阵Table 2 The priority relation matrix of each index affectingthe ability of ex

15、perts evaluation注：第一列元素对第一行各列元素的重要程度比较耳。pn 8厂1一荟耳。冲(10)式中：埘。为序号为J的专家相对专家能力指标i的权重；c。为对于同一指标i，专家J相对专家_|I的优越程度。采用判断矩阵的平均偏差检验判断矩阵的一致性：一 n n占=去T。i=1善l 8i(11)印一一C。式中：l：竺L二 (12)Cij判断矩阵的一致性应小于01。33专家层次总排序评估指标数为k时，第i位专家的能力权值W。是：W=w眠，Wji) (13)由式(13)可得各专家的能力权值。4失效概率计算故障树定量分析的目的是获得城镇燃气管道第三方破坏的概率。故障树定量分析原理如下：设省。

16、为基本事件i发生的概率，y为顶事件发生的概率。故障树概率可以通过最小割集来描述，最小割集之间为“或门”联接，其概率函数表示为：r7=1一兀(1一。) (14)依据指数标度表，结合层次分析法及专家能力权重矩阵，得到专家权重配比矩阵。对专家为具体管道的评价结果进行赋权重计算，得到管道失效概率。5实例应用与分析51待评价管道选取黑龙江省哈尔滨市燃气公司道外一分公司北安街中压燃气管道作案例。该管道管材为聚乙烯材质，管道长度为72 km，埋深17 m，设计压力为04 MPa，运行压力028 MPa。52确定专家能力权重选择6位专家组成评估小组，采用第3节所示的专家能力评估描述，得出专家评估能力指标中的个

17、人知识优先关系矩阵及权重，如表3。表3个人知识优先关系矩阵及权重Table 3 The priority relation matrix of personal knowledgeand weight同理可得各专家个人经验、信息来源、评估公正性的优先关系矩阵。53评估风险因素将第1节中构建的故障树56个基本事件作为风险因素，编制评估调查表，6位专家经过实地调查，依据自身经验及个人知识，根据21节所示，对基本事件作主观判断，填写专家评估统计表。54管道失效概率利用第2节介绍的模糊数学理论将专家的模糊评价量化，得到相应管段的基本事件模糊概率。由于计算较为繁琐，可以运用MATLAB软件进行计算。笔者

18、对56个基本事件的模糊概率进行了计算“，结果表明，56个基本事件中的施工人员能力不足、施工单位不配合、巡检人员责任心不强的模糊概率分别是0085 501、0071 287、0066 766，是此管道主要的第三方破坏风险因素。利用第4节介绍的故障树燃气管道失效概率及专家权重配比矩阵，得到此管道失效概率1，55。通过查阅燃气公司记录发现，哈中庆公司运行地下燃气管道为1 958 km，2015年发生地下燃气管道第三方挖断事故事件23起(详见表4)，计算得出管道第三方破损率为0011 7次(kma“)。上述燃气管道失效性的研究，与现场统计得到的数据基本吻合。应针对性加强风险万方数据第8期 中国安全生产

19、科学技术 145管控措施，降低管道第三方破坏的风险。表4 2015年燃气管道第三方挖断事故表Table 4 Third-party damage to gas pipeline accident in 201 5日期 事故类型平房星海路交口施工将D110中压塑管挖断木兰街34号地下D50塑管被排水施工挖断联部街排水施工地下D75塑管挖漏一草市街与大水晶街交口1)63塑管挖断文政小区院内I)60塑管因施工裸露731正门因施工将D63塑管挖断二淮河路592号D63塑管挖断爱建路工地施工将Dll0中压塑管挖断安宁街39号院内施工将调压器砸坏漏气金色蓝茚10栋与4栋间排水1390塑管挖断哈西复旦路排水

20、施工D160塑管挖漏龙丹乳业因修路将DllO塑管挖断东安256号楼施工将中压I)63塑管挖断新疆大街146号地铁施工将D125塑管挖断中山路与南河沟街交口I)63塑管挖断南马路东开源街2号施工将D63塑管挖漏水泥厂家属楼排水将i)63中压管线挖断太平新乐小区2寸栓下被人为用电钻打漏宣化街492号I)63塑管挖漏香坊木材厂32栋D50次高压塑管被挖断先锋路与嵩山路交口施工I)63塑管挖断宣化街欧路名车店施工将引入管钻漏西彩阳光5栋因水施工D63塑管挖断6 结论1)全面识别城镇燃气管道第三方破坏事故的危害因素，系统地建立了城镇燃气管道第三方破坏故障树，确定基本事件56个。2)基于模糊集合理论，对城

21、镇燃气管道第三方破坏的56个风险因素进行量化处理，计算得出模糊概率数值。3)利用改进的层次分析法，将影响专家评估能力的因素建立层次模型。用AHP对专家的评估进行加权修正，得到更加接近客观概率的评估结果。4)通过现场实际应用，基于模糊综合评价的方法，得出管道的失效概率。与燃气公司的事故统计数据基本相符，验证了评价方法和模型的可行性和有效性。参考文献1 黄小美，彭世尼，杨俊杰，等国内典型城市燃气管道失效调查与分析J煤气与热力，2010，30(9)：26-29HUANG Xiaomei，PENG Shini，YANG Junjie，et a1Investigationand analysis on

22、failure of gas pipeline in typical domestic citiesJGasHeat，2010，30(9)：26-29f2 中国新闻网北京一老旧小区发生燃气爆燃事故EBOLhttp：wwwbjchinanewscomnews2016041051287html，2016-04103赵建平埋地燃气管道第三方破坏模糊综合评价法J天然气工业，2008，28(11)：103105ZHAO JianpingFuzzy comprehensive analysis method and its application in the third-party damage ass

23、essment of the buried gas pipingJNatural Gas lndusty，2008，28(11)：1031054朱震江，杨晓翔城市埋地燃气管道模糊故障树分析J合肥工业大学学报(自然科学版)，2007。30(12)：16861690ZHU Zhenjiang，YANG XiaoxiangFuzzy fault tree analysis of urbanunderground gas pipelinesJJournal of Hefei University of Tech-nology，2007。30(12)：1686-16905魏春荣，李艳霞，孙建华，等事故树

24、结构重要度的求解方法J黑龙江科技学院学报，2012，22(1)：84-88WEI Chunrong，L1 Yanxia，SUN Jianhua，et a1Solution method foraccident tree structural importanceJJouranl of Heilongjiang Institute of ScienceTechnology，2012，22(1)：84-886 张增刚，朱向凤基于模糊故障树的城市燃气输配系统安全评估J山东建筑工程学院学报，2006，21(3)：239-242ZHANG Zengang，ZHU XiangfengSafety asse

25、ssment to urban gastransmission and distribution system based on fuzzy fault treeJJournal of Shnndong University of Architecture，2006，2 l(3)：239-2427李卫宁，高洪林，马亮潜艇鱼雷应急发控系统故障树最小割集的求解J四川兵工学报，2010，3l(8)：43-46LI Weining，GAO Honglin，MA LiangThe solution of the minimalcut set of the fault tree of the submar

26、ine torpedo emergency controlsystemJJournal of Sichuan Ordnance，2010，31(8)：43-468】 李青，陆廷金模糊重要度分析方法的研究J模糊系统与数学，2000。14(1)：89-93LI Qing，LU TingjinThe study on the methods of fuzzy SignficanceanalysisJFuzzy Systems and Mathematics。2000，14(1)：89-939 陈利琼在役油气长辁管道定量风险技术研究D西南石油学院，2004：10-1510 CHEN Shujen，HW

27、ANG C hinglaiFuzzy multiple attribute decision making methods and applicationsMBerlin：Springer-Ver-lag，19901 1 宋高峰，潘卫东，杨敬虎等基于模糊层次分析法的厚煤层采煤方法选择研究J采矿与安全工程学报，2015，32(1)：35-41SONG Gaofeng，PAN Weidong，YANG JinghuResearch on selection of thick coal seam mining method based on Fuzzy Analytic Hiemrchy Proce

28、ssJJournal of Mining and Safety Engineering，2015，32(1)：354112郝长胜，盛军坤利用层次分析和模糊数学法优选采矿方案J辽宁工程技术大学学报，2016。35(7)：696-700HAO Changsheng，SHENG JunkunUsing analytic hierarchyprocess and fuzzy mathematics method to optimize the mining planJJournal of Liaoning Technical University，2016，35(7)：696-70013李军，张宏城镇燃气管道第三方破坏因素的模糊概率分析J天然气与石油，2016，34(2)：109-114LI Jun，ZHANG HongFuzzy probability analysis of the third partydamage factor for urban gas pipelineJNatural Gas and Oil，2016，34(2)：1091144巧孔M博规毖巧凹m38加幻M矗t争ii1L-一一L歌乱钆钆钆。：玑m蛆他万方数据