基于多级模糊与GIS的天然气管道风险评估

李 卓，李永树，梁 磊

（西南交通大学 地理信息工程中心，四川 成都 610031）

天然气管道由于施工、设计不合理及自身的腐蚀老化等原因都可能引发天然气泄漏、爆炸等安全事故，给群众的生命与财产造成不可挽回的损失［1］。实时地对燃气管道系统进行安全性评估并保证安全、平稳运行具有重要的现实意义。

影响燃气管道安全的因素很多，如使用年限、维修次数、第三方破坏、腐蚀指数、错误指数［2］等。不能凭单一因素作为评估风险等级的依据，而应综合各种因素进行全面系统的评估，模糊综合评估是借助模糊数学的概念［3］，应用模糊关系合成原理将一些边界不清、不易定量的因素定量化后进行综合评估的一种方法。目前，模糊综合评估法在旅游资源评估、企业管理等领域的应用日益广泛，陈浩［4］运用模糊评估提高了企业环境管理的绩效，邓俊国［5］利用模糊数学的理论建立了隶属函数对旅游资源进行了综合评估与分类等。但将模糊评估应用于风险评估的研究报道较少，本文利用模糊评估的原理对天然气管道进行风险安全性评估，并结合GIS技术论证多级模糊评估用于风险评估的可行性，较好地克服了燃气管道风险评估因素考虑不够全面的缺陷，以便使评估结果更接近实际情况。

1 管道风险评估模型

1.1 多级模糊综合评估原理

由单一影响因素判定管道老化结果带有明显的片面性，多级模糊综合评估［6］是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成原理从多个影响因素对被评估对象的等级状况进行综合评估。运用多级模糊综合评估建立管道风险评估模型，能够为天然气管道的监管建立较完善的评估体系，为管理部门提供科学决策依据。

设U＝｛u1，u2，…，un｝为模糊评估指标集，V＝｛v1，v2，…，vn｝为评语等级集，以Yi，j（i＝1，2，…m；j＝1，2，…n）表示评估指标ui的一级评估等级，相应的对评估内容进行单指标评估得到对象模糊关系矩阵

且Yi1＋…＋Yin＝1。设W＝｛w1，w2，…，w4，wn｝为各指标的权系数向量（权重），且wi≥0，w1＋…＋wn＝1。由此得到模糊评语B＝W·R＝（b1，b2，…，bn）。在该模型中，较难确定权重W和关系矩阵R。鉴于管道影响因素的复杂性，权重的确定采用专家鉴定法，专家对模糊指标打分，而关系矩阵在老化指标部分采用数据累加原则，其他部分也采用专家鉴定法，由此构建权重比例与关系矩阵。最后对模糊评语采用最大隶属度方法，提取Max（Bi）值，匹配相应的评语等级集，即为最终的评估结果。

1.2 风险评估指标体系

管道风险评估的核心是风险指标的确定。这里所采用的模糊综合评估是对受多种因素影响的事物做出全面评估的有效的多因素决策方法，其特点是评估结果不是绝对地肯定或否定，而是以一个模糊集合来表示。根据影响管网运行安全的各种因素，可以将危险因素分为5大类：老化指标，第三方破坏，腐蚀，设计，误操作［7］。风险评估指数体系是一个多级体系，每个危险指标可以再进一步细分为分指标，如腐蚀可以分为管道内部腐蚀、大气腐蚀、埋地管道土壤腐蚀等。各级体系的因素要结合实际在风险评估过程中不断地完善，使风险评估结果能够更加真实地反映管道风险状况。如图1所示，U＝｛老化指标，第三方破坏，腐蚀指数，设计指数，错误指数｝，V＝｛安全，一般，安全隐患，次危险，危险｝。

图1 风险评估指标体系

风险评估指数体系的各级指标的权重直接影响评估结果，指标权重要参考国内外相关资料和文献及专家经验制定权重标准。指标权重要在风险评估工作中不断完善，使得评估结果能更加真实反映管道风险状况。评估结果如表1所示。

表1 天燃气管道风险评估专家鉴定表格

由表1得到：

计算一级综合模糊评估结果：

进行二级模糊综合评估。二级模糊综合评估的单因素评估矩阵，应为一级模糊综合评估矩阵，构建二级评估的关系矩阵如下：

而二级指标权重W＝（0.51，0.23，0.07，0.13，0.06）。

得到模糊评语B＝W·R＝（B1，B2，B3，B4，B5）＝（0.26，0.31，0.24，0.13，0.06）。

这说明管道风险对模糊评语“安全”的隶属度为0.26，“一般”的隶属度为0.31，“安全隐患”的隶属度为0.07，“次危险”的隶属度为0.13，“危险”的隶属度为0.06。按最大隶属度原则，对模糊评语提取Max（Bi）（i＝1，…，5）的值。即模糊评估值为0.31，得到对该管道的综合评估为“一般”。

2 风险评估流程

为了保证管道风险评估过程的完整性和系统性，建立风险评估主要流程如下：①前期评估模型设计，主要是确定引起管道危险的因素、各因素的分指标和一些评估模型技术方案；②收集数据，主要是收集与分析管道风险评估相关的图形和属性信息，如管道施工、管道巡线频率、管道防腐措施等；③选取评估模型进行评估实施，根据评估值划分管道危险性等级；④根据评估结果进行统计分析，利用GIS技术得到相应的管道危险性专题图。

考虑到风险评估指数体系的各级指标的权重的主观性，模块设计了相应的对话框，通过自定义选择来设置各个指标的权重，在确定了这些风险指标权重后，读取数据库管道风险数据信息，结合风险评估模型计算管道风险值，并基于GIS技术对管道风险值进行专题显示，如图2所示。

图2 显示评估机制的流程

3 实验与分析

天然气管道风险评估模块以ArcGIS为平台，利用CJHJ.NET开发实现。实验数据为某市天然气管网地形图及管道风险调查数据。按照管道风险评估流程对管道进行分析评估，风险评估分析过程如图3所示，一级指标及二级指标可以根据实际需要添加，所对应的指标权重可动态修改，计算得到风险评估结果如图4所示，并根据管道风险等级将管道以5种颜色进行相对风险评估结果的专题可视化显示（见图5），图中沿道路的管道风险等级呈现为次危险，应引起足够重视。

图5 管网风险值可视化

4 结束语

通过天然气管道风险评估体系研究，建立了多级模糊风险评估模型，能够对管道进行风险评估，并利用GIS技术实现了管道风险评估结果可视化，能够直观地了解管道运行风险程度，并自动划分管道重点风险监测区段，并将管道风险评估结果存储于管网数据库中，技术管理人员可以实时掌握现有管道安全运营情况。同时，还能够从GIS数据库中查找管网设施的空间位置、相关属性及安全隐患等信息。在天然气管道评估过程中，还需要不断对有关指标体系进行修正、完善，使评估结果更加切合实际，从而提高天然气管道运行的安全性。

［1］马磊，李永树.城市天然气管网预警系统的研究与实现［J］.中国安全科学学报，2010，20（9）：171－176.

［2］郑津洋，马夏康，尹谢平.长输管道安全［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［3］刘春凤，董建军.模糊综合评价法在啤酒口感协调性品评中的应用［J］.西北农林科技大学学报，2008，36（3）：213－222.

［4］陈浩，薛声家.企业环境管理绩效的多级模糊综合评价［J］.科技管理研究，2006，56（4）：56－65.

［5］邓俊国，李加林.旅游资源多级模糊综合评价探讨——以河北省涞源县为例［J］.资源科学，2004，26（1）：76－82.

［6］贺北方，于章林，刘正才.多级模糊层次综合评价的数学模型及应用［J］.系统工程理论与实践，1989（6）：1－6.

［7］徐海宏，夏耀祖.燃气管道风险评估系统概况［J］.上海煤气，2006，2（1）：1－3