基于改进二元语义的滑坡诱发管道失效可能性评估*

姚安林，曾跃辉，罗　珊，毛　建，徐涛龙

(1.西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500；2.油气消防四川省重点实验室，四川 成都 610500；3.中国石油管道公司 西气东输分公司，上海 200122)

0　引言

滑坡作为常见地质灾害，其诱发管道失效的事件时有发生。2015年发生的“12·20”深圳山体滑坡事故使西气东输二线广深支干线受损，导致对港供气中断，该事件再次引起社会对管道所经地区滑坡灾害防治问题的关注。因此，采用先进方法评估滑坡诱发管道失效的可能性，识别导致管道失效的主要因素，对确保管道安全运营具有重要意义。

目前，滑坡作用下管道安全评估主要有管道失效概率预测及监测治理效果分析两方面。文献[1-5]在建立滑坡灾害管道失效可能性指标体系时，将监测治理措施划入灾害易发性和管道易损性中，通过对灾害易发性和管道易损性两方面的分析可得出穿滑坡区管道的失效概率，为评估管道的运营状态提供一定的理论依据。但该指标体系划分方式不能分析出监测治理措施对管道失效概率的影响，无法评估出管道运营单位采取治理措施的效果情况；文献[6-8]通过监测对比采取治理措施前后管道的受力情况，可直接分析出管道在滑坡灾害下的安全状态以及不同治理措施的效果，为是否采取治理措施以及采取何种治理措施提供相应的理论依据，但是这些研究中又未同时考虑灾害易发性和管道易损性对穿滑坡区管道失效概率的影响。鉴于此，从致灾影响因素(致)、承灾敏感程度(承)和监测治理情况(监)3方面分析，建立滑坡诱发管道失效可能性评估指标体系，以期克服现有研究中不能同时评估3方面(致、承、监)对滑坡区管道失效概率影响的不足。

滑坡诱发管道失效可能性评估是典型的多指标评估问题，影响因素众多且难以定量，此类问题评估多凭借有经验的评估人员使用专用语言完成。基于语言形式偏好分析的二元语义评估方法，在集结多个评估者的意见时，能避免评估信息扭曲和丢失，使评估结果更加准确[9-10]。因此，基于最小偏差综合赋权及二元语义理论建立滑坡诱发管道失效可能性评估模型，以期在降低评估语言转换失真程度的基础上，识别导致管道失效的主要因素，为管道运营单位制定相应的防范措施提供科学依据。

1　建立滑坡诱发管道失效可能性评估指标体系

滑坡灾害发生时，监测治理措施未达到相应要求且滑坡体施加到管道的应力大于管道的屈服极限才会发生滑坡诱发管道失效事件。滑坡灾害发生的可能性由环境地质及诱发因素共同决定；管道承受灾害的能力由管道本体及管道敷设因素决定；监测治理情况由监测情况、滑坡治理措施及管道保护措施三者决定。因此，借鉴已有研究成果[1-8,11-12]，建立由致灾影响因素、承载敏感程度和监测治理情况3个一级指标构成的滑坡诱发管道失效可能性评估指标体系，如图1所示。

图1　滑坡诱发管道失效可能性评估指标体系Fig.1　Evaluation index system of failure probability of pipeline induced by landslide

2　确定滑坡诱发管道失效可能性评估指标的权重

目前权重确定方法可分为主观法和客观法2类。主观法依靠决策者的经验对评估指标直接进行赋权，该方法简单快捷、可解释性强，但受决策者的主观影响大。客观法在考察各指标属性信息量的基础上，用概率论的相关知识确定评估指标权重，该方法虽以数学理论作为基础，能较好反映样本原始信息，但易受数据波动干扰，导致结果偏离工程实际。为克服上述方法的不足，以下采用网络层次分析法(ANP)与变异系数法分别求各指标的主客观权重，并基于最小偏差理论进行权重优化，得出组合权重值。

2.1　基于ANP的主观权重

滑坡诱发管道失效的评估指标体系中，耦合作用使各指标既相互影响又相互依存。在滑坡诱发管道失效可能性评估指标体中，截排水措施及降雨情况都会影响坡脚冲刷情况；岩土体类型直接影响风化防护措施的选择与实施；坡体角度及坡体高差决定滑坡体监测及抗滑加固措施的实施。因此，需考虑各指标的影响及依存关系，才能得出更合理的主观权重。

2.2　基于变异系数法的客观权重

目前常用的客观赋权法有变异系数法和熵权法，变异系数法[14]克服了熵权法所求权重均衡化分配的缺陷，因此本文选用变异系数法确定客观权重。变异系数法通过指标数量决定权重的大小，所求权重更加客观合理，其确定权重的步骤[14]如下：

1)构造评估指标特征值矩阵：

设有l个参评样本，每个参评样本有n个评估指标，则有评估指标特征矩阵：X=[xij]nl(i=1,2,…,n;j=1,2,…,l)，其中，xij为第j个参评样本的第i个评估指标的特征值。

2)计算各项评估指标的变异系数：

(1)

(2)

3)计算各项评估指标权重：

(3)

式中：vi为第i项指标的客观权重。

2.3　基于最小偏差的优化组合赋权

根据组合权重与各单一权重之间偏差尽可能小的思想，建立基于ANP与变异系数法的权重优化组合模型[15]：

(4)

式中：wi为第i项指标组合权重；ui为第i项评估指标的主观权重；vi为第i项评估指标的客观权重。

3　基于改进二元语义的滑坡诱发管道失效可能性评估模型

3.1　二元语义原理

二元语义是西班牙Herrera[10]提出的使用二元组(sk,σk)语言表示专家评估信息的分析方法，其核心思想是将复杂的语言评估信息转化为简单的数字评估信息，其中，sk为预先定义的自然语言术语集S={s0，s1，…，sm}中第k个元素，m+1称为粒度；σk称为符号转移值，且满足σk∈[-0.5,0.5)，表示评估结果与sk之间的差别。二元语义能有效避免评估过程中出现的信息扭曲和丢失现象，目前该方法在多属性决策[16]和安全评估[9,17]两方面应用广泛。在应用二元语义分析方法的过程中，若转换过程中转换标度选择不当，容易导致转换信息提取与合成失真。以下借鉴文献[18]的研究成果，应用改进二元语义分析方法进行滑坡诱发管道失效可能性评估。

3.2　改进二元语义评估模型

改进二元语义的定义及计算公式如下[17-18]：

定义1若sk∈S是1个语言短语，那么相应的二元语义形式可通过函数θ获得：

θ(sk)∈(sk,0)，sk∈S

(5)

(6)

即：

Δ(β)=(sk,σk)=

(7)

式中：round为四舍五入取整算子；a为等级比率参数，取a=1.4[18]。

(8)

即：

(9)

(10)

(11)

3.3　基于改进二元语义的滑坡诱发管道失效可能性评估步骤

步骤2：运用公式(9)，将步骤1中的二元语义矩阵转换成对应的数值β。

步骤5：运用公式(7)，将加权平均评估值转换成对应的二元语义形式。

步骤6：重复上述步骤，得出滑坡诱发管道失效的评估结果，并根据3.4节中表1所示的失效可能性等级对评估结果进行分析。

3.4　滑坡诱发管道失效可能性等级及转移数值区间

表1　失效可能性等级及转移数值区间Table 1　Failure probability level and transition interval

4　实例分析

根据第1节建立的滑坡诱发管道失效可能性评估指标体系，以我国西南地区滑坡灾害易发区内某输气管道为例，采用改进二元语义评估方法，从致灾影响因素、承载敏感程度和监测治理情况3个方面进行实例分析。

4.1　指标等级划分和权重计算

由2位研究滑坡地质灾害、2位研究油气管道完整性及1位研究岩土的专家组成的专家组(E1，E2，E3，E4和E5)，根据所评估管段滑坡灾害及管道的实际情况，按照表1中所给的失效可能性等级对底层指标进行评估。因滑坡诱发管道失效指标体系中的指标众多且多数难以定量，使用Super Decision软件求主观权重ui；客观权重vi通过公式(1)-(3)求出，将ui和vi带入公式(4)求组合权重wi。专家组底层指标评估结果和权重计算结果见表2。

4.2　管道失效可能性评估

根据3.3节中改进二元语义的评估步骤，以诱发因素A2为例介绍具体评估过程：

1)将专家底层指标评估结果转换成对应的二元语义形式。诱发因素由降雨情况、地震烈度及工程活动情况3方面组成。由表2可知降雨情况的专家组评估结果为：H，VL，M，L，H，通过公式(5)和表1将其转换成二元语义形式为：(s3,0)，(s0,0)，(s2,0)，(s1,0)，(s3,0)。

2)运用公式(9)求出对应的β值，如(s3,0)，β=Δ-1(s3,0)=1.4(3-2)-1=0.4。同理，求出降雨情况中其他专家评估结果的β值分别为：-0.96，0，-0.4和0.4。

表2　指标评估结果及权重Table 2　Evaluation result and weight of index

注：表中括号内的数值表示该指标的组合权重值。

表3　二元语义评估结果Table 3　Two-tuple linguistic information of evaluation results

4.3　分析与讨论

由表3的计算结果与表1的评估等级对比可知：

由致灾影响因素、承灾敏感程度、监测治理情况和目标层的评估等级(低等、低等、高等和中等)可知，该处滑坡导致管道失效的主要因素是监测治理情况。因此，为保证管道的安全运营应及时加强完善监测治理措施。根据第1节建立的滑坡诱发管道失效可能性评估指标体系可知，监测治理情况由监测情况、滑坡治理措施和管道保护措施三者决定。管道地质灾害防护的策略之一是提升管道的抗灾能力，因此应重点加强管道保护各项措施；为彻底治理该处滑坡灾害并消除其对管道造成的影响，还应完善滑坡治理措施，如对坡体进行抗滑加固以降低坡体滑动对管道的影响，完善截排水措施以降低雨水入渗对坡体的促滑作用，同时为及时了解管道与坡体的情况，还应该对管道和坡体加强实时监测，通过监测数据来评判所采取治理措施的效果。

5　结论

1)把致灾影响因素、承灾敏感程度和监测治理情况3方面同时纳入滑坡诱发管道失效可能性评估中，既可分析致灾影响因素和承灾敏感程度对滑坡区管道失效概率的影响，又可同时评估出监测治理措施的效果，有助于检验管道运营单位所采取防范措施的实际效果。

2)将最小偏差理论和改进二元语义用于滑坡诱发管道失效可能性分析，既能得到更为合理的组合权重值，又能避免信息失真、扭曲和丢失等问题的出现，使评估结果更加符合工程实际。

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