基于AHM法的海底输油管道运行风险定量分析

卢学飞，董凤娟，陈小宁

1.西安石油大学，陕西西安710065

2.新疆特种设备检验研究院，新疆乌鲁木齐830000

基于AHM法的海底输油管道运行风险定量分析

卢学飞1，董凤娟1，陈小宁2

1.西安石油大学，陕西西安710065

2.新疆特种设备检验研究院，新疆乌鲁木齐830000

以某海底输油管道为例，选取渔业作业频繁度、海上交通流量、海水腐蚀、输送介质腐蚀、管道防腐保护系统失效、海底土壤、海水流态、地震、误操作、未定期检查、设计隐患和施工隐患等12个参数作为评价海底输油管道运行风险的主要指标，采用属性层次分析法（AHM）确定各指标的相对权重，对海底输油管道运行中存在的风险进行定量分析。计算结果表明：该数学模型简单，容易掌握，计算量少，不需要进行一致性检验及对矩阵进行调整判断，对多因素、多层次的复杂问题评判效果较好，评价结果既体现科学性、又不失主观性。该研究对海底输油管道运行具有一定的理论和实用价值。

海底输油管道；AHM；权重；运行风险；定量评价

海底输油管道作为一种高风险高投入的生产设施，造价昂贵，每千米30～100万美元[1]。同时，海洋环境较为复杂、恶劣，存在众多的不确定性因素。海底输油管道在运行过程中，不仅受到海流和波浪的不断冲刷，海水中的溶解氧会对管道产生吸氧腐蚀，而且船舶的抛锚、平台及船舶的落物会使管道发生变形失效，设备在运行过程中的振动也会导致管道的疲劳失效[2]。值得注意的是，海底输油管道所输送的油品为有害物质，一旦发生泄漏或断裂，会对周围海洋环境和海生物造成严重危害，轻则引起管道泄漏、资源浪费，重则引起严重海洋溢油事故，造成巨大的经济损失和环境污染[3-5]。海底输油管道是否安全运行已成为影响海洋油气开发和生产的一个非常重要的安全问题。

近年来，国内外不少学者采用不同的数学方法，针对油气管道存在的风险进行了定性、定性-定量、定量分析与评价[6-7]，其基本原理是将影响管道安全运行的风险因素归纳为：第三方破坏、腐蚀、设计和操作等四大类风险因素，首先按照一定的规则评分，得到各影响因素的得分，再进行加权相加得到综合得分，以表征管道运行风险大小。鉴于此，笔者以风险管理技术为基础，结合我国海底输油管道所处的复杂环境（易遭渔业作业、潮流、地震等因素影响）以及实际运行情况，对影响海底输油管道安全运行的风险因素进行重新识别、梳理，再应用属性层次分析法（AHM）建立海底输油管道运行风险定量分析模型，从而对影响海底输油管道安全运行的多种因素进行综合评价。

1 建立海底输油管道运行风险定量评价指标体系

应用AHM法解决工程实际问题的关键就是将一个较为复杂的评价系统通过分析各个因素之间的相互关系，从而分解为相互支配的若干层次或子系统，即建立层次结构模型，然后构造属性判断矩阵[8-10]，最后确定出评价模型中各因素的相对权重。

海底输油管道安全运行的目标是将海底输油管道运行风险控制在可接受的范围内，保证海底输油管道平稳运行，避免对周围海域环境、海洋栖息动植物产生不利影响。本次研究中，考虑到我国海底输油管道所处的环境比较复杂（易遭渔业作业、潮流、地震等因素影响），选取渔业作业频繁度、海上交通流量、海水腐蚀、输送介质腐蚀、管道防腐保护系统失效、海底土壤、海水流态、地震、误操作、未定期检查、设计隐患和施工隐患等12个参数作为评价海底输油管道运行风险的主要评价指标。通过综合分析各因素之间的相互影响关系，应用AHM法的基本思想将各个指标按支配关系分组，形成的层次结构模型如图1所示。

图1 影响海底输油管道运行风险的因素层次结构模型

2 AHM法确定指标权重的基本步骤[8-10]

设B为一个准则，c1，c2，…，cn为n个元素，对于准则B，比较两个不同元素ci和cj（i≠j），和对准则B的相对重要性分别记为uij和jji。按属性测度的要求，uij和uji（i=1，…，m；j=1，…，n）应分别满足：

满足式（1）、（2）的uij称为相对属性测度，其组成的n阶矩阵（uij）1≤i，j≤n称为属性判断矩阵。（uij）1≤i，j≤n可由层次分析法的判断矩阵（aij）1≤i，j≤n转换得到，转换公式如式（3）所示。

式中k为大于等于1的正整数，aij的值可由1～9的比例标度确定。

属性判断矩阵（uij）1≤i，j≤n具有一致性，因此不需要计算矩阵的特征根和特征向量，也不需要进行一致性检验。其中，相对权重Wi的计算公式为：

3 海底输油管道运行风险定量分析

3.1 构造判断矩阵

在海底输油管道运行过程中，尤其是港湾附近的海域渔业作业、海上交通比较频繁，对海底输油管道稳定运行造成风险的概率最大，与其他参数相比具有极强的重要性；由于海水氯离子含量以及溶解氧含量很高，均会加速海底输油管道的腐蚀，这不仅是金属资源的浪费，还对金属结构造成腐蚀破坏，使金属管道、设备提前退役，参考专家意见，这里视其具有较强的重要性；经生产平台处理完的油品经海底管道输送上岸，海底管道的运行操作靠远程控制，若出现误操作或未定期检查，将会使海底管道停输，可能引起全线凝管的恶性事故，造成的损失将是不可估量的，这里视工艺因素为很重要；而设计、施工隐患造成的风险相对于地震、海水流态等环境因素来说要大得多，因此显得较为重要。

由于文章篇幅有限，这里仅对构造准则层对目标层的判断矩阵的过程进行分析。按此原则进行对比分析，两两比较按1～9标度法进行重要性评价，可建立准则层对目标层、指标层对准则层的AHP判别矩阵，见式（5）～（10）。

（1）准则层对目标层的AHP判断矩阵：

（2）第三方破坏的因素的AHP判断矩阵：

（3）腐蚀因素的AHP判断矩阵：

（4）环境因素的AHP判断矩阵：

（5）工艺因素的AHP判断矩阵：

（6）设计施工因素的AHP判断矩阵：

3.2 计算各指标相对权重

通过式（3）把各AHP的判断矩阵转换成AHM的属性判断矩阵，见式（11）～（16）。

（1）准则层的AHM属性判断矩阵：

（2）第三方破坏因素的AHM属性判断矩阵：

（3）腐蚀因素的AHM属性判断矩阵：

（4）环境因素的AHM属性判断矩阵：

（5）工艺因素的AHM属性判断矩阵：

（6）设计施工因素的AHM属性判断矩阵：

由式（4）计算出各指标的单层相对权重，即：B1、B2、B3、B4、B5对于A的相对权重为Wa＝[0.259 6，0.285 5，0.642，0.223 2，0.167 5]T；C1、C2对于B1的相对权重为Wb1＝[0.75，0.25]T；C3、C4、C5对于B2的相对权重为Wb2＝[0.486 1，0.138 9，0.375]T；C6、C7、C8对于B3的相对权重为Wb3＝[0.527 8，0.333 3，0.138 9]T；C9、C10对于B4的相对权重为Wb4＝[0.25，0.75]T；C11、C12对于B1的相对权重为Wb5＝[0.25，0.75]T。

3.3 各指标对总目标的相对综合权重和排序

由于评价系统由多个目标层次构成，因而最终的评价结果需考虑同一层次中所有因素对最高目标的相对重要性（权值）即层次总排序，例如C1对总目标的综合权重Wc=0.259 6×0.75=0.194 7，各指标对目标层的总排序见表1。

表1 海底输油管道运行风险定量评价指标对目标层的总排序结果

4 结论与认识

（1）AHM方法是AHP的改进，但是AHM法数学模型简单，容易掌握，计算量少，不需要进行一致性检验及对矩阵进行调整判断，同时还考虑到各评价指标的权重差异，使评价结果更加客观、准确。

（2）应用AHM方法确定海底输油管道运行风险各因素的相对重要性排序为：渔业作业频繁程度＞未定期检查＞海水腐蚀＞施工隐患＞管道防腐保护系统失效＞海上交通流量＞误操作＞设计隐患＞输送介质腐蚀＞海底土壤＞海水流态＞地震。

（3）通过对海底输油管道运行风险定量评价，不难发现渔业作业频繁程度、未定期检查及海水腐蚀对海底输油管道安全平稳运行存在极为显著的威胁作用，需引起管理人员的高度重视和防范，应做好相应的预警机制，从而将海底输油管道的运行风险控制在最低程度。

[1]Office of Oil Pipeline Safety.Hazardous liquid oil pipeline operators accident summary statistics by year[R].USA：Office of oilpipeline Safety，2005.

[2]张欣，余建星，梁静，等.基于风险的检测（RBI）在海底输油管道定量风险评估中的应用[J].石油矿场机械，2015，44（1）：9-12.

[3]张秀林，谢丽婉，陈国明.海底输油管道完整性管理技术[J].石油矿场机械，2011，40（12）：10-15.

[4]ERICKSON J.Gas distribution integrity management rule is onits way[J].OilPipeline&Gas Journal，2007，234（6）：36-39.

[5]WU Yuhua，JIN Weiliang，SHAOJianwen.A newhealth monitoringtechniqueonsubmarineoilpipeline[C]//ProceedingsofInternationalConferenceonHealth Monitoring of Structure，Materials and Environment，Vols 1 and 2.Nanjing：Southeast University Press，2007：359-369.

[6]赵建平.油气海底输油管道的风险评价[J].油气储运，2007，26（11）：5-8.

[7]王茜，赵建平.海底输油管道第三方破坏失效分析及对策[J].石油化工设备，2007，36（3）：18-21.

[8]程乾生.属性层次模型AHM——种新的无结构决策方法[J].北京大学学报（自然科学版），1998，34（1）：10-14.

[9]程乾生.层次分析法AHP和属性层次模型AHM[J].系统工程理论与实践，1997（11）：25-28.

[10]蔡惠萍，程乾生.属性层次模型AHM在选股决策中的应用[J].数学的实践与认识，2005，35（3）：55-58.

Quantitative analysis on operation risks of submarine oil pipeline based on AHM method

LU Xuefei1，DONG Fengjuan1，CHEN Xiaoning2
1.Xi’an Petroleum University，Xi’an 710065，China
2.Xinjiang Institute of SpecialTest Equipment，Urumqi830000，China

Taking a certain submarine oil pipeline for example，this research chooses 12 parameters as main indexes to evaluate the operation risks of submarine oil pipeline，which are fishery operation frequency，maritime traffic，seawater corrosion，transported medium corrosion，pipeline corrosion protection system failure，seabed soil，seawater flow state，earthquake，misoperation，non-periodic inspection，hidden design and construction troubles.It applies AHM method to determine the relative weights of the indexes and carry out the quantitative analysis of submarine pipeline operation risks.The calculation results show that the mathematic model is simple and easy to grasp，and has the features of less calculation，no consistency check needed and no adjustment for the judgment matrix，better effect of evaluation for the complex problems with multi-factor and multi-hierarchy.Evaluation results reflect the scientificalness and objectivity.The study has certain theoreticaland practicalvalue to submarine oilpipeline operation.

submarine oilpipeline；AHM；weight；operation risk；quantitative evaluation

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.012

卢学飞（1980-），男，宁夏吴忠人，讲师，西安石油大学在读博士，主要从事数学物理方程、偏微分方程的数值解法研究。

2016-11-02

Email：luxuefei@xsyu.edu.cn