基于多约束因子识别和层次分析法的油气管道路由选择方法研究

田姗姗

中国石油管道局工程有限公司设计分公司，河北廊坊 065000

截至2016年底，我国油气长输管道总里程累计约为12.62万km，预计到2020年，我国油气长输管道总里程将超过15万km，在长输油气管道高速建设、助力经济迅猛发展的背后，管道事故却层出不穷[1]。这些管道事故也反映出管道选线缺乏合理规划、风险未经充分评价与控制等共性问题。

1 概述

根据GB 50251-2015《输气管道工程设计规范》与GB50253-2014《输油管道工程设计规范》规定，线路走向应根据工程建设目的和资源、市场分布情况，结合沿线城镇、交通、水利、矿产资源和环境敏感区的先后现状与规划，以及沿线地区的地形、地质、地貌水文、气象、地震等自然条件，通过综合分析和多方案技术经济比较确定线路总体走向[2-6]。

随着社会和经济的不断发展，管道周边的环境也日益复杂，因此管道路由选择的约束条件也越来越多。目前的管道路由选择和评价过程中主要是由专家对比选路由进行打分，主观因素影响很大；或者仅仅考虑经济因素，不能客观和定量地对比选路由进行评价。因此针对多目标约束给路由选择带来的复杂性，分析影响管道路由走向的多约束条件，研究综合管道环境影响、安全风险和工程造价的定量路由选择方法是长输管道线路路由选择中需要解决的难题。

2 路由选择工作流程

基于多约束因子识别和层次分析法的管道路由选择流程如图1所示。

图1 路由选择流程

3 多约束因子识别

多约束因子是指能够约束管道路由走向的自然地理条件和社会人文环境，主要包括地形条件、地质条件、环境敏感区、交通状况、城镇规划等。这些客观环境与相关的法律法规、标准规范形成了对管道敷设有影响的数百项约束因子。首先将约束因子按照约束和影响程度进行分类和分层，多约束因子分类识别见表1。

4 层次分析法选择最优路由

层次分析法AHP（Analytic HierarchyProcess）是美国运筹学家Saaty T L教授于20世纪70年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策方法，是一种定性与定量相结合的决策分析方法。AHP的基本思路是把复杂的问题分解成各个因素，将各个因素按关系分组，形成有层次的结构，通过两两比较的方式，综合判断计算各因素的相对重要性[7-10]。用AHP分析问题大体要经过以下五个步骤：

表1 管道线路多约束因子识别

4.1 建立层次结构模型

把最优路径方案作为层次分析的目标层，把各类约束因子作为层次分析的准则层，把待选的路由方案作为层次分析的方案层，建立管道路由方案选择的递阶层次模型。层次结构模型如图2所示。

4.2 构造成对比较矩阵

为解决层次结构模型准则层中的各类因子所占比重不易量化的问题，构造成对比较矩阵。比较第i个元素与第j个元素相对目标层的重要性，使用量化的相对权重aij来描述，设共有n个元素参与比较，则称为成对比较矩阵A=（aij）n×n，矩阵中aij的取值可参考Saaty T L教授的提议（见表2）进行赋值[11-13]。

图2 管道最优路由选择层级结构模型

4.3 一致性校验

从理论上分析得到：如果A是完全一致的成对比较矩阵，应该有：

但实际上，在构造成对比较矩阵时，受决策人主观因素影响，因此评价过程中会出现偏差，即出现：aijajk≠aik，因此退而要求成对比较矩阵有一定的一致性，Saaty T L提出用随机一致性比率CR来衡量成对比较矩阵的一致性，当CR＜0.1时，矩阵A的一致性可接受[2-3]。其中：

表2 成对比较矩阵权重值及含义

式中：CR为随机一致性比率；C1为一致性指标；R1为平均随机一致性指标，值见表3[3]；q为判断矩阵A的阶数。

表3 平均随机一致性指标值

4.4 层次总排序及决策

为选择能满足上述四类二级因子的路由，可以针对每条比选路由（y1，y2，....yn） 分别比较风险类因子x1、环境类因子x2、地形类因子x3和工程类因子 x4，得到成对比较矩阵 Bx1、Bx2、Bx3、Bx4，并对矩阵进行一致性校验，满足一致性要求的矩阵计算权重向量。以风险类因子x1为例，计算矩阵Bx1的权重向量ωx1（y），ωx1（y）可以直观地视为每条比选路由（y1，y2，....yn） 在风险类因子方面的得分。以此类推，分别计算矩阵Bx2、Bx3、Bx4的权重向量ωx2（y）、ωx3（y）、ωx4（y），它们可分别视为各比选路由（y1，y2，…yn） 的环境类因子、地形类因子、工程类因子得分，最后计算各比选路由（y1，y2，…yn） 的总得分。y1的总得分 ω（y1）实际上是 y1各条件得分 ωx1（y1）、ωx2（y1），…，ωx4（y1）的加权平均。

5 实例分析

5.1 路由描述

以国内某输气管道为例，管道管径1 219 mm，设计压力12 MPa。以该管道通过固原市方案为例，共有3条路由（见图3）。路由描述如下：

图3 输气管道路由走向

路由1（图3中粉色路由）：管道在三营镇甘沟店子与西二线（黑色线条）分开，向东南敷设，在固原市东部的黄土丘陵沟壑区通过。该路由中大部分路由在较窄的黄土梁及沟壑中经过，较大的黄土梁采取隧道方式通过。

路由2（图3中蓝色路由）：管道在彭堡水源地东侧避开水源地二级保护区，之后与西二线并行，经过彭堡水源地的准保护区。然后在固原市西侧规划区内通过，在海家湾水源地与火烧沟水源地之间穿过省级文物保护区东海子遗址。

路由3（图3中红色路由）：管道自彭堡水源地二级保护区西侧通过，绕过彭堡水源地二级保护区后，管道在固原市规划区的西侧敷设，在中庄镇附近穿越在建的中庄水源地二级保护区，之后穿过福银高速及宝中铁路后，在东山坡饮用水源地与火烧沟水源地之间通过。

5.2 约束因子识别

对上述3条路由进行多约束因子识别，每条路由的约束因子见表4。

5.3 层次分析法选择最优路由

5.3.1 构建成对比较矩阵

针对管道最优路径选择的问题，将多约束因子中的二级因子即风险类因子x1、环境类因子x2、地形类因子x3和工程类因子x4按照重要程度构建成对比较法矩阵A如下：

5.3.2 一致性校验

根据式（2），计算矩阵A的随机一致性比率矩阵CR=0.034 6＜0.1，具有满意的一致性。

定义A的最大特征值λmax对应的特征向量为该矩阵的权重向量U，通过计算，矩阵A的权重向量 U=（0.467 3，0.329 7，0.114 5，0）。

5.3.3 方案比选和推荐

针对3条比选路由分别比较4类二级因子，构建4个成对比较矩阵Bx1、Bx2、Bx3、Bx4，其中权重值的比选参照表2选取。

表4 约束因子识别

经计算，四个矩阵均通过一致性校验，四个矩阵的权重向量分别为：ωx1（y）=（0.1429，0.1429，0.713 4）、ωx2（y）=（0.090 9，0.454 5，0.454 5）、ωx3（y）=（0.454 5，0.090 9，0.454 5）、ωx4（y）=（0.142 9，0.713 4，0.142 9）。

经计算，ω（ y1）=0.161 4，ω（y2）=0.290 2，ω（y3） =0.5483，ω（y3） ＞ ω（y2） ＞ ω（y1），因此路由3是三条比选路由中的最优路由。

6 结论

（1）应用多约束因子识别，首先将管道沿线的多种约束条件进行分类，然后应用层次分析法确定各个影响因子的权重，可减少直接的专家打分法造成的主观因素的影响，比选结果更加科学客观。

（2）管道线路路由选择和评价是一个多目标和多约束的复杂决策过程。多约束因子识别和层次分析法作为一种多因素综合评价方法，综合考虑和衡量影响路由的各种因素的相对重要性，能客观地刻画多因素的共同作用，极大提高了路由选择和评价的科学性、有效性和可操作性。