城市燃气管道风险评价研究综述

＊杨斯涵许开立

（1.鞍钢集团矿业设计研究院有限公司 辽宁 114004 2.东北大学资源与土木工程学院 辽宁 110819）

1.引言

城市燃气管道承担着为千家万户输送生产生活用气的重要任务，大量燃气管道进入居民用户、工业企业用户和各类商铺用户中。我国自20世纪60年代开始铺设燃气管道，大多数燃气管道服役时间过长导致燃气管道事故多发，加之大量燃气管道铺设在人口密集处，其受到人为干扰破坏的因素过多，加大了燃气管道事故发生的可能性。燃气管道事故后果对环境和社会的影响使人们意识到燃气管道风险评价对事故预防的重要意义，因此本文对常用于燃气管道事故风险评价的方法进行分类归纳，并阐述各类方法在燃气管道风险评价的研究现状，发现研究中存在的问题并对未来的研究趋势提出建议，为后续的燃气管道风险研究提供参考，针对不同燃气管道的风险分析，帮助有针对性的选择燃气管道风险分析方法，有效预防燃气事故的发生。

2.燃气管道风险评价研究

(1)传统燃气管道风险评价

①定性风险评价

A.故障树。故障树是一种倒立的树状图，在梳理出事故相关风险因素的基础上，通过逻辑门表达各因素之间的因果关系从而找到导致顶事件发生的基本原因，具有较强的逻辑性。故障树也可以根据基本事件的发生概率预测顶事件的发生概率，定量分析事故发生的可能性，但在实际应用中，基本事件准确概率值的缺失导致该方法在用作定量分析时具有一定的局限性，因此该方法通常被用来进行定性风险分析。

B.蝴蝶结模型。该模型集故障树与事件树两种模型的优点于一身，既能完整地描述事故发生原因又能清晰地表达事故发生的后果。部分学者为解决管道资料缺失的问题，将模糊理论引入该模型实现定量化分析或对蝴蝶结模型进行改进。Anjuman利用蝴蝶结模型结合集成模糊合成评价和模糊规则库技术考虑多维度风险，通过三角模糊数获取基本事件的模糊概率，评估天然气管道的社会、环境和经济后果，经过该方法计算可知在独立关系下，“安装不良”“施工缺陷”和“涂层失效”的基本失效事件发生概率降低20%。P.Heyrani利用Likret量表量化蝴蝶结模型中的定性数据，结果表明，第三方损害、材料的初始缺陷和对管道影响最大，有毒影响和环境破坏是突出的失效后果。

C.故障模式和影响分析法。该方法将系统分为几个子单元，通过识别系统子单元的故障部位及其发生故障的模式来分析子单元故障对系统的影响并预估故障产生的后果，利用故障模式的风险优先值判断风险排序以确定系统的风险程度。王睿[1]采用直觉乘法偏好信息与FMEA结合的方法评估城市燃气输配系统的风险，利用IMA和IMWA算子结合给定的专家权重集结确定风险因子权重和故障模式的综合评估信息，得出故障模式风险顺序。张夏[2]通过相关算子确定权重进行RPN的计算以避免专家群决策的主观性和模糊性，得到城市燃气输配管网系统管道泄漏、管道破裂、阀门泄漏、过滤器失效、放散管泄漏5种故障模式的风险优先次序。

②半定量风险评价

A.专家评分法。该方法能根据管道的失效数据资料和专家经验建立完整的燃气管道风险评价指标体系，结合专家意见判断管段的风险等级。由于该方法考虑的风险因素主要针对长输油管道，因此可以改进该方法并与其他方法结合使用。吴汶昊[3]将附属设备失效因素考虑进去，利用Kent法建立城市燃气管网风险评价体系，结合PHAST软件模拟的失效后果危害程度得出实际燃气管段的相对风险值。靳书斌[4]将Kent法用于城市PE燃气管道的风险评价，采用不考虑腐蚀风险因素改进Kent法建立适用于城市PE燃气管道的风险评价体系。

B.层次分析法。该方法能将多目标决策问题当作复杂系统进行深入的研究，根据风险因素之间的关系和对系统的影响程度将系统划分为若干层次，运用数学计算方法构造判断矩阵得到各个层次风险因素的权重值，对各个层次进行优劣排序。巴振宁[5]在构建矩阵时改进AHP法，运用三标度AHP法与模糊综合评价法相结合的方式针对燃气管网腐蚀风险进行评价，并将该方法应用于实例。姚天野[6]利用熵权法和AHP法对管网风险评估体系的指标进行组合赋权，将主观经验和事故数据资料及客观指数评价数据相结合，避免了AHP法的主观性强和熵权法的指标权重失衡问题。

C.模糊综合评价法。利用模糊数学理论解决实际问题和处理不被精确化的因素，在确定因素集、评分标准和模糊关系矩阵后，根据最后一级的评价信息逐步向前综合，适用于受到多因素影响的评价对象。Jamshidi将相对风险评价与模糊推理系统结合，利用MATLAB结合专家知识提出管道模糊风险评估模型并将其应用于天然气运输管线的风险评估。Layth Kraidi建立CBRAM模型，使用MATLAB分析风险影响因素和风险缓解措施得到模糊概率值，认为恐怖主义、官员腐败、不安全地区和违章行为是关键的风险因素。

D.灰色关联度分析。“灰色”可理解为因素不确定和信息不完全，城市燃气管网信息数据的缺失造成影响管道的部分风险因素具有一定的灰性，将该方法用于燃气管网的评价能很好的解决这一问题。朱汉生[7]应用灰色关联度分析法对第三方破坏的人为因素进行关联度分析，根据灰色语言评估标度计算各个因素在不同时刻的关联系数，认为居民关系的关联度最大。郭岩宝[8]将FTA、AHP、灰色理论相结合对城镇燃气聚乙烯管道进行风险评价，根据管道事故故障树确定的主要风险因素构建指标体系结合灰色理论得到管道的风险等级。

③定量风险评价

定量风险评价方法是在大量历史数据的基础上，根据风险因素的概率结合数学方法分析系统失效可能性，或通过建立数学模型计算系统失效的后果对人员和环境造成的伤害范围来量化风险。Young-Do Jo引入累计死亡长度和致命长度参数，利用数据库的风险因素故障率结合管道几何信息和人口密度计算管道致命长度估计个人风险，利用累计长度和故障率估计社会风险。Chiara根据燃气管网埋地管线实况，结合建模结果建立管道破裂的气体泄漏模型，根据数据库的风险因素故障率结合管径和运行压力函数分析事故后果，认为外部干扰是造成当地风险的主要原因，闪火事故对社会风险的影响最突出。

(2)动态燃气管道风险评价

①贝叶斯网络。贝叶斯网络（BN）能实时更新根节点的先验概率预测系统失效概率，也能反向诊断推理得到根节点的后验概率实现动态因果推理分析，找到影响系统的主要风险因素。Donya将离散时间贝叶斯网络（DTBN）技术用于输气管道的脆弱性评估，利用PAND概率分布和SEQ动态门考虑组件失效概率和事件时间序列的不确定性，通过函数关系量化整合管段的引力评估、漏洞评估和后果分析得到不同管段的风险。骆正山[9]构建FTA-DBN模型，以城市燃气管道泄漏引起爆炸事故为例，分析其演化发展过程，克服传统故障树模型进行事件二态性分析的局限性。

②BP神经网络（Back Propagation）。通过模拟大脑处理信息的方式和内部神经元间的信息变换实现信息正向传播和误差反向传播，可以反复训练样本数据，在进行优化和缩小误差的同时，自主学习样本之间的关联以在接收新的评价对象信息时能够得出新的评价结果,。赵玲[10]应用BP神经网络进行燃气管网的脆弱性分析，选用raindx函数算法，分别训练风险评价指标体系中“敏感性程度”和“应对能力”的数据，建立城市燃气管网系统脆弱性评价模型，并在此基础上确定了5个脆弱性等级标准。Hamidreza将FIS系统与人工神经网络结合，考虑参数之间的相对重要性，利用FIS结合专家知识为风险因素赋予权重并将结果输入人工神经网络中，将有效训练后的神经网络用于评估南帕尔斯气田相间管线的风险程度。

③系统动力学。从复杂系统内部结构之间的联系发现系统在不同条件下的变化，在应用过程中可以根据系统动力学原理结合各个因素之间的因果关系建立模型，将系统动力学应用于燃气管道的风险评价能够解决管道运行过程中风险因素耦合作用的复杂问题。李雪[11]构建城市燃气输配系统5个模块的安全结构模型，利用系统动力学软件依据模型中可变和非可变因素的不同分值和参数及变量之间的函数关系实现城市燃气输配系统的动态运行模拟。杨凯[12]通过燃气管道泄漏灾害系统的SD模型，研究了多因素耦合作用下的灾害系统动态致灾机理，认为多灾害模型中子系统间的耦合相比较于单灾害模型中同质耦合和子系统内部耦合对系统的影响更大。

(3)新兴燃气管道风险评价

①大数据技术。通过挖掘处理管道数据并与相关算法相结合的方式实现燃气管道的风险评价和风险预警，很好地解决了传统风险研究方法的主观性过强的问题，目前大数据技术与GIS技术、机器学习和相关算法的结合使用为燃气管道的风险研究提供了新的思路。张永明[13]以GIS系统为平台，通过近年来燃气事故数据确定影响因素的基础分值，利用系统的打分程序结合其内部管网数据评估管网的风险等级。陈毓飞[14]采用数据挖掘方法，选用与时间因素关系密切的施工破坏风险因子，避免传统评价方法中风险因子采集困难的问题，结合LSTM方法训练数据并建立燃气管道施工破坏可能性模型。

②物元可拓模型。是一种适用于多因素复杂系统的评价方法，基于实际数据构造待评物元，通过计算待评价对象的综合关联度确定待评价对象的风险等级。付邦稳[15]考虑燃气管道风险因素间的耦合程度，将熵权法和相互作用矩阵法相结合，采用方差最大化方法确定各个因素的权重值，结合物元可拓模型判断燃气管道失效可能性等级。

3.结论与展望

本文对传统风险评价、动态风险评价和新兴的大数据等方法在燃气管道风险评价中的应用进行了综述。目前大部分风险评价方法都需要燃气管道实际数据的支持，为了克服我国燃气管道数据资料残缺不全的问题，借鉴不完全适用于我国燃气管道的国外数据库资料作为参考，易出现评价结果偏离实际的情况；其次，各地的管道状态和铺设环境不同导致各地的管道风险因素有差异，现有的风险评价方法和模型并不具有通用性；燃气管道事故是多因素耦合作用的结果，不能只考虑风险因素的独立作用。综合以上问题，在接下来的风险研究中，要加强对燃气管道的实时监测和数据收集，建立完整的管道信息数据库；另外，燃气风险评价需要着重建立能够分析不同地区风险因素的通用燃气管道动态风险评价模型，将时间因素、人为因素和各个地区随时间变化的环境因素考虑进去实现多维度风险评价；建议将风险研究与GIS系统结合，推进系统内的管道数据信息与区域管线地图的应用，实现管段风险水平的可视化表达和实时更新。未来燃气管道的风险研究需加强耦合风险评估的相关研究，重点关注管道数据信息的收集与监测，整合数据库与不同类型管道的风险因素，建立通用的风险分析模型。