陳 磊，王桂萱，趙 杰

（大連大學(xué) 土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧 大連 116622）

基于層次分析法和MATLAB的運(yùn)營期管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

陳 磊，王桂萱，趙 杰*

（大連大學(xué) 土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心，遼寧 大連 116622）

基于層次分析法對(duì)管道運(yùn)營過程中所遇到的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，建立管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并采用MATLAB編程語言編寫了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的子函數(shù)程序。將該模型運(yùn)用到大連某實(shí)際輸油管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，確定了管道運(yùn)營過程中的風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí)及風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相吻合。實(shí)例證明，利用層次分析法結(jié)合MATLAB子函數(shù)程序建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型不僅可以得出管道風(fēng)險(xiǎn)的具體量化指標(biāo)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，而且思路清晰，計(jì)算簡單、高效，能夠?yàn)楣艿肋\(yùn)營中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理提供可靠依據(jù)。

層次分析法；MATLAB；運(yùn)營管道；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

0 引言

隨著城市化建設(shè)的推進(jìn)，城市對(duì)于石油、天然氣和自來水的需求不斷增加，促進(jìn)了管道運(yùn)輸?shù)娘w速發(fā)展。預(yù)計(jì)至“十三五”時(shí)期，我國油氣和供水管道總長度將達(dá)到20萬公里，建成跨區(qū)域石油天然氣供應(yīng)管網(wǎng)和城市供水管網(wǎng)體系[1]。隨著時(shí)間的推移，管道的使用年代也在增加，越來越多的管道處于“帶病”運(yùn)營狀態(tài)，因此有必要對(duì)其進(jìn)行健康診斷和風(fēng)險(xiǎn)管理。

近年來，我國管道研究方面的學(xué)者對(duì)管道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了初步探索與研究，并取得了一些研究成果。劉佳明[2]運(yùn)用多次改進(jìn)層次分析法確定管道腐蝕、設(shè)備、第三方破壞和自然環(huán)境的權(quán)重分別為0.49、0.31、0.12、0.08，通過模糊綜合評(píng)判得出管道的健康指數(shù)為0.707，屬于存在安全隱患的級(jí)別。王軍防、于倩秀[3]運(yùn)用未確知測(cè)度模型對(duì)某輸油管道10個(gè)管段的安全級(jí)別進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際相符合，表明采用未確知測(cè)度模型可以對(duì)油氣管道的安全進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)。董文浩[4]運(yùn)用層次分析法和群決策法對(duì)四川某采氣干線線路方案的影響因素進(jìn)行歸類和分析，選出了最優(yōu)線路方案。王楷[5]運(yùn)用事故樹分析方法對(duì)長輸壓力管道的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性與定量分析，找出了薄弱管段和危險(xiǎn)因素及其危險(xiǎn)程度，為管道的運(yùn)行管理提供了具體的數(shù)據(jù)理論基礎(chǔ)，提高了管道運(yùn)行的安全性。以上這些評(píng)價(jià)方法中，沒有建立程序化的計(jì)算模型，有關(guān)計(jì)算和分析的過程還有待簡化，計(jì)算效率也有待提高。

本文在層次分析法原理的基礎(chǔ)上，對(duì)管道運(yùn)營過程中所遇到的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行研究，并運(yùn)用MATLAB編程語言編寫了層次分析法的子函數(shù)程序，建立了管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，該模型不僅可以對(duì)管道的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評(píng)估，還可以根據(jù)評(píng)估結(jié)果制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管理方案，為管道后續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)管理提供可靠的判斷依據(jù)，并且計(jì)算和分析過程簡單，計(jì)算效率高。

1 AHP結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)模型

1.1 AHP的基本原理及步驟

層次分析法（Analytic Hierarchy Process簡稱AHP）是美國Saaty教授等于20世紀(jì)70年代初提出的一種層次權(quán)重決策分析方法[6]。該方法是將與目標(biāo)問題有關(guān)的元素都羅列出來，并根據(jù)各個(gè)影響因素間的相互關(guān)聯(lián)、隸屬關(guān)系等建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層三個(gè)層次，從而建立多層次的結(jié)構(gòu)分析模型，是將決策者對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維過程模型化、數(shù)量化及系統(tǒng)化的過程，并利用量化的方式來體現(xiàn)各個(gè)因素間的主觀重要性進(jìn)而展開定量分析與研究。具體可以分為以下幾個(gè)步驟[7]：建立層次結(jié)構(gòu)分析模型；構(gòu)造判斷矩陣；計(jì)算判斷矩陣的權(quán)重向量；一致性檢驗(yàn)；判斷決策。

層次分析法首先是將問題條理化，構(gòu)造出一個(gè)層次清晰的結(jié)構(gòu)分析模型。其次，層次分析法具有嚴(yán)格的上下層隸屬關(guān)系，運(yùn)用1~9標(biāo)度法[8]進(jìn)行本層因素相對(duì)上一層指標(biāo)的重要性比較并具體量化，建立判斷矩陣。

式中，aij是第i個(gè)因素相對(duì)第j個(gè)因素的重要程度，矩陣A為互反矩陣，滿足對(duì)于遞階層次結(jié)構(gòu)，從最頂層到最底層有幾個(gè)隸屬關(guān)系就要建立幾個(gè)判斷矩陣。在建立判斷矩陣之后，最重要的就是求得其最大特征值及對(duì)應(yīng)的特征向量，特征向量即為權(quán)重向量。通常使用特征多項(xiàng)式進(jìn)行矩陣特征值的求解，即：

式中，I為單位向量，λ為特征值，特征向量可由特征值進(jìn)一步求得。

實(shí)踐表明，隨著問題復(fù)雜程度的增加和結(jié)構(gòu)層次的增多，層次分析法計(jì)算和分析過程也會(huì)非常復(fù)雜，特別是判斷矩陣特征值和特征向量的求解。實(shí)際上，MATLAB可以輕松實(shí)現(xiàn)矩陣特征值和特征向量的求解，通過編寫子函數(shù)程序也可以實(shí)現(xiàn)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，大大簡化計(jì)算過程。

1.2 管道風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系

影響管道運(yùn)營的風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于最終評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有重要影響。參照國內(nèi)外管道破壞方面的研究成果[9-11]及管道完整性規(guī)范[12]，選取影響管道安全運(yùn)營的具有代表性的風(fēng)險(xiǎn)因素共2層5類12項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（選取12項(xiàng)具有代表性的響管道安全運(yùn)營的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)），建立能夠較為全面反映管道運(yùn)營期結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)的層次評(píng)價(jià)模型，如圖1所示。

圖1 運(yùn)營期管道安全評(píng)價(jià)體系

1.3 管道風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí)劃分

目前國內(nèi)管道的狀態(tài)評(píng)估大多采用模糊的評(píng)價(jià)方法，比如管道運(yùn)營比較安全、存在某些安全隱患等模糊定性的評(píng)價(jià)，尚沒有明確的管道運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí)劃分方法及對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。參照工業(yè)管道(安全狀況等級(jí)劃分)將管道安全狀況分為4個(gè)等級(jí)的方法，確定四級(jí)劃分法作為運(yùn)營期管道風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí)的劃分方法，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重大小結(jié)合專家和現(xiàn)場(chǎng)管理人員的經(jīng)驗(yàn)，建立管道風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí)及應(yīng)對(duì)機(jī)制，如表1所示。

表1 運(yùn)營期管道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及應(yīng)對(duì)機(jī)制

2 AHP程序化模型設(shè)計(jì)

利用MATLAB編程語言編寫層次分析法的子函數(shù)，從判斷矩陣的輸入到求層次單排序、總排序、一致性檢驗(yàn)以及最終得出所有風(fēng)險(xiǎn)因素的總排序權(quán)重值，實(shí)現(xiàn)計(jì)算與分析過程的程序化[13]。

2.1 求解歸一化特征向量

調(diào)用MATLAB中eig函數(shù)求解矩陣的最大特征值及對(duì)應(yīng)特征向量，調(diào)用格式為式中V為特征向量矩陣，D為特征值矩陣。定義函數(shù)maxeigvalvec.m來實(shí)現(xiàn)。

function[maxeigval，w]=maxeigvalvec(A)；%求判斷矩陣A的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的歸一化的特征向量

[v,d]=eig(A)；%v是特征向量矩陣，d是特征值矩陣，

2.2 計(jì)算層次單排序及一致性檢驗(yàn)

在構(gòu)造判斷矩陣的時(shí)候，由于管道所面臨風(fēng)險(xiǎn)的多樣性及檢查人員對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素認(rèn)識(shí)的局限性，判斷矩陣的一致性難免會(huì)遭到破壞，造成判斷結(jié)果發(fā)生偏頗。為避免在同一層中出現(xiàn)A比B重要，B比C重要，而C卻比A重要的錯(cuò)誤，由求得的最大特征值λmax進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。因此，必須對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。定義函數(shù)examine.m進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。

function[CI,RI]=examine(maxeigval,A);%對(duì)層次單排序的權(quán)重向量進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，maxeigval為最大特征值，A為判斷矩陣

2.3 計(jì)算層次總排序及一致性檢驗(yàn)

定義function tsw=tolsortvec(utw,dw,CIC,RIC);%求層次總排序權(quán)重向量，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，tsw為第二層風(fēng)險(xiǎn)因素的總排序權(quán)重，utw為上一層因素的總排序權(quán)重行向量，dw為下一層因素對(duì)上一層因素的單排序權(quán)重向量矩陣，CIC為一致性指標(biāo)列向量，RIC為隨機(jī)一致性指標(biāo)列向量。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

大連某油罐區(qū)位于大連市甘井子區(qū)，整個(gè)罐區(qū)管道運(yùn)營年代超過10年。罐區(qū)輸油管道長約600 m，管道直徑200 mm，壁厚6 mm，管線圍繞罐區(qū)布設(shè)，采用架空式布置方案，管道底部距離地面30 cm左右。該油罐區(qū)管道由于運(yùn)行時(shí)間較長，根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管道的調(diào)研和罐區(qū)工作人員的檢查記錄，發(fā)現(xiàn)管道的內(nèi)表面和外表面已經(jīng)有不同程度的腐蝕，同時(shí)還伴有一定的微變形和人為因素造成的破壞。

根據(jù)圖1層次結(jié)構(gòu)圖，把管道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)S作為目標(biāo)層，管道腐蝕S1、疲勞破壞S2、蠕變破壞S3、環(huán)向變形S4和人為破壞S5作為準(zhǔn)則層，指標(biāo)層則具體分為12個(gè)影響因素，運(yùn)用1~9標(biāo)度法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行兩兩比較，建立準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的判斷矩陣。如表2~表6所示。

表2 準(zhǔn)則層判斷矩陣S

表3 管道腐蝕判斷矩陣S1

表4 疲勞破壞判斷矩陣S2

表5 蠕變破壞判斷矩陣S3

對(duì)于環(huán)向變形，影響因素只有膨脹變形一項(xiàng)，故其判斷矩陣為S4=[1]。

表6 人為破壞判斷矩陣S5

3.2 編寫計(jì)算程序

（1）輸入判斷矩陣

判斷矩陣S2、S3、S4、S5階數(shù)小于3，默認(rèn)滿足完全一致性，不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，故RIS2=0，CIS2=0；RIS3=0，CIS3=0；RIS4=0，CIS4=0；RIS5=0，CIS5=0。

3.3 程序運(yùn)行結(jié)果

運(yùn)行以上程序，彈出兩次“判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)”和一次“層次總排序通過一致性檢驗(yàn)”，說明判斷矩陣S、S1和層次總排序都通過了一致性檢驗(yàn)，同時(shí)得到第二層各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的總排序權(quán)重：tsw=[0.1968 0.0782 0.1231 0.0205 0.0381 0.0320 0.0107 0.0218 0.0436 0.1604 0.2061 0.0687]。

依據(jù)1.3節(jié)管道風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí)，比較計(jì)算結(jié)果可以知道施工或者人為破壞對(duì)應(yīng)的權(quán)重最大，為0.2061，屬于一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)；腐蝕深度和環(huán)向膨脹變形的權(quán)重也較大，分別為0.1968和0.1604，屬于二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)；環(huán)向腐蝕長度權(quán)重為0.1231，屬于三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)；而輸送介質(zhì)、加載頻率、管道結(jié)構(gòu)和材料等的權(quán)重均小于0.1，屬于四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合管道實(shí)際運(yùn)營狀況和現(xiàn)場(chǎng)管理人員日常管理記錄知道，周邊施工和人為不小心破壞確實(shí)給管道運(yùn)營造成諸多不利影響，同時(shí)因?yàn)橥饨缱匀画h(huán)境和內(nèi)部介質(zhì)的原因，管道面臨腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)也較大。因此，以上計(jì)算結(jié)果與管道實(shí)際狀況吻合。最后，根據(jù)計(jì)算得出的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，從而保證管道的安全運(yùn)營。

4 結(jié)論

本文通過MATLAB編程語言實(shí)現(xiàn)了層次分析法的計(jì)算與分析步驟，建立了管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并將該模型應(yīng)用于某實(shí)際輸油管道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，對(duì)比計(jì)算結(jié)果與管道實(shí)際狀況，可以得出以下結(jié)論：

（1）依據(jù)層次分析法基本原理、管道風(fēng)險(xiǎn)因素和工業(yè)管道安全狀況等級(jí)，建立了運(yùn)營期管道結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)層次評(píng)價(jià)模型。結(jié)合MATLAB編程語言編寫了層次分析法的計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)計(jì)算與分析程序化，減少了定量化的計(jì)算，得到的結(jié)果也更加準(zhǔn)確。

（2）將層次分析法的程序化計(jì)算模型應(yīng)用到某實(shí)際的輸油管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，可以準(zhǔn)確快速地得出管道所面臨的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重大小，并根據(jù)權(quán)重大小確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，最后根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)安全等級(jí)和應(yīng)對(duì)機(jī)制采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，將原本復(fù)雜難以判斷的問題變得清晰明了，是處理模糊問題的一種好方法，有較強(qiáng)的可推廣性和實(shí)用性。

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Risk Evaluation of Pipelines in their Service Lifespan based on Analytic Hierarchy Process and MATLAB Software

CHEN Lei,WANG Gui-xuan,ZHAO Jie*
(Research and Development Center of Civil Engineering Technology,Dalian University,Dalian 116622,China)

Arisk evaluation model of the pipeline is established based on the analysis of risks appearing in the service lifespan of the pipeline and a sub function algorithm of the risk model is complied by means of a MATLAB software.Based on the model,the risk evaluation of an on-site oil pipelines located in Dalian was conducted,which identifies the method to determine the risk safety grade and the measures to control in the lifespan of the pipeline was studied,and the calculated results is consistent with the actual ones.The examples show that using the risk evaluation model established by the combination of AHP and MATLAB can not only draw the specific quantitative indicators to carry on the objective assessment of pipeline risks,but also have a clear idea and simple and efficient calculation process which can provide reliable basis of the risk assessment and management for the pipelines in their service span.

AHP;MATLAB software;service pipelines;risk evaluation

TE89

：A

：1008-2395(2016)06-0015-06

2016-07-11

國家自然科學(xué)基金(11272069)；遼寧省教育廳項(xiàng)目（L2015035）；大連市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014E13SF145)。

陳磊（1989-），男，碩士研究生，研究方向：管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和完整性管理。

趙杰（1980-），男，講師，博士，研究方向：巖土與地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析、工程抗震。