陳文潔， 余建星， 徐立新， 李志剛,3， 常立勇， 趙志恒

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072； 2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240； 3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

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基于改進(jìn)模糊層次分析法的海底管道維修方法研究

陳文潔1,2， 余建星1,2， 徐立新1， 李志剛1,3， 常立勇1,2， 趙志恒1,2

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072； 2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心， 上海 200240； 3.海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

提出一種海底管道維修方法，該方法克服了傳統(tǒng)模糊層次分析法需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的不足，在計(jì)算精度滿足要求的前提下，可有效減少迭代次數(shù)，提高收斂速度，為多目標(biāo)決策提供可靠的方法。應(yīng)用此方法確定幾種海底管道維修方法評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，得到的權(quán)重向量與工程實(shí)際基本吻合。通過案例驗(yàn)證了其實(shí)用性，為海底管道的維修方法提供了一種新的選擇。

模糊層次分析法；海底管道；維修方法； 權(quán)重；應(yīng)用

0 引言

海底管道作為海洋油氣輸送的主要工具，在海洋石油工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。海洋工程設(shè)備具有投資大、使用期長(zhǎng)、受惡劣的海洋環(huán)境載荷作用等特點(diǎn)[1]，會(huì)引發(fā)管道失效。由于海底管道失效而引起的油氣泄漏和爆炸等事故會(huì)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全及生態(tài)環(huán)境造成極大威脅，因此，對(duì)海底管道失效的預(yù)防和維修工作十分重要。在管道運(yùn)行過程中，一旦檢測(cè)到損壞時(shí)，要及時(shí)搶修，最大程度減少由于管道損壞引起的人員傷亡、環(huán)境破壞以及停產(chǎn)、停輸帶來的損失。在調(diào)查分析管道的損壞形式后，需要及時(shí)確立維修方式，制定相應(yīng)的維修程序，因此，建立有效的維修方式選擇方法體系對(duì)提高維修進(jìn)度、保證安全性具有重要的意義。

1 海底管道維修技術(shù)

1.1 海底管道維修方法

海底管道的損壞大都是突發(fā)性的，由于管道自身參數(shù)和環(huán)境的不同，維修方式也各不相同。海底管道的維修方法從空間上可分為水上維修和水下維修兩種。水上維修主要是水上焊接維修，水下維修又可分為水下干式維修和水下濕式維修，主要包括水下干式高壓焊接維修法、不停產(chǎn)開口封堵維修法、水下機(jī)械連接維修法、臨時(shí)卡具式維修法。各種維修方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍見表1[2,3]。

表1 海底管道維修方法優(yōu)缺點(diǎn)分析對(duì)照表

2 改進(jìn)的模糊層次分析法及應(yīng)用

2.1 改進(jìn)模糊層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是在多目標(biāo)決策中采用頻率較高的一種求解方法[4]。2005年，李永[5,6]將互反型判斷矩陣改為一致性判斷矩陣，并把和行歸一法或方根法與特征向量法結(jié)合使用，提出改進(jìn)的模糊層次分析法。2008年，Liu[7]等提出了基于遺傳算法的模糊綜合評(píng)價(jià)新模型，用標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法檢驗(yàn)、修正判斷矩陣的一致性和計(jì)算判斷矩陣各要素的權(quán)重。

改進(jìn)的模糊層次分析法是以AHP法為基礎(chǔ)，將其運(yùn)用到模糊環(huán)境中，并將優(yōu)先判斷矩陣改為模糊一致性判斷矩陣，把和行歸一法、方根法、特征向量法與冪法相結(jié)合形成的一種計(jì)算精度更高、收斂速度更快且不需要一致性檢驗(yàn)的新方法。

2.2 改進(jìn)模糊層次分析法的應(yīng)用

該文運(yùn)用改進(jìn)的模糊層次分析法進(jìn)行海底管道維修方式的選擇，具體步驟如下：

(1) 建立維修方法評(píng)價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)模型

評(píng)價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 評(píng)價(jià)體系層次結(jié)構(gòu)模型

準(zhǔn)則層中的準(zhǔn)則分別為海底管道維修方法的四種指標(biāo)：對(duì)作業(yè)裝備其特種設(shè)備的需求程度、修復(fù)后管道的完整性、維修成本的高低和維修工藝復(fù)雜程度。方法層中的方法分別為四種常用的水下維修方法：水下干式高壓焊接維修法、不停產(chǎn)開口封堵維修法、水下機(jī)械連接器維修法和臨時(shí)卡具式維修法。

(2) 構(gòu)造二元比較矩陣(優(yōu)先判斷矩陣)

首先將備選方案、九標(biāo)度表等材料交于專家，由專家進(jìn)行評(píng)分，對(duì)四種待評(píng)價(jià)維修方法的各項(xiàng)指標(biāo)重要性進(jìn)行兩兩比較，采用九標(biāo)度法(見表2)構(gòu)造二元比較矩陣：

(1)

表2 九標(biāo)度表

(3) 將優(yōu)先判斷矩陣轉(zhuǎn)化為模糊一致性矩陣

(2)

式(2)中：

(3)

(4) 計(jì)算權(quán)重向量

① 和行歸一法

(4)

② 方根法

(5)

③ 排序法

(6)

當(dāng)α取2.3時(shí)，

(7)

以上三種計(jì)算方法求權(quán)重向量時(shí)僅考慮了判斷矩陣中對(duì)應(yīng)一行元素的影響，故計(jì)算精度不高且與實(shí)際情況吻合度較低。

(5) 利用冪法求精度更高的權(quán)重向量

將互補(bǔ)型矩陣R=(rij)n×n轉(zhuǎn)化為互反判斷矩陣E=(eij)n×n，其中，eij=rij/rji。權(quán)重向量W(0)作為初始向量V(0)，利用公式V(k+1)=EY(k)，Y(k)=V(k)/V(k)∞，k=1,2,…)進(jìn)行迭代。若V(k+1)∞-V(k)∞<ε，(ε為給定的誤差)，則V(k+1)∞即為最大特征值，為權(quán)重向量，否則，繼續(xù)迭代。

根據(jù)上述方法計(jì)算得到互反型判斷矩陣：

(8)

分別以和行歸一法、方根法和排序法得到的三個(gè)權(quán)重向量作為冪法的初始向量，僅經(jīng)過3次迭代就可以得到：

(9)

該權(quán)重向量計(jì)算精度在0.000 1以內(nèi)，備選方法的優(yōu)選順序?yàn)椋翰煌．a(chǎn)開口封堵維修法>水下機(jī)械連接器維修法>水下干式高壓焊接維修法>臨時(shí)卡具式維修法。因此，不停產(chǎn)開口封堵維修法較好，可以驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際吻合。

3 結(jié)束語

隨著海洋油氣開發(fā)日益向深海發(fā)展，深水海底管道的應(yīng)急維修優(yōu)化變得尤為重要。通過采用改進(jìn)的模糊層次分析法，對(duì)海底管道維修優(yōu)化問題進(jìn)行計(jì)算，得到一種在滿足計(jì)算精度要求的前提下，明顯減少迭代次數(shù)，快速選擇出海底管道維修最佳方法的方案，在工程實(shí)際中有應(yīng)用價(jià)值。

[1] 余建星，閻宏生，于國(guó)友，等.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的疲勞可靠性研究[J].海洋學(xué)報(bào),1996，18(3)：100-106.

[2] 王常文.深水海底管道維修系統(tǒng)工程應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué),2009.

[3] 劉春厚，潘東民，吳誼山.海底管道維修方法綜述[J].中國(guó)海上油氣,2004，16(1)：59-62.

[4] 李永，胡向紅，喬箭.改進(jìn)的模糊層次分析法[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005，93(1)：11-12.

[5] 徐澤水.AHP中兩類標(biāo)度的關(guān)系研究[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,1999，19(7)：97-101.

[6] 姚敏，黃燕君.模糊決策方法研究[J].系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,1999，19(11)：61-65.

[7] 李壯闊，李寧.基于粒子群算法的模糊層次分析法及其應(yīng)用[D].Proceedings of the 29th Chinese Control Conference, Beijing,2010.

A Maintenance Method for Submarine Pipeline Based on Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process

CHEN Wen-jie1,2, YU Jian-xing1,2, XU Li-xin1, LI Zhi-gang1,3, CHANG Li-yong1,2, ZHAO Zhi-heng1,2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2.Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-sea Exploration, Shanghai 200240, China; 3.Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

Traditional Fuzzy Analytic Hierarchy Process(FAHP), which needs consistency check was improved . Under the condition of meeting the same accuracy requirements,the improved FAHP can reduce the number of iterations effectively and improve the convergence rate to provide a reliable decision method. This method was used to determine the evaluation weights of several kinds of maintenance method of submarine pipeline, the results are coincide with the engineering practice . The practicability of the improved FAHP was verified by the cases and submarine a new choice of the submarine pipeline maintenance method was provided.

Fuzzy Analytic Hierarchy Process(FAHP); pipeline; maintenance method; weight; application

2015-10-29

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助(2014CB046804),國(guó)家自然科學(xué)基金(51379145),國(guó)家自然科學(xué)基金(51239008)。

陳文潔(1992-)，女，碩士研究生。

1001-4500(2016)05-0080-04

P75

A