王慶國(guó), 郭 敏
(1.天津市陜津天然氣集輸有限公司,天津300112;2.天津市賽達(dá)管道工程有限公司,天津300385)
隨著城市燃?xì)庑枨罅康娜找嬖鲩L(zhǎng),天然氣在我國(guó)已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用[1],尤其是在節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下,天然氣因其高效、潔凈的特點(diǎn),在能源利用中所占比例日趨增大[2],2015年末我國(guó)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)總長(zhǎng)度已超過60×104km。伴隨城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的日漸完善,天然氣泄漏帶來(lái)的安全問題也成為人們關(guān)注的重點(diǎn),因此提出了管道完整性的概念。管道完整性是指管道承受荷載范圍及其安全運(yùn)行能力,管道完整性管理是為了保證完整性展開的管控活動(dòng)[3]。管道完整性管理首先必須綜合考慮各影響因素的關(guān)聯(lián)性,尋找潛在的危險(xiǎn)因素[4]。為保證燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行,管道完整性管理應(yīng)做到“重點(diǎn)”、“要點(diǎn)”相結(jié)合,“要點(diǎn)”是保證燃?xì)夤芫W(wǎng)完整性的必要條件,“重點(diǎn)”則是影響管網(wǎng)完整性的關(guān)鍵因素。筆者通過整理分析城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩刂g的關(guān)聯(lián)性,建立解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretative Structural Modeling,簡(jiǎn)稱ISM),并利用解釋結(jié)構(gòu)模型和層次分析法分析城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩刂g的層次關(guān)系以及各影響因素的影響權(quán)重,為管道完整性管理提供理論依據(jù)。
解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)需要根據(jù)人們知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),通過將繁瑣的系統(tǒng)分解成多個(gè)子系統(tǒng)來(lái)構(gòu)造多級(jí)階梯結(jié)構(gòu)模型[5],該模型可以清晰地對(duì)同一系統(tǒng)中容易模糊混淆的觀點(diǎn)或影響因素之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行表述。燃?xì)夤艿劳暾缘挠绊懸蛩劐e(cuò)綜復(fù)雜,相互影響,但有相對(duì)明顯的階層關(guān)系,因此本文通過建立燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩氐慕忉尳Y(jié)構(gòu)模型,并對(duì)模型進(jìn)行層級(jí)間的劃分,分析各階層影響因素。解釋結(jié)構(gòu)模型建立步驟為:
① 選定研究目標(biāo)及其影響因素。確定燃?xì)夤艿劳暾詾槟繕?biāo)事件,并通過收集專家意見及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研等多種途徑對(duì)目標(biāo)事件的影響因素進(jìn)行收集整理。
② 建立意識(shí)模型[6]及影響因素有向圖。通過學(xué)術(shù)討論會(huì)反復(fù)討論研究,并結(jié)合專家意見,確定目標(biāo)事件與影響因素以及影響因素之間的關(guān)聯(lián)方案,建立主觀意識(shí)模型,劃分子系統(tǒng),并繪制影響因素有向圖[7]。此步驟人為因素起作用較大。
③ 建立并計(jì)算鄰接矩陣與可達(dá)矩陣。通過各影響因素的關(guān)聯(lián)性建立鄰接矩陣,并利用布爾達(dá)代數(shù)運(yùn)算法則對(duì)鄰接矩陣進(jìn)行計(jì)算,得到可達(dá)矩陣。通過可達(dá)矩陣對(duì)影響燃?xì)夤艿赖?4個(gè)因素進(jìn)行定量描述。
④ 建立解釋結(jié)構(gòu)模型。解析可達(dá)矩陣,分解目標(biāo)事件影響因素的層次與連通模塊[5],建立解釋結(jié)構(gòu)模型。
本文所選目標(biāo)事件為燃?xì)夤艿劳暾??;?016年天津市14家管道氣公司安全檢查數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、專家意見收集整理燃?xì)夤艿劳暾缘挠绊懸蛩?,并結(jié)合“人、機(jī)、料、法、環(huán)”管理思路[8],從人為因素、環(huán)境因素、安全技術(shù)、法治監(jiān)管、社會(huì)經(jīng)濟(jì)利益、管理體系、管網(wǎng)因素7個(gè)子系統(tǒng)對(duì)影響因素進(jìn)行劃分,并將7個(gè)子系統(tǒng)細(xì)化分為24個(gè)影響因素[9-13],見表1。解析燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩貎?nèi)部關(guān)聯(lián)性并繪制有向圖,結(jié)果見圖1。
表1 影響因素的隸屬關(guān)系
圖1 燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩赜邢驁D
鄰接矩陣A可描述某因素Si通過長(zhǎng)度為l的通路可到達(dá)其他因素Sj的情況[14]:當(dāng)i≠j時(shí),若因素Si對(duì)因素Sj有直接影響,則記Aij=1,否則記Aij=0;當(dāng)i=j時(shí),Aij表示因素自身的通路情況,數(shù)值為0。例如員工素質(zhì)S1可能造成操作失誤S2,則A12=1。本文基于燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩赜邢驁D建立鄰接矩陣A,見圖2。
圖2鄰接矩陣
可達(dá)矩陣計(jì)算見式(1)、(2)。通過鄰接矩陣A加上單位矩陣I后的冪運(yùn)算得到,其中矩陣(A+I)的冪運(yùn)算[5]的運(yùn)算法則為布爾達(dá)代數(shù)運(yùn)算法則[13]。
通過依次取n為1~24進(jìn)行試算,找出能滿足公式(1)的n值,然后代入公式(2)計(jì)算得到可達(dá)矩陣。
(A+I)1≠(A+I)2,…,(A+I)n-1≠
(A+I)n,(A+I)n=(A+I)n+1
(1)
R=(A+I)n
(2)
式中A——鄰接矩陣
I——單位矩陣
n——整數(shù),取值范圍1~24
R——可達(dá)矩陣
通過MATLAB編程計(jì)算可得,當(dāng)n=7時(shí)公式(1)成立,此時(shí)R=(A+I)7。可達(dá)矩陣見圖3。
圖3可達(dá)矩陣
可達(dá)矩陣R中元素Rij表示因素Sj對(duì)因素Si的影響情況,當(dāng)且僅當(dāng)i行中只有一列元素為1時(shí),表示因素Si有且僅有一個(gè)影響因素Sj,則定義因素Si為一級(jí)影響因素。刪除一級(jí)影響因素所在的行與列,得到新的可達(dá)矩陣R1[7],矩陣R1中m行當(dāng)且僅當(dāng)只有一列元素為1時(shí),定義該因素Sm為二級(jí)影響因素。以此類推可將24個(gè)影響因素進(jìn)行等級(jí)劃分。
影響管道完整性的影響因素共劃分為7個(gè)等級(jí),各級(jí)影響因素分別為L(zhǎng)1={7,19,22,23},L2={5,18,21,24},L3={2,9,15,20},L4={1,3,4,6,14},L5={8,13,17},L6={12,16},L7={10,11}。分析7級(jí)影響因素,根據(jù)影響因素連通模塊建立燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩氐慕忉尳Y(jié)構(gòu)模型,見圖4。
根據(jù)圖4,劃分7級(jí)影響因素至3個(gè)層面:表層影響因素、中間影響因素及深層影響因素。對(duì)管道完整性有直接影響的因素為表層影響因素,包括第三方破壞、管道外腐蝕及應(yīng)力腐蝕、巡線頻次、運(yùn)行壓力及波動(dòng)、管網(wǎng)設(shè)備故障、操作失誤、使用時(shí)間、管道內(nèi)腐蝕、管材質(zhì)量。不受其他因素影響且不可控程度較高的因素為深層影響因素,包括第三方利益、安全監(jiān)控水平、不可抗力因素、政府監(jiān)控體制、法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)以及企業(yè)利潤(rùn),其中身體狀況雖然不受其他因素影響,但其可控程度較高,因此劃分至中間影響因素。除表層影響因素、深層影響因素以外的其他影響因素稱為中間影響因素,包括安全防護(hù)程度、防護(hù)設(shè)備完整性、規(guī)章制度完整性、身體狀況、員工素質(zhì)、操作技能、安全教育培訓(xùn)制度、安全投入、安全評(píng)價(jià)體系。
圖4燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩亟忉尳Y(jié)構(gòu)模型
層次分析法(AHP)可以通過定量及定性分析,對(duì)多影響因素事件處置提供數(shù)據(jù)支持[15]。因此利用層次分析法分別分析管道完整性3個(gè)層面的影響因素,可以得到各層面每個(gè)影響因素的影響力。其中表層影響因素對(duì)目標(biāo)事件有著最為直接的影響,也是對(duì)目標(biāo)事件進(jìn)行掌控最為有效的環(huán)節(jié),因此本文以表層影響因素為例,利用AHP法對(duì)燃?xì)夤艿劳暾员韺佑绊懸蛩氐挠绊懥M(jìn)行排序。
基于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩亟忉尳Y(jié)構(gòu)模型,建立表層影響因素指標(biāo)體系?;谔旖蚴泄艿罋獍踩珯z查數(shù)據(jù)及專家意見,結(jié)合標(biāo)度法[6]對(duì)各表層影響因素的影響力進(jìn)行賦值,并通過建立判斷矩陣計(jì)算管道完整性的表層影響因素指標(biāo)權(quán)重,計(jì)算結(jié)果見表2。分析表2數(shù)據(jù)可知:在表層影響因素中,管網(wǎng)設(shè)備故障、運(yùn)行壓力及波動(dòng)、使用時(shí)間、管材質(zhì)量、管道內(nèi)腐蝕都屬于管網(wǎng)因素,所占權(quán)重達(dá)0.509 4,更容易對(duì)管道完整性造成破壞,因此加強(qiáng)對(duì)管道設(shè)計(jì)、管材選取、管道施工以及管道維護(hù)的監(jiān)控對(duì)燃?xì)夤艿劳暾杂兄顬橹苯拥挠绊憽?/p>
表2 燃?xì)夤艿辣韺佑绊懸蛩刂笜?biāo)權(quán)重
① 針對(duì)燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩乇姸?、關(guān)系復(fù)雜且結(jié)構(gòu)不清的特點(diǎn),采用解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)方法,通過可達(dá)矩陣對(duì)影響燃?xì)夤艿劳暾缘?4個(gè)因素進(jìn)行定量描述,將燃?xì)夤艿劳暾杂绊懸蛩胤譃?級(jí),并劃分層次和關(guān)聯(lián)關(guān)系,為城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿劳暾怨芾硖峁├碚撘罁?jù)。
② 基于解釋結(jié)構(gòu)模型確定的燃?xì)夤艿劳暾员韺佑绊懸蛩兀ㄟ^層次分析法(AHP)對(duì)各表層影響因素的影響力進(jìn)行計(jì)算。在表層影響因素中,管網(wǎng)因素(指管網(wǎng)設(shè)備故障、運(yùn)行壓力及波動(dòng)、使用時(shí)間、管材質(zhì)量和管道內(nèi)腐蝕)和人為因素(指操作失誤)是影響安全生產(chǎn)的最直接、最重要的因素,管網(wǎng)因素占比達(dá)50.94%,其中操作失誤、管網(wǎng)設(shè)備故障以及管材質(zhì)量對(duì)管道完整性的影響較大。