摘 要：燃氣管道事故一旦發(fā)生后果大多比較嚴重。為全面分析燃氣管道風險的前因后果，確定重點維護和監(jiān)控的管段區(qū)域，引入了Bow-tie模型，將管道泄漏的故障樹與事件樹統(tǒng)一到一起對燃氣管道進行定量風險評價。采用模糊集相關理論與專家評價相結合的方法得出管道泄漏的模糊可能值；然后基于模糊層次分析法確定管道泄漏后果因素的權重系數(shù)；再通過矩陣乘法求得泄漏后果值。以某段燃氣管線為案例，全面識別出各風險因素，量化得到管道各泄漏后果事件的風險值。實際應用結果表明：①該方法可快速合理地評判出管道系統(tǒng)的相對風險大?。?span lang="EN-US">②三角模糊數(shù)與層次分析法的應用減少了傳統(tǒng)評價中主觀及模糊因素產(chǎn)生的評價偏差，使得評價結果更接近客觀實際；③依據(jù)評價結果制訂有針對性的預防維護措施，能夠?qū)崿F(xiàn)有限維護資源的合理配置，保障燃氣管道的安全可靠運行。
關鍵詞：燃氣管道 模糊Bow tie模型 故障樹 事件樹 定量風險評價 模糊層次分析法 三角模糊數(shù) 泄漏后果
Quantitative risk assessment of urban gas pipelines based on the fuzzv Bow-tie model
Abstract：Serious consequences will be inevitable once any accident occurs in urban gas pipelines．The Bow-tie model was applied to have an overall analysis of causes and consequences of urban gas pipelines risks and to determine the highlighted pipe section areas of maintenance and monitoring.The fault tree and thc event tree were unified by using the Bow-tie model to perform a quantitative riskanalysis of gas pipelines.The leakage possibility of gas pipelines was obtained by combining the fuzzy set theory with expert evaluation.The welght coefficients of the leakage consequences of gas pipelines were defined by the Fuzzy Analytic Hierarchy Process．The consequences pipeline leakage were calculated by the matrix multiplication method．Taking the risk assessment of a ccrtain gas pipe sectlon as an example'the rlsk factors were identified and the risk values of the pipeline leakage even心were quant‰d．The followmg flndlngs were concluded.(1)The relative risk values of gas system can be evaluated quickly in practice by use of this method．(2)The employment of the tnangular fuzzy number and the analytic hierarchy process helps reduce the evaluation deviation due to the subjectie and fuzzy factors in the traditional evaluation methods so the assessment results are much closer to reality．(3)The corresponding preventive and maintenance plans will be made based on the assessment results，making it easier to achieve the rational allocation of the limited maintenance resources and ensure the safe and reliable operation of urban gas pipelines．
Key words：gas pipeline，fuzzy Bow-tie model，fault tree，event tree，quantitative risk assessment，fuzzy analytic hierarchy process,triangular fuzzy number，leaking consequences
我國城鎮(zhèn)燃氣管道始建于20世紀七八十年代，受資金、技術等影響，管道的改建及維護困難重重，而且每年不斷增加新管線，近幾年達到敷設的高峰期[1]。燃氣管道全生命周期的事故率服從“浴盆曲線”的規(guī)律，早期(半年以內(nèi))和末期事故頻發(fā)[2]，目前我國燃氣管道大部分處于早期或末期階段；再者管線淺埋于人口密集的大街小巷，一旦出現(xiàn)事故后果影響十分嚴重。因此，迫切需要對燃氣管道進行風險評價，將被動片面的事后響應變?yōu)橹鲃尤娴氖虑邦A防，以保障其長期安全可靠運行。
城市燃氣管道的風險取決于管道失效的可能性和事故后果的嚴重性[3]，為將燃氣管道事故的前因后果結合起來進行風險評價，首次引入Bow-tie模型，將風險分析中的故障樹和事件樹聯(lián)系起來。Bow-tie模型最早出現(xiàn)在澳大利亞昆士蘭大學關于帝國化學，工業(yè)公司危害分析的課程講義[4]，隨后殼牌公司將其應用于阿爾法鉆井平臺爆炸災難分析中[5]，至今這一技術已被廣泛應用到一些重大事故。
燃氣管道設計、運行、維護、巡線及周圍環(huán)境等相關數(shù)據(jù)信息是風險評價的基礎，由于歷史原因，許多管道的資料缺失，給管理和評價帶來閑難。管道的風險影響因素很多，這些因素很難用精確值去表示。故本文將模糊集的相關理論引入燃氣管道的風險評價中，其整體結構如下：首先借助模糊數(shù)確定燃氣管道泄漏的可能值；再結合模糊層次分析法對泄漏后果進行權重分配，通過專家小組評價后果等級；最后借助案例進行分析，建立了燃氣管道泄漏Bow-tie模型，最終得出評價結果，并給出相應的改進建議。
1 風險因素可能值的確定
1．1 模糊數(shù)表示的事件概率及運算
基于信息、模型以及人為因素的不確定性，事件發(fā)生的概率不宜使用精確值來表示，所以這里采用三角模糊數(shù)表示事件的概率值[6-7]，對事件的模糊性進行量化。三角模糊數(shù)可以用3個參數(shù)表示，記為A＝(a，m，b)，其隸屬度函數(shù)用公式表示為：
式中A是指定論域x上的模糊集；mA(x)是指工對模糊集A的隸屬函數(shù)；m為模糊數(shù)A的均值；a、b分別為模糊數(shù)A的左右分布參數(shù)。
假設各事件相互獨立，故障樹中與門模糊算子為：
或門模糊算子為：
事件樹中的模糊算子為：
式中i為某一基本事件；n為事件的個數(shù)；k為某一結果事件。
將引起燃氣管道泄漏事件風險分為11個等級[8]，相應的語言變量及模糊數(shù)參照表l，語言變量可直觀表達風險因素的相對重要性。
1．2 模糊概率的聚合
在專家評分過程中，每個專家根據(jù)各自經(jīng)驗來判斷不同事件的風險等級，所以對于不同擘家的評價結果，還需進行模糊概率的合并以及專家權重的分配。對于模糊數(shù)的聚合，這里利用加權平均數(shù)法[9]：
式中Pi是聚合后的模糊數(shù)；Wj是第個j專家的權重因子；Pi,j是第j個專家為第i個基本事件分配的模糊數(shù)；n為基本事件數(shù)目；m為專家個數(shù)。
1．3 將模糊數(shù)概率化
由于求得的結果事件都以模糊數(shù)表示，為了對比風險的大小，需要將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為相應的概率值，即FPS(Fuzzy Possibility Score)。在模糊集理論中，這個過程又叫解模糊化，這里是基于Chen和Hwang提出的模糊最大和最小集合方法[10]。該方法定義的最小及最大模糊集分別為：
則模糊數(shù)的左、右模糊可能值為：
FAR=supx[mA(x)Ùmmax(x)]
FAL=supx[mA(x)Ùmmin(x)]
則模糊數(shù)A的模糊概率值由以下公式求得：
最后為了保證所有事件的真實概率和模糊概率之間的一致性，還需要將模糊可能值轉(zhuǎn)化為模糊失效概率FFR(Fuzzy Failure Rate) [11]：
其中k=[(1-FPS)／FPS]1/3×2.301。
2 燃氣管道泄漏后果分析
當燃氣管道發(fā)生泄漏后，會給人員、財產(chǎn)、環(huán)境及社會帶來不同程度的影響。其后果就從人員、財產(chǎn)、環(huán)境及社會4方面來考慮，具體受影響因素參照圖l。
2．1 確定各后果因素的權重系數(shù)
應用本文參考文獻[12]中的模糊層次分析法，可得到第一級主因素，U＝{A1、A2、A3、A4)的優(yōu)先關系矩陣：
P A1 A2 A3 A4
A1 0.5 1.0 1.0 1.0
A2 0 0.5 0 0
A3 0 1.0 0.5 1.0
A4 0 1．0 0 0．5
式中A1表示人員傷亡、A2表示財產(chǎn)損失、A3表示環(huán)境后果、A4表示社會后果。
應用本文參考文獻[12]中的公式求得權重為(W人員傷亡，W財產(chǎn)損失，W環(huán)境后果，W社會后果)＝(0.4，0.1，0.3，0.2)，同理求得第二級因素的權重(表2)。
2．2 確定燃氣管道泄漏的后果等級
基于點火時機及空間大小限制，燃氣管道泄漏表現(xiàn)出不同的形式，如爆炸、火球、蒸氣云爆炸、閃火、氣體堆積以及安全泄放等，不同形式造成的后果有輕有重，因此將后果等級也進行了分類(表3)。
3 燃氣管道泄漏案例分析
如某市某段燃氣管線穿越多條河流、公路、水塘，經(jīng)過綠化帶和農(nóng)田，管道上方植被較多，街道沿線人口密集，車輛來往頻繁，多條高壓線橫跨上方。通過對該段管線綜合評估及開挖檢測，得出腐蝕、第三方破壞、不合理設計及誤操作是引起管道失效的主要原因。
3．1 建立Bew-tie模型
此燃氣管段的Bow—tie模型中的頂事件為燃氣管道泄漏，其故障樹及事件樹組成部分見圖2，故障樹中的基本事件見表4。
3．2 專家評價
首先邀請有經(jīng)驗的專家組成評價小組，冉對專家進行權重分析，本文僅以兩位專家為例，并且賦予其相等的權重。依據(jù)故障樹中基本事件和事件樹中誘發(fā)事件的風險大小，由號家賦予每個事件相應的三角模糊數(shù)，評價結果見表4，然后根據(jù)式(5)求得聚合后的事件模糊數(shù)。
3．3 Bow-tie模型中結果事件的發(fā)生概率
根據(jù)式(2)、(3)求得頂事件燃氣管道泄漏的模糊數(shù)值L＝(0.57，0.89，0.99)，再根據(jù)事件樹模糊算子式(4)求得泄漏造成的Cl(爆炸)、C2(火球)、C3(蒸氣云爆炸)、C4(閃火)、C5(蒸氣云爆炸)、C6(閃火)、C7(氣體堆積)以及C8(安全泄放事件)的模糊數(shù)(以Li表示，i=1，2，3……8)。
3．4 Bow-tie模型中結果事件相應影響后果的計算
專家小組成員可參照三角模糊數(shù)表示的后果等級表，將燃氣管道泄漏造成的爆炸、火球、蒸氣云爆炸、閃火、氣體堆積以及安全泄放分別帶給人員、財產(chǎn)、環(huán)境、社會的影響后果進行評價，評價結果見表5。
在計算結果事件后果影響時將后果因素的權重與其相應的評價模糊數(shù)按矩陣乘法進行合并[13]。如C1事件造成的第二級因素人員傷亡的后果計算如下。
相應的求得：C1財產(chǎn)損失＝[0.40 0.65 0.90]
Cl環(huán)境后果＝[0.25 0.50 0.75]
C1社會后果＝[0.50 0.75 0.10]
所以爆炸造成的總后果：
同理可求得其他泄漏事件造成的總后果值Ci。
3．5 風險評價
對燃氣泄漏的風險評價可根據(jù)風險值Ri＝Li×Ci，由于計算的可能值和后果都以模糊數(shù)表示，所以為對比風險大小，應用式(6)～(9)，將其轉(zhuǎn)化為表6中的各結果事件的模糊失效概率值(FFR)。
從各結果事件的模糊失效概率值可以看出，此管段一旦拙現(xiàn)泄漏，發(fā)生爆炸的概率極高。因此需從引起泄漏的潛在因素中加以控制，從表4可以看出，土壤電阻率及雜散電流的干擾對管道影響較大，所以：①加強陰極保護措施，在犧牲陽極保護的基礎上還要增加外加電流的保護；②及時維護外防護涂層；③加強巡邏、檢測，重要管段可引入監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCA-DA，實時監(jiān)控管道的運行狀況，對于嚴重破壞的管道立即進行更換。相對來說安全泄放的概率低且后果影響也小，但會造成資源浪費，對環(huán)境影響較大，所以此次風險評價完成后，還需要進一步跟蹤檢測，在計劃性維護后重新評價管道風險，建立以事前預控為主的燃氣管道現(xiàn)代化管理方式。
4 結論
定量風險評價是燃氣管道動態(tài)完整性管理的重要部分，本文基于模糊Bow-tie模型，將影響管道泄漏的風險因素及后果關聯(lián)起來進行分析計算，根據(jù)評價結果可制訂相應的檢測計劃，合理分配資源。
1)傳統(tǒng)的概率分析需建立概率模型，但燃氣管道經(jīng)受各種不確定因素的影響，且各因素隨機變化；由于人類知識的有限性難以確定精確的概率表達式，故本文借助三角模糊數(shù)表示事件的風險等級，通過模糊與門、或門計算，求得模糊可能值，然后解模糊化，對燃氣管道的風險進行了評定，其結果更加符合客觀實際。
2)利用模糊層次分析法確定了燃氣管道泄漏各類次級因素的權重，使得泄漏后果的分析真實有效。
3)本次評價是以各風險因素相互獨立為前提的，但工程實際中不僅要承認各因素的模糊性，還要考慮各因素間的關聯(lián)，存這方面還需進一步探索。
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本文作者：於孝春 賈朋美 張興
作者單位：南京工業(yè)大學機械與動力丁程學院
中國石油管道科技研究中心
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