城市埋地管道占压风险评估实用方法研究*

刘朝峰，姜力本，王　威，郭小东

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401; 2.河北省土木工程技术研究中心，天津 300401;3. 北京工业大学 抗震减灾研究所，北京 100124)

0　引言

燃气管道属于城市生命线系统，其安全运行不仅影响经济的健康发展，还可能涉及公共安全。我国城市燃气管道多采用埋地方式，随着经济的发展和城市建设步伐的加速，占压埋地管道现象成为威胁管道安全运行最为突出的问题，一旦失效破坏将对沿线的人民生命、财产安全构成严重的威胁[1-4]。因此，有必要对城市燃气埋地管道占压风险进行排查和评估，以合理安排占压风险处置的优先次序，消除安全隐患。

对燃气管道占压问题的研究主要有燃气管道占压隐患排查[5-7]和占压作用下燃气管道力学性能[8-9]、失效机理[10-11]、管土相互作用机理[12]等研究。但是针对整个城市层面的燃气管道占压隐患风险评估研究较少。牛亚楠等[13]建立了燃气管道占压隐患的模糊综合评价方法。但采用层次分析法确定指标权重，需要对判断矩阵做一致性检验，并且需要求特征值与特征向量来计算权重，运算复杂繁琐；模糊综合评价法需要人为确定隶属函数，计算结果受主观影响较大。而采用属性层次模型(AHM)确定指标权重时，只需做加乘运算，不需做判断矩阵的一致性检验，也不需求特征值与特征向量，而且还解决了指标之间相互影响的问题，能够避免大量运算[14]。采用数理统计理论预测占压风险发生的可能性及其概率区间分布，补充或修正占压风险评估的精度[15]。因此，为了实现管道占压风险评估的实用性、简便性、科学性，基于属性层次模型和数理统计理论，提出城市埋地管道占压风险评估实用方法，以期为埋地管道占压隐患处治提供技术支撑。

1　评估模型

1.1　影响因素及其指标选取

参考《城镇燃气设计规范》(GB 50028-2006)第六章中有关燃气埋地管道占压隐患的评判标准，结合国内外占压隐患特点、占压事故成因等分析，提取城市燃气埋地管道占压隐患的共性特点，确定影响城市燃气埋地管道占压隐患的主要因素有占压物类型、占压形式、管道设计压力、管径、管材、使用时间、占压隐患发生区域等7个影响因子[5-7,11]。由于管道埋深支撑资料欠缺，这里管道埋深因素未考虑，在以后研究中待完善。根据北京城市燃气管道占压风险影响因素和评价指标统计研究，以全面性、简洁性、可操作性为原则，可得到城市燃气埋地管道占压风险评价指标体系，见表1。

表1　燃气埋地管道占压隐患风险评价指标体系

1.2　AHM算法计算属性权重

AHM是基于AHP发展的无结构多准则决策方法[14-15]，极为简便、灵活且实用，为城市燃气埋地管道占压风险评估问题提供了更实用、更科学的依据。AHM算法计算属性权重的步骤为：在燃气埋地管道占压隐患风险评价指标体系构建的基础上，由AHP构建判断矩阵(aij)1≤i,j≤n，aij值可由1～9比例标度确定。再将矩阵(aij)1≤i,j≤n由公式(1)转换为AHM属性判断矩阵(uij)1≤i,j≤n，并由公式(2)计算属性权重ωi。

(1)

(2)

以管道占压隐患的准则层7个影响因子为例，构造两两比较判断矩阵，见表2所示。

表2　判断矩阵

利用转换式(1)和式(2)得到单一准则下的测度判断矩阵及相对权向量，见表3所示。

表3　属性测度与属性权重

同理，可以得到各影响因素下不同指标的权重值，见表4。

1.3　管道占压风险指数计算

燃气管道占压风险指数RI用权重组合值表示。权重组合值是由7个中间层因子所对应的各变量因子相互进行排列组合得到；若权重组合值越高，则意味着管道占压隐患风险越高。

(3)

表4　评价指标及其权重值

1.4　占压风险等级划分标准

根据式(3)，运用matlab软件fullfact函数计算出25 200个权重组合值，接下来使用数理统计方法得出所有权重组合值的概率分布，见图1。

直方图可以近似看成是标准正态分布的概率密度分布曲线，其平均值mu=0.255 1，均方差sigma=0.063 9。

图1　占压风险值数的概率密度曲线Fig.1　Probability density curve of occupying riskvalue

检验结果：布尔变量h=0，表示不拒绝零假设，说明提出的假设“均值0.255 1”是合理的；95%的置信区间为[0.254 3， 0.255 9]，它完全包括0.255 1，且精度很高；用MATLAB做T检验，sig的值为1，远超过0.5，不能拒绝零假设。

在概率密度分布曲线的基础上，可以生成累积密度分布曲线，分布趋势见图2。

图2　占压风险值的累积密度曲线Fig.2　Cumulative density curve of occupying risk value

燃气管道占压风险的划分标准根据RI来确定。根据上述公式以及绘制出的累积密度曲线的分布趋势，结合实例中收集的资料，采用自然断点分级法初步判定燃气管道占压隐患风险的5个评价等级：

①ERI≤0. 201 3，占压隐患风险极小。

②0.201 3

③0.238 9

④0.271 3

⑤ERI>0.308 9，占压隐患风险极大。

2　实例应用

为了验证该评价方法的有效性和实用性，分别对北京市城市燃气管道2处占压隐患[13]进行评价。占压隐患1特征为：发生在四环区域以内，使用时间不到10 a，管径300 mm，燃气集团铺设的钢管，中压管线，砖混平房压线占压。根据表4查得：w1=0.234，w11=0.259，w2=0.16，w21=0.8，w3=0.174，w34=0.125，w4=0.083，w45=0.105，w5=0.046，w53=0.1，w6=0.174，w65=0.055，w7=0.129，w71=0.607，代入公式(3)，计算得到此处占压隐患风险指数为0.312，可以看出此处占压隐患风险极大。而模糊综合评价结果为，B1=[ 0.0280.2270.1600.1850.400]，按最大隶属度原则，处于危险极大等级。

占压隐患2特征为：发生在四环区域以内，使用时间为10～20 a之间，管径100 mm，燃气集团铺设的钢管，低压管线，构筑物(车库)近线占压。根据表4查得：w1=0.234，w14=0.167，w2=0.16，w22=0.2，w3=0.174，w35=0.055，w4=0.083，w46=0.068，w5=0.046，w53=0.1，w6=0.174，w64=0.125，w7=0.129，w71=0.607，代入公式(3)，计算得到此处占压隐患风险指数为0.191，可以看出此处占压隐患风险极小，但偏向于风险较小等级。而模糊综合评价结果，B2= [ 0.0510.3480.4410.0300.130]，按最大隶属度原则，处于危险一般等级，但危险较小等级隶属度也较大。

综合分析2处占压隐患风险评估结果，2种方法的评估结果趋势基本一致，但风险隶属等级不完全相同，主要是因为2种方法的风险等级划分标准不同。模糊综合评价方法需要人为构造隶属函数，主观性较大，风险等级按最大隶属度划分忽略了风险的不确定性。而本文方法不需要构造隶属函数，计算权重也不需要验证判断矩阵一致性，风险等级依据数理统计的概率结果进行划分，更加科学合理，而且计算简便、实用。

3　结论

1)选取了城市燃气埋地管道占压风险评估指标，利用属性层次模型(AHM)确定其权重，基于权重组合建立城市燃气埋地管道占压风险指数，采用数理统计方法计算占压风险指数概率分布曲线，确定城市燃气埋地管道占压风险5个标准等级区间。

2)通过2处占压隐患风险实例计算，本文方法与模糊综合评估方法的结果趋势基本一致，但风险隶属等级不完全相同。究其原因是2种风险等级的划分标准和基本原理不同，最大隶属度划分忽略了风险的不确定性，本文方法则考虑了风险指标的概率因素。

3)本文方法针对AHP法的不足，考虑指标权重差异，基于权重组合，从概率角度进行风险等级划分，考虑了不确定性因素的影响，计算简便易行，结果更为科学可靠。

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