城市燃气管道失效耦合分析

城市燃气管道失效耦合分析
付邦稳;蒋宏业;李平;姚安林;徐涛龙
【摘要】将影响城市燃气管道失效的一级指标称为影响因素,二级指标称为影响因子.从人(人为因素)、机(管道及设备因素)、管(管理因素)和环(环境因素)4类影响因素分析管道失效影响因子耦合作用机理;基于系统动力学(SD)方法,分析管道各类因素内部因子的同质耦合关系.据此建立耦合评价指标体系,体系中有“人、机、管、环”4类一级指标,各一级指标下有若干二级指标,用G2法和熵权法相结合的综合权重法为各指标赋权;构建耦合度模型和耦合协调度模型分析管道4类影响因素的异质耦合程度.进行实例分析.
【期刊名称】《煤气与热力》
【年(卷),期】2018(038)007
【总页数】8页(P55-62)
【关键词】城市燃气管道;系统动力学SD方法;失效;组合权重;耦合度;耦合协调度【作者】付邦稳;蒋宏业;李平;姚安林;徐涛龙
【作者单位】西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都610500;中石化管道储运公司,江苏徐州221008;西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都610500;油气消防四川省重点实验室,四川成都610500;西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都610500;油气消防四川省重点实验室,四川成都610500;西南石油大学石油与天然气工程学院,四川成都610500
【正文语种】中文
【中图分类】TU996.6
1 概述
城市燃气管道发生事故[1-2]，通常不是由单一因素造成的，而是来自人员、管道及附属设备、管理和环境等多种影响因素相互影响、相互耦合的综合结果。

对于多因素耦合作用，Thomas等人[3]研究了基于生命周期评价、风险评价及多目标决策分析的耦合模型，并将此模型应用于环境风险的评价；Sabarethinam等人[4]研究了地震和飓风灾害风险耦合作用下的公路桥梁安全状况，并应用基于多风险评估(PF-MHRA)过程的参数化脆弱性方法对其进行了评估；马伶伶[5]分析研究了城市轨道交通运营风险的耦合作用，从定性和定量两个角度揭示了城市轨道交通运营多风险耦合规律；刘全龙等人[6]分析了煤矿事故风险因子耦合作用，并建立了耦合度模型，对风险因子间的耦合度进行了定量分析。

以上对多因素耦合机理的研究为风险预防、安全管理提供了新的方法与思路。

然而，对城市燃气管道系统的失效可能性研究，大多数以相对独立的影响因素评价管道的安全状态，鲜有考虑多因素耦合作用对管道安全运行的影响。

因此，开展多因素耦合作用下的城市燃气管道安全评价具有重要意义。

把影响管道安全运行的因素分为人(人为因素)、机(管道及设备因素)、管(管理因素)、环(环境因素)4类。

首先应用系统动力学(SD)模型，分析城市燃气管道的人、机、管、环等4类影响因素内部因子的同质耦合关系，并辨识出各类影响因素的主要影响因子；然后据此建立城市燃气管道多因素耦合评价指标体系，应用方差最大化组合赋权方法对指标赋权，构建城市燃气管道耦合度及耦合协调度分析模型，以期定量分析4类影响因素间的异质耦合关系。

2 城市燃气管道影响因素耦合作用机理
“耦合”一词源于物理学，是指两种及两种以上的体系或运动通过相互作用、相互
影响而趋于联合的现象[7]。

本文所研究的耦合是指影响管道安全运行的某一影响
因素所造成的不安全行为(或不安全状态)在失效链上传递时与其他影响因素造成的不安全行为(或不安全状态)相互融合、相互协作的现象。

按照参与耦合的因素种类的异同分为同质耦合(同一类别因素间的耦合)和异质耦合(不同类别因素间的耦
合)[5]；按照耦合结果又可分为负耦合(两因素相互抑制)、零耦合(两因素无相互作用)和正耦合(两因素相互促进)。

在燃气管道中，正耦合是最危险的，故本文着重
分析因素间的正耦合关系。

本文利用物理学中的触发器原理[5-6]分析城市燃气管道影响因素间的正耦合机理。

如图1所示，城市燃气管道中的人、机、管、环等子系统出现缺陷或失误并冲破
各自的防御系统后，继续沿失效链蔓延，一旦遇到其他因子形成的突发事件后则会在耦合振荡器的作用下迅速发生耦合，若耦合流在经过耦合滤波器的调节和修复后仍能突破系统所能承受的阈值，就会产生正耦合效应，从而导致管道失效可能性增大，甚至使后果加重。

图1 城市燃气管道失效可能性因子正耦合形成机理
3 基于SD模型的城市燃气管道耦合分析
系统动力学(System Dynamics，简称SD)由美国麻省理工学院Jay. W. Forrester 教授于1956年首次提出[8]。

它是一种基于系统论、吸收信息论、控制论的研究
高度非线性、高阶次、多变量、多重反馈复杂系统的方法[9]。

采用如图2所示的SD正因果关系图(表示A对B具有诱发、扩大作用)对城市燃气管道失效可能性因子间的同质耦合作用关系进行分析。

本研究中同质耦合是指城市燃气管道人为因素、管道及设备因素、管理因素、环境因素各自内部失效可能性因子间的耦合作用；异质耦合是指人为因素、管道及设备因素、管理因素、环境因素间的耦合作用。

图2 SD正因果关系
3.1 人为因素耦合分析
人作为管道系统最活跃的部分，人为因素涉及到的影响因素较多，各因素间的耦合关系较为复杂，其耦合关系见图3。

图3 人为因素失效可能性因子耦合关系
由图3可知，人为因素主要有生理状态不佳、心理素质差、专业技能不足、文化
程度不高等方面。

其中，生理状态不佳导致人的不安全行为途径有2条；心理素
质差导致人的不安全行为途径有1条；专业技能不足导致人的不安全行为途径有2条；文化程度不高导致人的不安全行为途径有2条。

3.2 管道及设备因素耦合分析
管道及设备失效包括管道腐蚀失效、设备故障失效、管道破损失效。

各因素之间的耦合关系见图4。

由图4可知，管道及设备因素主要有设计缺陷、防腐层选择不当、阴极保护失效、管材缺陷、线路标识不到位、附加保护不足以及埋深不足等方面。

其中，设计缺陷导致管道及设备失效的途径有3条；防腐层选择不当导致管道及
设备失效的途径有2条；阴极保护失效导致管道及设备失效的途径有1条；管材
缺陷导致管道及设备失效的途径有3条；线路标志不到位导致管道及设备失效的
途径有1条；附加保护不足导致管道及设备失效的途径有2条；埋深不足导致管
道及设备失效的途径有1条。

图4 管道及设备因素失效可能性因子耦合关系
3.3 管理因素耦合分析
管理因素主要集中在对人的管理和管理制度的制定及实施方面，其耦合关系见图5。

由图5可知，管理因素主要有管道资料不完整、巡线频率不足、员工培训教育不足、管理制度落实不到位、应急响应与处理制度不健全等方面。

其中，管道资料不完整导致管理因素不安全行为的途径有2条；巡线频率不足导致管理因素不安全
行为的途径有1条；员工培训教育不足导致管理因素不安全行为的途径有2条；
管理制度落实不到位导致管理因素不安全行为的途径有2条；应急响应与处理制
度不健全导致管理因素不安全行为的途径有2条。

图5 管理因素失效可能性因子耦合关系
3.4 环境因素耦合分析
城市燃气管道所处的环境较为复杂，主要包括自然环境因素和社会环境因素两类，其耦合关系见图6。

由图6可知，自然环境因素主要有温度变化、大气湿度、降水量等大气状况和土壤酸性、土壤有害菌含量等土壤性质；社会环境因素主要有人员活动、蓄意破坏、交通繁忙程度、地面占压、违章施工、违章建筑等方面。

其中，温度变化、土壤酸性、土壤有害菌含量、人员活动、交通繁忙程度等导致环境因素不安全状态的途径各有1条；大气湿度、降水量、地面占压、违章施工、违章建筑、蓄意破坏等导致环境因素不安全状态的途径各有2条。

图6 环境因素失效可能性因子耦合关系
4 城市燃气管道多因素耦合模型
管道事故的发生通常是由人为因素、管道及设备因素、管理因素、环境因素相互耦合而导致的[10]。

故本文利用耦合度模型着重分析管道的异质耦合作用。

4.1 建立城市燃气管道耦合评价指标体系
根据管道事故原因统计[10]，结合上文，辨识出各类因素的主要影响因子，建立城市燃气管道耦合评价指标体系，见图7。

将一级指标称为管道失效可能性因素，二级指标称为管理失效可能性因子。

4.2 确定组合权重
目前，对权重的确定主要有主观赋权和客观赋权两种方法，主观赋权充分利用参与人员的知识和经验，但随意性较强；客观赋权充分利用客观数据，避免了主观因素的影响，但客观数据与实际指标存在差异。

因此，笔者运用基于G2法的主观赋权和基于熵权法的客观赋权相结合的综合权重法计算指标组合权重。

① 基于G2法的主观赋权
图7 城市燃气管道耦合评价指标体系
G2法是通过对指标的重要性排序而得到相对重要度的唯一参照物比较判断法[11]。

计算步骤为：参考多名专家意见，对所有二级指标Cij的重要度进行排序，得到最不重要指标，记为Cmin，将Cij与Cmin比较得到相对重要度Rij(Rij≥1)，见表1。

表1 指标间的相对重要度Rij值说明1.0指标Cij与Cmin同样重要1.2指标Cij
比Cmin稍微重要1.4指标Cij比Cmin明显重要1.6指标Cij比Cmin强烈重要1.8指标Cij比Cmin极端重要1.1、1.3、1.5、1.7指标Cij与Cmin相比,其他中
间情况
二级指标Cij的主观权重计算公式为：
(1)
式中αij——二级指标Cij的主观权重
i——第i个一级指标
j——第j个二级指标
Rij——二级指标Cij的相对重要度
m——一级指标的数量
n——第i个一级指标下的二级指标的数量
② 基于熵权法的客观赋权
熵权法是根据各个指标的变异程度，利用信息熵计算熵权，进而对指标权重进行修正的一种客观赋权方法[12]。

a.将二级指标Cij的评价值进行归一化处理，得：
(2)
式中δijk——二级指标Cij评价值的归一化处理结果
rijk——针对第k个待评对象二级指标Cij的评价值
K——待评对象的数量
b.确定二级指标Cij的熵值，计算公式为：
(3)
式中 eij——二级指标Cij的熵值
c.计算二级指标Cij的熵权，计算公式为：
(4)
式中βij——二级指标Cij的熵权(客观权重)
③ 计算组合权重
方差最大化方法考虑了各指标值的差异程度，使得主客观权重的组合更加合理[13]。

因此，本文引入方差最大化方法来计算组合权重：
(5)
(6)
(7)
(8)
式中——二级指标Cij的组合权重
u、v——组合权重线性表示系数，u≥0，v≥0，u2+v2=1
——K个待评对象的δijk的平均值
对进行归一化处理，得到各指标的最终组合权重，计算公式为：
(9)
式中ωij——二级指标Cij的最终组合权重
4.3 建立耦合度模型及耦合协调度模型
耦合模型可分为定性分析模型和定量分析模型。

其中，定量分析模型中常见的有N-K模型和耦合度模型，前者完全依赖于客观数据，对数据的完整性及准确性要求较高；后者能在不具备完整客观数据的情况下计算出较为准确的耦合度[5]。

由于城市燃气管道系统极为复杂，无法保证数据的完整性及准确性，因此，采用耦合度模型[6,11,14]来计算城市燃气管道4类影响因素间的异质耦合度。

① 建立功效函数
功效函数用来描述4类影响因素对城市燃气管道系统整体状态演进的贡献度，建立如下标准化的功效函数：
(10)
式中 xij——二级指标Cij的功效函数，即对城市燃气管道系统安全水平的贡献度rij——对二级指标Cij的评价值
Aij、Bij——分别表示二级指标Cij评价值的下、上限值
正功效表示指标值越大，系统安全水平越高；负功效表示指标值越大，系统安全水平越低。

② 计算序参量
引入线性加权法对功效函数进行处理，可得城市燃气管道第i个一级指标的序参量(序参量表示第i个一级指标对管道系统的贡献度)，计算公式为：
(11)
(12)
式中 ui——城市燃气管道系统第i个一级指标的序参量
——二级指标Cij在其所属一级指标中所占权重
③ 建立耦合度模型
根据式(11)计算出的序参量，以3种一级指标参与耦合为例，可得3个一级指标
的耦合度模型：
(13)
式中 U——3个一级指标参与耦合的耦合度，0≤U≤1
同理，根据序参量，可以计算出两种或4种一级指标参与耦合的耦合度。

当
U∈[0，0.3)时，为低水平耦合；当U∈[0.3，0.7)时，为中水平耦合；当U∈[0.7，1]时，为高水平耦合。

耦合度反映几个因素之间的相互促进程度，耦合度越高，相互作用越强，越易冲破自身防御系统，使管道更易失效。

④ 建立耦合协调度模型
耦合度模型对判别各影响因素耦合作用的强弱、作用的时序区间以及预警发展秩序具有重要意义，但在各类影响因素的序参量取值较低且相近时，使用耦合度模型会作出系统协同发展程度较高的错误评价，因此，引入耦合协调度模型[15-16]，来
判别各影响因素交互耦合的协调程度。

其表达式如下：
(14)
(15)
式中 D——耦合协调度(0≤D≤1)，当D∈[0，0.1)时，为低度协调耦合；当
D∈[0.1，0.4)时，为中度协调耦合；当D∈[0.4，0.7)时，为高度协调耦合；当
D∈[0.7，1]时，为极度协调耦合
T——系统综合调和指数
Wi——第i个一级指标在所有参与耦合的t个一级指标中所占权重
t——参与耦合的一级指标的数量
5 实例分析
根据建立的耦合度模型和耦合协调度模型，结合专家评价及管道数据，对某城市燃气管道进行耦合分析。

5.1 指标分值及权重的确定
根据管道数据及现场检测结果，选取5段管道，邀请5位专家对各段管道指标进行打分并取平均值，满分为100分，分值越高代表越安全。

根据G2法确定主观权重，熵权法确定客观权重，方差最大化方法确定各个指标最终组合权重。

指标分值及指标权重见表2。

表2 各管段指标分值及权重二级指标管段1指标分值管段2指标分值管段3指标分值管段4指标分值管段5指标分值主观权重αij客观权重βij最终组合权重ωij 生理状态93929193930.027 20.000 0 0.001 0心理素质93908992900.029 20.000 1 0.001 9专业技能60489074380.041 90.045 2 0.057 2文化程度95949594930.026 70.000 0 0.000 9管材缺陷76918088840.034 50.002 1 0.009 6设计缺陷97889690870.032 20.001 0 0.006 2防腐层状况98124250960.048 30.176 9 0.115 8阴极保护状况45169469300.048 30.157 2 0.110 0线路标志94929089930.029 50.000 2 0.002 5附加保护88687592840.035 30.006 0 0.017 6管道埋深53449045750.040 20.043 0 0.054 6管道资料完整性84908089920.032 50.001 3 0.007 1管理制度及执行
92727885890.034 90.004 0 0.013 8应急响应与处理94526475820.040 20.020 1 0.036 8员工培训教育85809487900.033 10.001 5 0.007 7巡线频率90899087860.029 80.000 2 0.002 3土壤酸性72204724930.046 50.155 2 0.107 1土壤有害菌含量50249235700.045 60.104 0 0.088 6降水量83607956910.038 10.017 4 0.033 2大气湿度96566876820.037 50.016 1 0.031 6温度变化92647569850.036 90.009 0 0.022 6人员活动53289240790.044 70.086 5 0.080 6蓄意破坏94959394950.026 20.000 0 0.000 9交通繁忙程度95405260840.042 90.048 3 0.059 7地面占压85929687920.031 00.001 1 0.006 3违章施工96366055780.043 20.048 7 0.060 2违章建筑58329085770.043 60.054 7 0.064 0
5.2 计算影响因素间耦合度及耦合协调度
① 计算功效函数值
以管段1为例，应用公式(10)可得C11的功效函数值为0.93，其中公式(10)中的Aij、Bij分别取0，100。

同理可得C12、C13、C14的功效函数值分别为0.93、
0.6、0.95。

② 计算序参量
根据公式(11)得到C1的序参量为0.620 9，同理可得C2、C3、C4的序参量分别为0.705 1、0.913 8、0.722 1。

③ 计算耦合度
以C1和C2耦合为例，将步骤②计算的结果代入耦合度模型，可得C1和C2的耦合度为0.499 0，同理可得其他耦合方式的耦合度。

④ 计算耦合协调度
以C1和C2的耦合为例，根据公式(14)可得C1和C2的耦合协调度为0.587 4，同理可得其他耦合方式的耦合协调度。

5段管道4类因素间的耦合度及耦合协调度计算结果见表3。

表3中U表示耦合度，D表示耦合协调度，下标表示哪几个因素的耦合，比如U12表示C1与C2的耦合度。

表3 各段管道影响因素间的耦合度及耦合协调度管段号U12D12U13D13U14D14管段10.499 00.587 40.490 80.616 70.498 60.595 9管段20.474 90.380 20.496 40.536 40.490 50.419 5管段30.487 50.552 30.497 20.634 60.497 10.607 6管段40.497 00.558 40.499 70.623 70.489 70.506 5管段50.484 70.556 20.468 70.550 10.472 20.606 0管段号U23D23U24D24U34D34管段10.495 80.606 50.500 00.598 30.496 60.266 6管段20.454 50.388 60.496 00.395 00.476 00.205 6管段30.496 40.545 80.496 50.576 70.500 00.249 7管段40.494 90.562 10.497 80.516 90.486 20.236 9管段50.496 80.564 60.497 90.618 50.499 90.269 5管段号U123D123U124D124U134D134管段10.329 10.488 50.332 60.485 80.329 10.490 8管段20.322 50.333 60.321 60.324 30.322 50.353 4管段30.331 60.458 40.327 70.149 80.331 60.495 8管段40.326 40.465 20.328 70.425 50.326 40.424 3管段50.316 90.462 80.320 50.488 70.316 90.498 9管段号U234D234U1234D1234——管段10.331 00.491 60.247 50.423 2——管段20.310 10.323 90.235 90.286 8——管段30.331 30.472 60.246 80.412 0——管段40.327 00.426 40.245 70.373 6——管段50.331 80.507 00.240 70.425 6——
5.3 结果分析
由表3可知，5段管道4类因素间的耦合度均在0.2～0.5范围内，属于中低水平耦合，表明管道4类影响因素间的耦合作用关系较低。

各管段的双因素及3因素参与耦合的耦合度均在0.3以上，属中水平耦合；4因素参与耦合的耦合度均在0.3以下，属于低水平耦合。

各管段的耦合程度总体上随着耦合因素数量的增加逐
渐减小，与多因素耦合的耦合度发展趋势基本一致。

结合管道的耦合度和耦合协调度可知，虽然各管段“管—环”耦合及管段3中“人—机—环”耦合的耦合度较高，但其耦合协调度较低，表明彼此交互作用使
管道失效的可能性不大。

6 结论
① 城市燃气管道事故一般是“人—机—管—环”等4类因素间相互影响、相互耦合的结果，将耦合思想引入城市燃气管道系统，利用触发器原理分析了其耦合机理，明确了城市燃气管道失效因素间的耦合过程，可为下一步基于解耦的城市燃气管道安全运行管理提供理论支持。

② 基于系统动力学SD模型分析城市燃气管道系统人为因素、管道及设备因素、
管理因素、环境因素4类失效可能性因子间同质耦合过程，较为直观地显示耦合
因子间的正耦合关系。

对所建燃气管道耦合评价指标体系，采用G2法和熵权法相结合的组合权重法对指标进行赋权，降低了主观的不确定性。

③ 构建了城市燃气管道系统耦合度模型和耦合协调度模型，并进行实例分析。

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