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城镇燃气管道第三方破坏风险评价方法综述
周建东1，张炜健1，李春沂2，李德光3，苏荷欣2，任满意4，周蕾1，薄叶会1，唐建峰2
（1.中石油昆仑燃气有限公司山东分公司， 山东 济南 250000； 2.中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院， 山东 青岛 266580； 3.中石油天然气销售公司第一质量安全环保监督中心， 北京 100000； 4.中国石油天然气销售公司山东公司， 山东 济南 250000）
随着我国“双碳”政策的实施以及能源的发展变革，天然气以其热值高、污染小、高效稳定等优势在我国能源结构中的占比越来越高。城镇燃气在天然气消费中占有重要地位，2022年城镇燃气在天然气消费结构中占比增至33%［1］。随着城镇燃气管网规模不断扩大，燃气管道事故时有发生。引起燃气管道事故的因素有很多，如第三方破坏、腐蚀、地质灾害、设计或施工缺陷等。2018—2022年第三方破坏占天然气管网事故原因的比例见图1。其中第三方破坏占比在2018—2021年均超过80%，2022年占比虽有所下降，但是仍高达70%以上［2-3］。
第三方破坏包括以下情况：意外施工破坏，盗取燃气，故意破坏燃气管道，对燃气管道进行非法操作、更改等行为。其中较为典型的城镇燃气管道第三方破坏事件为2017年7月4日吉林松原燃气泄漏爆炸事故，由于第三方施工单位使用旋喷桩钻漏中压燃气管道，导致燃气大量泄漏，遇不明点火源后爆炸，从而造成7人死亡、85人受伤［3］。为防范第三方破坏导致的管道安全事故，降低燃气管道事故的发生率，需要对管道进行风险评价。
管道风险评价主要是对管道系统进行全面的风险识别和评估，帮助管道运营单位确定合适的管控措施，提高管道系统的运营效率和安全性，确保管道系统长期稳定运行，在管道完整性管理中具有关键的地位。根据风险发生的可能性和失效后果综合评价结果的量化程度，可将风险评价方法分为定性、半定量和定量风险评价方法。定性风险评价不需要任何数学模型，具有很强的主观性，一般被用于初始阶段的评价，为定量分析提供依据，主要有预先危险性分析法、危险与操作性分析法、故障类型与影响分析法等。半定量风险评价方法是在定性评价分析方法的基础上，对每一种失效可能性和失效后果进行进一步分析，其特点是简单、迅速、费用低［4］。常见的半定量风险评价方法主要有风险矩阵法、肯特指数评分法、灰色理论法、德尔菲法等。定量风险评价方法是风险评价的高级阶段，该方法基于失效概率数据库，结合大量的信息和数据建立模型，对风险概率和失效后果进行准确的数值化分析［5］。常见的定量风险评价方法主要有概率风险评价法、模糊综合评价法、贝叶斯网络模型等。
目前国内的很多风险评价方法都是借鉴输气管道，并没有形成针对城镇燃气管道第三方破坏的风险评价体系。本文对目前用于城镇燃气管道第三方破坏的风险评价方法进行阐述，并对城镇燃气管道第三方破坏风险评价方法进行展望。
由于定性风险评价方法存在主观性过强的问题，已经逐渐不适用于现场实际工作和理论研究。一方面，考虑到国内管道数字化起步较晚，相关数据库还在完善之中，目前半定量与定量结合的风险评价方法在第三方破坏风险评价项目中得到了广泛应用。另一方面，随着管道数字化的加速推进，国内外学者利用定量风险评价方法对城镇燃气管道第三方破坏风险展开了大量研究，旨在提高风险评价的准确性和可靠性。
① 肯特指数评分法+定量评价法
肯特指数法首先利用一定的分段原则对评价对象进行管段划分，再从第三方破坏、腐蚀、设计、误操作4个方面进行评价，最后结合该管道的泄漏影响因子，求得相对风险评估值，从而反映该管道的风险程度［6］。陈杨等人［7］采用肯特指数评分法建立模糊评判矩阵，再通过模糊评判原理得到埋地管道第三方破坏风险量化值，结果与管道实际运行情况相符，为城镇燃气管道安全管理提供依据。明连勋等人［8］提出区间数用来描述专家对风险因素间相对重要程度的评判，通过不确定层次分析法计算管道第三方破坏风险因素的权重，结合肯特指数评分法对管道进行第三方破坏风险评价，评价结果和专家现场评价结果一致，符合实际情况。肯特指数评分法与定量评价法的结合，可在获取大量数据的情况下，进一步提高评价的准确性和精度，使得风险评价更加科学和可靠。该方法操作简便，易于在实际中推广应用，实用性更强，但肯特指数评分法中的专家打分仍可能引入主观判断，且需要较高的技术水平和专业知识，增加了实施的难度和成本。
② 风险矩阵法+定量评价法
风险矩阵法将决定危险事件风险的两种因素——危险事件发生的可能性及危险事件的严重性，划分等级后形成一种风险评价矩阵，通过赋予一定的权重来衡量风险。曹涛等人［9］基于“人-机-环境-管理”的系统工程理论，利用三角模糊数表征专家判断信息，构造三角模糊判断矩阵，构建了油气管道第三方破坏的层次分析结构模型。应用模糊层次分析法，得到各影响因素的重要性排序，计算出管道第三方破坏风险。计算结果能够客观评估管道的风险状况，且对提高管道风险管理水平具有一定积极作用。Li等人［10］建立了城镇燃气管道第三方破坏事故危害因素的故障树，并基于模糊集合理论，对城镇燃气管道第三方破坏的风险因素进行量化，计算出模糊概率。最后利用改进层次分析法，对影响专家评估能力的因素建立层次模型，用层次分析法对专家的评估进行加权修正，得到的评估结果更加接近客观概率。Qiu等人［11］建立了基于层次分析法和模糊综合评价法的第三方损害定量风险评估模型。该模型准确识别第三方损害风险源，利用改进的层次分析法确定各因素的权重，最后通过模糊综合评价模型计算各因素的重要度，可根据各因素的重要性提出改进措施，避免事故发生。风险矩阵法与定量评价法的结合适用于管道工程的设计、施工及运行等阶段，无论可获取的数据充足或缺乏，都能够进行有效的风险评价。该方法能全面识别并量化风险，可将失效可能性和失效后果的严重程度直观地展示出来，但存在一定的主观性，对评价结果有较大影响。
定量风险评价将主观性降到最低，在大量历史数据的基础上通过数学模型对风险评价指标进行处理，通过计算管道因第三方破坏而产生的失效后果对人员和环境造成的伤害范围来量化风险。国内外学者将概率风险评价法、模糊综合评价法、贝叶斯网络模型充分结合运用到城镇燃气管道第三方破坏的风险评价中，通过建立和优化各种定量风险评估模型，评估风险等级，来预防城镇燃气管道发生第三方破坏事件。
① 概率风险评价法（PRA）。该方法运用数理统计的概率分析方法，如故障树法（FTA）、事件树法（ETA）等，对每一种风险来源分析其失效可能性和失效后果之间的数量关系及变化规律，从而对风险进行定量评价，最后与事先确定的可接受风险值进行比较从而得出最终风险值［12］。孙安娜等人［13］基于城镇燃气管道第三方破坏事故的统计数据建立了燃气管道第三方影响故障树模型，通过故障树计算得到了各基本事件对事故的影响，根据各事件的结构重要度给出了主要风险因素并提出预防措施。杨印臣［14］将故障树法与模糊综合评价法相结合，用于评价城镇燃气管道第三方破坏事故，得到了导致管道损坏的风险因素的结构重要度和综合评价向量，并根据最大隶属度原则给出了管道第三方破坏失效可能性的分级，得到与实际相符的评价结果。毛建等人［15］运用黄金分割法确定了管道第三方破坏风险因素的权重，给出了管道第三方破坏风险的计算方法。具体计算方法为：首先将作用最大的影响因素的权重赋值为1，依据黄金分割原理，其他影响因素的权重依次为0.618、0.382、0.236……，各一级风险因素对应的二级风险因素同样按照黄金分割原理进行权重计算。Liang等人［16］将故障树和自组织映射（SOM）相结合，基于故障树分析建立评估指标体系，并利用SOM进行多参数风险形态分类，提出了综合管道敷设条件、历史损坏记录、安全相关行为、管理措施和管道周围环境等因素的风险图，从而对长输管道第三方破坏风险模式进行评估和分析。概率风险评价法以科学的方法考查系统风险后果的严重度，并对其不确定性进行量化，反映了系统的整体风险水平，可实现对风险的动态评估，但其专业性较强，数据依赖性较高。该方法建立在统计基础数据库上，数据需求量大，对数据完整性、准确性要求很高，适用于具备较完整数据库的城镇燃气管道第三方破坏风险评价。
② 贝叶斯网络模型（BN）。在贝叶斯网络的拓扑结构中，通过有向无环图来说明各因素之间的关系，以及各因素间相互影响的严重程度。每个节点表示不同的变量，各个节点的状态也对应着各个节点发生的概率并用箭头说明各个变量间的关系［17］，在城镇燃气管道第三方破坏风险评价中得到广泛应用。郭晓燕［18］建立了管道第三方破坏定量风险评估优化模型，运用贝叶斯推理机制对影响管道安全运行的主要风险因素进行定量分析，并将博弈论与传统的风险评估相结合，建立了贝叶斯-斯塔克尔伯格模型，实现了管道第三方破坏防御资源的优化配置。Li等人［19］提出了城镇天然气管道第三方破坏事故综合风险演化动态概率评估模型，针对基本风险因素之间条件依赖的结构不确定性问题，建立了基于贝叶斯网络的城镇天然气管道泄漏事故风险演化场景，更准确地对城市天然气管道进行风险评估和管理。Cui等人［20］构建了管道第三方破坏贝叶斯网络模型和恶意破坏博弈论模型，研究该模式下管道失效的机制。通过调查第三方破坏导致的管道风险、制定风险评估模型、识别第三方威胁、确定风险的优先级，确定了不同管段的完整性方案。Ruiz-Tagle等人［21］提出了一种用于天然气管道第三方破坏和后续破坏风险评估的综合概率模型——BaNTERA。该模型基于概率贝叶斯网络模型，具有风险知情决策支持能力，可验证模型性能、利用历史数据验证其预测破坏率并应用于多种研究场景。Zhao等人［22］提出了一种综合的动态风险评估模型，使用故障树与事件树相结合的领结模型构建了从基本事件到事故的整体演化过程，从而映射到贝叶斯网络，得到事故概率，并结合事故后果动态计算方法来评估风险等级。贝叶斯网络模型可精准地表示风险因素之间的关系，并基于这些关系进行风险评估和预测，揭示风险的发生机制，有利于人员制定有效的风险应对措施。将其应用在城镇燃气管道第三方破坏风险评价中，需要保证充足的历史数据来支持模型的构建和参数确定，数据需求相对较低，在数据不足或数据质量不高的情况下，可结合专家的经验来确定模型的结构和参数。但该方法计算量较大，需要较长的计算时间和较高的计算资源，且模型构建较复杂，需要较强的专业性。
BP（Back Propagation）神经网络是一种按照误差逆向传播算法训练的多层前馈神经网络，其核心思想在于经过迭代计算与优化，得到合适的参数，从而拟合出输入与输出之间的函数关系，实现线性或非线性的映射。其优势在于寻优过程中的高度精确性，确保了模型在处理复杂数据时的准确性和可靠性。魏碧霞等人［23］将模糊系统和3层BP神经网络进行有机结合，将其应用于某埋地燃气管道上，其结果与普通的模糊综合评价功能相同，但省去了运算的繁杂过程，评价效率更高。王妍等人［24］提出了一种基于遗传算法的BP神经网络，充分发挥了遗传算法的全局寻优能力和BP算法的局部搜索优势，从而较快地达到目标精度。选取了某条燃气管道进行了研究，得到了该管道的失效可能性等级及失效后果程度，结果表明该方法对城镇燃气管道具有较好的适用性。熊威［25］构建了某市燃气管道的风险评价指标，建立训练——验证——预测的BP神经网络模型，以风险评价指标为输入值，通过3层BP神经网络，计算得到燃气管道风险的概率和综合风险值，经过验证表明该模型具有良好的适用性。He等人［26］研究了基于地理信息系统（GIS）和WE-GA-BP模型的管道工程地质灾害风险评估，对川气东输工程的川渝、鄂西管委会的管道路线进行了研究。利用遗传算法对BP神经网络进行优化，得到各评价指标的权重，并利用量化指数确定了管道沿线的地质灾害风险区。BP神经网络能够处理复杂多因素问题，评价效率较高，但需要大量的历史数据来训练模型，如城镇燃气管道第三方破坏的案例、破坏原因、破坏程度、管道特性等因素，且数据应当具有准确性和完整性，以减少模型训练过程中的误差和偏差。
物元可拓模型由物元和可拓性构成，在传统的拓扑学和数学分析的基础上发展而来，是一种基于集合论的数学模型，可以对不确定性和模糊性进行有效的处理，通过计算各级指标关联度以确定项目整体的风险等级，从而分析和评价研究对象的可行性、优化性和整体性。孙永庆等人［27］引入物元可拓模型对城镇燃气管道风险评价因素进行分析研究，建立了基于物元理论的燃气管道风险等级评价，对某城市埋地燃气管道的风险进行分级评定，证明了该方法的可行性。Zhou等人［28］引入处理贫信息、评价指标较多且不相容系统能力强的物元模型，并结合G2赋权法对因素进行处理，建立失效后果模型定量分析泄漏后果，最后基于风险矩阵判定燃气管道第三方破坏的风险等级。付邦稳［29］基于“人-机-环境-管理”系统建立城镇燃气管道风险评价指标体系，一方面将多因素耦合引入相互作用矩阵，与熵权法和方差最大化方法结合，从而确定指标权重，另一方面，采用物元可拓模型得到了城镇燃气管道的失效可能性等级，结合事故后果等级确定了城镇燃气管道风险等级，体系评价结果与实际相符。物元可拓模型可以综合考虑多因素的评价指标，灵活性强，可从定性和定量两个角度出发，对城镇燃气管道第三方破坏进行风险评价，通过逐层计算和分析剖析，使结论更趋于客观实际，但计算较复杂，需深入理解理论，且对数据质量有一定要求。
大数据技术是指通过采集、存储、处理、分析及可视化等手段，从海量的数据中提取有价值的信息和知识，帮助人们更好地预测未来、优化决策的一种技术［30］。将大数据技术应用于城镇燃气管道风险评价是一种新兴的风险评价方法，该评价技术将因果关系的分析转变为关联性分析，由安全专家评估风险转变为数据分析师分析风险［31］。Zhang等人［32］通过建立和完善管道GIS和数据库管理系统，高效量化了风险共享专项评估数据，实现量化风险评估模块与基础数据库系统之间的动态实时交换，开发了油气管道定量风险评估系统。欧国敏等人［33］借助Arc GIS平台，构建了空间化、可视化的城镇燃气管道周边环境风险评价体系，利用管道数据库定量分析事故严重度，通过GIS的空间分析工具得到环境的定量风险并实时可视化，对管道进行科学的风险评价，有利于企业更科学地管理城市、确定安全区域以及最优疏散路径。Li等人［34］研究了天然气管道故障率的计算方法，建立了基于历史失效数据统计方法的计算模型和计算步骤。总结了地下管道事故防控技术的研究现状，分析了大数据应用于风险因素监测、风险评估、风险预警和应急决策技术的优势。顾寻奥［35］提出了基于大数据技术的城镇燃气风险评价方法，对城镇中、低压燃气管道的腐蚀泄漏风险进行评价，并将机器学习与数据挖掘等相关技术应用到评价中，在一定程度上降低了评价过程中的主观性。随着物联网、GIS等技术的应用，大数据平台可以实时接收燃气管道监测设备的数据，并将来自不同渠道、不同格式的数据进行整合，实现数据的共享与协同利用，全面了解管道的运行状态和周边环境，为分析评价提供有力支持，但同时也要求建立较为完善的管道信息数据库，技术门槛高，需专业人员和设备才能保证数据的完整性和准确性。
综上所述，BP神经网络、物元可拓模型、大数据技术等在城镇燃气管道风险评价中已有一定的应用和研究。作为风险评价中的一部分，第三方破坏风险评价指标较多、量化难度高、指标间相互影响，需要考虑多因素耦合。随着管道数字化进程的加快，管道信息数据库将逐步完善，上述方法在城镇燃气管道第三方破坏风险评价将会有广泛的应用前景。
① 我国城镇燃气管道数字化尚待完善，考虑到风险评价的可操作性及经济性，半定量与定量结合的城镇燃气管道第三方破坏风险评价方法已得到广泛应用。
② 随着管道数字化的建设，全面精准的管道信息数据库得以构建，以概率风险评价法和贝叶斯网络模型为主的城镇燃气管道第三方破坏定量风险评价方法的研究日趋完善与深入。
③ 在定量风险评价方法的基础上，BP神经网络、物元可拓模型、大数据技术等方法将在城镇燃气管道第三方破坏的风险评价研究中具有广泛的应用前景。
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