一种输气管道震害评价方法

摘要

本发明公开了一种输气管道震害评价方法：收集输气管道的基础数据，将输气管道划分为若干个评价单元并制定评价指标；确定各评价单元内各评价指标的取值；将所有定性指标的取值定量化；并将各评价指标归纳至不同的风险因素内；分别确定各评价单元内定量指标、定性指标的权重；建立准则层，得到各风险因素的单指标未确知测度矩阵；建立目标层，得到多指标综合测度评价向量；识别各评价单元的风险等级。本发明用以解决现有技术中对输气管道震害风险评价的评价方式不全面、主观性过强的问题，实现提高对输气管道震害风险评价的准确性，提供更为科学有效的评价方法的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及输气管道震害评价领域，具体涉及一种输气管道震害评价方法。

背景技术

历年来，燃气供应系统因地震破坏而造成安全功能丧失的事例比比皆是：如某年美国某地地震，致使燃气系统发生了高达15×10

现有技术中，风险评价在输气管道地震灾害领域的应用还属于较新的领域，多数评价方法都属于定性分析，其预期目的难以很好实现。当然现有技术中也出现了少数定量评价的方法，但是这类方法极少探讨输气管道风险中的未确知性问题，且其评价因素不全面、对各评价指标的权重获取方式更是主观性极强，严重影响了评价结果的准确性和客观性。

发明内容

本发明提供一种输气管道震害评价方法，以解决现有技术中对输气管道震害风险评价的评价方式不全面、主观性过强的问题，实现提高对输气管道震害风险评价的准确性，提供更为科学有效的评价方法的目的。

本发明通过下述技术方案实现：

一种输气管道震害评价方法，包括：

步骤S1、收集输气管道的基础数据，基于所述基础数据将输气管道划分为若干个评价单元，并制定评价指标；

步骤S2、确定各评价单元内各评价指标的取值，将所述评价指标分为定量指标、定性指标；将所有定性指标的取值定量化；并将各评价指标归纳至不同的风险因素内；

步骤S3、分别确定各评价单元内定量指标、定性指标的权重；

步骤S4、建立准则层，得到各风险因素的单指标未确知测度矩阵；

步骤S5、基于步骤S3得到的权重、以及步骤S4得到的各风险因素的单指标未确知测度矩阵，建立目标层，得到多指标综合测度评价向量；

步骤S6、识别各评价单元的风险等级。

针对现有技术中对输气管道震害风险评价的评价方式不全面，本发明首先提出一种输气管道震害评价方法，本方法首先收集待评价的输气管道的基础数据，通过基础数据将该管道划分为若干评价单元，其具体划分方法可根据管道本身特性以及管道沿线特征进行分类，本领域技术人员根据具体运用场景进行适应性划分即可；并制定用于评价输气管道震害风险的评价指标。之后对每个评价单元内，对应的评价指标进行取值。评价指标分为能够定量评价的定量指标和只能够定性评价的定性指标；对于定量指标而言，能够直接进行取值；但是对于输气管道震害风险评价中的定性指标而言，现有技术中大都选择对其进行忽略，导致评价指标相对片面。而本方法将前述定性指标的取值进行定量化处理，将定性指标作为评价指标中不可获取的重要内容参与后续评价内容，从源头上保证了评价指标的完整性和全面性。本方法设置若干风险因素，每个风险因素包括若干评价指标，将前述评价指标分别归纳至不同的风险因素内即可；当然，每种风险因素内既可以包含定量指标，也可以包含定性指标。之后针对每个评价单元，独立确定其中各定量指标、定性指标的权重。最后引入未确知测度理论，建立准则层得到各风险因素的单指标未确知测度矩阵；再基于得到的各评价指标的权重、以及各风险因素的单指标未确知测度矩阵，建立目标层，得到多指标综合测度评价向量；最后识别各评价单元的风险等级。

本申请中引入的未确知测度理论的原理如下：

在对目标层进行评价时，准则层所有评价因素就是组成因素空间的的集合，记作

若任意评价因素

若任意

其中，评价空间

公式（1-4）表示所有评价等级共同构成评价空间。公式（1-5）表示任意两个评价等级之间相互独立。

对于评价空间

将取值

其中，

进一步的，所述基础数据包括管径、壁厚、管材、服役年限、人口密度、抗震设防烈度和站场分布。基础数据包括上述参数，但并不表示仅限于上述参数。通过上述基础数据的选择，能够高效的对输气管道进行分类，进而准确划分出评价单元。

进一步的，所述评价指标包括：震级-频率系数、沿线地震动峰值加速度、断层、地震地质灾害、外径、壁厚、运行压力、埋深、管材、服役年限、管道节点、抗震设防烈度、泄漏程度、建筑密度、人口密度、H

所述风险因素包括：

地震危险性风险因素，包括如下评价指标：震级-频率系数、沿线地震动峰值加速度、断层、地震地质灾害；

管道易损性风险因素，包括如下评价指标：外径、壁厚、运行压力、埋深、管材、服役年限、管道节点、抗震设防烈度；

灾害损失风险因素，包括如下评价指标：泄漏程度、建筑密度、人口密度、H

本方案中对评价指标的设置具有全面化、系统化的优点，克服了现有技术中评价指标片面、考虑因素不足的缺陷，提高了最终评价结果的准确性。其中将每个评价指标分别对应归纳至地震危险性风险因素、管道易损性风险因素、灾害损失风险因素三者之一内，将风险因素分为三个大的方向进行考虑，有利于降低计算量，提高建模效率。此外，本方案中将灾害损失风险因素纳入评价，即将失效后果作为输气管道震害风险评估的主要因素之一，还克服了传统评价方式忽略失效后果的缺陷，显著提高了对输气管道震害风险评估的全面性和准确性。

进一步的，定量指标的权重确定方法包括：

步骤S311、设计若干个定量指标在不同因素水平下的正交试验；

步骤S312、采用时程分析法，进行地震作用下埋地管道数值模拟；

步骤S313、基于数值模拟结果，求解各定量指标各自关于范式等效应力的灰色关联度；对各定量指标的灰色关联度进行归一化处理，得到各定量指标的权重。

本方案采用正交试验以减少计算工况；同时引入各定量指标各自关于范式等效应力（von Mises应力）的灰色关联度计算，克服了现有技术中对于定量指标的权重获取依靠专家赋值，主观性过强的问题，能够显著提高定量指标权重取值的客观性和准确性，减少人为因素的干扰。其中引入灰色关联度进行求解转换的目的，是为将数值模拟的管道地震动力响应分析结果转换为指标的定量权重值。

进一步的，进行地震作用下埋地管道数值模拟的方法包括：

步骤S3121、输入三向地震动作为地震波，对地震波按如下公式进行调幅处理：

式中：

步骤S3122、基于有限元计算软件建立数值模型；

步骤S3123、基于所述地震波以及建立的数值模型，在有限元计算软件中进行管道地震动力响应计算，得到在不同烈度地震作用下管道的范式等效应力统计结果。

本方案通过数值模拟手段引入管道地震动力响应分析，进而对定量指标权重进行定量优化。同时为将数值模拟的管道地震动力响应分析结果转换为指标的权重值，需要利用灰色关联度进行求解转换。

此外，本案发明人在大量研究过程中发现，由于地震波的原始记录是不同地震台记录的当地结果，因此原始时程记录无法满足本申请中数值模拟所需要的不同烈度地震动输入的要求，故本发明在数值模拟前对地震波进行调幅处理以克服此问题。

进一步的，步骤S313包括：

步骤S3131、确定参考序列

其中

步骤S3132、通过如下公式计算参考序列的相对变化率

式中，

步骤S3133、计算各参考序列与比较序列之间的灰色关联系数

式中，

步骤S3134、计算各定量指标关于范式等效应力的灰色关联度

步骤S3135、根据如下公式对各定量指标的灰色关联度进行归一化处理，得到各定量指标的权重

本方案对定量指标的权重具体计算过程进行了细化：首先确定参考序列和比较序列，设参考序列

进一步的，定性指标的权重确定方法包括：

步骤S321、建立层次结构模型；

步骤S322、建立比较矩阵

步骤S323、计算重要性排序指数；

步骤S324、建立判断矩阵

步骤S325、求取判断矩阵

步骤S326、求取传递矩阵

步骤S327、求取拟优一致矩阵

步骤S328、求取拟优一致矩阵

步骤S329、求取定性指标的权重

本方案对定性指标的权重具体计算过程进行了细化：

首选将研究对象转化为有层次和调理的结构模型，之后建立比较矩阵；比较矩阵的实际数据来源于专家经验，因此建立比较矩阵之前首先进行专家问卷设计，而后建立比较矩阵，再依次执行后续步骤。本方案克服了现有技术中难以对定性指标的权重进行量化的缺陷，相较于现有技术而言具有明显进步。

进一步的，所述单指标未确知测度矩阵表达为：

式中，

本方案中，对于因素空间

进一步的，所述多指标综合测度评价向量的计算方法包括：计算准则层各风险因素的测度向量；基于各测度向量，计算多指标未确知测度评价矩阵，建立多指标综合测度评价向量。

进一步的，风险等级k的识别方法为：

式中，λ为置信度；

本申请中评价空间的风险等级的划分是有序的，输气管道震害风险水平随等级升高随之增大。根据未确知测度的概念，各风险等级是评价空间的有序分割类。对于有序空间利用最大隶属度准则进行风险识别是不准确的，因此本方案引入置信度准则确定风险等级，最终得到上述风险等级k的识别方法。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种输气管道震害评价方法，将定性指标的取值进行定量化处理，将定性指标作为评价指标中不可或缺的重要内容参与后续评价内容，保证了评价指标的完整性和全面性。

2、本发明一种输气管道震害评价方法，对评价指标的设置具有全面化、系统化的优点，克服了现有技术中评价指标片面、考虑因素不足的缺陷，提高了最终评价结果的准确性。其中将每个评价指标分别对应归纳至地震危险性风险因素、管道易损性风险因素、灾害损失风险因素三者之一内，将风险因素分为三个大的方向进行考虑，有利于降低计算量，提高建模效率；并且将灾害损失风险因素纳入评价，即是将失效后果作为输气管道震害风险评估的主要因素之一，还克服了传统评价方式忽略失效后果的缺陷，显著提高了对输气管道震害风险评估的全面性和准确性。

3、本发明一种输气管道震害评价方法，通过数值模拟手段引入管道地震动力响应分析，进而对定量指标权重进行定量优化；还采用正交试验以减少计算工况；同时引入各定量指标各自关于范式等效应力的灰色关联度计算，克服了现有技术中对于定量指标的权重获取依靠专家赋值，主观性过强的问题，能够显著提高定量指标权重取值的客观性和准确性，减少人为因素的干扰。

4、本发明一种输气管道震害评价方法，克服了现有技术中因输气管道与震害相关的详细数据资料匮乏、难以对定性指标的权重进行客观量化的缺陷，相较于现有技术而言具有显著进步。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例的风险评价流程示意图；

图2为本发明具体实施例中层次结构模型示意图；

图3为本发明具体实施例中地震波加速度时程。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

一种输气管道震害评价方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、收集输气管道的基础数据，基于所述基础数据将输气管道划分为若干个评价单元，并制定评价指标；

所述基础数据包括管径、壁厚、管材、服役年限、人口密度、抗震设防烈度和站场分布；

所述评价指标包括：震级-频率系数、沿线地震动峰值加速度、断层、地震地质灾害、外径、壁厚、运行压力、埋深、管材、服役年限、管道节点、抗震设防烈度、泄漏程度、建筑密度、人口密度、H

S2、确定各评价单元内各评价指标的取值，将所述评价指标分为定量指标、定性指标；将所有定性指标的取值定量化；并将各评价指标归纳至不同的风险因素内；

S3、分别确定各评价单元内定量指标、定性指标的权重；

S4、建立准则层，得到各风险因素的单指标未确知测度矩阵；

S5、基于步骤S3得到的权重、以及步骤S4得到的各风险因素的单指标未确知测度矩阵，建立目标层，得到多指标综合测度评价向量；

S6、识别各评价单元的风险等级。

本实施例中，所述风险因素分为如下三类：

地震危险性风险因素，包括如下评价指标：震级-频率系数、沿线地震动峰值加速度、断层、地震地质灾害；

管道易损性风险因素，包括如下评价指标：外径、壁厚、运行压力、埋深、管材、服役年限、管道节点、抗震设防烈度；

灾害损失风险因素，包括如下评价指标：泄漏程度、建筑密度、人口密度、H

实施例2：

一种输气管道震害评价方法，以四川盆地某长输管线中气源管道部分为例：该输气管道长度达300多km，超过50%管线处于抗震设防烈度为6烈度及以上的山区，地形地质条件复杂，断裂构造活跃。该气源管道担负某市200余万人口生活、工业、交通等方面的天然气供给任务，因此处于地震频发区气源管道的安全运营管理非常重要。本实施例选择其中某两配气站之间的管道进行评价应用，具体评价过程如下：

一、该段输气管道长29.179km，设计日供气量15.0×10

二、通过前期收集到的管道基础数据以及调查情况确定各个评价单元内每个评价指标的取值。以评价单元管段1（指定为评价单元1）为例，其基础资料的详细说明如表1所示：

表1 评价单元1评价指标基础资料说明

根据分级标准量化法将定性指标定量化并形成如表2所示的分级标准，表3是表2中定性指标的分级标准说明。

表2输气管道震害风险评价指标的分级标准

表3定性指标分级标准说明

根据表2与表3所示的分级标准，确定表1中评价指标的具体取值结果，如表4所示：

表4 评价单元1指标取值结果汇总

三、评价指标的权重确定

1、确定定量指标的权重：

1）正交试验设计

本实施例采用正交试验法设计了5因素5水平的组合方案，各定量指标的水平设置如表5所示，

表5各定量指标的水平设置

表6 正交试验设计表

2）地震作用下埋地管道数值模拟

时程分析法是根据材料及构件的弹性（或非弹性）性能对结构动力方程做积分求解的方法。多自由度体系在地面运动作用下振动方程为，该方程可求解结构体系在各时刻的加速度、位移和速度，进而计算出结构的内力。该方程中：

基于时程分析法，利用有限元软件建立埋地管道数值模型，在此基础上选择典型地震波对正交试验表中的每一组工况进行地震动力响应计算。该计算方法在本实施例中的具体运用步骤如下：

（1）输入地震波：地震作用下埋地管道的数值模拟采用时程分析法，并在有限元软件ABAQUS中输入三向地震动作为管道地震动力响应分析地震波的输入。

本实施例选择典型的汶川波，以加速度时程作为地震动输入，时程曲线如图3所示。按照GB50011-2010《建筑抗震设计规范》中水平轴向：水平横向：竖向加速度最大值=1：0.85：0.65的建议对水平横向和竖向地震动的输入值进行取值。

由于汶川地震波的原始记录是不同地震台记录的当地结果，因此原始时程记录无法满足数值模拟所需要的不同烈度（6~10烈度）地震动输入的要求，故在数值模拟前，对地震波按照公式

其中关于不同烈度所对应的调整后的地震波时程曲线峰值加速度值参照GB50011-2010《建筑抗震设计规范》中所规定的抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系以及GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》中的场地地震动峰值加速度与地震烈度对照表附录G进行取值。

（2）建立数值模型：本实施例建模过程中，管土接触选用面与面接触类型，将刚度较大的管道外表面设为主表面，刚度较小的土体内表面设为从表面。接触属性分别定义法向行为和切向行为，法向行为定义为“硬”接触，接触后可分离；切向行为通过“罚”函数进行定义，管道与土体间的摩擦系数取为0.5。将土体和管道的前、后表面设置为对称约束“ZSYMM”，土体的左、右侧面设置为对称约束“XSYMM”。在土体底面分别沿Z轴、X轴和Y轴输入水平轴向、水平横向和竖向的三向地震动。

管道和土体网格为八节点线性六面体减缩单元C3D8R。通常而言，加强网格密度能够增大模型计算的精度，但密集的网格又会导致计算时间过长，所占内存过多。因此为提高计算机工作效率将土体与管道接触段的局部网格细化，同时对管道本身的网格尺寸进行敏感性分析，分析结果能够为消除网格尺寸带来的误差影响作参考。

本实施例的评价单元1中，当管道网格单元总数划分为40000左右时计算精度较高且计算效率最快，因此本实施例选择该管道单元尺寸对网格进行划分。最终总模型的网格数目为147392。

（3）模型计算：基于所选取的地震波以及建立的数值模型在有限元计算软件中进行管道地震动力响应计算，并观测、提取、记录相关数据，为最终求取权重做准备。本实施例的计算结果如下：

①正交试验设计编号1-5，在6烈度地震作用下的管道范式等效应力结果统计如表7所示：

表7 正交试验设计编号1-5地震动力响应结果

②正交试验设计编号6-10，在7烈度地震作用下的管道范式等效应力结果统计如表8所示：

表8 正交试验设计编号6-10地震动力响应结果

③正交试验设计编号11-15，在8烈度地震作用下的管道范式等效应力结果统计如表9所示：

表9正交试验设计编号11-15地震动力响应结果

④正交试验设计编号16-20，在9烈度地震作用下的管道范式等效应力结果统计如表10所示：

表10 正交试验设计编号16-20地震动力响应结果

⑤正交试验设计编号21-25，在10烈度地震作用下的管道范式等效应力结果统计如表11所示：

表11正交试验设计编号21-25地震动力响应结果

3）灰色关联度计算

（1）确定参考序列

（2）通过如下公式计算参考序列的相对变化率

式中，

表12相对变化率计算结果

（3）计算各参考序列与比较序列之间的灰色关联系数

式中，

表13 灰色关联系数计算结果

（4）根据公式：

表14 灰色关联度计算结果

（5）最后，根据公式

表15 定量指标权重计算结果

2、确定定性指标的权重：根据改进AHP法确定定性指标权重，改进的AHP采用三标度法构造判断矩阵，计算结果不需要一致性检验，精度高，速度快。

四、建立准则层，得到各风险因素的单指标未确知测度矩阵；

根据各管段每个风险因素中的评价指标取值，及表2中指标分级标准关系，构造相应测度函数，并求得相应的单指标测度向量；将各单指标测度向量进行整合，得到准则层风险因素的单指标未确知测度矩阵：

式中，

五、建立目标层，得到多指标综合测度评价向量；

基于汇总的权重计算结果和建立的各风险因素的单指标未确知测度矩阵，首先确定准则层风险因素的测度向量，用

六、风险等级识别：

利用置信度准则确定管段1的风险等级，工程中置信度λ一般取0.6或0.7。因此，根据风险等级识别公式 ：

计算管段1（评价单元1）的风险等级，具体过程如下：

当λ=0.7时，

当λ=0.6时，

其中：

最后，参考上述管段1的计算过程，对管段2-7展开评价，得到各自的风险等级，其结果汇总如表16所示。

表16 管段1-7震害风险等级识别结果汇总

实施例3：

在实施例2的基础上，定性指标的权重确定过程如下：

步骤1、建立如图2所示的层次结构模型；

步骤2、建立比较矩阵

步骤3、计算重要性排序指数

步骤4、建立判断矩阵

式中：

步骤5、求取判断矩阵

式中：

步骤6、求取传递矩阵

式中，

步骤7、求取拟优一致矩阵

式中，

步骤8、求取拟优一致矩阵

1）计算

2）方根

3）归一化

步骤9、求取定性指标的权重

本实施例最终得到的各评价指标的权重计算结果如表17所示，表17中包含了定量指标和定性指标的权重计算结果：

表17评价指标权重计算结果

实施例4：

在实施例3的基础上，步骤2中比较矩阵

基于比较矩阵

前述方法具体到本实施例的应用中，以管道易损性风险因素为例，即是：通过

表18管道易损性风险因素中比较矩阵的专家问卷设计表

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。