城市埋地天然气管道系统脆弱性评估指标研究

第7卷第7期

2011年7月中国安全生产科学技术JournalofSafetyScienceandTechnologyVol．7No．7July2011文章编号：1673－193X（2011）－07－0092－05

城市埋地天然气管道系统脆弱性评估指标研究

12赵秀雯，柴建设*

（1．中国人民武装警察部队学院消防指挥系，廊坊065000）

（2．首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京100070）

摘要：脆弱性作为安全领域研究的新兴名词，用来表示系统承受外界扰动的敏感性和易损性以

及面对灾害后果的承受力和应对能力，是联系灾害与风险研究的重要桥梁，是系统安全状况的重

“脆弱性”要综合指标。文章在引用以及重新界定概念的基础上，将其引入城市天然气管道系统的

安全研究，结合城市天然气管道系统的灾害事故特点，分析影响城市埋地天然气管道系统脆弱性

22项的主要因素，根据因素间的相互关系，建立包括致灾因子、灾害后果和应对措施等3个方面、

指标的多因素多级评价指标体系。运用层次分析法（AHP）的原理和计算过程确定各评价指标的

权重，根据指标权重的大小比较，分析各指标对城市天然气管道系统安全脆弱性的影响程度，从而

确定安全治理的主要方向。

关键词：城市天然气管道；脆弱性分析；层次分析法；指标权重

中图分类号：X913文献标识码：A

Studyonindicatorsofvulnerabilityassessmentforcityburiedgaspipelinesystem

2ZHAOXiu-wen1，，CHAIJian-she2

（1．TheChinesePeople'sArmedPoliceForcesAcademy，Langfang065000，China）

（2．．CapitalUniversityofEconomicsandBusiness，Beijing100070，China）

Abstract：Asanewterminthefieldofsecurityresearch，vulnerabilityhasbeenusedtoindicatethesensitivitywhenitsufferedtheoutsidedisturbances，theaffordabilityandtheabilitytocopetheeffectsofdisasters．Vulnera-bilityistheimportantbridgebetweendisastersandrisk，anditisthecompositeindexeswhichrepresentthecondi-tionofsystem'ssafety．Basingonthedefinitionofvulnerability，thisconceptionwasintroducedtothesafetyresearchofcityburiedpipelinesystem．Combinedwiththesystem'sdisastercharacteristics，thesystem'smainvulnerabilityfactorswereanalyzed．Accordingtotherelationshipbetweenthefactors，theassessmentindexsystemwasestab-lished，whichincludesthehazards，disaster'sconsequencesandcopingmeasuresetcthreefactorswhichincludes22indexes．Analytichierarchyprocesswasappliedtodeterminetheweightofeachindex，accordingtotheindex

todeterminethemaindirectionofsecurityweighttheaffectionbetweentheindexandpipelinesystemwasanalyzed，

governance．

Keywords：cityburiedgaspipeline；vulnerabilityassessment；analytichierarchyprocess；indexweight

供电、燃气、供水、供热、道路等公共设施被称之

“城市生命线”，为是保证城市正常运转最重要的基

础设施，任何环节滞后或故障都可能导致整个城市

瘫痪。其中城市天然气管道这一“生命线”不仅脆03-28收稿日期：2011-*基金项目：北京市创新人才计划“北京市天然气管道系统

脆弱性评估与天然气泄漏扩散模拟研究”

第7期中国安全生产科学技术·93·

弱而且危险。首先，天然气作为能源材料，本身具有易燃、易爆、有毒等化学危险特性，一旦泄漏可能引发中毒或火灾事故；其次，天然气管道一般都具有一定的压力，一旦发生泄漏，容易引发爆炸事故，使灾作为输送天然气的媒介，害后果进一步扩大。因此，

正确评价和掌握城市各区域天然气管道的安全状况，确保管道安全运行具有重要的现实意义。脆弱性是近几年来安全领域的新兴名词，它与系统的扰动敏感性、系统易损性，后果承受力及灾害应对力能力密切相关，是联系灾害与风险研究的重

是系统安全状况的综合体现。系统脆弱性要桥梁，

评估与传统风险评估类似，都是实现系统安全评价

的一种手段或方法，二者的主要区别在于，脆弱性评估考察的是系统某时段的综合安全状况；而风险评估则是以某一具体事故为研究对象，分析系统存在引发该事故的隐患，根据隐患的大小，评价系统发生该事故的风险大小。

通常情况下，系统的事故敏感性越强，后果严重度越大，应对能力越差，则系统脆弱性越高；反之则系统脆弱性低。

2

城市埋地天然气管道系统的脆弱性指标

分析

“indicator”“indicare”，指标，英文来自拉丁文具

有揭示、指明、宣布或者使公众了解等涵义。它是帮助人们理解事物如何随时间发生变化的定量化信

［4］

是反映总体现象的特定概念和具体数值。从息，

本文定义的天然气管道系统脆弱性的概念出发，确

应从三定影响城市天然气管道系统脆弱性的指标，个方面展开分析，如图1所示。

1脆弱性的概念

2.1

图1城市天然气管道系统脆弱性

1974年由美国关于脆弱性的起源，有文献显示，

《NaturalHazards》学者G．F．White在其著作中首次提出。之后广泛应用于金融、生态、地下水系统的研

究，其在安全领域的研究起步比较晚，可借鉴的成果较少。就其定义而言因研究的领域和对象不同，而不尽相同，但对照比较，综合概括可以得出，基于安全角

［2］度出发，脆弱性都具有以下三个方面的含义：［1］

致灾因子脆弱性分析

“致灾”所谓即导致灾害发生，其分析的出发点

应从管道系统的事故原因进行查找。根据国内外的

统计资料显示，虽然造成管道事故的原因很多，但其中占主要地位的有三个，分别是第三方破坏、腐蚀和

［5］

操作缺陷。

（1）第三方破坏。又称作外部干扰，它是指管道职工以外的其他人员直接或间接作出的对管道可能产生一定损坏或干扰的行为，从而导致管道破裂，最终造成燃气外泄。第三方破坏对管道脆弱性影响很大，是构成致灾因子脆弱性的主要方面。基于对第三方破坏的理解，可得出产生第三方破坏的主要因素有：①管道的最小埋地深度；②地上情况；如人口密度、人员素质，车流量等均属于该因素表征的内容；③是否有违章建筑以及违章建筑的占地面积的大小；④管道运行的路线是否有清楚的标志；⑤巡线频率。

（2）腐蚀破坏。所谓腐蚀是一种化学反应，是金属在潮湿的空气中水份与氧气共同作用的结果，或是化学物品侵蚀的结果。腐蚀是管道遭受的主要破坏之一，根据作用部位不同可分为内腐蚀和外腐蚀两类。内腐蚀多数是由于输送介质的化学腐蚀所致，其风险大小受输送介质的腐蚀性大小决定，但也

①表明系统内部存在一定的不稳定性因素；②系统对外界的干扰和变化具有一定的敏

感性；

③面对干扰，系统容易发生质的转变，这种转变难以复原，表现出一定程度的损失或损害。有了对系统脆弱性的综合概括和理解，结合论文的研究目的，作者给出了城市埋地天然气管道系统的脆弱性概念，即：城市埋地天然气管道的脆弱性是系统的一种状态属性，它包含三个方面的内容。一是系统受外界干扰和自身因素影响导致事故的敏感性，即系统的致灾因子脆弱性；二是系统发生事故后可能导致的后果严重程度，即后果脆弱性；三是系统本身及相关部门应对灾害的能力大小，即应对能力脆弱性。

［3］

·94·中国安全生产科学技术

［6］

第7卷

可以采取相应的防腐措施进行控制。区别于长输

管道，城市天然气管道内部介质变化不大，大气腐蚀和管内腐蚀不明显，因此，其腐蚀破坏主要考虑外腐蚀。通过学习、咨询，概括分析，我们得到管道外腐蚀的影响因素主要来自以下五个方面：①土壤性质；②防腐层状况；③阴极保护情况；④杂散电流情况；⑤管道使用年限。

（3）操作缺陷。所谓操作缺陷是指管道的操作管理者因自身的错误而导致管道失效，即管道脆弱

——误操作。美国统计局的统性的另一个重要因素—

在美国的所有管道灾害中，因人的误操计数据显示，

［7］

作造成的管道事故占60%以上，必须引起人们的高度重视。管道误操作一般包括：①设计误操作；②施工误操作；③运营误操作；④维护误操作。以上四个方面的误操作一般都是因为参与设计、施工、运营和维护的人员专业知识缺陷或者是工加上责任心不强，监督管理不到位等原作态度马虎，因造成。2.2

后果脆弱性分析

如果一起事故可能导致的人员伤亡、经济损失及社会影响都很小，虽然发生频率较高，但某种程度上也是可以被人们所接受的，其综合脆弱性可能比后果严重程度高、发生频率小的事故更低。因此，评估系统脆弱性还应综合考虑其事故后果严重程度。

［8］

“人、事故后果一般从机、环”三个方面考察。“人”的方面，人口密度大，自我保护和防控能力差，

。“机”可能会加剧人员伤亡程度这里指事故中遭到破坏的建筑设施和经济损失。城市重点基础设施

密集区（如水、电、气等能源设施，民航、铁路、隧道等交通设施，消防、防汛、防震等放在设施）、大型公众聚集场所密集区（如商场、客运车站、码头、体育场馆和公共娱乐场所）都可在一定程度上增加事故的经济损失。此外，天然气管道的输气量和压力大。“环”小也可增加事故后果严重度这里是指事故造成的环境污染和社会影响程度。归纳起来，天然气管道系统事故后果脆弱性指标选取四个，分别为：①人员伤亡；②财产损失；③停气损失；④社会影响。2.3

应对能力脆弱性分析

应对能力是从减少灾害损失程度和提高灾后恢复的角度出发分析影响系统脆弱性的指标。应对能力越强，脆弱性越低，系统越安全。应对能力是脆弱

性的负项指标，是近几年来风险管理和安全决策的

重点内容。结合防灾、减灾、控灾等各环节的特点和需求，评估时一般考虑的指标有：①灾害行政管理机构设置完善程度；②公众灾害教育情况。包括教育深度和广度；③应急预案情况。包括其制定的范围、

的完善程度及演练情况；④灾害救援组织情况。包括人员和装备数量、救灾能力和实践。

3系统脆弱性指标体系的构建

通常情况下，研究对象的总体面貌或某方面特征需要一系列相互联系的指标结合在一起，这就是

［9］

指标体系。指标体系是实现系统安全评价的重要工具，也是脆弱性评估的关键环节。根据以上分

析得出的影响城市天然气管道系统脆弱性的主要因素，结合因素间的相互关系，建立如图2所示的城市埋地天然气管道系统脆弱性评估指标体系

。

图2城市埋地天然气管道系统的脆弱性指标体系

4层次分析法确定指标权重

权重是衡量各项指标和准则层对其目标层贡献程度大小的物理量，是指标体系实现评估功能的主要工具。多指标建模的过程中，权重分配是一个不可避

［10］

免的问题。考虑到层次分析法在定量分析与客观本文采取该方法为城市状况吻合方面有较多优越性，

天然气管道系统脆弱性指标体系确定各指标权重。

结合层次分析法的原理，通过咨询专家对判断

第7期中国安全生产科学技术

表6

腐蚀脆弱性土壤腐蚀性防腐层状况阴极保护状况杂散电流使用年限

权重0.6480.1220.23

3λmax

·95·

矩阵中的指标进行两两比较，确定其标度值。为了减少主观因素的影响，本文在因素重要性比较中邀请了10位专家打分，并将其打分加权平均，尽可能保证指标重要性标度的合理性，各指标标度取值和权重计算见表1－7所示。

表1

城市天然气管道系统脆弱性三级判断矩阵及其指标权重

系统脆弱性致灾因子脆弱性后果脆弱性应对能力脆弱性

致灾因子脆弱性11/51/3

后果脆弱性512

应对能力脆弱性31/21

腐蚀脆弱性五级判断矩阵及其权重

土壤腐蚀性14231/2

防腐层阴极保杂散使用状况1/411/31/21/5

护状况电流年限1/23121/2

1/321/211/3

25231

权重0.1020.4230.150.2520.073

5.07λmax

表7

操作缺陷脆弱性

操作缺陷脆弱性四级判断矩阵及其权重

设计操作缺陷1267

施工操作缺陷1/2156

维护操作缺陷1/61/512

运营操作缺陷1/71/61/21

权重0.0580.0890.3370.516

4.07λmax

设计操作缺陷施工操作缺陷运营操作缺陷

λmax3.06

维护操作缺陷

表2致灾因子脆弱性三级判断矩阵及其权重

第三方破坏

11/31/7

腐蚀311/5

操作缺陷

751

权重0.6430.280.077

致灾因子脆弱性第三方破坏

腐蚀操作缺陷

由于城市天然气管道系统脆弱性评估指标具有

而不同的人对事物的判断又存在复杂性和多样性，

模糊性和差异性，因此，专家打分及加权平均等方法

获得的重要性判断矩可能存在一些偏差。要求每一

表3

后果脆弱性人员伤亡财产损失停气损失社会影响

后果脆弱性四级判断矩阵及其权重

人员伤亡11/51/71/8

财产损失511/51/6

停气损失7511/2

社会影响8621

权重0.6140.2540.080.052

4.25λmax

我们只个判断矩阵具有完全的一致形式不太可能，

使AHP法得到能要求判断矩阵具有满意的一致性，

的结果基本合理，这就需要我们在评价过程中对判

断矩阵进行一次性检验。

一致性检验按照公式CR=

CI

进行，其中：CI=RI

表4

应对能力脆弱性

应对能力脆弱性四级判断矩阵及其权重

行政管理体制131/36

公众灾害教育1/311/45

应急预案3417

救援组织力量1/61/51/71

权重0.1150.210.0580.618

λmax－n

，RI为平均一致性指标，可查表8。n－1

表8

阶数RI

10

20

3

4

行政管理体制公众灾害教育应急预案救援组织力量

平均一致性指标RI

5

6

7

8

9

101.49

0.520.891.121.261.361.411.46

表5

脆弱性最小埋深地上情况违建情况巡线频率

第三方破坏脆弱性五级判断矩阵及其权重

最小埋深11/31/41/51/5

地上情况311/41/51/5

违建情况4411/41/5

巡线频率55411/2

道路沿线标志55521

权重0.4350.2810.1650.0690.05

5.4λmax

第三方破坏

当CI=0时，判断矩阵具有完全一致性；CI越大，判断矩阵的一致性就越差。一般而言1或2阶判断矩阵总是具有完全一致性。对于2阶以上的判断矩阵，其一致性指标CI与同阶的平均一致性指标RI之比，称为判断矩阵的随机一致性比例，记作CR。一般CR＜0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则就需要调整判断矩阵，直到满意为止。

按照一致性检验方法进行一致性检验，本论文

道路沿线标志

·96·中国安全生产科学技术第7卷

各层次指标的判断矩阵均通过一致性检验。因此，指标体系的权重向量分别为：

A=［0.648A1=［0.643A2=［0.614A3=［0.115A11=［0.435A12=［0.102

0.1220.28

0.23］0.077］

0.052］0.618］0.0690.252

0.05］0.073］

transportationaccidenceinChina［J］．JournalofSafetyScienceandTechnology，2007，3（6）

4］姚愉芳，——［贺菊煌，等．中国经济增长与可持续发展—

D］，理论、模型与应用［北京

YAOYu-fang，HEJu-huang，etal．China'sEconomicGrowthandSustainableDevelopment-Theory，ModelandD］，BeijingApplication［

［5］肯特WKent．Pipeline风险管理手册［M］．美国休斯

1996顿：Guff出版公司，

［6］潘家华．油气管道的风险分析（续完）［J］．油气储运，

1995，14（5）：3-10

PANJia-hua．RiskAnalysisofOilandGasPipeline（con-tinued）［J］．GasStorageandTransportation，1995［7］王晓梅．城市埋地燃气管道的风险评价［D］．南京：南

2006京工业大学，

［8］张永领．公共安全管理中的环境脆弱性研究概述［J］．

2009，10（3）：491-495河南理工大学学报，

ZHANGYong-ling．TheStudyofenvironmentalvulnera-J］．HenanUniversitybilityinPublicSafetyManagement［ofTechnology，2009，10（3）：491-495［9］

胡健颖，冯泰．实用统计学．北京：北京大学出版1996社，

［10］杜艳，J］．管谢英，王子豪，等．天然气管道事故分析［

2009，2：16-18道技术与设备，

hao，etal．TheAcci-DUYan，XIEYing，WANGZi-dentAnalysisofNaturalgaspipeline［J］．PipelineTechnologyandEquipment，2009，2：16-18

［11］谢季坚．模糊数学及其应用（第二版）．武汉：华中理

2000工大学出版社，

［12］师立晨，高建明，吴斌．危险化学品企业外部安全防

．中国安全生产科学技术，护距离标准制订探讨［J］2010，6（6）

SHILi-chen，GAOJian-ming，WUBin．Discussofdraftingstandardofexternalsafetyprotectiondistancefordangerouschemicalenterprises［J］．JournalofSafetyScienceandTechnology，2010，6（6）

13］柴建设，［赵秀雯．城市埋地天然气管道系统的脆弱性

．中国安全科学学报，评价模型及其实例应用［J］2010，（9）

CHAIJian-she，ZHAOXiu-wen．TheIndicatorsofVul-nerabilityAssessmentaboutCityBuriedGasPipelineSystem［J］．ChinaSafetyScienceJournal，2010，（9）

0.2540.21

0.080.058

0.2810.423

0.1650.15

A13=［0.058

0.0890.3370.516］

5结论

根据指标权重向量A可以得出，对于整个天然

气管道系统而言，致灾因子脆弱性对系统脆弱性影响程度最大，因此，在日常安全管理中应加强监管，及时发现和消除事故隐患。对于二级脆弱性指标，A2、A3权重向量得出，根据A1、第三方破坏、人员伤救援组织力量三个指标分别是致灾因子脆弱性、亡、

后果脆弱性及应对能力脆弱性的主要贡献指标，因此，也是日常管理重点控制和发展的对象。最后，由三级指标权重向量又可进一步分析得到，对于致灾因子的三个脆弱性影响指标第三方破坏、腐蚀、操作缺陷的脆弱性影响因素中，管道的最小埋深、防腐层状况以及维护时的误操作是导致上层指标脆弱的主要原因，在日常管理和工作部署中应有针对性的加强投入

［13］

。

参考文献

［1］陈倬，J］．佘廉．城市物流系统脆弱性的概念与内涵［

2007，5（8）：5-8物流科技，

CHENZhou，SHELian．Vulnerabilityofurbanlogisticssystemconceptandconnotation［J］．LogisticsTechnolo-gy，2007，5（8）：5-8

［2］刘燕华，M］．北李秀彬．脆弱生态环境与可持续发展［

2001京：商务印书馆，

［3］赵来军，肖志杰，张汀华．我国液化石油气运输安全事

J］．中国安全生产科学技术，故预防与应急对策研究［2007，3（6）

ZHAOLai-jun，XIAOZhi-jie，ZHANGTing-hua．Re-searchontacticsofpreventionandemergencyonPLG