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基于DEA的輸油管道安全風(fēng)險(xiǎn)評估方法的研究

文檔作者：田勁松文檔來源：中國石油天然氣管道局國際事業(yè)部		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月26日
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石油天然氣學(xué)報(bào)2012年8月第34卷第8期
Journal of Oil and Gas Technology Aug．2012 Vo1．34 No．8 · 315 ·
基于DEA的輸油管道安全風(fēng)險(xiǎn)
評估方法的研究
田勁松 (中國石油天然氣管道局國際事業(yè)部，河北廊坊065000)
[摘要]針對在對輸油管道的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估中碰到從不同角度統(tǒng)計(jì)和分析的數(shù)據(jù)可能造成沖突，導(dǎo)致
無法科學(xué)合理地對管道安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估的問題，提出了一種基于DEA (數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法)對管道進(jìn)
行安全風(fēng)險(xiǎn)分析的方法， 以對多個影響因子作為輸入的管道的相對安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，并通過模擬數(shù)字
與實(shí)例說明了具體實(shí)現(xiàn)。從而驗(yàn)證了通過數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法來對輸油管道進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估的可行性。
[關(guān)鍵詞]輸油管道；安全風(fēng)險(xiǎn)評估；DEA
[中圖分類號]TE881 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]i000—9752(2012)08—0315—04
目前，由于輸油管道管線的增多，管齡的增長以及腐蝕、磨損等自然或者人為破壞或損害等原因，
輸油管道存在較多的安全問題。安全隱患突出，輸油線路安全運(yùn)行受到威脅，可能造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)
和經(jīng)濟(jì)損失，并且可能危及人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和生存環(huán)境安全。因此，如何綜合評估輸油管道的安全
狀況，為油氣傳輸提供穩(wěn)定可用保障，對提高公司運(yùn)營效率，降低運(yùn)營成本非常重要。傳統(tǒng)的管道施工
管理，由于缺乏科學(xué)管理的手段和工具，對施工進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、人員考核等無法做到精細(xì)化管
理，采集的施工數(shù)據(jù)也沒有統(tǒng)一的平臺進(jìn)行管理和應(yīng)用，數(shù)據(jù)不能共享還易造成丟失，進(jìn)而造成后期管
道運(yùn)營基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺失，影響管道的安全運(yùn)行[1]。筆者探討了運(yùn)用DEA (Data Envelopment Analysis，
數(shù)據(jù)包絡(luò)分析)對多個影響因子作為輸入的輸油管道的相對安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估的方法，該方法能夠解決
在管道安全標(biāo)準(zhǔn)暫時無法達(dá)成一致和多輸入影響因子條件下難以對管道安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)客觀評估
的問題。
1 相關(guān)背景
當(dāng)前輸油管道主要面臨的安全問題有：① 腐蝕。腐蝕是管道的大敵，是導(dǎo)致管道穿孔泄露的重要原
因。② 盜油分子破壞。在輸油管道上打孔盜油，對輸油管道的安全運(yùn)行是最大的威脅。隨著國內(nèi)外市場
油價的不斷上漲和對原油需求的不斷增長，不法分子打孔盜油的行為日益猖獗。③ 管道低輸量運(yùn)行。原
油管道低輸量運(yùn)行在各個產(chǎn)油國都比較普遍。管道處于低輸量狀態(tài)后，將造成輸油能源單耗增加，并影
響管道的運(yùn)行安全，嚴(yán)重的還有可能造成凝管事故[2矗]。面對這些威脅，對輸油管道安全風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行
評估時，可能會采用的影響因子包括管道長度、建設(shè)投入成本、運(yùn)維成本、建設(shè)壽命、原油運(yùn)輸量等。
如何利用這些數(shù)據(jù)推斷一段輸油管道的安全風(fēng)險(xiǎn)成為了一個復(fù)雜的問題。同時，對管道安全風(fēng)險(xiǎn)評估從
不同的角度可以得出不同的結(jié)論。比如一段統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)發(fā)生事故(包括泄露、偷盜等)的次數(shù)，或者每
傳輸一定量原油發(fā)生事故的次數(shù)等。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，能夠從一些側(cè)面反映該段管道的安全狀況，但是，
當(dāng)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析時，首先，受制于不同段管道的長度和運(yùn)輸能力本身有差距，不能直接用這
些數(shù)據(jù)的絕對值進(jìn)行比較。更重要的是，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常會出現(xiàn)一段管道某個或者某些數(shù)據(jù)值較高，反映出其
安全風(fēng)險(xiǎn)較高；而另外一些數(shù)據(jù)又很低，反映其安全風(fēng)險(xiǎn)較低，此時，便很難判斷究竟其安全風(fēng)險(xiǎn)是高
[收稿日期]2012一O4—25
[作者簡介]田勁松(1983一)，男，2006年大學(xué)畢業(yè)，工程師，現(xiàn)主要從事油氣管道工程施工管理。
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石油天然氣學(xué)報(bào) 油氣管道工程與設(shè)備 2012年8月
還是低。
對于安全風(fēng)險(xiǎn)評估，學(xué)術(shù)界至今為止已有很多的方法，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、決策樹、支持向量機(jī)、
遺傳算法等基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的算法。雖然這些方法可以有效克服數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和數(shù)據(jù)質(zhì)量差的問題，
能較好地挖掘出數(shù)據(jù)背后所隱藏的風(fēng)險(xiǎn)信息。但是，大多數(shù)數(shù)據(jù)挖掘方法都屬于“黑箱” 操作，評估的
結(jié)果無法從經(jīng)濟(jì)上予以解釋，難以被人理解，更無法與專家知識經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合，因而評估結(jié)果的合理性
受到了很大的質(zhì)疑。同時大多數(shù)方法只適合于定量指標(biāo)的分析，對影響信用風(fēng)險(xiǎn)因素中定性指標(biāo)無法進(jìn)
行有效處理。還有關(guān)鍵的是，這些方法本身的復(fù)雜性，使其難以被各種具體行業(yè)， 比如石油管道傳輸行
業(yè)的的安全風(fēng)險(xiǎn)評估人員所掌握和使用。而且還有一個問題是，這些方法中所要使用到的基線又常常難
以被多個管理者同時認(rèn)可和接受。然而，DEA可以解決這些問題。
DEA (Data Envelopment Analysis，數(shù)據(jù)包絡(luò)分析)，是運(yùn)籌學(xué)、管理科學(xué)和數(shù)理經(jīng)濟(jì)學(xué)交叉研究
的一個新領(lǐng)域。它是根據(jù)多項(xiàng)投入指標(biāo)和多項(xiàng)產(chǎn)出指標(biāo)，利用線性規(guī)劃的方法，對具有可比性的同類型
單位進(jìn)行相對有效性評價的一種數(shù)量分析方法。對于輸油管道而言，DEA最大的優(yōu)點(diǎn)就是它比較的對
象是具有可比性的同類型的單位，這樣，如果要比較各段管道的安全狀況，以了解傳輸網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)前哪些
線路安全狀況良好，哪些正常，而哪些是當(dāng)前的短板需要予以調(diào)整。通過這種同類別的比較，可以迅速
了解整個管線的短板在哪里，而不用依賴于需要長期積累和不斷調(diào)整的基線評估。同時，DEA方法還
能根據(jù)計(jì)算出的各同類型單位的相對效率，這樣也能為預(yù)計(jì)各單位相對于當(dāng)前基準(zhǔn)值的差距提供支持和
幫助。還有也可以運(yùn)用DEA方法對一條輸油管道不同歷史時期的安全狀況進(jìn)行分析，進(jìn)而掌握該段管
道的安全風(fēng)險(xiǎn)狀況的趨勢 ]。
2 DEA原理以及在安全風(fēng)險(xiǎn)評估應(yīng)用中的改進(jìn)
考慮，t個對象或單元，每一個對象有m個不同的輸入，產(chǎn)生s個不同的輸出。一個特定對象j的第i種
輸入指標(biāo)數(shù)據(jù)為X ，X > 0；第r種輸出指標(biāo)數(shù)據(jù)為3，巧，Y > 0； 為第i種輸入指標(biāo)的權(quán)重；“，為第r種
輸出指標(biāo)的權(quán)重。則對象J的評價指數(shù)可表示為：
-_、
厶“r 口
h』==： L 一
1
2J z
i 1
式中，i一1，2，? ， ； = 1，2，? ， ；r= 1，2，? ，s。其含義是，在權(quán)系數(shù) 和“之下，產(chǎn)出與投入之比。對于
權(quán)系數(shù) 和 ，總可以選擇適當(dāng)?shù)闹担沟胔j≤ 1。這樣，對一個特定對象，以其評價指數(shù)：h。一
Σ ，* lΣ *z 為目標(biāo)函數(shù)，以所有對象的評價指數(shù)：hJ=Σ“ * 。／(Σ *z。)≤1，( =1，2，
r= 1 i= 1 r≈ 1 f= 1
? ，，z)為約束，得到評價這個對象的初始DEA模型 如下：
E0
'
m ax[ rΣ≈1 ，*Yz ，。 i年1
Σ ，*Y
h』= }—一≤1 一1，2，?，
Σ *
f； l
“≤ 0 ≤ 0
這個分式規(guī)劃不便于求解，可以變換為等價的線性規(guī)劃：
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第34卷第8期 田勁松等：基于DEA的輸油管道安全風(fēng)險(xiǎn)評估方法的研究
maxEo：= Σ ，*Y
r一1
Σ * 一1
= 1
ΣM，*Y。一Σ *z ≤1 J一1，2，?，
r 一1 i蓋1
U ，72，≥ 0 r：：=1，2，? ， i一1，2，? ，m
(2)
而這個規(guī)劃的對偶規(guī)劃為：
fm a
lΣ * ≤OoX i一1，2，?，
l (3)
IΣz * ≤Y，。，r一1，2，?，s
l =
≥ 0 J一1，2，? ，
由對偶定理知，兩個線性規(guī)劃的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值相等。這里， 的最小值就是上面的h。，即是該對象
的評價指數(shù)。如果 = 1，則該單元是當(dāng)前輸入輸出條件下效率最高的。若 < 1，則表明該單元的效率有待
提高。
在基礎(chǔ)DEA模型中，是輸人越小越 ．．
好，輸出越大越好，這樣該對象的評價
指數(shù)越高。然而，將DEA用于管道安全
風(fēng)險(xiǎn)分析中，希望輸出，即各種風(fēng)險(xiǎn)值 翟
都是越小越好，即安全狀況最好的管道
段，應(yīng)該是給定投入的條件下，得到評
價指數(shù)最小的管道段。比如考慮A、B兩
段管道，其運(yùn)輸一定量原油出現(xiàn)嚴(yán)重安
全事件的次數(shù)如圖1所示：
那么依據(jù)運(yùn)輸一定量原油出現(xiàn)嚴(yán)重
安全事件次數(shù)越少安全風(fēng)險(xiǎn)越小的原則，
可以直觀得出管道A比B風(fēng)險(xiǎn)高的結(jié)論。
這樣可以將經(jīng)過B的這個曲線(F)看成
是管道目前可以達(dá)到的安全程度邊界，
而在F上方的區(qū)域，即A所在的區(qū)域，
是沒有達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域， 即需要調(diào)
整提高的區(qū)域。
原油運(yùn)輸量，lO*t
圖1 原油運(yùn)輸■ 與安全事故次數(shù)關(guān)系示意圖
從數(shù)學(xué)分析上，為了使DEA適應(yīng)于輸油管道安全風(fēng)險(xiǎn)評估的實(shí)際需要，必須對式(2)和式(3)
做如下變形：
maxEo一Σzf* ∞
i一1
Σ ，*Y，。=1
r 一1
Σ *X 一Σ *Y ≤0 j=一1，2，?，
f= 1 i一1
U，， ，≥ 0 r一1，2，? ，s i一1，2，? ，m
(4)
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· 318· 石油天然氣學(xué)報(bào) 油氣管道工程與設(shè)備 2012年8月
而這個規(guī)劃的對偶規(guī)劃為：
fl max0o
．
IΣz * J≥‰ — ，2，?，m
{ (5)
lΣz。* ≤Ooy r一1，2，?，5
≥ 0 一1，2，? ，
這樣，輸入加權(quán)之后的最大的和在式(4)中可以得出。DEA原意中的評價指數(shù)就被重新解釋為管道的
安全系數(shù)，并且評價指數(shù)越高，意味越安全，即風(fēng)險(xiǎn)越小。并且可以依據(jù)式(5)計(jì)算出0的最小值。如果 =
1，則該段管道是當(dāng)前輸人輸出條件下安全狀況最好的，即風(fēng)險(xiǎn)最小。若 < 1，則表明該段管道的安全狀況
有待提高，它可以參考 一1段管道的做法，達(dá)到條件下的最安全狀態(tài)。
3 評估結(jié)果與分析
使用DEA方法對1O段
原油管道的情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評
估，并依據(jù)這些參數(shù)計(jì)算出
當(dāng)前的基線，即當(dāng)前安全風(fēng)
險(xiǎn)控制得最好的管道段。選
取的輸入見表1。選擇一定
周期內(nèi)發(fā)生較嚴(yán)重安全事件
的次數(shù)作為輸出。如： 圖2
輸油管道的輸入與輸出參數(shù)。
圈2 輸油管道的輸入與輸出參數(shù)
通過這些參數(shù)，使用DEA方法，分析這10段管道的風(fēng)險(xiǎn)情況。原始數(shù)據(jù)見表1 (說明：表1中的
數(shù)據(jù)只用來分析說明問題，并非實(shí)際情況)。
表1 10段管道的具體參數(shù)
管道段 長度／100km 運(yùn)輸量*里程／10 t·km 成本／10。萬元 事故次數(shù)
61．41
16．45
0．41
5．31
62．28
59．83
45．56
5．49
1O．62
2．02
68．5
15．O0
O．22
6．43
73．34
79．58
34．96
5．41
8．9O
2．52
29．19
7．47
O．Z3
2．64
31．28
35．89
21．95
2．O8
4．39
1．O3
使用DEA方法進(jìn)行分析后，得到結(jié)果如表2所示的結(jié)果。
表2 DEA分析結(jié)果
管道段 安全系數(shù) 管道段 安全系數(shù) 管道段 安全系數(shù) 0管道段 安全系數(shù) 0管道段 安全系數(shù)
A 1．000 C 1．000 E
F
0．6 6
。B 0．990 D 0．722 3 lI三
(下轉(zhuǎn)第322頁)
5 7 5 4 5 1 O 4 76 1 34 7鉈 盯3 O釘 A B C D E F G 學(xué)兔兔 www.xuetutu.com
石油天然氣學(xué)報(bào) 油氣管道工程與設(shè)備 2012年8月
幅度縮減；③從崗位人員素質(zhì)能力方面來看，對崗位人員綜合素質(zhì)、復(fù)合能力提出更高要求，員工必須
具備多種技能、多種復(fù)合能力、掌握運(yùn)行和維檢兩方面業(yè)務(wù)。
4 結(jié) 語
油氣管道區(qū)域整合技術(shù)在西部管道成功運(yùn)用，是西部管道公司運(yùn)行管理、技術(shù)配置的一次系統(tǒng)、區(qū)
域優(yōu)化的升級，對于西部管道事業(yè)的管理和設(shè)計(jì)具有重要的意義。通過區(qū)域內(nèi)各類資源的優(yōu)化整合，節(jié)
約了大量運(yùn)行成本，人力資源實(shí)現(xiàn)集約化管理和共享，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。
目前，在我國東北、華中、華東、東南等地區(qū)，有多條油氣輸送管道，形成了地區(qū)性管網(wǎng)覆蓋趨
勢，本次油氣管道區(qū)域整合技術(shù)的研究將為這些區(qū)域性整合的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理優(yōu)化提供良好的技術(shù)支
持，將進(jìn)一步提高我國油氣管網(wǎng)總體設(shè)計(jì)水平。
[編輯] 蕭雨
(上接第318頁) ．
由表2可以看出，相對來說管道段A和c安全系數(shù)最高，而管道I和J的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，需要重點(diǎn)
進(jìn)行整頓。
同時也可以認(rèn)為A和C是在現(xiàn)有條件和投入條件下，安全保障措施相對最好的兩段管道段，即應(yīng)
該是其他各段學(xué)習(xí)和改進(jìn)的目標(biāo)，也可以稱之為基線。而其他各段，根據(jù)其安全系數(shù)，可以大致了解其
要達(dá)到A和C的安全水平，需要的投入和工作量的大致水平。
4 結(jié)論和下一步工作
通過DEA方法進(jìn)行分析能夠解決在管道安全標(biāo)準(zhǔn)暫時難以達(dá)成一致和多輸入影響因子條件下難以
對管道安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)客觀評估的問題，避免了對不同角度得出的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)無法正確全面評估一個管
道段的安全狀況的問題，為我們對管道段科學(xué)客觀安全風(fēng)險(xiǎn)評估提供了一個可供參考的思路和方法，也
為后期的安全措施完善提供了依據(jù)和目標(biāo)，能為企業(yè)和國家減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。
當(dāng)然，本文只是介紹DEA方法用于輸油管道的安全風(fēng)險(xiǎn)評估這種工作思路和方法，對于這種方法
的實(shí)際使用效果也需要后續(xù)采用一些實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。同時，下一步也應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，
對該方法如何選擇合適的輸入輸出參數(shù)進(jìn)行篩選和驗(yàn)證。
[參考文獻(xiàn)]
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[編輯] 蕭雨

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