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管道完整性维护决策优化模型解析

第23卷第5期油　气　储　运

管道完整性维护决策优化模型

陈利琼3　张　鹏

（西南石油学院）

（中国石油管道分公司乌鲁木齐输气处）（西南石油学院）

范志刚赵春兰

陈利琼　张　鹏等:

管道完整性维护决策优化模型,,23　　摘　要　析,。

对模型中的状态变量、决策变量、。

　　维护　　决策　　优化　　模型

　　在役管道完整性是指在运行条件下,管道系统及各组成部分能够满足运行要求,安全经济地完成

1〕

输送任务的各项性能指标的完整程度〔。

目前,世界上许多大型油气管网都进入了老龄阶段,其完整性情况日趋恶化,大大影响了管道运行的经济性与安全性,在役管道的完整性维护已成为全世界管道公司关心的一个主要问题。

突破维护资源的资金限制,选择最佳的管道完整性维护措施,最简便的方法是进行决策分析,而要进行定量的管道完整性维护决策分析,就有必要建立决策的数学模型。

题中而发展起来的一种决策方法。

它以主观概率和反映个人价值取向的效用函数为主要概念,大大开拓了统计决策方法领域,是决策理论的一个分支。

决策分析提供了一种定量的决策方法,已经发展成为运筹学、系统科学和管理工作的重要工具。

3〕

图1〔是一个管道整体性维护问题的简化决策影响图,该图由节点网络和方向弧线组成,节点代表影响决策问题的参数,弧线代表这些参数之间的关系。

方形节点即决策节点代表一个确定参数（或行动或方案）,

圆形节点即机会点代表一个不确定性参数。

管道状态指管道是否会失效,这是一个不确定性参数。

决策节点到管道状态节点的弧线表示后者在某种程度上依赖于前者,后果是不确定性的,取决于决策和管道状态。

图1中的圆角方形节点为值节点,代表决策准则,是优化的基础。

如果值函数定义为“使更好的决策具有较高期望值”时,最优决策就是使期望值最大的那一个决策。

图1包含了决策问题中的对象。

一般地,一个决策问题必须具备以下5个条件。

（1）决策者必须有希望达到的明确的目标。

（2）给出系统所处的各种可能状态。

（3）存在着供人们选择的不同决策方案。

（4）知道系统各种状态出现的可能性大小。

（5）对在各种决策下不同状态所对应的后果（收益或损失）作出评估。

一、优化管道完整性维护决策的方法

　　油气管道完整性维护决策问题是在已知管道状态出现概率前提下的风险型决策问题,这类决策问

2〕

题有以下两个特点〔。

（1）系统的状态是受到不可控制或不确定性随机因素影响的结果,状态出现的概率为主观概率,是决策者凭借自己的主观经验做出的判断。

（2）由于决策者对后果的偏好程度不同,决策者解决一个决策问题要凭借主观概率和自己的价值观念,因而要承担一定的风险。

优化这类决策问题的最简便方法是决策分析。

它是以概率论和数理统计为理论基础,把统计决策方法应用于含有不可控制或不确定性因素的决策问

　3610500,四川省成都市新都西南石油学院博2001级;电话:

（028）83030089。

・20・　油　气　储　运　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004年　

减少管段风险而采取的措施”,决策变量中要考虑到

维护方式、维护资金、维护和检测周期等因素。

如果决策者对一管段列出了一系列降低风险的方案,则决策集为A={a1,a2,…ai,…,aI,}。

4〕

3、　后果概率分布p〔

图1　

定义:

在某一决策下系统发生或存在的某种状态,称为该决策下系统出现的果,记为C=（a,θ）。

后果出现的可能性,,它即概率分布,记

为p（,,状态的发生概率是在一个维护决策ai下,管段出现断裂θ穿1、孔θ2或不失效θ3等状态的可能性,分别表示为pi1=p（ai,θpi2=p（ai,θpi3=p（ai,θ显然1）、2）、3）。

pi1+pi2+pi3=1。

4、　效用函数u

2〕

二、决策数学模型的建立〔

　　要选出最优方案,实现管理者的既定目标,就必须采用科学的方法,确定目标函数,找到决策过程各变量间的约束关系,建立起能反映问题本质的特征和量的规律的数学模型,为作出科学的决策提供可靠的依据。

以下根据决策问题必须具备的5个条件,从变量的关系上对油气管道完整性维护决策问题加以说明。

1、　状态集S

定义:

效用是在有风险的情况下决策者对后果

所造成的收益或损失价值的偏好感觉或反应的数量指标,它是决策人对选取的决策a与可能出现的状态θ共同决定的后果看法的一种量化,是两者的函

）。

数,称为效用函数,记为u=u（a,θ在同一决策

ai下,对各后果的发生概率为权数,将各后果的效用函数进行加权平均,则得到该决策下的期望效用函数,即:

）　　Eu（ai,θ

=u（ai,θ1）pi1+u（ai,θ2）pi2+…+u（ai,θJ）piJ）Eu（ai）=Eu（ai,θ

定义:

系统可能处于的不同状况称为状态。

状态是由不可控制的自然因素即随机因素所产生的结果。

把状态数量化,得到一个随机变量,称为状态变

量,记为θ,它是决策者不能控制的变量。

全体状态所构成的集合,称为状态集,记为S={θ}。

管道完整性维护决策系统中的状态是指管道的失效状况,包括断裂（θ穿孔（θ1）、2）和不失效（θ3）,则状态集为S={θ1,θ2,θ3}。

2、　决策集A

（1）

（2）

　　在管道完整性维护中,效用就是管道维护决策

者对管道维护后果（收益或损失）的偏好感觉的数量指标,它是决策者所选择的管段维护措施ai和维护后管段所处状态θj的函数,其效用函数记为:

uij=u（ai,θj）,i=1,2,…,I;j=1,2,…,J式中　I———可供选择的维护措施的总数;　　　J———管段状态总数。

在管段维护决策ai下,管段出现断裂θ穿孔1、θ2和不失效θ3等状态的效用函数分别表示为:

ui1=u（ai,θ1）;ui2=u（ai,θ2）;ui3=u（

ai,θ3）

定义:

将为达到预想目标而提出的每一个方案称为决策,其数量化后称为决策变量,记为a,决策变量的全体集合称为决策集,记作A={a}。

决策变量是决策者可以控制的变量,可以根据不同的情况人为地来确定。

管道完整性维护决策系统的决策变量就是“为

在维护措施ai下,管段的期望效用函数为:

　　Eu（ai）=Eu（ai,θj）

=u（ai,θ1）pi1+u（ai,θ2）pi2

第23卷第5期　　　　　　　　　　　陈利琼等:

管道完整性维护决策优化模型　　　　　　・21・

+u（ai,θ3）pi3（3）

表1　管道完整性维护决策优化模型的表格表示法决策

a1a2

5、　决策准则与最优值V

不同状态下的各后果发生概率和效用函数θ断裂

（1）

p11;u11p21;u21〗…

pi1;ui1

定义:

决策准则是决策者在作出决策时所追求的目标或愿望。

决策者总是依据不同的愿望进行决策,并根据决策准则确定最优值。

因此,最优值就是决策者预想目标的数量标志,记作V。

在进行管道完整性维护决策时,

决策者一般都力争达到经济损失最小、生命损失最小、环境破坏最小3个方面的目标,这是一个多准则决策问题。

对于每一个目标（准则）,都应以效用作为其后果的评估指标,此时,决策准则变成了“使期望（）函数取得最大值”,即:

V=（ai）Ei,ji1

θ穿孔

（2）

P12;u12p22;u22〗…

pi2;ui2

θ不失效（3）P13;u13p23;u23

pi3;ui3〗…

〗…

（4）

2、　5）称为发生概率矩阵。

u11

u12u22

u13u23

u21

果效用的最优值,所对应的决策a3称为最优决策,见图2。

〗…〗…

〗…

uI1uI2

同理,θ=（θ1,θ2,θ3）称为状态矩阵或状态向量;A=（a1,a2,…,aI）为决策矩阵或决策向量。

这种表示法便于处理决策较多的问题,把决策问题转化为线性代数的矩阵运算,便于用电子计算机进行处理。

同时,矩阵记号也简化了决策问题的表述,便于理论研究。

3、　决策树法

决策树法（见图3）是把每一个决策与各种状态的相互关系用树形图表示出来,并且注明对应的生存概率及效用。

与图1一样,图3中的方形节点为决策点,圆节点为机会点,三角符号表示后果。

构造决策树后就可以根据决策准则和期望效用函数来比较各决策的优劣,从而选择最优的决策。

图2　效用优化方法图

　　对管道完整性维护决策问题中的状态、决策、后

果发生概率、效用函数、决策准则和最优值都给出了量的解释后,此问题的决策数学模型就由这5重数组构成,即（S,A,p,u,V）。

三、决策数学模型的表示法

　　管道完整性维护问题的状态集是有限的,其描述方法主要有表格法、矩阵法、决策树法和几何法等2〕

几种〔。

1、　表格法

将状态集S

的断裂（θ穿孔（θ1）、2）和不失效（θ3）3种状态对应的后果发生概率用表格表示,将

决策集A的各种决策ai、各后果的发生概率p（ai,θj）和效用函数u（ai,θj）按对应关系进行排列,见表1。

这种表示法的特点是整齐,当给出明确的数量关

系后,便可以采用表格法进行计算。

图3　管道完整性维护问题的决策树表示法

〗

…

（5）

uI3

・22・　油　气　储　运　　　　　　　　　　　　　　　　　　2004年　

4、　几何法

几何法是将表格法中的每一行效用函数值作为

一个点的坐标。

对管道完整性维护决策模型而言,就是在三维空间中（管段状态数为3）确定出一点Ui,Ui=（u（ai,θ1）

u（ai,θ2）,u（ai,θ3））,见图4

。

可求出各状态的发生概率为p（θ1）=0.38,

p（θ2）=0.37,p（θ3）=0.25。

5〕

另外,也可以利用管道风险评估的失效概率〔确定状态生存概率。

如果在某一完整性维护决策下,管段的失效概率为pr,则状态θ3的发生概率很容易确定,p（θ3）=1-pr。

当然,断裂和穿孔的发生概率还需另求。

在确定了管道完整性维护决策模

型中的各变量后,,2图4　ⅠⅡⅢⅣ

排序和得分

βm

0.300.220.28四显然,在管道完整性维护决策模型中,决策集、状态集和决策准则都容易确定,但状态的发生概率和效用函数由于受到决策者主观因素的影响而难以确定。

主观因素取决于决策者的知识水平、心理活动、实践经验等。

确定主观概率的方法主要有等可能法、数理统

2〕

计法、主观试探法、众人评估法等〔。

对于管道完整

θ2θ2θ3θ1θ1θ3五、结束语

可以看出,基于定量风险评价的管道完整性维

护决策具有很强的适用性,能给决策者提供科学的指导,填补了现行风险评价技术中的某些空白。

但就其决策的基础———油气管道的定量风险分析技术而言,这项技术在国内国外还都很不成熟,有些方面甚至是空白。

因此要加强这方面的技术跟踪,加大力度提高管道的定量风险分析水平,从而使在此基础上做出的管道完整性维护决策具有更好的系统性、精确性和预见性。

另外,除了效用函数,还有几种方法可以用来评估油气管道完整性维护后果,如损失函数,报酬函数等。

参　考　文　献

1,　钱成文　侯铜瑞等:

管道的完整性评价技术,油气储运,2000,

19（7）11～15。

2,　张连诚:

决策分析,辽宁教育出版社（沈阳）,1994。

3,　MaherANessimandMarkJStephens:

Risk2basedOptimizationof

PipelineIntegrityMaintenance,1995OMAE2VolumeII,SafetyandRe2liabilityASME1995.

4,　陈　廷:

决策分析,科学出版社（北京）,1987。

5,　董玉华　高惠临等:

长输管道定量风险评价方法研究,油气储

性维护决策问题中的发生概率,宜采用众人评估法来确定。

该方法的思想是,邀请若干对决策问题有丰富经验的专家、技术人员,分别对状态发生的概率作出估计,再由决策者加以综合。

由于每个人的知识结构和经验不同,对问题的认识程度也不同,因此决策者对各人意见的信赖程度也不一致,表现为对

各人意见的可信系数βm,若有M人参与评诂,则有

m=1

βθ∑例如,对于设定的状态θm=1。

1（管道断裂）、2

（管道穿孔）、θ3（管道无失效）,由4位评估专家来评

估某一决策下管段各状态的发生概率,按大小排序（见表2）,排在第一位的给3分,排在第二位的给2分,排在第三位的给1分,其中专家意见的可信系数分别为0.3、0.22、028、0.2,则求出平均名次为:

θ0.3+1×0.22+2×0.28+3×0.2=2.281:

3×

θ0.3+3×0.22+3×0.28+2×0.2=2.202:

1×

θ0.3+2×0.22+1×0.28+1×0.2=1.523:

2×

因此,得到状态的优先顺序为θ1,θ2,θ3,可以认为各状态的发生概率间有以下关系:

p（θ2.20∶1.521）∶p（θ2）∶p（θ3）=2.28∶

运,2001,20（8）5～8。

（收稿日期:

2003

205226）

编辑:

刘春阳

第23卷第5期　　　　　　　　　　　　　　　　　油　气　储　运・61・

作　者　介　绍

潘家华　教授高级工程师,1930年生,1952年毕业于原北洋大学机械系。

原任中国石油天然气管道局总工

程师,现任中国石油天然气集团公司咨询公司总工程师,兼任上海交通大学、天津大学、石油大学、中国人民解放军后勤工程学院、抚顺石油学院教授,中国科学院金属研究所客座研究员,中国石油学会常务理事,中国石油学会储运学会理事,原《油气储运》杂志社编委会主任尚凤山　工程师,1962年生,1981从事输油调度工作。

敬加强　博士,副教授,1964年生,1999。

现在胜利

。

吴世逵　副教授,1997年毕业于石油大学（北京）有机化工

,主要从事炼油技术及工程方面的教学与谭羽非　,1962年生,哈尔滨工业大学博士后,现在哈尔滨工业大学从事地下储气数值模拟及优化分

析,城市煤气负荷预测、控制等研究。

陈利琼　1976年生,1999年毕业于西南石油学院油气储运专业,2001年毕业于西南石油学院油气储运专业,

获硕士学位,现为西南石油学院油气储运专业在读博士生。

张惠民　高级工程师,1960年生,1983年毕业于西安理工大学金属材料及热处理专业,现任中石化集团管道

储运公司副经理。

董保胜　工程师,1970年生,1999年毕业于西北工业大学固体力学专业,获硕士学位。

现在中油集团管材研

究所从事油气管道与储罐安全评价工作。

张玉芝　讲师,1969年生,1993年毕业于华北水利水电学院机械系起重运输与工程机械专业。

现在中国石

油天然气管道焊接培训中心从事教学和石油天然气储罐及管道用钢的焊接性研究工作,天津大学材料学院在读硕士。

蒋华义　讲师,1973年生,1997年毕业于西安石油学院油气田开发工程专业,现为西南石油学院在读博士。

董　辉　经济师,1971年生,1995年毕业于西安石油大学管理工程专业,获学士学位,现在中石化管道储运

分公司经理办公室工作。

邢志祥　副教授,1967年生,1991年毕业于南京化工学院化工机械专业,获硕士学位。

现在南京工业大学安

全技术与工程专业攻读博士学位,主要研究石油化工设备的安全技术。

宋建河　工程师,1972年生,1996年毕业于西南石油学院储运专业,现任中国石油管道分公司秦皇岛输油处

调度长。

高军宝　工程师,1969年生,1994年毕业于西南石油学院储运专业,现在中国石油天然气管道工程有限公司

从事设计工作。

熊建华　高级工程师

1969年生,1989年毕业于石油大学（山东）开发系采油工程专业,现任江苏油田分公司

试采一厂主任工程师。

朱喜平　助理工程师,1974年生,1998年毕业于西安石油学院机械设计与制造专业,现任中国石油天然气管

道局秦皇岛输油气公司陕京管道北京部运行副主管,主要从事设备管理和维护工作。

张永盛　工程师,1969年生,1991年毕业于石油大学（山东）油气储运专业,现在中国石油管道公司成都输油

管理处生产科工作。

尹　航　工程师,1972年生,1992年毕业于石油大学（山东）数理系机电专业,现在中石化管道储运公司鲁宁

输油处从事安全管理工作。

from48℃to55℃andthefluidflowrateisfromabout1100m3/dtoabout1200m3/d,andthepipelinerunssafelyandsteadily;

（2）comparedwiththeheatingtransportationtechnology,therunningcostsavesabout104×104RMB/awhenthefluidflowrateattheinitialpumpstationisabout1400m3/dandtheannualmeanheatingtemperatureforthefluidtoflowthroughthetwointermediateheatingandpumpstationsis20℃,whichreflectsmainlyontheobviousdecreaseoffuelgasand（3）thelongerthedistanceofviscousoilstransportedbyoil-in-wateremulsionis,themorenotablethedragreductionrateandtheeconomicbenefitare,whichisnotonlyfeasibleintechnology,butalsoreasonableineconomy,anditsfutureapplicationisbright.

SubjectHeadings:

viscousoil,transportationbyoil-in2water,dragbenefit,com2prehensiveevaluation

WUShikui,LIANGChaolinetal-ofHighPourPointCrudeOil,OGST,2004,235）Bothtransportationandthesafetytransportationtemperatureofthreekindsofhighpourpointcrudestudied.ThetechnicalparameterofZhanjiang-MaomingOilPipelineareadjustedbasedontheexperimentresults.Industrialoperationindicatesthatafterthetransportationtemperatureisdecreased,Zhanjiang-MaomingOilPipelinecanbeoperatedsmoothlyandsafely.

SubjectHeadings:

highpourpointcrudeoil,low-temperaturetransportation,study

・DESIGN&CALCULATION・

TANYufei,CHENJiaxinetal:

CalculationofThermodynamicParameteraboutGasStorageCaverninSaltFor2mation,OGST,2004,23（5）16～18.

Themathematicalmodelforsimulatingperformanceofgasstoragecaverninsaltformationispresented.Therealgascharacteristics,heattransferbetweensaltformationandnaturalgas,thevariationingaspressureandtemperaturebytimeinconditionofanycontinuouslyinjectingorproductionofnaturalgasaretakenintoaccountbythemodel.Themodelcanbeappliedforprojectschemeselectionandoperationcomparisonofnaturalgasstoragereservoir.

SubjectHeadings:

gasstoragecavern,mathematicalmodel,thermodynamicparameter,calculation

CHENLiqiong,ZHANGPengetal:

OptimizationModelAnalysisofPipelineIntegrityMaintenance,OGST,2004,23（5）19～22.

Thedecision-makinganalysisisthesimplestmethodtochoosetheoptimalmeasureofpipelineintegritymainte2nance.Themathematic

modelofpipelineintegritymaintenanceisestablishedinordertocarryoutquantificationaldeci2sion-makinganalysis,andtheseveraltypesofmodelrepresentationsareintroducedconcretely.Alsopilotstudiesarecarriedoutonsomevariablesinthemodelincludingcharactervariable,decisionvariable,probabilityofthesequentoc2curringandutilityfunction.

SubjectHeadings:

oilandgaspipeline,integritymaintenance,decision-makinganalysis,modelrepresentationsZHANGHuimin,DENGYanetal:

OptimizationDesignonIntegralLiftingProgramofFloating-roofOilTank,OGST,2004,23（5）23～27.

　　Duringthefirstpracticeofliftinga20000m33floatingrooftank,becausethelawofliftingfo

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