一种混合模糊AHP-Bow-Tie方法在埃及天然气管道运营风险管理中的应用

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：A Hybrid Fuzzy AHP-Bow-Tie Approach to Operational Risk in Egyptian Natural Gas Pipelines

　　摘要：天然气管道（NGP）网络的迅速扩张增加了由于需求波动、设备故障、SCADA系统局限性以及现场操作缺陷导致的运营故障的风险。为了解决运营阶段风险管理中的关键空白，特别是热工作和其他常规操作危害，本研究在埃及的NGP基础设施中开发并实施了一个三阶段框架。第一阶段利用了来自专家研讨会和文献分析的项目特定风险分解结构（RBS）来系统地识别和构建风险。第二阶段应用了模糊层次分析过程（FAHP）方法对风险因素进行排序，同时考虑了专家判断的不确定性。第三阶段使用结扎图（Bow-Tie，BT）将优先级风险映射到预防性和缓解性控制路径上，同时纳入了升级机制和管理系统之间的依赖关系。该框架确定了四个类别中的二十个操作风险因素：运营绩效 [G1]、维护与检查 [G2]、安全与安保 [G3] 以及环境影响 [G4]。FAHP 分析对这20个风险因素进行了排序，其中管道运营中最关键的五个风险因素是：客户需求超过管道容量 (HZ1)、隔离/切断阀门反应迟缓 (HZ3)、维护计划执行不足 (HZ2)、监控或紧急情况下 SCADA 系统激活失败 (HZ4) 以及100米范围内的爆炸 (HZ7)。组级优先级排序 (G1 > G2 > G3 > G4) 分别为 0.0627、0.0497、0.0495 和 0.0466，表明运营条件和维护执行是降低风险的主要机会。因此，对排名前十的风险因素进行了定制的结扎图（BT）分析，围绕 containment 失效这一中心事件进行结构化。该分析产生了可行的屏障策略，包括针对 HZ1 的计量系统准确性和 SCADA 操作准备性，以及针对 HZ3 的人员培训和旁通协议。

引言：在过去四十年中，日益严重的环境问题以及传输基础设施的快速建设重塑了能源格局。天然气 (NG) 现已成为全球第三大能源消耗源，并且是增长前景最为强劲的化石燃料。管道运输仍然是向工业和居民用户供应天然气的主要方式，但随着总网络长度的扩展，意外事件的风险和后果也随之增加。故障由多种原因引起：外部干扰、腐蚀、材料或建造缺陷、 hot tapping 和分支连接、地面移动、疲劳、操作错误以及维护疏漏，这些问题还因应力腐蚀裂纹、历史焊接做法、材料记录不详、不完整的运营历史以及老化走廊周围的城市密集化等因素而加剧（Vairo 等，2017年）。在埃及，这些压力尤为突出：到2030年人口预计将达到约1.3亿，经济活动加速，以及关键的交通地理位置推动了持续的天然气需求和网络扩展，从而提高了对强大运营风险管理的需求。

风险是项目和运营固有的；有效的管理侧重于识别、评估和控制对性能和安全至关重要的不确定性（Gamal 等，2025年）。由于新风险会随着系统的演变而出现，因此识别工作必须持续进行并基于证据，利用项目团队的领域知识和全面的文档记录。实际上，许多公用事业公司通过工作危害分析（JHA）来管理工作级别的危害，尤其是对于热工作活动，但针对此类任务的定量、操作级别的风险评估研究仍然有限。鉴于能源系统的多利益相关者特性，包括公众、劳动力、承包商、机构和监管者，还需要将评估转化为明确的缓解计划和操作规则（Rim?ait?，2019年）。许多研究使用不同的方法论方向来探讨天然气管道的风险管理。基于多属性效用理论（MAUT）的决策模型已被开发出来，以支持天然气管道的风险评估和维护规划，而投资组合优化方法则扩展了这些方法，在资源限制下选择关键的管道部分进行风险缓解和分配决策（Casado 等，2022年；Marsaro 等，2014年）。然而，这些方法无法捕捉动态的运营条件或支持实时的运营决策。另一类研究专注于使用多标准决策和基于模糊的方法进行建设和运营风险评估。这些研究采用模糊逻辑结合不同的多标准决策技术（MCDM），如 TOPSIS、VIKOR 和模糊集成决策框架，在不确定性下进行危害优先级排序（Oz 等，2019年；Efe 和 Efe，2023年）。尽管这些模型在处理不确定性方面有所改进，但它们通常依赖于专家判断，并且在捕捉动态运营条件方面仍存在局限。此外，还有研究应用概率和基于贝叶斯的方法进行管道可靠性和事故建模，以实现故障概率和系统依赖性的量化（Han 和 Weng，2011年；Fang 等，2019年；Leoni 等，2019年）。这些模型在表示不确定性和故障传播方面效果良好，但它们通常是静态的，无法完全反映实时管道运营中的动态条件。此外，基于后果的定量风险评估研究估计了诸如致命长度、后退距离和危险区等影响，以支持设计和路线选择决策（Jo 和 Ahn，2005年；Liu 和 Wang，2010年）。虽然这些方法对早期规划有用，但在运营阶段的风险管理方面效果较差。最后，事故演变和故障传播研究应用贝叶斯网络、随机Petri网和综合概率框架来模拟管道事故的发展和后果传播（Yeo 等，2016年；Chen 等，2023年；Li 等，2023年）。这些贡献增强了我们对故障机制的理解，但仍然严重依赖于专家输入和关于运营约束的简化假设。下一节将提供基于文本挖掘的天然气管道风险管理系统的全面综述，以详细描绘这一领域并说明本研究的方法选择。

尽管有这些成果，但仍有几个方面的不足促使了本研究的开展。首先，天然气管道的运营阶段在研究中代表性不足：日常运营风险、需求激增、阀门响应性、SCADA警报和热工作许可很少作为一个跨越整个网络工作流的集成系统来处理。其次，热工作风险缺乏标准化的、定量的、操作级别的方法，除了 JHA 之外；虽然存在 AHP–FCE 方法，但它们通常是单点且主观性很强（He 等，2023年）。第三，控制效果更多地被描述而非测量；结扎图列出了屏障，但很少在实际约束下量化性能。最后，特定于背景的现实情况，包括遗留资产、城市侵入、需求快速增长、挖掘活动以及劳动力实践，在埃及尚未得到大规模探索，限制了从通用模型向本地决策的转化。因此，本研究重点关注埃及天然气管道的运营风险，有三个目标：(i) 识别一套针对埃及实际情况的全面运营风险因素；(ii) 在专家不确定性下严格对这些因素进行优先级排序；(iii) 将优先级转化为可操作的控制策略。在方法上，本研究实施了三阶段工作流程。第一阶段通过项目特定的风险分解结构（RBS）构建并识别风险，该结构由专家研讨会制定，并得到文献审查的支持（Hillson，2024年）。第二阶段使用模糊层次分析过程（FAHP）对风险进行排序，用模糊数字而不是固定的成对判断来编码专家的不确定性，从而在不确定性下得出可防御的优先级。第三阶段设计了结扎图控制方案，将威胁、顶级事件、后果和屏障（预防性和缓解性）以及升级因素和管理系统依赖关系映射起来，以弥合从排序到具体防御的“最后一公里”。

对于决策者和实践者来说，这项研究的贡献有两个方面。从实质上讲，研究将注意力从通用的故障分类转移到了直接威胁日常运营连续性和安全的20个运营风险因素上，其中包括与热工作相关的风险因素。从背景上看，它提供了经过本地验证的优先级和控制图，反映了埃及的运营约束（老化资产、需求快速增长、有限的运维预算），同时为具有类似条件的系统提供了可转移的模板（城市侵入、遗留基础设施、数据有限）。在方法上，结合 RBS、FAHP 和结扎图将全面的识别与意识到不确定性的优先级排序和可实施的控制联系起来，支持透明的预算编制、检查规划、警报合理化和许可政策。通过这种方式，本研究补充和扩展了现有的定量风险分析（QRA）、贝叶斯和多标准决策（MCDM）文献（Chen 等，2023年；Yeo 等，2016年；Li 等，2023年；Yuhui 等，2018年；He 等，2023年），提供了一个针对埃及实际情况的、实用的操作驱动框架，同时也对其他类似情况具有参考价值。

文献综述：实施了一个可复制的文本挖掘管道，从关于天然气管道风险的文献中提取潜在的研究主题，并将概念上相似的论文分组到文档邻域（簇）中。工作流程从数据收集步骤开始。在此步骤中，选择了覆盖范围广泛的 Scopus 数据库（Zhang 等，2023年），并使用与研究主题相关的水果和可互换的关键词（例如，“风险”、“天然气”、“管道”）进行搜索。检索到的研究如果不符合要求，则会被排除。

方法论：该方法论包括三个连续的阶段（图5）：(1) 使用风险分解结构（RBS）识别风险因素，(2) 使用模糊层次分析过程（FAHP）对风险进行排序，(3) 使用结扎图分析进行控制设计。

数据收集：对 GASCO 埃及公司的运营主管进行了调查，以识别运营过程中的主要风险。在实地调查之前，首先对问卷进行了试点测试，以确保它们清晰易懂。试点测试的反馈被用来改进问卷，然后再用于实地调查。此外，问卷采用多项选择题形式。

结果与讨论：潜在风险的评估通过一个系统的三阶段框架进行，旨在全面解决项目中的不确定性。第一阶段（I）侧重于风险因素的识别和诊断，系统地识别和分析了潜在的威胁和脆弱性，以了解它们的本质和来源。第二阶段（II）涉及通过结构化的五步过程对风险因素进行优先级排序，评估和排名已识别的风险因素。

结论：本研究旨在解决天然气管道（NGP）运营风险管理中的研究空白，特别是与热工作活动相关的日常风险，这些风险很少作为一个集成系统来处理，通常使用主观的、静态的工具来处理。鉴于埃及的遗留资产、需求快速增长和城市侵入加剧了运营挑战，本研究提出并应用了一个三阶段的、实用可行的框架：(i) 全面的风险识别；...

作者贡献声明：Yasser Gamal：写作 - 审阅与编辑、撰写初稿、验证、监督、项目管理、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Mohamed Hussein：写作 - 审阅与编辑、撰写初稿、监督、资源管理、项目管理、正式分析、数据管理。Amr Ragaa：撰写初稿、资源管理、方法论。Abdallah Abdelfattah：写作 - 审阅与编辑、撰写初稿。

未引用的参考文献：AHMED 和 KABIR，8-9；LIU 和 WANG，8-10；YUHUI 等，10-12。

数据可用性：相应作者可以在收到合理请求后向感兴趣的各方提供本研究使用的相关数据和模型。

利益冲突声明：作者声明没有竞争利益。

资助声明：本研究未获得外部资助。

致亲爱的 [期刊名称] 编辑：

我希望您身体健康、心情愉快。我写这封信是为了表达我对提交一篇题为“混合模糊AHP-结扎图方法在埃及天然气管道运营风险中的应用”的论文的浓厚兴趣，希望您的期刊能够考虑发表。我对我的研究主题充满热情，该主题与您的期刊的主题和范围非常契合。本研究评估了埃及天然气管道中热工作的风险。

致谢：作者们衷心感谢 GASCO 公司及其专家为我们的研究提供了宝贵的知识和专业知识。我们非常感谢 GASCO 及其专业团队花时间分享他们的见解并协助我们的研究。他们在行业知识和实际经验方面的贡献对我们的工作起到了重要作用。

Yasser A.S. Gamal | Abdallah Mohamed Abdelfattah | Amr Ahmed Ragaa | Hassan Ali | Mohamed Hussein
埃及新米尼亚高等工程技术学院土木工程系