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     作者：鄭曉蒙

    基于SVM的C02驅(qū)油藏輸油管道脆弱性評(píng)價(jià)研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介：                         

    將脆弱性分為5個(gè)等級(jí)并確定各級(jí)脆弱性的取值范圍。深入分析脆弱性要素，從致災(zāi)因子、承災(zāi)體和災(zāi)害響應(yīng)3個(gè)方面建立脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并確定各等級(jí)脆弱性對(duì)應(yīng)的指標(biāo)范圍。利用MATLAB R2013a的SVM回歸方法，構(gòu)建脆弱性評(píng)價(jià)模型并進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。結(jié)果表明：模型訓(xùn)練的輸出與期望輸出擬合較好，均方誤差為9. 98052×10。；訓(xùn)練好的SVM模型具有較強(qiáng)的泛化能力和較高的準(zhǔn)確性，其對(duì)檢驗(yàn)樣本脆弱性進(jìn)行預(yù)測(cè)的最大相對(duì)誤差為0. 027。利用模型得到研究區(qū)域某輸油管道的脆弱性值為0. 381，其脆弱性程度為不太脆弱。

    長(zhǎng)期大量注水開(kāi)發(fā)使我國(guó)已開(kāi)發(fā)油田總體上進(jìn)入高含水、高采出程度階段，水驅(qū)越來(lái)越不能滿足我國(guó)日益增加的石油需求，C02驅(qū)油具有顯著提高采收率、成本低等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能改善我國(guó)C07排量在世界上“領(lǐng)先”的現(xiàn)狀，已成為我國(guó)剩余油開(kāi)發(fā)的重要手段。輸油管道是油田的命脈，其失效將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，并對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境等帶來(lái)災(zāi)難性的后果。據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)油氣管道搶修原因統(tǒng)計(jì)，腐蝕、操作缺陷等是管道失效、發(fā)生泄漏事故的主要威脅，而C02驅(qū)油的實(shí)施使油井采出液攜帶大量C02，大大加劇了采出液的腐蝕性，況且，由于員工技術(shù)生疏、缺乏經(jīng)驗(yàn)，誤操作、管理不當(dāng)?shù)葐?wèn)題時(shí)有發(fā)生�？梢�(jiàn)，C02驅(qū)油項(xiàng)目的實(shí)施給輸油管道帶來(lái)了嚴(yán)峻考驗(yàn)，在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)估，準(zhǔn)確識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)并采取針對(duì)性措施進(jìn)行事前預(yù)防，對(duì)管道的安全運(yùn)營(yíng)具有特殊重要性和現(xiàn)實(shí)迫切性。

    目前對(duì)油氣管道安全性的研究和提高主要從借助相關(guān)專業(yè)知識(shí)分析事故致因、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)方面人手，即在系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上進(jìn)行，難以揭示事故發(fā)生，演變及因素影響機(jī)理。脆弱性強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)外擾動(dòng)的敏感程度及系統(tǒng)固有的應(yīng)對(duì)能力，是事故發(fā)生與演變的本質(zhì)原因，對(duì)其進(jìn)行辨識(shí)、評(píng)估和控制能夠指導(dǎo)企業(yè)明確系統(tǒng)薄弱點(diǎn)，在事故發(fā)生前采取針對(duì)性措施將風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi)，不僅能提高事故預(yù)防及應(yīng)急管理魯棒性，而且能通過(guò)合理配置資源節(jié)省安全投入。脆弱性概念已成為自然、社會(huì)、人一環(huán)境耦合三類系統(tǒng)中諸多領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題和重要分析工具，并在概念、評(píng)價(jià)方法、分析框架上日趨完善，已發(fā)展成為分析人地相互作用、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)性科學(xué)知識(shí)體系，并在生態(tài)、自然災(zāi)害、地下水、金融、計(jì)算機(jī)、電力等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，然而關(guān)于輸油管道脆弱性的研究卻幾乎是空白。隨著C0驅(qū)油技術(shù)的推廣，輸油管道所受威脅大大加劇、相應(yīng)敏感性隨之增強(qiáng)，應(yīng)對(duì)內(nèi)外干擾的能力受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，本文在C02驅(qū)油藏輸油管道安全性問(wèn)題中引入脆弱性概念，并對(duì)其評(píng)價(jià)方法進(jìn)行嘗試性探討，初步構(gòu)建脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，繼而采用支持向量機(jī)( support vector machine，SVM)的回歸功能對(duì)脆弱性進(jìn)行量化，并對(duì)國(guó)內(nèi)某C02驅(qū)油藏輸油管道的脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期提高系統(tǒng)本質(zhì)安全性與災(zāi)害防控水平．為制定科學(xué)合理的防范措施提供依據(jù)。

    1  c02驅(qū)油藏輸油管道脆弱性的概念    

    各領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣愿拍畹慕缍ù嬖谝欢ú町�，但都包�?ldquo;不穩(wěn)定性”、“敏感性”、“易損性”3個(gè)方面的含義，一些學(xué)者還將"恢復(fù)力”歸于脆弱性的研究范疇。國(guó)外學(xué)者主要針對(duì)地震災(zāi)害對(duì)埋地管道脆弱性的概念、組成和評(píng)估進(jìn)行了研究。趙東風(fēng)首先定義了油氣管道脆弱性，但他將脆弱性因素歸結(jié)于客體（油氣管道）本身，具有很大局限性。黃亮亮將油氣管道脆弱性因素拓展到管道及沿線區(qū)域的安全、經(jīng)濟(jì)、自然環(huán)境等多個(gè)方面，從管道系統(tǒng)本身、承災(zāi)體和應(yīng)對(duì)能力3個(gè)方面進(jìn)行了更為全面的脆弱性分析。C02驅(qū)油藏輸油管道的特殊性使其脆弱性因素存在一定差異，本文認(rèn)為其脆弱性是由致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性以及災(zāi)害響應(yīng)能力共同決定的。

    在致災(zāi)因子方面，技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、自然環(huán)境等的制約使輸油管道自身具有不穩(wěn)定性，對(duì)內(nèi)外界擾動(dòng)（腐蝕、第三方破壞、誤操作等）比較敏感，故容易發(fā)生固有屬性的改變。

    在承災(zāi)體方面，輸油管道的輸送介質(zhì)有易燃易爆、強(qiáng)腐蝕性、有毒等特點(diǎn)，其失效導(dǎo)致的事故將對(duì)區(qū)域承災(zāi)體（人、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等）表現(xiàn)出一定程度的損失或損害，這種后果的嚴(yán)重程度與區(qū)域人口密度以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r有關(guān)。

   在災(zāi)害響應(yīng)方面，完善的應(yīng)急系統(tǒng)和強(qiáng)大的政府執(zhí)行力不僅能在事故發(fā)生后大大降低事故損失，還能從一定程度上彌補(bǔ)輸油管道自身的缺陷，政府監(jiān)測(cè)、監(jiān)管也有助于管理的改善和設(shè)備可靠性的高。

   基于上述分析，筆者將C02驅(qū)油藏輸油管道脆性定義為：輸油管道自身存在不穩(wěn)定性，在面臨、外部擾動(dòng)時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平、社會(huì)、自然環(huán)等因素的限制或作用，在致災(zāi)因子、承災(zāi)體和災(zāi)害應(yīng)方面所表現(xiàn)出的敏感性和固有應(yīng)對(duì)能力。

    2  SVM脆弱性評(píng)價(jià)模型

    在評(píng)價(jià)方法方面，脆弱性評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)類似，經(jīng)歷了從定性、半定量到定量的發(fā)展過(guò)程。脆弱定量化始于Ezell( 2000)的基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模(I- RAM)，此后針對(duì)其忽略系統(tǒng)大小、復(fù)雜程、組成元素?cái)?shù)目的問(wèn)題，Ezell提出基礎(chǔ)設(shè)施脆性評(píng)估模型(I - VAM)，將供水系統(tǒng)劃分成若干節(jié)，選取威懾、延遲、檢測(cè)和響應(yīng)4個(gè)指標(biāo)評(píng)估各節(jié)脆弱性，并將各環(huán)節(jié)與相應(yīng)權(quán)重乘積累加作為統(tǒng)脆弱性值。該方法選取評(píng)價(jià)因子和量化脆弱性方法簡(jiǎn)單易行，并對(duì)其他基礎(chǔ)設(shè)施脆弱性研究具指導(dǎo)意義，已有研究參考I - VAM模型對(duì)油氣管道脆弱性進(jìn)行量，但其考慮的脆弱性影響因素不夠全面，對(duì)脆弱性的量化方法也具有較強(qiáng)主觀性。分析發(fā)現(xiàn)，通常的脆弱性評(píng)估方法計(jì)算大量權(quán)值的過(guò)程繁瑣、主觀性強(qiáng)、可操作性差，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)衡量權(quán)值的有效性，且模型一旦建立則不能動(dòng)態(tài)的改變，缺乏自適應(yīng)能力。

    輸油管道脆弱性的眾多影響因素之間是一種復(fù)雜的非線性耦合關(guān)系，這就對(duì)脆弱性的準(zhǔn)確識(shí)別造成了很大困難。SVM是一種在經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化基礎(chǔ)上采用結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化的新型機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與參數(shù)選擇的困難，并克服其易陷入局部最優(yōu)、過(guò)擬合等缺陷，在解決現(xiàn)實(shí)生活中的小樣本、非線性、高維數(shù)、局部極值等問(wèn)題上更具優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際上已成為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。SVM的模式識(shí)別、回歸估計(jì)等功能已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境、交通、煤礦等諸多領(lǐng)域的安全性綜合評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)，然而在埋地管道脆弱性方面的應(yīng)用尚為空白。因此，本文選用SVM回歸方法對(duì)輸油管道脆弱性進(jìn)行量化，模型的構(gòu)架如圖1所示。

    3   評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建與脆弱性等級(jí)的劃分

    本文參考國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)埋地管道脆弱性的研一，結(jié)合我國(guó)C02驅(qū)油藏輸油管道的自身特點(diǎn)及弱性概念，對(duì)脆弱性等級(jí)劃分和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建進(jìn)行了嘗試性探討。本文將脆弱性程度由低到高分為I -Vs個(gè)等級(jí)，并確定了各級(jí)脆弱性的取值范圍，見(jiàn)表1；

    根據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建的科學(xué)性、合理性、不交叉、指標(biāo)易于獲取等原則，經(jīng)過(guò)脆弱性影響因素分析、理論預(yù)選、咨詢領(lǐng)域?qū)＜? subject - matterexpert，SME)、實(shí)地調(diào)查等過(guò)程，構(gòu)建了一個(gè)五層評(píng)價(jià)指標(biāo)俸系，并根據(jù)各指標(biāo)的含義和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情確定了各等級(jí)脆弱性對(duì)應(yīng)的指標(biāo)范圍，見(jiàn)表2，指標(biāo)內(nèi)容及其評(píng)判依據(jù)不再一一贅述。

    筆者選取河南某C02驅(qū)油藏的一條重要外輸干線作為評(píng)估對(duì)象。該線于2011年5月更換投產(chǎn)，總長(zhǎng)合計(jì)6900m，管線材質(zhì)為20C號(hào)鋼，規(guī)格為①273×7，設(shè)計(jì)壓力和工作壓力分別為2.8MPa、1. 6MPa，內(nèi)、外防腐材料分別為水泥砂漿和瀝泡瀝，有配套完善閥組6套；該管線沿線區(qū)域多為農(nóng)田，交通量較大，人員活動(dòng)較頻繁。自2013年8月以來(lái)，該區(qū)針對(duì)C02腐蝕造成的頻繁茅孔等問(wèn)題采取了一系列綜合治理措施，獲得了一定效果。該區(qū)具有較完善的GIS、數(shù)據(jù)與監(jiān)控系統(tǒng)以及應(yīng)急救援體系，操作人員文化均在技校及以上，常規(guī)技能和安全培訓(xùn)情況均國(guó)家規(guī)定，但考慮到C02驅(qū)工藝特殊性的專項(xiàng)略顯不足。筆者通過(guò)實(shí)地調(diào)研、咨詢專家、發(fā)布問(wèn)卷等方式確定了該區(qū)域各指標(biāo)的評(píng)價(jià)值，為寫(xiě)方便，將其列于表2中。

    4   SVM 模型的建立與實(shí)例應(yīng)用

    1）調(diào)用MATLAB中的unifmd函數(shù)，在各級(jí)脆對(duì)應(yīng)的指標(biāo)取值范圍內(nèi)生成10組均勻分布的隨機(jī)作為為輸入樣本，令各輸入樣本對(duì)應(yīng)的輸出值相應(yīng)脆弱性等級(jí)范圍的中間值，即I-V級(jí)脆弱輸出值分別取0.1，0.3，0.5，0.7，0.9，由此形成組樣本。從中選取15個(gè)來(lái)檢驗(yàn)訓(xùn)練好的SVM評(píng)價(jià)未知樣本的能力。為體現(xiàn)檢驗(yàn)樣本選取的性，在模型訓(xùn)練前采用randperm函數(shù)對(duì)樣本進(jìn)隨機(jī)排序，令排序后前85個(gè)樣本構(gòu)成訓(xùn)練集，剩樣本構(gòu)成或檢驗(yàn)集。

    2）由于各樣本輸人數(shù)據(jù)的物理意義、量綱及數(shù)不同，出于方便數(shù)據(jù)處理、減小取舍誤差等方面考慮，訓(xùn)練前對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，使其處于之間，本文用mapmmmax函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其原理某個(gè)輸入樣本序列，令歸一化后的值為，分別表示該序列的最小、最大值，則歸一化式1進(jìn)行，本文用mapminmax函數(shù)實(shí)現(xiàn)：

    3）采用徑向基核函數(shù)，首先通過(guò)交叉驗(yàn)證dation，CV)法搜索模型的最優(yōu)參數(shù)，得到參數(shù)C =1500，核函數(shù)參數(shù)g=0. 01。然后用訓(xùn)是對(duì)SVM模型進(jìn)行訓(xùn)練，用得到的模型對(duì)檢驗(yàn)集脆弱性值預(yù)測(cè)。由圖2所示的SVM模型訓(xùn)練可以看出，模型圳練的輸出與期望輸出擬合效果，均方誤差( Mean Squared Error，MSE)僅有9．*10-7，說(shuō)明本文的SVM脆弱性評(píng)價(jià)模型具較強(qiáng)的辨識(shí)能力，擬合穩(wěn)定。圖3和圖4分別為模型對(duì)檢驗(yàn)樣本的預(yù)測(cè)圖及其相對(duì)誤差圖，最大相對(duì)誤差為0. 027，總誤差為0.0512，可見(jiàn)訓(xùn)練好的SVM模型能夠較好的用于評(píng)價(jià)未知樣本，具有較強(qiáng)的泛化能力和評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

    4)應(yīng)用本文的SVM模型進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)。對(duì)待評(píng)價(jià)對(duì)象的脆弱性指標(biāo)值依式(1)做歸一化處理，代入訓(xùn)練好的SVM模型，得到其脆弱性評(píng)價(jià)值為0. 381，根據(jù)表1可以判定其脆弱性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，脆弱性程度屬于不太脆弱。

    5)在確定輸出值時(shí)本文首先采用了與產(chǎn)生輸入樣本相同的方法，即在相應(yīng)脆弱性等級(jí)范圍內(nèi)生成相同數(shù)量的隨機(jī)數(shù)，但發(fā)現(xiàn)這種情況下模型訓(xùn)練的誤差較大，訓(xùn)練好的模型對(duì)檢驗(yàn)樣本脆弱性進(jìn)行預(yù)測(cè)的誤差也較大。分析其原因，筆者認(rèn)為，由于輸入樣本的隨機(jī)性，與其對(duì)應(yīng)的脆弱性值應(yīng)該處于相應(yīng)等級(jí)范圍的中間水平，而不是在該范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生，于是本文令各輸入樣本對(duì)應(yīng)的輸出值取相應(yīng)脆弱性等級(jí)范圍的中間值，并取得了較好的結(jié)果，而且通過(guò)將各級(jí)脆弱性輸出值在各自范圍內(nèi)等量的增加或減少發(fā)現(xiàn)：輸出值的選取越接近脆弱性等級(jí)范圍的中間值，訓(xùn)練誤差越小。

    5  結(jié)論

    1)本文在C02驅(qū)油藏輸油管道的安全管理中引入脆弱性概念，從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、承災(zāi)體脆弱性以及災(zāi)害響應(yīng)能力3個(gè)方面初步建立了具有5個(gè)層次、涵蓋37個(gè)指標(biāo)的脆弱性指標(biāo)體系，保證了脆弱性因素的全面性以及評(píng)價(jià)結(jié)果的綜合性。

    2)通過(guò)交叉驗(yàn)證法對(duì)SVM模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立了C02驅(qū)油藏輸油管道脆弱性評(píng)價(jià)的SVM模型；模型訓(xùn)練的輸出與期望輸出擬合效果較好，訓(xùn)練好的SVM模型能夠較好的用于評(píng)價(jià)未知樣本，具有較強(qiáng)的泛化能力和準(zhǔn)確性，可方便的用于評(píng)價(jià)新的樣本并簡(jiǎn)化再次評(píng)價(jià)的過(guò)程，相比于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法更加科學(xué)客觀、適于推廣。

    3)本文提出的脆弱性概念及其評(píng)價(jià)技術(shù)為C02驅(qū)油藏輸油管道安全性研究提供了新思路，對(duì)我國(guó)C02驅(qū)項(xiàng)目的安全管理有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

    4)隨著人們安全意識(shí)的提高，不同脆弱性等級(jí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)范圍還有待改進(jìn)，不同訓(xùn)練樣本數(shù)量以及不同的模型輸出值對(duì)SVM模型評(píng)價(jià)精度的影響。

    6評(píng)述：C02驅(qū)油在全國(guó)范圍內(nèi)的廣泛開(kāi)展導(dǎo)致內(nèi)外擾動(dòng)對(duì)輸油管道的威脅大大增加，為指導(dǎo)企業(yè)發(fā)現(xiàn)輸油管道的薄弱點(diǎn)從而預(yù)防事故發(fā)生，提出C02驅(qū)油藏輸油管道脆弱性概念及研究思路。