模糊評(píng)價(jià)法在LNG加注船作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用

曹昌魁， 屠海洋

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

模糊評(píng)價(jià)法在LNG加注船作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用

曹昌魁， 屠海洋

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

建立LNG加注船錨地作業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用an指數(shù)型標(biāo)度的層次分析法計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值，并通過(guò)構(gòu)建指標(biāo)隸屬度函數(shù)和模糊子集表確定模糊評(píng)價(jià)矩陣，運(yùn)用模糊運(yùn)算法求出LNG加注船錨地作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。選取國(guó)內(nèi)某內(nèi)河LNG加注船進(jìn)行錨地加注作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析，證明該評(píng)價(jià)方法的實(shí)用性，為海事管理部門控制LNG加注船的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、加強(qiáng)及改善通航管理水平提供參考。

水路運(yùn)輸； LNG加注船； 錨地作業(yè)； 模糊綜合評(píng)價(jià)； 權(quán)重； 隸屬度

Abstract: The weights of the indexes are determined on the basis of the AHP for the risk in LNG bunkering vessel operation in anchorage ground. The membership function of the indexes and the fuzzy subset table are determined and the fuzzy evaluation matrix is built. The level of the risks in operations of LNG bunkering ships in an anchorage ground is evaluated with the fuzzy evaluation matrix. An inland river bunkering vessel operating in an anchorage ground, is taken as a sample to test the evaluation method. The tests show that the method is of practical value.

Keywords: waterway transportation; LNG bunkering vessel; operation in anchorage ground; fuzzy comprehensive evaluation; weight vector; degree of membership

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)在改善大氣環(huán)境、減輕水體污染和降低船舶營(yíng)運(yùn)成本等方面有著重要的作用，近幾年國(guó)內(nèi)已有多艘內(nèi)河船舶改造為L(zhǎng)NG燃料動(dòng)力船。[1]作為L(zhǎng)NG燃料動(dòng)力船水上供應(yīng)的重要配套設(shè)施之一，LNG加注船以其靈便性好、服務(wù)范圍廣和效率高等優(yōu)勢(shì)得到業(yè)界廣泛關(guān)注。LNG加注船不僅可以在港口操作，而且能在內(nèi)河或海上作業(yè)。[2]其在內(nèi)河或海上作業(yè)時(shí)主要有以下2種靠離泊作業(yè)方式。

(1) LNG加注船錨泊，受注船并靠LNG加注船，加注結(jié)束后受注船離泊；

(2) 受注船錨泊，LNG加注船并靠受注船，加注結(jié)束后LNG加注船離泊。

然而，當(dāng)加注船與受注船在錨地連接并進(jìn)行加注作業(yè)時(shí)，兩者在某種程度上構(gòu)成一個(gè)整體，除了考慮錨地水域的環(huán)境狀況及過(guò)往船舶的影響之外，還要考慮加注船與受注船的兼容性[3]；加上LNG本身具有易燃易爆性、低溫危害性、易擴(kuò)散性和壓力危險(xiǎn)性等特質(zhì)[4]，使得LNG加注船錨地加注作業(yè)的安全問(wèn)題尤為突出。

LNG加注船錨地作業(yè)具有復(fù)雜性高、難以量化和影響因素多等特點(diǎn)，難以用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。模糊綜合評(píng)價(jià)法(Fuzzy Comprehensive Evaluation，F(xiàn)CE)是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)的一種預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)方法，主要用程度語(yǔ)言來(lái)描述評(píng)價(jià)對(duì)象，評(píng)價(jià)方式與人們的正常思維模式很接近。[5]目前FCE的應(yīng)用較為廣泛，但其在LNG相關(guān)產(chǎn)業(yè)的安全研究方面多應(yīng)用于LNG加注站、LNG氣化站、LNG碼頭和LNG運(yùn)輸船等，對(duì)LNG加注船錨地作業(yè)安全評(píng)價(jià)的應(yīng)用研究較少。對(duì)此，將FCE應(yīng)用到LNG加注船錨地加注作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析中，綜合評(píng)價(jià)其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

1 FCE

完整的FCE主要涉及因素集、評(píng)語(yǔ)集和單因素評(píng)價(jià)矩陣等3個(gè)要素，評(píng)價(jià)單因素后，再對(duì)多因素問(wèn)題進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)。具體評(píng)價(jià)步驟[5-7]如下。

1.1建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，要堅(jiān)持一致性、可測(cè)性、可比性、獨(dú)立性和可行性等原則。

1.2因素集

所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)成因素集U，即

U={u1,u2,…,um}

(1)

式(1)中：u1,u2,…,um為評(píng)價(jià)目標(biāo)中的各種因素,即評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.3指標(biāo)權(quán)重集

常用的確定權(quán)重向量的方法有統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法、分析推理法、專家估計(jì)法和層次分析法。

1.4評(píng)語(yǔ)集

評(píng)語(yǔ)集是評(píng)價(jià)者可能對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象作出的各種評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的評(píng)語(yǔ)等級(jí)的集合。一般等級(jí)的劃分在3～7級(jí)，即

V={V1,V2,…,Vp}

(2)

式(2)中：3

1.5進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)矩陣

對(duì)U中的單因素ui(i=1,2,…,m)進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，根據(jù)其對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)vj(j=1,2,…,n)的隸屬度得到單因素評(píng)價(jià)向量Ri=(ri1,ri2,…,rin)，該向量是評(píng)價(jià)集V上的模糊子集。對(duì)U中的全部指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可得到總的模糊評(píng)價(jià)矩陣Rm×n。

1.6建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型

已知評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量W和模糊評(píng)價(jià)矩陣R后，可建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型。

B=W°R=(b1,b2,…,bn)

(3)

式(3)中：“°”為模糊綜合運(yùn)算符，在模糊數(shù)學(xué)中稱為模糊算子，常用的是“取大取小算子M(∧，∨)”和“乘與和算子M(·，⊕)”[8];B為評(píng)價(jià)集V上的等級(jí)模糊子集。

1.7反模糊化處理

常用的反模糊化方法有最大隸屬度法[9]和加權(quán)平均法，其中：最大隸屬度法簡(jiǎn)單易行，但沒(méi)有全面考慮其他因素的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果的精確度不高；加權(quán)平均法以bj為權(quán)數(shù)，對(duì)評(píng)價(jià)集的各元素vj進(jìn)行加權(quán)平均，將求得的結(jié)果作為最終評(píng)價(jià)值。

(4)

式(4)中：k=1或2，為待定系數(shù)，用于控制較大的bj所帶來(lái)的影響。

2 FCE在LNG加注船錨地作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用

2.1LNG加注船錨地作業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

不同于其他普通水上作業(yè)，LNG加注船在錨地作業(yè)時(shí)除了要考慮水域環(huán)境、交通管理及人為因素等方面的影響之外，還要考慮船對(duì)船加注的特殊性。這里在參考相關(guān)研究[3，10-12]、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及咨詢行業(yè)專家的意見(jiàn)之后，確立內(nèi)河LNG加注船錨地安全作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素包括環(huán)境因素、船舶因素、加注/連接設(shè)備和人為因素等4類，各類下面又包括若干個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素，進(jìn)而建立內(nèi)河LNG加注船錨地作業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)表1)。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可確定因素集U，包含4個(gè)子集共15項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2指標(biāo)權(quán)重的確定

采用層次分析法確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。

2.2.1構(gòu)造判斷矩陣

FCE的關(guān)鍵步驟是構(gòu)造判斷矩陣。對(duì)于n個(gè)元素來(lái)說(shuō)，可得到兩兩比較判斷矩陣C=(cij)n×n。構(gòu)造判斷矩陣的常用方法有1～9標(biāo)度法、9/9～9/1標(biāo)度法、10/10～18/2標(biāo)度法和an指數(shù)標(biāo)度法等。根據(jù)文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]，an指數(shù)標(biāo)度法的滿意一致性檢驗(yàn)比率相比其他幾種標(biāo)度法所占比例最高。為達(dá)到良好的一致性，采用an指數(shù)型標(biāo)度，根據(jù)各層指標(biāo)Ui的相對(duì)重要度得到判斷矩陣。

2.2.2一致性檢驗(yàn)

由于判斷矩陣Cij是根據(jù)專家認(rèn)定的各指標(biāo)間的相對(duì)重要度評(píng)價(jià)的，存在片面性和主觀性，因此需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。這里引入隨機(jī)一致性比率CR確定判斷矩陣是否具有滿意的一致性。

(5)

式(5)中：λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為判斷矩陣的階數(shù)；RI為an指數(shù)型標(biāo)度的平均一致性指標(biāo)(見(jiàn)表2)。若式(5)中CR<0.10，則認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，其最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量W=[W1,W2,…,Wn]T中的各元素的大小即為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，否則需調(diào)整判斷矩陣。

表2 an指數(shù)型標(biāo)度的平均一致性指標(biāo)

2.3指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

LNG加注船錨地作業(yè)的影響因素較為復(fù)雜，涉及到的模糊概念較多，對(duì)其作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)給出準(zhǔn)確的“高風(fēng)險(xiǎn)”或“低風(fēng)險(xiǎn)”的定義較為困難。這里參考相關(guān)研究[9，12]，將各風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)等5個(gè)層次，評(píng)語(yǔ)集為V={V1,V2,V3,V4,V5}={-2，-1，0，1，2}，其中，-2，-1,0,1,2為模糊數(shù)。

由于參考資料有限，各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的劃分比較粗略，但不影響模糊評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用。風(fēng)力、流速、錨地底質(zhì)和船齡等指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)文獻(xiàn)[12]中錨地原油過(guò)駁風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)與過(guò)駁危險(xiǎn)度的關(guān)系，并考慮LNG加注船的特殊性得到；能見(jiàn)度和交通量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)則通過(guò)參考《內(nèi)河水上交通能見(jiàn)度的監(jiān)測(cè)及分級(jí)預(yù)警技術(shù)要求》和文獻(xiàn)[15]得到；其他風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)難以定量描述，這里采用模糊語(yǔ)言進(jìn)行定性劃分。[12，15]各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.4評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度的確定

由于指標(biāo)因素和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是模糊的概念，各相鄰等級(jí)之間沒(méi)有明顯的界限，因此不宜貿(mào)然將某一指標(biāo)因素描述為某個(gè)確定級(jí)別。這里認(rèn)為任一因素都是模糊地分布在其前后相鄰的2個(gè)等級(jí)之間。[15]對(duì)于直接可觀測(cè)的指標(biāo)因素(即風(fēng)力、流速、能見(jiàn)度、交通量和船齡)，可利用模糊數(shù)學(xué)理論，參照文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]構(gòu)建單指標(biāo)隸屬度函數(shù)；對(duì)于難以量化的指標(biāo)因素，可構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度模糊子集表[15-16](見(jiàn)表4)。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度模糊子集表

3 實(shí)例分析

以在國(guó)內(nèi)某內(nèi)河段(B級(jí)航區(qū))錨地進(jìn)行加注作業(yè)的某LNG加注船為研究對(duì)象，靠離泊選擇受注船錨泊、LNG加注船并靠受注船的方式，加注結(jié)束后LNG加注船離泊。該LNG加注船總長(zhǎng)45 m，型寬8.8 m，設(shè)計(jì)吃水2 m，儲(chǔ)罐容積200 m3，加注作業(yè)水域的交通和氣象數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 作業(yè)水域的交通和氣象數(shù)據(jù)

3.1權(quán)重值的確定

比較兩兩指標(biāo)間的重要程度，運(yùn)用層次分析法并結(jié)合MATLAB軟件對(duì)環(huán)境因素、船舶因素、加注/連接設(shè)備和人為因素的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到第1層判斷矩陣為

(6)

經(jīng)計(jì)算：λmax=4.009 4，CI=0.003 1，RI=0.496 9。隨機(jī)一致性比率CR=0.006 2<0.1。計(jì)算得到權(quán)重值W=(0.212 3,0.185 0,0.342 4,0.260 3)。

同理，對(duì)第2層指標(biāo)的比較數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到第2層指標(biāo)的權(quán)重值(見(jiàn)表6)。

表6 各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度

3.2模糊綜合評(píng)價(jià)

3.2.1模糊運(yùn)算

根據(jù)LNG加注船主要尺度參數(shù)及作業(yè)區(qū)域的氣象和交通數(shù)據(jù)，并結(jié)合行業(yè)專家的意見(jiàn)，對(duì)各單因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度見(jiàn)表6。

由表6可知，環(huán)境因素各指標(biāo)模糊評(píng)價(jià)矩陣為

(7)

環(huán)境因素權(quán)重集為W1=(0.197 0,0.149 7,0.197 0,0.197 0,0.259 3)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]，乘與和算子M(·，⊕)兼顧整體因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，因此采用M(·，⊕)計(jì)算環(huán)境因素模糊隸屬度向量。

B1=W1°R1=(0.177 3，0.696 9，0.125 8，0，0)

(8)

同理可求得船舶因素隸屬度向量B2,加注/連接設(shè)備隸屬度向量B3及人為因素隸屬度向量B4。B2=(0.573 8，0.284 1，0.142 1，0，0)；B3=(0.279 4，0.353 5，0.274 8，0.092 3，0)；B4=(0.151 0，0.401 0，0.349 0，0.099 0，0)。

將以上各模糊隸屬度向量組合,即可得到LNG加注船錨地作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。

(9)

由此，可得到LNG加注船錨地作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合隸屬度向量。

B=W°R=(0.278 8，0.425 9，0.237 9，0.057 4，0)

(10)

3.2.2反模糊化

3.2.2.1 LNG加注船錨地作業(yè)總體風(fēng)險(xiǎn)

按照最大隸屬度方法，LNG加注船在該水域的加注作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)屬于“較低風(fēng)險(xiǎn)”等級(jí)；按照加權(quán)平均方法，根據(jù)式(4)對(duì)模糊向量B和評(píng)語(yǔ)集V={-2，-1，0，1，2}進(jìn)行加權(quán)平均處理(取k=1)，結(jié)果為

(11)

最終評(píng)價(jià)結(jié)果為-0.926 1，對(duì)照“2.3”節(jié)中的指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可知，LNG加注船在該水域的錨地加注作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)介于“較低風(fēng)險(xiǎn)”和“一般風(fēng)險(xiǎn)”之間，接近于“較低風(fēng)險(xiǎn)”等級(jí)。由于目前LNG加注船從設(shè)計(jì)到制造，再到作業(yè)、管理等各個(gè)階段都有較高的標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的規(guī)范，且內(nèi)河水域自然環(huán)境相對(duì)于海上環(huán)境較為溫和，因此實(shí)際中內(nèi)河LNG加注船錨地作業(yè)的總體風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)不高。但是，考慮到LNG事故后果的嚴(yán)重危害性，有必要采取一定的措施來(lái)保障作業(yè)周圍人員和財(cái)產(chǎn)的安全，例如設(shè)立作業(yè)安全區(qū)。

3.2.2.2 4類風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)LNG加注船錨地作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度

根據(jù)求得的B1～B4，按照加權(quán)評(píng)價(jià)方法，參考式(4)，分別對(duì)4個(gè)向量和評(píng)語(yǔ)集進(jìn)行加權(quán)平均處理，求得A1=-1.050 9，A2=-1.431 7，A3=-0.819 9，A4=-0.604 0?？梢?jiàn)，環(huán)境因素和船舶因素均處于“低風(fēng)險(xiǎn)”和“較低風(fēng)險(xiǎn)”之間，說(shuō)明該水域條件下的環(huán)境因素和船舶因素對(duì)總體風(fēng)險(xiǎn)的影響程度較小，基本可以滿足LNG加注船錨地作業(yè)的要求。但是，作業(yè)所需的加注/連接設(shè)備及人為因素處于“較低風(fēng)險(xiǎn)”和“一般風(fēng)險(xiǎn)”之間，對(duì)總體風(fēng)險(xiǎn)的影響程度較大，作業(yè)過(guò)程中需加以重視。

4 結(jié)束語(yǔ)

從LNG加注船作業(yè)的安全性出發(fā)，建立內(nèi)河LNG加注船錨地作業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)LNG加注船錨地作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化，確定作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)總體風(fēng)險(xiǎn)的影響程度。評(píng)價(jià)結(jié)果可對(duì)LNG加注船錨地作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理及制訂安全保障措施提供一定參考。

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AnalysisofRisksinLNGBunkeringVesselOperationwithFuzzyEvaluationMethod

CAOChangkui，TUHaiyang

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135,China)

U698

A

2016-02-03

曹昌魁(1990—)，男，山東菏澤人，碩士，主要從事航海安全研究。 E-mail:cckuiwy@163.com

1000-4653(2016)03-0082-05