基于灰色理論的漂浮救生艙載人漂浮安全性分析

倪先勝，周 成，曹和云，陳 歡，陳小寧

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北 武漢 430064)

0 引 言

漂浮救生艙是一種用于失事潛艇艇員集體脫險(xiǎn)的設(shè)備[1]。漂浮救生艙通過連接裝置與潛艇脫險(xiǎn)艙相通，有耐壓水密門隔開。失事潛艇艇員可在無外援情況下，從失事潛艇進(jìn)入救生艙，脫開連接裝置，救生艙即與艇分離，借助較大正浮力上浮至水面待救。載人漂浮過程包括潛艇與漂浮救生艙就位、潛器釋放、潛器上浮、水面漂浮和人員轉(zhuǎn)移等階段。漂浮救生艙載人漂浮是驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)潛艇救生的關(guān)鍵步驟，對(duì)漂浮救生艙載人漂浮進(jìn)行安全性分析是救生安全保障工作的重要內(nèi)容。

長(zhǎng)期以來，世界各海運(yùn)國(guó)家為確保船舶設(shè)備安全做了大量工作，提出一些廣泛應(yīng)用的分析與評(píng)估方法，如事件樹分析、概率風(fēng)險(xiǎn)分析、綜合安全評(píng)估等，其中綜合安全評(píng)估方法在一些領(lǐng)域中應(yīng)用更為普遍[2]。

綜合安全評(píng)估[3]一般包括危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、提出降低風(fēng)險(xiǎn)的措施、降低風(fēng)險(xiǎn)的費(fèi)用評(píng)估及提出降低風(fēng)險(xiǎn)措施的決策建議5個(gè)主要步驟。利用綜合分析方法進(jìn)行漂浮救生艙漂浮安全評(píng)估的流程如圖1所示。

圖1 綜合安全分析方法示意圖Fig.1 The schematic of the formal safty assessment method

對(duì)于艦艇設(shè)備載人應(yīng)用這類復(fù)雜的技術(shù)問題，很多危險(xiǎn)事件的發(fā)生不僅具有客觀原因，還存在人為因素，由于沒有大量的數(shù)據(jù)可供統(tǒng)計(jì)，其概率難以用傳統(tǒng)方法得到。一些學(xué)者用專家評(píng)估和模糊集理論相結(jié)合的方法[4-5]得到故障樹中危險(xiǎn)事件發(fā)生的模糊概率，然后進(jìn)行故障樹定性和定量分析。然而，這一方法對(duì)危險(xiǎn)事件之間關(guān)聯(lián)程度并沒有考慮?？紤]到應(yīng)用背景[6]，本文結(jié)合系統(tǒng)安全性標(biāo)準(zhǔn)大綱和綜合安全分析方法，對(duì)漂浮過程進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別，建立評(píng)估模型，提出基于灰色理論的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，用改進(jìn)的權(quán)重分析法確定評(píng)價(jià)體系的權(quán)重，并對(duì)灰色評(píng)估理論進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂浮過程的風(fēng)險(xiǎn)概率和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行定性定量評(píng)估，進(jìn)而提出降低風(fēng)險(xiǎn)措施的策略。

1 基于灰色理論的安全性分析方法

1.1 風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別和指標(biāo)體系

利用收集到的有關(guān)資料，系統(tǒng)、全面、定性地分析影響漂浮救生艙載人漂浮過程的各種因素，篩選出主要風(fēng)險(xiǎn)因素，建立因素體系。結(jié)合“共青團(tuán)員”號(hào)漂浮救生艙實(shí)際應(yīng)用樣本案例，本文采用事件樹分析方法，對(duì)載入漂浮過程進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別。圖2列出了應(yīng)用過程中主要危險(xiǎn)來源，并以危險(xiǎn)事件作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，將事件發(fā)生的可能性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Index system of the risk recognition and assessment

1.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

由于知識(shí)的局限性，參與載人漂浮應(yīng)用的專家不可能對(duì)每個(gè)問題都了解和熟悉，而熟悉與否對(duì)評(píng)價(jià)的可靠性有相當(dāng)大的影響。在對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行處理時(shí)，常常要求考慮專家對(duì)評(píng)價(jià)內(nèi)容的權(quán)威程度。為了全面考量專家的權(quán)威性，分析評(píng)價(jià)專家與載人漂浮過程的關(guān)聯(lián)程度，從職稱、工作經(jīng)驗(yàn)、熟悉程度等5個(gè)方面對(duì)專家進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(見表1)。

表1 載人漂浮安全性專家評(píng)估團(tuán)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)評(píng)價(jià)專家有n位，第i位評(píng)價(jià)專家的綜合影響價(jià)值記為Mi(i=1,2,…,n)，則有：Mi=ai·bi·ci·di；從而，專家的權(quán)威影響系數(shù)為

(1)

確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)有主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法2種，在實(shí)際應(yīng)用中為克服人為因素的影響，常常將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法結(jié)合起來使用。本文采用組織n個(gè)專家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行主觀賦值，然后對(duì)這些權(quán)值進(jìn)行一定的綜合處理得到各指標(biāo)的權(quán)重。設(shè)有n位專家，m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，第i位評(píng)價(jià)專家對(duì)第j個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重給出評(píng)價(jià)值ωij(百分制)，則相關(guān)系數(shù)

(2)

根據(jù)式(1)計(jì)算相關(guān)系數(shù)λjk后得到相關(guān)矩陣A(λjk)，再按式(2)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

求得每個(gè)指標(biāo)權(quán)重的得分Wi，則評(píng)價(jià)指標(biāo)Xi的權(quán)重為：

其中，指標(biāo)權(quán)重向量φ=[φ1,φ2,…,φn]。

1.3 評(píng)估樣本矩陣的建立

設(shè)有m位評(píng)價(jià)專家，評(píng)價(jià)專家的序號(hào)為k，即k=1，2，…，m；設(shè)有評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)集合U={u1,u2,…,un}，n表示風(fēng)險(xiǎn)因素個(gè)數(shù)。組織這些評(píng)價(jià)專家按照評(píng)價(jià)指標(biāo)集合U的評(píng)分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)第x個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行評(píng)分，即根據(jù)第k個(gè)評(píng)價(jià)專家對(duì)第x個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象所給出的分?jǐn)?shù)dxk，就可以得到對(duì)m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)樣本矩陣

(5)

1.4 評(píng)估灰類的確定

不同的評(píng)價(jià)專家認(rèn)識(shí)上也有一定的差異，為了能比較確切地反映出第x個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象屬于某類的程度，因此需要確定評(píng)價(jià)灰類的等級(jí)、灰類灰數(shù)以及白化權(quán)函數(shù)。設(shè)有g(shù)個(gè)評(píng)價(jià)灰類C1，C2，…，Cg，相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)[7]及其閾值分別為f1(x),f2(x),…,fg(x)和λ1,λ2,…，λg。本文中，載人漂浮應(yīng)用項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)設(shè)定為5個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，則g=5，相應(yīng)從極高至極低風(fēng)險(xiǎn)的灰色白化權(quán)函數(shù)分別為：

1.5 灰色評(píng)價(jià)系數(shù)的計(jì)算

對(duì)于任何一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ui，如果將第x個(gè)評(píng)價(jià)因素屬于第h個(gè)評(píng)價(jià)灰類的灰色評(píng)價(jià)系數(shù)記為Ωij，則有[8]：

對(duì)于任何評(píng)價(jià)指標(biāo)Ui，如果將第x個(gè)評(píng)價(jià)因素屬于各個(gè)評(píng)價(jià)灰類的灰色評(píng)價(jià)系數(shù)記為Ωj，則有：

(8)

1.6 灰色評(píng)價(jià)權(quán)權(quán)值及權(quán)矩陣的計(jì)算

設(shè)所有評(píng)價(jià)專家針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，第x個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目主張第h個(gè)灰類的灰色評(píng)價(jià)權(quán)值記為θjh，則有：

θjh=Ωij/Ωj。

(9)

可以得到每x個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的所有所屬指標(biāo)對(duì)各評(píng)價(jià)灰類的灰色評(píng)價(jià)權(quán)矩陣

(10)

1.7 綜合評(píng)價(jià)及排序

為了能夠確切反映出評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)等級(jí)，權(quán)重向量取φ，利用下式計(jì)算出灰色綜合評(píng)價(jià)權(quán)矩陣：

(11)

由于第x個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B1(x)是一個(gè)向量，它描述的是第x個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象綜合狀況分灰類程度。按照最大值原則，可以確定評(píng)價(jià)對(duì)象所屬灰度等級(jí)。為了進(jìn)行綜合排序，將各評(píng)價(jià)灰類等級(jí)按“灰水平”賦值，得到各評(píng)價(jià)灰類等級(jí)值化向量C=[C1，C2，…，Cg]，則對(duì)第x個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值為：

R(x)=B(x)×CT。

(12)

綜合評(píng)價(jià)值R(x)求出后，就可以根據(jù)此值的大小給出m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象風(fēng)險(xiǎn)高低的排序，并依據(jù)此值對(duì)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)提出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施。

2 載人漂浮過程安全性分析應(yīng)用實(shí)例

2.1 漂浮救生艙載人漂浮危險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

以漂浮救生艙載人漂浮過程為例，進(jìn)行安全性分析。在完成危險(xiǎn)識(shí)別后，評(píng)估過程如下：

選用5位評(píng)價(jià)專家，均來自于潛艇設(shè)計(jì)一線的科研專家，職稱、專業(yè)、工作年限以及現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)都均不相同，其權(quán)威系數(shù)評(píng)價(jià)矩陣為：

則可求得專家的權(quán)威系數(shù)為Xi=[0.22,0.20,0.19,0.21,0.18]。經(jīng)過評(píng)價(jià)專家對(duì)各項(xiàng)危險(xiǎn)事件的權(quán)重進(jìn)行打分(百分制)， 最終按照式(2)計(jì)算可得，依照前文所列順序，權(quán)重系數(shù)為：

φ=[0.17,0.12,0.06,0.06,0.13,0.13,0.15,0.16]。

現(xiàn)以危險(xiǎn)事件E1“漂艙與潛艇圍殼出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間卡滯”為例，5位評(píng)價(jià)專家按1.4節(jié)設(shè)計(jì)給出評(píng)價(jià)結(jié)論d1=[8,7,8,6,9]，采用白化權(quán)函數(shù)為最常用的三角函數(shù)，如式(6)所示，計(jì)算可得：

f1(d1)=[0.89,0.78,0.89,0.67,1]。

結(jié)合式(7)～式(12)，采用Matlab編程，計(jì)算結(jié)果可得：

Ω1=[2.46,3.14,2.47,3.34,1.79]；
θ1=[0.19,0.24,0.19,0.25,0.14]。

同理，可以求得其他危險(xiǎn)事件的評(píng)價(jià)矩陣：

令灰度水平賦值向量C=[9,7,5,3,1],則由此求得：

R=φ×E×CT=4.93。

由此，經(jīng)過綜合計(jì)算得到綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值R=4.93。由3<4.93<5 得出結(jié)論：該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為中等偏低水平，項(xiàng)目基本可行。

根據(jù)公式Ri=φi×Ei×CT得到各指標(biāo)的評(píng)價(jià)向量，計(jì)算可得：R1=5.67；R2=2.25；R3=3.25；R4=3.7；R5=2.45；R6=4.55；R7=4.82；R8=5.02。從而可以得出各級(jí)指標(biāo)之間的評(píng)價(jià)關(guān)系。

2.2 載人漂浮過程風(fēng)險(xiǎn)管理對(duì)策和建議

通過計(jì)算的R(x)各值可以看出，各危險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)值的關(guān)系為：漂艙與圍殼發(fā)生卡滯風(fēng)險(xiǎn)>人員意外落水風(fēng)險(xiǎn)>漂浮過程人員碰撞風(fēng)險(xiǎn)>自持力風(fēng)險(xiǎn)>艙內(nèi)發(fā)生火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)>接口進(jìn)水風(fēng)險(xiǎn)>穩(wěn)性浮性變化風(fēng)險(xiǎn)。故而，此項(xiàng)目的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)來源于漂艙與圍殼發(fā)生卡滯風(fēng)險(xiǎn)、人員意外落水風(fēng)險(xiǎn)和漂浮過程人員碰撞風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)危險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)中的關(guān)鍵因素，相關(guān)管理和脫險(xiǎn)人員可以采取具有針對(duì)性的措施加以防范，來降低此項(xiàng)目實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)提出以下管理對(duì)策和建議：

1)針對(duì)卡滯風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)脫險(xiǎn)人員進(jìn)行相關(guān)技術(shù)和操作規(guī)范的培訓(xùn)，確保熟悉操作要領(lǐng)；設(shè)計(jì)上，增加多重解鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保過程萬無一失；載人漂浮過程中，一旦超過設(shè)計(jì)卡滯時(shí)間，及時(shí)采取相應(yīng)應(yīng)急處理措施。

2)載人漂浮過程中，脫險(xiǎn)人員配備相應(yīng)救生衣、救生圈和繩索等設(shè)備；易落水區(qū)域人員采取相互提醒等防護(hù)保障。

3)針對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)，漂艙內(nèi)的銳邊、尖角或其他突出物采用包覆措施，對(duì)可能掉落的物體采取固定措施或其它防護(hù)手段；適當(dāng)配備防暈防碰撞的急救藥品等。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)漂浮救生艙載人漂浮過程在決策和實(shí)施過程面臨的諸多危險(xiǎn)事件和不能量化評(píng)估的問題，基于灰色評(píng)價(jià)理論進(jìn)行了一系列的安全性分析，得出以下結(jié)論：

1)基于灰色理論的載人漂浮過程安全性分析全面的給出了載人過程中的危險(xiǎn)事件，并進(jìn)行量化評(píng)估，提出針對(duì)性措施，驗(yàn)證該方法的可行性和適用性。

2)結(jié)合該項(xiàng)目的量化評(píng)價(jià)結(jié)果，危險(xiǎn)事件的綜合風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為中等偏低水平，項(xiàng)目基本可行。其中，卡滯風(fēng)險(xiǎn)、人員落水風(fēng)險(xiǎn)和碰撞風(fēng)險(xiǎn)是項(xiàng)目中的關(guān)鍵因素，需要相應(yīng)的措施來降低風(fēng)險(xiǎn)。

3)基于灰色理論的安全性分析方法充分利用決策者的判斷信息，通過對(duì)“少數(shù)據(jù)”模型的挖掘和分析，總結(jié)出整體的風(fēng)險(xiǎn)。本文研究表明，該方法計(jì)算簡(jiǎn)便，實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)客觀真實(shí)，對(duì)潛艇相關(guān)設(shè)備的載人應(yīng)用的安全性分析具有指導(dǎo)意義。

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