LNG船裝卸作業(yè)風險動態(tài)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測

馬先山, 劉 宇, 方 磊, 朱祥貴

(1.青島遠洋船員職業(yè)學院,山東 青島 266071; 2.上海海事大學 商船學院，上海 201306；3.臺州港引航站,浙江 臺州 318000)

LNG船裝卸作業(yè)風險動態(tài)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測

馬先山1, 劉 宇2, 方 磊2, 朱祥貴3

(1.青島遠洋船員職業(yè)學院,山東 青島 266071; 2.上海海事大學 商船學院，上海 201306；3.臺州港引航站,浙江 臺州 318000)

以液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)船裝卸貨風險為研究對象，針對其特征和物理屬性，考慮船舶和環(huán)境2方面因素對裝卸貨風險的影響，確定LNG船裝卸貨風險的形成原因及其耦合關(guān)系，并分別采用靜態(tài)和動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立LNG船卸貨風險預(yù)測模型，以分析裝卸貨作業(yè)過程中的風險變化。利用所建模型對LNG船港口卸貨作業(yè)進行風險預(yù)測，通過驗證該模型的正確性和有效性，得出LNG船卸貨作業(yè)過程風險波動性強的結(jié)果。結(jié)果表明，所得風險預(yù)測結(jié)果與歷史事故規(guī)律基本吻合，該模型能較好地預(yù)測LNG船作業(yè)過程中的風險。

LNG船;動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò);卸貨作業(yè);風險預(yù)測

隨著各國對液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)的需求量不斷增多、LNG利用效率不斷增大，LNG的運輸量和裝卸量呈逐年遞增趨勢。由于LNG具有一定的特殊性和危險性，使得LNG船一旦發(fā)生意外，將對周圍環(huán)境和人員造成危害。因此,針對這種可能存在的危險情況做好LNG船裝卸貨的安全研究和風險預(yù)測尤為重要。

近年來,國內(nèi)外相關(guān)學者已對LNG船的航行進行較多的研究。國外方面:文獻[1]通過分析LNG船事故的歷史數(shù)據(jù)，對潛在危險源進行識別，并結(jié)合相關(guān)專家知識，利用綜合安全評價法(Formal Safety Assessment，F(xiàn)SA)對LNG船可能發(fā)生的碰撞、擱淺、觸碰、火災(zāi)和爆炸及裝卸貨事故進行風險分析;文獻[2]采用故障樹分析法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)及事故因果分析和預(yù)先危險性方法(Preliminary Hazard Analysis，PHA)構(gòu)造LNG船在裝卸液貨時的事故模型，對事故后果進行風險分析，提出預(yù)防LNG泄漏的建議和操作措施;文獻[3]采用功能樹法(Functional Tree，F(xiàn)T)對LNG船貨物裝卸設(shè)備進行失效分析，結(jié)合預(yù)先危險性分析和因果圖分析法得出的危險源，利用貝葉斯概率算法得出各事件發(fā)生的可能性，利用風險矩陣進行風險分析，提出減少裝卸設(shè)備維護的操作方法和建議。國內(nèi)方面:文獻[4]研究裝卸作業(yè)關(guān)鍵步驟人、船舶、LNG裝卸碼頭、環(huán)境和管理因素等5個方面對LNG船裝卸作業(yè)安全的影響，分析裝卸過程中應(yīng)關(guān)注的環(huán)節(jié)，提出合理的安全管理意見;文獻[5]利用FSA理論方法研究LNG船和接收站數(shù)據(jù)資料，分析船舶裝卸貨過程中和航行過程中的危險，采用事故樹分析法進行風險評估，提出碰撞、擱淺和泄漏事故應(yīng)急處理預(yù)案;文獻[6]分析影響運輸?shù)囊蛩睾瓦\輸流程，以中海油LNG船為例，隨機選取該船某航次，利用BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分析，為LNG海上運輸提供參考;文獻[7]運用“人-機-環(huán)-管”理論構(gòu)建LNG接收站評價體系，利用模糊綜合評判法和層次分析法建立模型，以國內(nèi)某接收站為例進行安全評價，提出整改意見。

以上文獻主要對LNG船在靜態(tài)因素下的風險進行研究，并沒有考慮到LNG船的影響因素是隨時間改變的，即風險因素的動態(tài)特征。在綜合分析以上文獻的基礎(chǔ)上，根據(jù)事故致因理論和LNG及船舶營運領(lǐng)域?qū)＜业难芯砍晒?，考慮LNG船裝卸貨時的動態(tài)特性，引入動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建LNG船裝卸貨風險預(yù)測的DBN(Dynamic Bayesian Network)模型，對LNG船裝卸貨風險進行預(yù)測。

1 LNG船裝卸貨風險因素分析

研究單次裝卸貨作業(yè)中LNG動態(tài)轉(zhuǎn)移過程和環(huán)境帶來的動態(tài)風險的大小及其變化規(guī)律，根據(jù)事故致因理論，對裝卸貨過程中的船舶和環(huán)境影響因素進行分析；同時，結(jié)合以往的研究和專家建議，確定LNG船裝卸貨風險預(yù)測的指標體系。具體LNG船裝卸貨風險DBN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 LNG船裝卸貨風險DBN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1船舶因素

船舶因素是影響LNG船裝卸貨作業(yè)最基本的因素，因此對船舶因素加以考慮，對保證船舶裝卸貨安全而言至關(guān)重要。這里選取船況、船舶參數(shù)和LNG狀態(tài)等3部分進行研究。

1.2環(huán)境因素

環(huán)境因素主要考慮自然環(huán)境、社會環(huán)境和交通條件等3個方面，其中：自然環(huán)境包括氣象水文和突發(fā)性自然災(zāi)害；社會環(huán)境包括恐怖襲擊和戰(zhàn)爭。

1.3船舶和岸基作業(yè)人員

鑒于人員因素影響的行為最終會通過船舶設(shè)備和設(shè)施等機器系統(tǒng)顯示為人機行為，不再將船舶和岸基作業(yè)人員列為分析參數(shù)，以簡化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造工作。

2 LNG船裝卸貨風險預(yù)測模型

2.1風險值

LNG船裝卸貨風險預(yù)測模型主要用來預(yù)測LNG船裝卸貨事故的發(fā)生概率，只有將其與事故的后果相結(jié)合才能得到風險的大小。根據(jù)當前的LNG船裝卸貨事故統(tǒng)計規(guī)律，按等級對事故后果進行賦值。由于所有情況的賦值方法相同，因此賦值的大小對預(yù)測結(jié)果的分級沒有太大影響。

2.2風險因素耦合

風險系統(tǒng)與風險系統(tǒng)之間存在著非線性的相互作用，這種系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的相互作用是事物存在的普遍范式，稱之為耦合。[9-11]風險耦合是指系統(tǒng)中某個或某類風險的發(fā)生及其影響力依賴于其他風險的程度和影響其他風險發(fā)生及其影響力的程度。在LNG船裝卸貨風險系統(tǒng)中，裝卸貨風險是由船舶、LNG等因素與環(huán)境因素的不確定性相互耦合產(chǎn)生的。通過對LNG船裝卸貨風險進行分析得到,影響因素之間的關(guān)系是網(wǎng)絡(luò)型的。

2.3風險預(yù)測的節(jié)點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

LNG船裝卸貨風險影響因素具有單向無環(huán)的特性。因此，可引入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行定量化推理。

DBN是以靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Belief Networks，BBN)為基礎(chǔ)，將原來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與時間信息相結(jié)合形成的具有處理時序數(shù)據(jù)能力的隨機模型。由于時間因素的引入，系統(tǒng)狀態(tài)在不同時序下形成的數(shù)據(jù)將反映所代表的變量的演化規(guī)律。若要分析這種動態(tài)數(shù)據(jù)，需建立相應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的動態(tài)模型。當前時刻的物理要素變量狀態(tài)受前一時刻自身狀態(tài)的影響，滿足馬爾科夫過程中的時間狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系。為表示這種關(guān)系，需在動態(tài)節(jié)點上添加時序關(guān)系有向弧段。一般通過以下方法確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。[8，12]

1) 通過對數(shù)據(jù)庫進行學習，獲取貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2) 根據(jù)專家知識，對建立的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化調(diào)整和驗證。

結(jié)合事故統(tǒng)計和專家建議確定LNG船裝卸貨風險預(yù)測的BN(Bayesian Network)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，深色框表示該節(jié)點為動態(tài)因素，這些節(jié)點及其相互間的關(guān)系根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域知識和裝卸貨風險的實際情況確定。

在確定LNG船裝卸貨風險預(yù)測BN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可結(jié)合轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)獲得裝卸貨風險預(yù)測DBN網(wǎng)絡(luò)。動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不隨時間改變，動態(tài)因素隨時間發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移。利用貝葉斯建模軟件建模，所得DBN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中,帶數(shù)字直線連接的部分為轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)，線段中間的數(shù)字為轉(zhuǎn)移模式。

2.4DBN模型中節(jié)點的參數(shù)

BN的變量節(jié)點分為以下2類：

1) A類節(jié)點，與其父節(jié)點之間存在邏輯“與”或邏輯“或”的關(guān)系，其條件概率可通過邏輯分析獲得。

2) B類節(jié)點，其父節(jié)點綜合作用導致該節(jié)點的發(fā)生，發(fā)生的可能性為[0,1]，其條件概率主要通過事故數(shù)據(jù)分析和專家問卷調(diào)查獲得。

2.5DBN模型中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移變量

狀態(tài)轉(zhuǎn)移變量根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域知識指定或通過統(tǒng)計概率獲得，并按照貝葉斯法則合成。即針對動態(tài)轉(zhuǎn)移變量，根據(jù)同一時間片內(nèi)的條件概率(由先驗網(wǎng)絡(luò)獲得)和不同時間片上原始的轉(zhuǎn)移概率,按照貝葉斯法則計算得到新的轉(zhuǎn)移概率，這實質(zhì)上是貝葉斯學習的一種形式，所得到的新轉(zhuǎn)移概率在不同時間片上保持不變。

3 算 例

以卸貨為例，對LNG船裝卸貨風險預(yù)測模型進行分析。首先利用靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)對LNG船進行靜止狀態(tài)下的卸貨風險預(yù)測;在此基礎(chǔ)上,利用DBN對我國東部某港LNG船卸貨風險進行預(yù)測。

3.1模型參數(shù)確定

為獲取DBN預(yù)測模型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的條件概率、先驗概率和轉(zhuǎn)移概率，對港口作業(yè)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計并進行問卷調(diào)查。對2014年我國東部某港LNG船的進出港情況進行統(tǒng)計，對LNG碼頭的卸貨作業(yè)操作人員、管理人員和部分船長等(共100人)進行包括“LNG船卸貨事故情況調(diào)研”和“LNG船岸工作人員問卷調(diào)查”等在內(nèi)的調(diào)研，收回問卷89份，其中有效問卷85份。結(jié)合專家知識最終得到模型節(jié)點的先驗概率、條件概率和轉(zhuǎn)移概率。

1) 靜態(tài)節(jié)點參數(shù)。以LNG船的船長節(jié)點為例，通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)學習確立先驗概率學習結(jié)果(100300 m:0.243 4)。

2) 轉(zhuǎn)移變量。以風速(1～4級、5～6級、7～9級)為例，該節(jié)點的轉(zhuǎn)移概率為

(1)

3) 動態(tài)節(jié)點參數(shù)。在LNG船卸貨風險預(yù)測模型中，將19個物理變量定義為動態(tài)變量，包括LNG轉(zhuǎn)移速率、LNG蒸發(fā)率、液貨泵、交通流量、能見度、風速和流速等，不同變量的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率是不同的。

這里以LNG船舶進港過程中的轉(zhuǎn)移(運動)速率為例，得到LNG轉(zhuǎn)移速率狀態(tài)轉(zhuǎn)移曲線見圖2。

3.2LNG船卸貨靜態(tài)風險預(yù)測

根據(jù)該卸貨作業(yè)的具體船舶和環(huán)境條件，將相應(yīng)風險因素的狀態(tài)輸入到BN預(yù)測模型中進行推理預(yù)測。根據(jù)風險計算方法，通過計算可得卸貨風險值為

圖2 LNG轉(zhuǎn)移速率狀態(tài)轉(zhuǎn)移曲線

(2)

3.3LNG船卸貨作業(yè)動態(tài)風險預(yù)測

由于靜態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)只能預(yù)測某種靜止狀態(tài)下的卸貨風險，不能預(yù)測整個卸貨過程中不同狀態(tài)的綜合風險，因此有必要引入動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行卸貨作業(yè)的動態(tài)風險預(yù)測。結(jié)合DBN預(yù)測模型中的先驗網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)確立時間片段下的狀態(tài)風險，通過量化推理進行風險的動態(tài)分析和預(yù)測。[13]圖3為卸貨風險在10個時間片下的時序變化曲線。

圖3 卸貨風險在10個時間片下的時序變化曲線

處于卸貨狀態(tài)的船舶發(fā)生事故的概率相比其他船舶較低。整體來說,卸貨作業(yè)是安全可靠的。從圖3中可看出,在卸貨過程中，中間段的風險波動性相對較大，表明卸貨作業(yè)中間段的安全預(yù)防工作存在一定的不足。

3.4LNG船卸貨風險動態(tài)預(yù)測實例

以一艘LNG船為研究對象，相關(guān)信息如下。

1) 船舶信息：船長345.3 m，寬53.8 m，吃水12 m，船齡4 a。

2) 載貨信息：滿載26.6萬m3LNG。

3) 作業(yè)環(huán)境信息：能見度0.5～1.5 n mile，風力1～3級，陣風5級，最大流速2.5 kn，交通流密集，周圍漁船較多。

對LNG船卸貨作業(yè)進行分析。將時間長度設(shè)為10個時間片，由于該船在滿載情況下的卸貨作業(yè)大約需20 h，因此10個時間片代表20 h左右。

首先按給定條件對10個時間片的各變量節(jié)點的狀態(tài)進行指定，然后結(jié)合動態(tài)變量的轉(zhuǎn)移概率進行動態(tài)卸貨風險的推理預(yù)測，得到該船卸貨風險的時序變化曲線見圖4。

圖4 LNG船卸貨風險的時序變化曲線

根據(jù)圖4和數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論：

1) 整個卸貨作業(yè)過程中小事故和大事故的波動性較大，一般事故和不發(fā)生事故的風險波動性較小，但在“4”“5”和“7”時間片上變化較大，反映卸貨中間階段風險性較大，與歷史事故統(tǒng)計規(guī)律相吻合。

2) 雖然在LNG船卸貨風險中各類事故的絕對值變化相對較小，但預(yù)測值在不同時間片上的相對變化較大,表明LNG船卸貨風險處于小范圍波動狀態(tài)。不發(fā)生事故的波動幅度較小，在-2.1%～2.9%;而大事故的波動幅度較為顯著，在-50%～46%，表明大事故具有偶發(fā)性。

3) 各時間片上的卸貨風險值不同。在時間片“5”～“9”上都要大于或近于靜態(tài)風險，風險值要比靜態(tài)時預(yù)測的風險值5.28大。此外，在時間片“0”～“3”，風險值遠小于靜態(tài)值，充分表明在作業(yè)之初，各系統(tǒng)要素安全性高，隨著時間的推移，安全性下降，風險上升。

4) 在卸貨過程中的船舶發(fā)生事故的概率相比其他船舶較低。整體來說卸貨作業(yè)是安全可靠的。但是，在卸貨作業(yè)的中間段風險波動性相對較大，表明各因素相互作用情況不穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

1) 從人船系統(tǒng)與環(huán)境2個方面考慮風險因素的耦合形式，結(jié)合貝葉斯理論建立LNG船裝卸貨動態(tài)風險預(yù)測模型，對LNG船裝卸貨風險進行動態(tài)預(yù)測。結(jié)果與實際相符合，表明模型是合理有效的。

2) 針對LNG船裝卸貨風險因素的動態(tài)性特征，結(jié)合最終的風險預(yù)測圖形可看出,風險在裝卸貨過程中是波動的。這反映出在裝卸LNG過程中的一些時間段內(nèi)，安全生產(chǎn)存在一定的問題，多因素之間相互作用會造成風險增加，需針對不同時間段的風險特征采取相應(yīng)的安全措施，加強監(jiān)管。

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PredictionofLNGOperationRisktoLNGCarrierUsingDynamicBayesianNetwork

MAXianshan1，LIUYu2，F(xiàn)ANGLei2,ZHUXianggui3

(1.Qingdao Ocean Shipping Mariners College,Qingdao 266071,China;2.Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China;3.Taizhou Pilot Station,Taizhou 318000,China)

The LNG ship risks associated with the cargo handling process is analyzed.The LNG cargo handling characteristics and physical properties of both ship and environmental factors affecting cargo handling risks are investigated and the causes of danger and the coupling relationship between them are determined.The model for LNG carrier cargo operation risk prediction is constructed using static and dynamic Bayesian networks.The correctness and validity of the model is verified and used to predict the LNG cargo operation risks in harbor.Tests show that the prediction agrees with the situation of the historical accidents,proving that the prediction model can be useful for LNG carrier unloading process.

LNG carrier; dynamic Bayesian network; unloading process; risk prediction

U698;U674.13+3.3

A

2017-01-11

浙江省港航局科研項目計劃項目(2016-6)

馬先山(1967—),男，山東青島人，教授,船長，主要研究方向為航海技術(shù)。E-mail:1055798847@qq.com

1000-4653(2017)02-0069-04