基于模糊層次綜合評估法的船舶安全性評估方法

吳巧瑞，陳明輝，張 珍，唐元璋，謝永和，郁惠民

（1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.中國人民解放軍91257 部隊，浙江舟山 316041）

隨著全球經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的不斷擴(kuò)展，船舶運(yùn)輸行業(yè)也取得了快速的發(fā)展。然而，全球范圍內(nèi)的船舶安全事故卻層出不窮，不但造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，也會對整個海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生極大的損害。因此，為了提高船舶航行安全管理，需要對船舶航行安全性問題進(jìn)行定量評估，以便于提前預(yù)測船舶航行中的風(fēng)險并及時采取必要的措施。英國是最先進(jìn)行船舶安全評估的國家，最早提出了一些比較有實(shí)用價值的措施和建議[1]；日本學(xué)者小林弘明[2]提出了有關(guān)操縱難度通航環(huán)境安全評估方法，采用定量的評估方法綜合評估船舶的操縱難度；NJUMO[3]提出了一種事故樹評估法，并且將該方法運(yùn)用到船舶維修中；另外，PETER，et al[4]對港口郵輪進(jìn)行了安全性評估研究，AYHAN，et al[5]應(yīng)用模糊數(shù)據(jù)分析方法對貨船進(jìn)行了風(fēng)險評估。在國內(nèi)的研究中，樊紅[6]在船舶綜合安全評估中引入決策樹分析法和概率圖模型理論，這對于應(yīng)對FSA 的可靠性和定量評價問題具有重要意義；哈爾濱工程大學(xué)任慧龍等[7-8]通過使用數(shù)據(jù)包絡(luò)方法，對安全評估中的某些重要問題提出了更詳細(xì)的處理方案；周江華等[9]使用事故樹分析方法船舶火災(zāi)對散貨船安全性進(jìn)行了分析評估；哈爾濱工業(yè)大學(xué)林少芬等[10]以及劉艷玲等[11]結(jié)合模糊數(shù)學(xué)和FSA 分析評估了散貨船的安全性，并把故障模式及影響分析和危害性分析引進(jìn)到船舶主機(jī)系統(tǒng)的安全分析中。這些研究對從事船舶系統(tǒng)安全評價工作和提高系統(tǒng)安全水平起到了積極的推動作用，本文就是在這些研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合模糊綜合評判法和層次分析方法，采用組合權(quán)重方法，將影響船舶航行安全的主客觀因素結(jié)合在一起，形成了針對船舶航行安全性評估的模糊層次綜合評估方法，從而對改進(jìn)和完善船舶的安全管理工作和保障體系提供一定的借鑒意義。

1 模糊層次綜合評價法

模糊層次綜合安全評估法是一種綜合了層次分析法與模糊評估法的安全性評估方法[12-13]，即在模糊數(shù)學(xué)基本理論的引導(dǎo)下，利用層次分析法得到評價因素的權(quán)重，利用模糊聯(lián)系轉(zhuǎn)換原理，量化評估指標(biāo)中的模糊臨界對象，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全影響要素數(shù)據(jù)的結(jié)合，構(gòu)成一個十分可靠的系統(tǒng)安全性對評價隸屬度的判定集，按照最大隸屬程度原則即可獲得最終的綜合評估結(jié)果。

1.1 建立因素集

因素集由與評估對象相關(guān)的各成分組成。如果能夠把一個系統(tǒng)的安全性影響因素分成多個層次，這里用兩個層次，第一層次的安全性影響因素為Ui（i=1，2，…，n），此中第i 個因素的情況又取決于第二層次中的要素Uij（i=1，2，…，m），那么該系統(tǒng)的安全評估因素集為：

其中，Ui=（Ui1，Ui2，…，Uij，…，Uim）。

1.2 建立權(quán)重集

因素集中的各因素在評估中具有不同的重要程度，區(qū)別每個因素的重要性方面方便突出主要因素的作用，同時提高評估結(jié)果的準(zhǔn)確性。所以有必要對Ui按重要程度分別賦予不同的權(quán)重值wi（i=1，2，…，n），wj（j=1，2，…，m），該系統(tǒng)第一層的權(quán)重集是W=（w1，w2，…，wi，…，wn），第二層的權(quán)重集是Wi=（wi1，wi2，…，wij，…，wim）。

1.3 建立評價集

眾多對評價對象可能得出的評估結(jié)果共同組成了評價集，如下：

式中：vj（j=1，2，…，m）是諸多可能出現(xiàn)的評估結(jié)果。模糊綜合評價的目標(biāo)是通過綜合考慮影響評價對象的因素，在評價集中獲得最佳判斷結(jié)果。

1.4 建立評估矩陣

當(dāng)確定評價集V 之后，就可以判定第二層次影響因素Uij（j=1，2，…，m）對于評價集中相關(guān)評語vj（j=1，2，…，m）的模糊隸屬程度。隸屬度的確定主要依靠于專家打分，然后量化評估結(jié)果為具體數(shù)值rij，于是就可獲得第二層次影響因素的評價矩陣Ri，即

1.5 綜合評估

完成上述工作后即可對進(jìn)行船舶系統(tǒng)安全性的綜合評價了，從下往上一次進(jìn)行。第一個評估的就是因素Ui（i=1，2，…，n），結(jié)果如下：

此處的。為模糊運(yùn)算符合：以行的形式把計算求得全部的第一層次因素的綜合評價結(jié)果依次組合在一起，就可以得到系統(tǒng)整體的安全評估矩陣R，即：

所以，系統(tǒng)安全性的模糊綜合評價結(jié)果是：

按照最大隸屬度原則，max（bi）（i=1，2，…，l）相對應(yīng)的評價即為系統(tǒng)安全性的模糊評估結(jié)果。進(jìn)行模糊運(yùn)算時需要對其中的要素權(quán)重和評估矩陣做歸一化處理。

2 船舶航行安全的模糊層次綜合評估

2.1 建立因素集

首先應(yīng)確定因素集，明確因素集是關(guān)系模糊綜合評估科學(xué)與否的重點(diǎn)，在進(jìn)行惡劣天氣條件下船舶航行安全性評價時，不可能做到面面俱到這就要求在抓住主要矛盾的同時，既要全面，也要盡可能重點(diǎn)突出。所以，本文對影響船舶安全的各要素做必要的篩選。惡劣大氣條件下船舶航行的22 個評價指標(biāo)作為因素集，如圖1 所示。

圖1 船舶系統(tǒng)安全評估指標(biāo)體Fig.1 Indicator of safety assessment of ship systems

因素集指標(biāo)總共分為3 級，一級指標(biāo)為U1（人）、U2（船）、U3（環(huán)境）；二級指標(biāo)為U11（操縱應(yīng)變要求）、U21（穩(wěn)性）、U21（船體結(jié)構(gòu)）、U23（橫傾）、U24（船齡）、U25（船舶設(shè)備）、U26（噸位）、U31（風(fēng)）、U32（浪）；三級指標(biāo)為U211（貨物移動）、U212（油水消耗）、U213（自由液面）、U214（甲板上浪）、U215（結(jié)冰）、U221（強(qiáng)度）、U222（裂紋）、U223（形變）、U224（磨損）、U251（水密設(shè)備）、U252（系泊設(shè)備）、U253（機(jī)電設(shè)備）、U254（操縱導(dǎo)航通訊設(shè)備）、U255（排水與壓載系統(tǒng)）、U311（風(fēng)向）、U312（風(fēng)級）、U321（浪向）、U322（浪級）。即：

2.2 獲得權(quán)重向量

為了更準(zhǔn)確地獲得每個指標(biāo)的權(quán)重，本文采用AHP 方法，通過咨詢專家獲得指標(biāo)權(quán)重。利用幾何平均法處理調(diào)查數(shù)據(jù)，可以獲得判斷矩陣，然后檢查一致性指標(biāo)，判別公式如下：

若是CR＜0.1 表明判斷矩陣具有滿意的一致性；反之，若CR≥0.1 則必須調(diào)整判斷矩陣，令其一致性良好。經(jīng)過計算，得出權(quán)重數(shù)值。

第一層三大類權(quán)重集模糊向量：

第二層全部權(quán)重模糊向量如下：

（1）人方面 W1=（操縱應(yīng)變要求權(quán)重）=（W11）

（2）船舶方面

（3）環(huán)境方面

第三層每一方向的權(quán)重模糊向量：

W21=（貨物移動權(quán)重，油水消耗權(quán)重，自由液面權(quán)重，甲板上浪權(quán)重，結(jié)冰權(quán)重）=（W211，W212，W213，W214，W215）W22=（強(qiáng)度權(quán)重，裂紋權(quán)重，形變權(quán)重，磨損權(quán)重）=（W221，W222，W223，W224）

W25=（水密設(shè)備權(quán)重，可移動設(shè)備系固權(quán)重，機(jī)電設(shè)備權(quán)重，操縱導(dǎo)航通訊接收設(shè)備權(quán)重，排水與壓載系統(tǒng)權(quán)重）=（W251，W252，W253，W254，W255）

W31=（風(fēng)向權(quán)重，風(fēng)級權(quán)重）=（W311，W312）

W32=（浪向權(quán)重，浪級權(quán)重）=（W321，W322）

2.3 定義評價集

參照海內(nèi)外研究學(xué)者通用的評價級別分類方法，本論文評價級別集合劃分成5 個級別，即：

表示為V={低危險，較低危險，一般危險，較高危險，高危險}，來表現(xiàn)船舶在大風(fēng)浪天氣下船舶航行安全性評價級別，此處-2、-1、0、1、2 是表達(dá)某些模糊觀點(diǎn)的模糊數(shù)以方便量化處理評語，風(fēng)險評分級見表1。

表1 風(fēng)險評分級Tab.1 Risk rating

2.4 確定評價矩陣

把結(jié)合因素集和評價集制作成的評判表格發(fā)放給相關(guān)的研發(fā)、設(shè)計、操作、管理等（專家）人員，判斷因素集相對評價集的隸屬情況。每位專家人員分析后把某一因素劃為某一等級即在表格相對應(yīng)的位置標(biāo)記。最終整理匯總所得的評估結(jié)果。例如，有Nk個人覺得因素Ui應(yīng)歸為評語Vj，那么它的評估值為：

為對全部因素的專家判定結(jié)果進(jìn)行如上方法的處理，便可得到因素集U=｛U1，U2，U3｝的評價矩陣：

有了因素權(quán)重和評級矩陣就可以按照模糊層次綜合評價法進(jìn)行綜合評估。模糊層次綜合安全評估方法克服了現(xiàn)在船舶行業(yè)基本事件概率統(tǒng)計缺乏的缺點(diǎn)，更好地表示船舶系統(tǒng)的安全狀態(tài)。

3 案例分析—船舶機(jī)艙消防系統(tǒng)

以船舶機(jī)艙消防系統(tǒng)為例，分析機(jī)艙消防系統(tǒng)的基本特征，并在系統(tǒng)安全目標(biāo)的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用模糊層次法綜合評估其安全性。該實(shí)例分析研究的主要作用是表明模糊綜合評估方法的科學(xué)實(shí)用性和評估結(jié)果的合理性。

危及消防系統(tǒng)安全的主要一級要素有人員因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素等四個方面。人員因素主要涉及船員的安全意識、責(zé)任感和消防能力；設(shè)備因素主要是指某些失火事故出現(xiàn)頻繁的設(shè)備部件和系統(tǒng)，比如機(jī)艙發(fā)電機(jī)、主機(jī)、鍋爐設(shè)備、電氣裝置一級油電管路系統(tǒng)等；環(huán)境因素指消防系統(tǒng)所處的內(nèi)外環(huán)境，具體是指船舶機(jī)艙結(jié)構(gòu)布局和某些意料之外的緊急情況；管理因素包含安全相關(guān)的教育、制度、檢查和消防演練等四個方面[14]。系統(tǒng)影響因子具體層次關(guān)系如圖2 所示。

圖2 機(jī)艙消防系統(tǒng)安全影響因子層Fig.2 Factor layers of engine room fire system safety

3.1 確定因素權(quán)重

按照圖2 確定的判斷矩陣影響因素，同時因?yàn)閿?shù)據(jù)很多，本節(jié)利用MATLAB 程序來明確影響因素的權(quán)重。具體過程如下：

（1） 確定一級指標(biāo)權(quán)重：

一級指標(biāo)判斷矩陣見表2。

表2 一級指標(biāo)判斷矩陣Tab.2 Level 1 Indicator judgment matrix of level 1

最大特征值λmax=4.111；一致性檢驗(yàn)：CR==0.041 1＜0.1，一致性檢驗(yàn)滿足

權(quán)重：W=（0.483 2 0.314 8 0.065 9 0.136 1）

（2） 確定人員因素影響因子權(quán)重：

人員因素影響因子判斷矩陣見表3。

表3 人員因素影響因子判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix of personal factors

最大特征值λmax=3.018；一致性檢驗(yàn)：CR==0.016＜0.1，一致性檢驗(yàn)滿足

權(quán)重：W1=（0.349 0.122 0.558）

同理可得：

設(shè)備因素影響因子權(quán)重：最大特征值λmax=6.207 8；一致性檢驗(yàn)：CR==0.034＜0.1，一致性檢驗(yàn)滿足

權(quán)重：W2=（0.155 0.094 0.094 0.051 0.045 0.561 0.174）

環(huán)境因素影響因子權(quán)重：λmax=2；一致性檢驗(yàn)：CR==0＜0.1，一致性檢驗(yàn)滿足

權(quán)重：W3=（0.875 0.125）

管理因素影響因子權(quán)重：λmax=4.155；一致性檢驗(yàn)：CR==0.057＜0.1，一致性檢驗(yàn)滿足

權(quán)重：W4=（0.141 0.141 0.330 0.388）

3.2 建立評價集

評價集是專家人員對評估對象所做出的一系列總評價結(jié)果所構(gòu)成的集合。我們在評估機(jī)艙消防系統(tǒng)安全時把其評價指標(biāo)分成5 個級，，把數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理即可求出各層影響因子相對于評價指標(biāo)的隸屬程度。具體過程如下：

（1）建立人員因素影響因子評價集R1：

人員因素影響因子評價集見表4。

表4 人員因素影響因子評價集Tab.4 Evaluation set of influencing factors of personnel factors

（2）建立設(shè)備因素影響因子評價集R2：

設(shè)備因素影響因子評價集見表5。

表5 設(shè)備因素影響因子評價集Tab.5 Evaluation set of influencing factors of devices

（3） 建立環(huán)境因素影響因子評價集R3：

環(huán)境因素影響因子評價集見表6。

表6 環(huán)境因素影響因子評價集Tab.6 Evaluation set of influencing factors of the environment

（4）建立管理因素影響因子評價集R4：

管理因素影響因子評價集見表7。

表7 管理因素影響因子評價集Tab.7 Evaluation set of influencing factors of management

3.3 系統(tǒng)整體安全性綜合評價

（1）一級模糊綜合評價

I.人員因素

II.設(shè)備因素

III.環(huán)境因素

IV.管理因素

（2）二級模糊綜合評價

把人員、設(shè)備、環(huán)境和管理等因素的評估結(jié)果看作自己的評價集，組合并入二級模糊綜合評價的評估集矩陣R：

按照AHP 已得到人員因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素相對于評價目標(biāo)的權(quán)重：

所以求得機(jī)艙消防系統(tǒng)安全性綜合評估結(jié)果為：

可知評價結(jié)果在評價集（很好，好，一般，差，很差）上的隸屬度分別為（0.145 0.419 0.334 0.088 0.014），按照最大隸屬度原則，可知該機(jī)艙消防系統(tǒng)安全性綜合評價結(jié)果為好。

4 結(jié)論

本文在應(yīng)用模糊層次綜合評估方法，同時采用組合權(quán)重方法，把主客觀的影響因素結(jié)合在一起，建立了適用于惡劣天氣條件下船舶航行的安全性問題的評估方法，去解決船舶運(yùn)行可能會面臨的各種不確定因素。然后，以船舶機(jī)艙系統(tǒng)為例進(jìn)行模糊層次綜合評估，驗(yàn)證了本文所提出的船舶航行安全的模糊層次綜合評估方法的合理性和有效性，為船舶的安全航行和風(fēng)險預(yù)測提供了有效評估方法。船舶安全性評估正在不斷的研究過程中，隨著不斷的發(fā)展，可進(jìn)一步的完善。