模糊評價方法在船舶動力裝置安全評估中的應用

，，

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

隨著世界航運業的迅速發展，船舶的數量與日俱增，噸位也不斷加大，海上交通越來越擁擠，海事事故發生的概率大幅提高，不僅對生命和財產造成巨大損失，同時也給生態環境帶來嚴重的危害。因此，安全是航運界所面臨的最主要問題，也是對船舶的最基本要求。船舶動力裝置是船舶的動力中樞，所以研究船舶動力裝置的安全性對提高船舶運輸的整體安全性有著重要意義。

1 多級模糊綜合評價方法的基本原理

模糊綜合評判方法是用單因素隸屬函數來表示某個因素對評判對象的影響,然后利用加權方法綜合各個因素對評判對象的影響,最終得到關于該評判對象的綜合評判。在船舶動力裝置系統中，動力裝置總體的安全性與其組成的各個子系統、各個設備，以及各個零部件之間的關系十分復雜，有一定的層次性和模糊性，因此，本文擬采用的是多級模糊綜合評判數學模型。

1.1 確定評價對象的因素集U

設因素集[1]U={u1,u2,…,un}，其中元素ui(i=1,2,…,n)是第一層次，即最高層次中的第i個因素，它由第二層次中的k個子因素決定，即Ui={ui1,ui2,…,uik}，其中元素uij(i=1,2,…n;j=1,2…k)是第i個因素的第j個子因素。同理，第三級的因素集為：Uij={uij1,uij2,…uijh}。

如有更多層次，依次類推。根據第一層次中各個元素的重要程度，分別對每一個因素給出相應的權值，于是可得到每一層次的因素權重集。

第一層次的因素權重集為：

wAi=(wA1,wA2,…,wAn)

wAi(i=1,2,…,n)

wBi=(wB1,wB2,…,wBk)

圖1 船舶動力裝置模糊綜合評價的遞階層次模型

第二層次的因素權重集為：

同理，第三層次的因素權重集為：wCi=(wC1,wC2,…,wCh)

1.2 確定評語等級論域V

由于評語集是對評價對象可能作出的評價結果所組成的集合，無論因素層次有多少，評語集只有一個，可表示為：V={v1,v2,…,vm}

即對被評價事物的等級劃分，如優、良、中、差等評語。等級個數m通常要大于3而不超過9，且最好取奇數。

1.3 一級模糊綜合評價

在多級模糊綜合評價中，如在3個層次的結構情況下，一級模糊評價即對第三層次的多因素綜合評價[2]。即一級模糊綜合評價的基本模型為：

BCi=wCi°RCi=

式中:“°”是合成算子，它可將權重向量wCi與模糊關系矩陣RCi合成，得到被評價事物與評語等級間的隸屬關系向量BCi，而RCi是單因素評價模糊關系矩陣。

1.4 二級模糊綜合評價

二級模糊綜合評價即對第二層所有因素的uij(i=1,2…,n;j=1,2,…k)的綜合評價，因此一級模糊評價集BCi就是二級模糊綜合評價的評判矩陣RBi：

式中：rik=bik,(i=1,2…,n;k=1,2…,p)

于是當第二級指標權值確定為wBi=(wB1,wB2,…,wBk)時，第二級模糊綜合評價集為：

BBi=wBk°RBk

1.5 三級模糊綜合評價的評價矩陣

同理確定三級模糊綜合評價的評價矩陣:

則三級模糊綜合評價的評價集為：

BAi=wAh°RAh

最后對模糊評價集進行歸一化處理，并按照相關處理方法(如最大隸屬度原則、隸屬度對比度等)得到最終評價結果。

由上述步驟可以看出，在進行安全評估中，確定綜合評價的因素集即安全評價指標、以及因素集所處的等級的隸屬函數以及指標的權重值是進行安全評價的關鍵，直接關系著安全評價的準確性。

2 船舶動力裝置安全評價模型

要綜合評估船舶動力裝置在運行中所處的安全狀態，首先是要科學、合理地建立船舶動力裝置的安全評價模型。船舶動力裝置是一個復雜的系統，它是很多設備和系統組成的整體，對其進行評估，就必須考慮其組成設備的運行狀態，因此對動力裝置的評價，是一個以船舶動力裝置為頂層的多級評價模型。其層次結構根據船舶動力裝置以及其組成設備，對各設備進行狀態檢測的層次進行評價，其評價層次見圖1。

2.1 劣化度的選取

在船舶動力裝置中，確定設備劣化度是系統安全評價的第一步。劣化度指標是判斷船舶動力裝置的各個設備所處的劣化程度。劣化度接近零時,說明技術狀態良好;劣化度接近或達到1，表明出現故障;劣化度越接近1，技術狀態越差。劣化度是由各設備的振動信號、熱工參數、瞬時轉速、油液信息、設備累計運行時間等狀態參數計算而來的，根據這些設備的狀態參數的不同特性,劣化度的計算公式也不一樣。在對船舶動力裝置進行安全評價時，最容易得到的指標就是設備的實際使用臺時，根據設備的實際使用臺時來估計劣化度：

式中：t——該部位的使用臺時；

T——該部位的平均失效間隔期；

k——指數，根據經驗k可取2。

2.2 隸屬度的確定

隸屬函數是模糊集合的特征函數，是運用模糊理論解決實際問題的基礎。在模糊集合中，打破了傳統的分類集只有0和1的界線，任一元素可同時部分地屬于多個模糊子集，隸屬關系用隸屬的程度來表示。隸屬函數是模糊集合的基礎，所以如何構造隸屬函數就是一個關鍵問題。隸屬函數是人們對客觀事物不分明性的定量描述，必然帶有人們的主觀性，不同的人對同一模糊概念會建立不完全相同的隸屬函數.隸屬函數的優劣須經實際檢驗，并需要不斷的學習和修正，一般可以通過主觀經驗、分析推理和調查統計來初步建立，然后在通過實際檢驗來逐步完善。

在船舶動力裝置的安全評估中，根據專家的實際經驗以及船舶動力裝置的安全的特點，本文采用嶺形分布來求劣化度為L時的技術狀態，具體如下[4]：

2.3 權值的確定

在對船舶動力裝置的安全評估中，要確保安全評估的準確性，必須盡量使評估各個因素集的權重值滿足要求。各因素集權重的確定是根據船舶動力裝置各個設備組成不同，權重的計算也不相同，因此在求權重過程中，應根據實際，盡量使運用多種方法綜合計算，以滿足條件。對船舶動力裝置的安全評估適合的權重求法有很多種，主要包括經驗判斷法、加權統計法、加權算術平均法、加權幾何平均法、模糊協調決策法、混合加權平均法、層次分析法、二元對比排序法等。

3 船舶動力裝置安全評價模型實例

由于船舶動力裝置的系統比較復雜，文中僅以某船舶的潤滑駁運系統作為評價的對象，進行安全評價。某船滑油駁運系統的主要設備包括滑油駁運泵、滑油駁運泵電機、濾器、冷卻器、滑油分油機等。這些設備在船舶設備管理中，主要采取定時維修的方式避免安全事故。但是，針對其中某一設備的維修，雖然改善了滑油駁運系統可靠性，但不能說明滑油駁運系統就一定處于一個良好的運行狀態，因為潤滑系統是一個系統，設備之間相互影響，相互聯系的。某一設備處于良好狀態時，潤滑系統不一定處于良好狀態。因此，船舶動力裝置也并非處于良好狀態，所有對動力裝置的安全運行就不能掉以輕心。潤滑系統的主要設備在某一時刻，在沒有進行狀態檢監測的情況下，其它狀態參數無法測量，僅僅只可得到設備運行時間的情況下，可以根據其大小和設備的平均故障間隔時間求得設備的劣化度，見表1。

表1 滑油系統的主要設備的性能參數

表2滑油系統主要設備的權值

項目評分合計權值駁運泵2332?100.25電機2322?90.225濾器1121?50.125冷卻器1222?70.175分油機2232?90.225總計?401

各個設備在船舶潤滑安全管理中的權重主要采取二元對比排序法來確定。具體做法是每兩項進行排比打分(共4分)，影響程度最高的為高分，在各個設備之間相互進行對比打分，然后將求得的每一項合計分除總分，歸一化后得到權重數，為了更準確，對每一設備可請多個技術人員進行打分，然后求均值。

則可以求出船舶滑油系統的模糊評價具體如下：

B=(0.25,0.225,0.125,0.175,0.225)

則:B=(0.551,0.191,0.260,0.260,0)

由安全評價結果可以看出，船舶滑油系統處于一個良好的狀態，暫時沒有安全危險，但需要注意觀察其它設備的性能參數，防止設備發生意外事故造成損失。

船舶動力裝置的總體安全評價在潤滑系統和其它系統的基礎上再進行多級安全評價，綜合得出船舶動力裝置總體的安全狀態，管理人員根據船舶動力裝置的安全狀態，安排船舶的出行情況，避免船舶發生海事事故，造成人員、設備、財產的損失。

4 結束語

將多級模糊綜合評價方法應用于船舶動力裝置的安全評價，能夠使船舶管理人員時刻了解到動力裝置的安全運行狀態，為管理人員制定維修計劃了提供幫助。將模糊安全評價與船舶預防維修大綱結合起來，為船舶管理人員更好的利用船舶設備提供了可能。

[1] 徐莜欣.船舶動力裝置[M].上海：上海交通大學出版社,2007.

[2] 李士勇.工程模糊數學及應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2004.

[3] 楊鹍鵬.綜合安全評價在船舶動力裝置中的應用[J].中國航海,2007 (1) :101-104.

[4] 嚴 立.交通運輸機械針對性維修策略與應用[M].大連：大連海事大學,2001.