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

(武漢第二船舶設計研究所,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的設備[1]。漂浮救生艙通過連接裝置與潛艇脫險艙相通，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、水面漂浮和人員轉移等階段。漂浮救生艙載人漂浮是驗證和實現潛艇救生的關鍵步驟，對漂浮救生艙載人漂浮進行安全性分析是救生安全保障工作的重要內容。

長期以來，世界各海運國家為確保船舶設備安全做了大量工作，提出一些廣泛應用的分析與評估方法，如事件樹分析、概率風險分析、綜合安全評估等，其中綜合安全評估方法在一些領域中應用更為普遍[2]。

綜合安全評估[3]一般包括危險識別、風險評估、提出降低風險的措施、降低風險的費用評估及提出降低風險措施的決策建議5個主要步驟。利用綜合分析方法進行漂浮救生艙漂浮安全評估的流程如圖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

對于艦艇設備載人應用這類復雜的技術問題，很多危險事件的發生不僅具有客觀原因，還存在人為因素，由于沒有大量的數據可供統計，其概率難以用傳統方法得到。一些學者用專家評估和模糊集理論相結合的方法[4-5]得到故障樹中危險事件發生的模糊概率，然后進行故障樹定性和定量分析。然而，這一方法對危險事件之間關聯程度并沒有考慮?？紤]到應用背景[6]，本文結合系統安全性標準大綱和綜合安全分析方法，對漂浮過程進行危險識別，建立評估模型，提出基于灰色理論的風險評估方法，用改進的權重分析法確定評價體系的權重，并對灰色評估理論進行改進，實現對漂浮過程的風險概率和風險等級進行定性定量評估，進而提出降低風險措施的策略。

1 基于灰色理論的安全性分析方法

1.1 風險因素識別和指標體系

利用收集到的有關資料，系統、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，篩選出主要風險因素，建立因素體系。結合“共青團員”號漂浮救生艙實際應用樣本案例，本文采用事件樹分析方法，對載入漂浮過程進行危險識別。圖2列出了應用過程中主要危險來源，并以危險事件作為風險評價模型，將事件發生的可能性作為評價指標。

圖2 風險因素識別及風險評價指標體系Fig.2 Index system of the risk recognition and assessment

1.2 指標權重的確定

由于知識的局限性，參與載人漂浮應用的專家不可能對每個問題都了解和熟悉，而熟悉與否對評價的可靠性有相當大的影響。在對評價結果進行處理時，常常要求考慮專家對評價內容的權威程度。為了全面考量專家的權威性，分析評價專家與載人漂浮過程的關聯程度，從職稱、工作經驗、熟悉程度等5個方面對專家進行綜合評價(見表1)。

表1 載人漂浮安全性專家評估團評價標準

設評價專家有n位，第i位評價專家的綜合影響價值記為Mi(i=1,2,…,n)，則有：Mi=ai·bi·ci·di；從而，專家的權威影響系數為

(1)

確定各指標的權重系數有主觀賦權法和客觀賦權法2種，在實際應用中為克服人為因素的影響，常常將主觀賦權法和客觀賦權法結合起來使用。本文采用組織n個專家對風險指標進行主觀賦值，然后對這些權值進行一定的綜合處理得到各指標的權重。設有n位專家，m個評價指標，第i位評價專家對第j個風險評價指標的權重給出評價值ωij(百分制)，則相關系數

(2)

根據式(1)計算相關系數λjk后得到相關矩陣A(λjk)，再按式(2)進行計算。

(3)

求得每個指標權重的得分Wi，則評價指標Xi的權重為：

其中，指標權重向量φ=[φ1,φ2,…,φn]。

1.3 評估樣本矩陣的建立

設有m位評價專家，評價專家的序號為k，即k=1，2，…，m；設有評價風險集合U={u1,u2,…,un}，n表示風險因素個數。組織這些評價專家按照評價指標集合U的評分等級標準對第x個評價對象進行評分，即根據第k個評價專家對第x個評價對象所給出的分數dxk，就可以得到對m個評價對象的評價樣本矩陣

(5)

1.4 評估灰類的確定

不同的評價專家認識上也有一定的差異，為了能比較確切地反映出第x個評價對象屬于某類的程度，因此需要確定評價灰類的等級、灰類灰數以及白化權函數。設有g個評價灰類C1，C2，…，Cg，相應的白化權函數[7]及其閾值分別為f1(x),f2(x),…,fg(x)和λ1,λ2,…，λg。本文中，載人漂浮應用項目風險評價設定為5個評價等級，則g=5，相應從極高至極低風險的灰色白化權函數分別為：

1.5 灰色評價系數的計算

對于任何一個評價指標Ui，如果將第x個評價因素屬于第h個評價灰類的灰色評價系數記為Ωij，則有[8]：

對于任何評價指標Ui，如果將第x個評價因素屬于各個評價灰類的灰色評價系數記為Ωj，則有：

(8)

1.6 灰色評價權權值及權矩陣的計算

設所有評價專家針對評價指標，第x個評價項目主張第h個灰類的灰色評價權值記為θjh，則有：

θjh=Ωij/Ωj。

(9)

可以得到每x個評價對象的所有所屬指標對各評價灰類的灰色評價權矩陣

(10)

1.7 綜合評價及排序

為了能夠確切反映出評價對象的評價等級，權重向量取φ，利用下式計算出灰色綜合評價權矩陣：

(11)

由于第x個評價對象的綜合評價結果B1(x)是一個向量，它描述的是第x個評價對象綜合狀況分灰類程度。按照最大值原則，可以確定評價對象所屬灰度等級。為了進行綜合排序，將各評價灰類等級按“灰水平”賦值，得到各評價灰類等級值化向量C=[C1，C2，…，Cg]，則對第x個評價對象的綜合評價值為：

R(x)=B(x)×CT。

(12)

綜合評價值R(x)求出后，就可以根據此值的大小給出m個評價對象風險高低的排序，并依據此值對項目風險提出風險預防措施。

2 載人漂浮過程安全性分析應用實例

2.1 漂浮救生艙載人漂浮危險事件風險評價

以漂浮救生艙載人漂浮過程為例，進行安全性分析。在完成危險識別后，評估過程如下：

選用5位評價專家，均來自于潛艇設計一線的科研專家，職稱、專業、工作年限以及現場工作經驗都均不相同，其權威系數評價矩陣為：

則可求得專家的權威系數為Xi=[0.22,0.20,0.19,0.21,0.18]。經過評價專家對各項危險事件的權重進行打分(百分制)， 最終按照式(2)計算可得，依照前文所列順序，權重系數為：

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

現以危險事件E1“漂艙與潛艇圍殼出現長時間卡滯”為例，5位評價專家按1.4節設計給出評價結論d1=[8,7,8,6,9]，采用白化權函數為最常用的三角函數，如式(6)所示，計算可得：

f1(d1)=[0.89,0.78,0.89,0.67,1]。

結合式(7)～式(12)，采用Matlab編程，計算結果可得：

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

同理，可以求得其他危險事件的評價矩陣：

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，經過綜合計算得到綜合風險評價值R=4.93。由3<4.93<5 得出結論：該項目的風險級別為中等偏低水平，項目基本可行。

根據公式Ri=φi×Ei×CT得到各指標的評價向量，計算可得：R1=5.67；R2=2.25；R3=3.25；R4=3.7；R5=2.45；R6=4.55；R7=4.82；R8=5.02。從而可以得出各級指標之間的評價關系。

2.2 載人漂浮過程風險管理對策和建議

通過計算的R(x)各值可以看出，各危險事件的風險評價值的關系為：漂艙與圍殼發生卡滯風險>人員意外落水風險>漂浮過程人員碰撞風險>自持力風險>艙內發生火災風險>接口進水風險>穩性浮性變化風險。故而，此項目的關鍵風險來源于漂艙與圍殼發生卡滯風險、人員意外落水風險和漂浮過程人員碰撞風險。根據危險事件風險中的關鍵因素，相關管理和脫險人員可以采取具有針對性的措施加以防范，來降低此項目實施風險?，F提出以下管理對策和建議：

1)針對卡滯風險，對脫險人員進行相關技術和操作規范的培訓，確保熟悉操作要領；設計上，增加多重解鎖結構設計，確保過程萬無一失；載人漂浮過程中，一旦超過設計卡滯時間，及時采取相應應急處理措施。

2)載人漂浮過程中，脫險人員配備相應救生衣、救生圈和繩索等設備；易落水區域人員采取相互提醒等防護保障。

3)針對碰撞風險，漂艙內的銳邊、尖角或其他突出物采用包覆措施，對可能掉落的物體采取固定措施或其它防護手段；適當配備防暈防碰撞的急救藥品等。

3 結 語

本文針對漂浮救生艙載人漂浮過程在決策和實施過程面臨的諸多危險事件和不能量化評估的問題，基于灰色評價理論進行了一系列的安全性分析，得出以下結論：

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事件，并進行量化評估，提出針對性措施，驗證該方法的可行性和適用性。

2)結合該項目的量化評價結果，危險事件的綜合風險級別為中等偏低水平，項目基本可行。其中，卡滯風險、人員落水風險和碰撞風險是項目中的關鍵因素，需要相應的措施來降低風險。

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“少數據”模型的挖掘和分析，總結出整體的風險。本文研究表明，該方法計算簡便，實用性強，對風險的評價客觀真實，對潛艇相關設備的載人應用的安全性分析具有指導意義。

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