模糊評價法在LNG加注船作業風險分析中的應用

曹昌魁， 屠海洋

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

模糊評價法在LNG加注船作業風險分析中的應用

曹昌魁， 屠海洋

(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

建立LNG加注船錨地作業安全評價指標體系，采用an指數型標度的層次分析法計算各項指標的權重值，并通過構建指標隸屬度函數和模糊子集表確定模糊評價矩陣，運用模糊運算法求出LNG加注船錨地作業風險等級。選取國內某內河LNG加注船進行錨地加注作業風險分析，證明該評價方法的實用性，為海事管理部門控制LNG加注船的作業風險、加強及改善通航管理水平提供參考。

水路運輸； LNG加注船； 錨地作業； 模糊綜合評價； 權重； 隸屬度

Abstract: The weights of the indexes are determined on the basis of the AHP for the risk in LNG bunkering vessel operation in anchorage ground. The membership function of the indexes and the fuzzy subset table are determined and the fuzzy evaluation matrix is built. The level of the risks in operations of LNG bunkering ships in an anchorage ground is evaluated with the fuzzy evaluation matrix. An inland river bunkering vessel operating in an anchorage ground, is taken as a sample to test the evaluation method. The tests show that the method is of practical value.

Keywords: waterway transportation; LNG bunkering vessel; operation in anchorage ground; fuzzy comprehensive evaluation; weight vector; degree of membership

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)在改善大氣環境、減輕水體污染和降低船舶營運成本等方面有著重要的作用，近幾年國內已有多艘內河船舶改造為LNG燃料動力船。[1]作為LNG燃料動力船水上供應的重要配套設施之一，LNG加注船以其靈便性好、服務范圍廣和效率高等優勢得到業界廣泛關注。LNG加注船不僅可以在港口操作，而且能在內河或海上作業。[2]其在內河或海上作業時主要有以下2種靠離泊作業方式。

(1) LNG加注船錨泊，受注船并靠LNG加注船，加注結束后受注船離泊；

(2) 受注船錨泊，LNG加注船并靠受注船，加注結束后LNG加注船離泊。

然而，當加注船與受注船在錨地連接并進行加注作業時，兩者在某種程度上構成一個整體，除了考慮錨地水域的環境狀況及過往船舶的影響之外，還要考慮加注船與受注船的兼容性[3]；加上LNG本身具有易燃易爆性、低溫危害性、易擴散性和壓力危險性等特質[4]，使得LNG加注船錨地加注作業的安全問題尤為突出。

LNG加注船錨地作業具有復雜性高、難以量化和影響因素多等特點，難以用傳統的數學模型進行分析。模糊綜合評價法(Fuzzy Comprehensive Evaluation，FCE)是以模糊數學理論為基礎的一種預測和評價方法，主要用程度語言來描述評價對象，評價方式與人們的正常思維模式很接近。[5]目前FCE的應用較為廣泛，但其在LNG相關產業的安全研究方面多應用于LNG加注站、LNG氣化站、LNG碼頭和LNG運輸船等，對LNG加注船錨地作業安全評價的應用研究較少。對此，將FCE應用到LNG加注船錨地加注作業風險分析中，綜合評價其風險等級。

1 FCE

完整的FCE主要涉及因素集、評語集和單因素評價矩陣等3個要素，評價單因素后，再對多因素問題進行模糊評價。具體評價步驟[5-7]如下。

1.1建立評價指標體系

建立評價指標體系時，要堅持一致性、可測性、可比性、獨立性和可行性等原則。

1.2因素集

所建立的評價指標體系構成因素集U，即

U={u1,u2,…,um}

(1)

式(1)中：u1,u2,…,um為評價目標中的各種因素,即評價指標。

1.3指標權重集

常用的確定權重向量的方法有統計試驗法、分析推理法、專家估計法和層次分析法。

1.4評語集

評語集是評價者可能對評價對象作出的各種評價結果所組成的評語等級的集合。一般等級的劃分在3～7級，即

V={V1,V2,…,Vp}

(2)

式(2)中：3

1.5進行單因素評價，構建模糊評價矩陣

對U中的單因素ui(i=1,2,…,m)進行單因素評價，根據其對評價等級vj(j=1,2,…,n)的隸屬度得到單因素評價向量Ri=(ri1,ri2,…,rin)，該向量是評價集V上的模糊子集。對U中的全部指標進行評價，可得到總的模糊評價矩陣Rm×n。

1.6建立模糊綜合評價模型

已知評價指標權重向量W和模糊評價矩陣R后，可建立模糊綜合評價模型。

B=W°R=(b1,b2,…,bn)

(3)

式(3)中：“°”為模糊綜合運算符，在模糊數學中稱為模糊算子，常用的是“取大取小算子M(∧，∨)”和“乘與和算子M(·，⊕)”[8];B為評價集V上的等級模糊子集。

1.7反模糊化處理

常用的反模糊化方法有最大隸屬度法[9]和加權平均法，其中：最大隸屬度法簡單易行，但沒有全面考慮其他因素的影響，評價結果的精確度不高；加權平均法以bj為權數，對評價集的各元素vj進行加權平均，將求得的結果作為最終評價值。

(4)

式(4)中：k=1或2，為待定系數，用于控制較大的bj所帶來的影響。

2 FCE在LNG加注船錨地作業風險分析中的應用

2.1LNG加注船錨地作業安全評價指標體系

不同于其他普通水上作業，LNG加注船在錨地作業時除了要考慮水域環境、交通管理及人為因素等方面的影響之外，還要考慮船對船加注的特殊性。這里在參考相關研究[3，10-12]、現場調研及咨詢行業專家的意見之后，確立內河LNG加注船錨地安全作業風險因素包括環境因素、船舶因素、加注/連接設備和人為因素等4類，各類下面又包括若干個二級風險因素，進而建立內河LNG加注船錨地作業安全評價指標體系(見表1)。根據評價指標體系可確定因素集U，包含4個子集共15項評價指標。

2.2指標權重的確定

采用層次分析法確定各個評價指標的權重值。

2.2.1構造判斷矩陣

FCE的關鍵步驟是構造判斷矩陣。對于n個元素來說，可得到兩兩比較判斷矩陣C=(cij)n×n。構造判斷矩陣的常用方法有1～9標度法、9/9～9/1標度法、10/10～18/2標度法和an指數標度法等。根據文獻[13]和文獻[14]，an指數標度法的滿意一致性檢驗比率相比其他幾種標度法所占比例最高。為達到良好的一致性，采用an指數型標度，根據各層指標Ui的相對重要度得到判斷矩陣。

2.2.2一致性檢驗

由于判斷矩陣Cij是根據專家認定的各指標間的相對重要度評價的，存在片面性和主觀性，因此需對判斷矩陣進行一致性檢驗。這里引入隨機一致性比率CR確定判斷矩陣是否具有滿意的一致性。

(5)

式(5)中：λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為判斷矩陣的階數；RI為an指數型標度的平均一致性指標(見表2)。若式(5)中CR<0.10，則認為判斷矩陣具有滿意的一致性，其最大特征值所對應的特征向量W=[W1,W2,…,Wn]T中的各元素的大小即為各評價指標的權重值，否則需調整判斷矩陣。

表2 an指數型標度的平均一致性指標

2.3指標評價標準的確定

LNG加注船錨地作業的影響因素較為復雜，涉及到的模糊概念較多，對其作業風險等級給出準確的“高風險”或“低風險”的定義較為困難。這里參考相關研究[9，12]，將各風險因素的評價標準劃分為低風險、較低風險、一般風險、較高風險和高風險等5個層次，評語集為V={V1,V2,V3,V4,V5}={-2，-1，0，1，2}，其中，-2，-1,0,1,2為模糊數。

由于參考資料有限，各風險指標評價標準的劃分比較粗略，但不影響模糊評價方法的應用。風力、流速、錨地底質和船齡等指標的評價標準主要根據文獻[12]中錨地原油過駁風險指標與過駁危險度的關系，并考慮LNG加注船的特殊性得到；能見度和交通量評價標準則通過參考《內河水上交通能見度的監測及分級預警技術要求》和文獻[15]得到；其他風險指標難以定量描述，這里采用模糊語言進行定性劃分。[12，15]各風險指標評價標準見表3。

表3 風險指標評價標準

2.4評價指標隸屬度的確定

由于指標因素和風險等級是模糊的概念，各相鄰等級之間沒有明顯的界限，因此不宜貿然將某一指標因素描述為某個確定級別。這里認為任一因素都是模糊地分布在其前后相鄰的2個等級之間。[15]對于直接可觀測的指標因素(即風力、流速、能見度、交通量和船齡)，可利用模糊數學理論，參照文獻[11]和文獻[12]構建單指標隸屬度函數；對于難以量化的指標因素，可構造評價指標隸屬度模糊子集表[15-16](見表4)。

表4 評價指標隸屬度模糊子集表

3 實例分析

以在國內某內河段(B級航區)錨地進行加注作業的某LNG加注船為研究對象，靠離泊選擇受注船錨泊、LNG加注船并靠受注船的方式，加注結束后LNG加注船離泊。該LNG加注船總長45 m，型寬8.8 m，設計吃水2 m，儲罐容積200 m3，加注作業水域的交通和氣象數據見表5。

表5 作業水域的交通和氣象數據

3.1權重值的確定

比較兩兩指標間的重要程度，運用層次分析法并結合MATLAB軟件對環境因素、船舶因素、加注/連接設備和人為因素的數據進行處理，得到第1層判斷矩陣為

(6)

經計算：λmax=4.009 4，CI=0.003 1，RI=0.496 9。隨機一致性比率CR=0.006 2<0.1。計算得到權重值W=(0.212 3,0.185 0,0.342 4,0.260 3)。

同理，對第2層指標的比較數據進行處理，可得到第2層指標的權重值(見表6)。

表6 各評價指標隸屬度

3.2模糊綜合評價

3.2.1模糊運算

根據LNG加注船主要尺度參數及作業區域的氣象和交通數據，并結合行業專家的意見，對各單因素進行評價，確定各評價指標隸屬度見表6。

由表6可知，環境因素各指標模糊評價矩陣為

(7)

環境因素權重集為W1=(0.197 0,0.149 7,0.197 0,0.197 0,0.259 3)。根據文獻[8]和文獻[9]，乘與和算子M(·，⊕)兼顧整體因素對評價結果的影響，因此采用M(·，⊕)計算環境因素模糊隸屬度向量。

B1=W1°R1=(0.177 3，0.696 9，0.125 8，0，0)

(8)

同理可求得船舶因素隸屬度向量B2,加注/連接設備隸屬度向量B3及人為因素隸屬度向量B4。B2=(0.573 8，0.284 1，0.142 1，0，0)；B3=(0.279 4，0.353 5，0.274 8，0.092 3，0)；B4=(0.151 0，0.401 0，0.349 0，0.099 0，0)。

將以上各模糊隸屬度向量組合,即可得到LNG加注船錨地作業風險模糊綜合評價矩陣。

(9)

由此，可得到LNG加注船錨地作業風險模糊綜合隸屬度向量。

B=W°R=(0.278 8，0.425 9，0.237 9，0.057 4，0)

(10)

3.2.2反模糊化

3.2.2.1 LNG加注船錨地作業總體風險

按照最大隸屬度方法，LNG加注船在該水域的加注作業風險屬于“較低風險”等級；按照加權平均方法，根據式(4)對模糊向量B和評語集V={-2，-1，0，1，2}進行加權平均處理(取k=1)，結果為

(11)

最終評價結果為-0.926 1，對照“2.3”節中的指標評價標準可知，LNG加注船在該水域的錨地加注作業風險介于“較低風險”和“一般風險”之間，接近于“較低風險”等級。由于目前LNG加注船從設計到制造，再到作業、管理等各個階段都有較高的標準和嚴格的規范，且內河水域自然環境相對于海上環境較為溫和，因此實際中內河LNG加注船錨地作業的總體風險相對不高。但是，考慮到LNG事故后果的嚴重危害性，有必要采取一定的措施來保障作業周圍人員和財產的安全，例如設立作業安全區。

3.2.2.2 4類風險因素對LNG加注船錨地作業風險的影響程度

根據求得的B1～B4，按照加權評價方法，參考式(4)，分別對4個向量和評語集進行加權平均處理，求得A1=-1.050 9，A2=-1.431 7，A3=-0.819 9，A4=-0.604 0。可見，環境因素和船舶因素均處于“低風險”和“較低風險”之間，說明該水域條件下的環境因素和船舶因素對總體風險的影響程度較小，基本可以滿足LNG加注船錨地作業的要求。但是，作業所需的加注/連接設備及人為因素處于“較低風險”和“一般風險”之間，對總體風險的影響程度較大，作業過程中需加以重視。

4 結束語

從LNG加注船作業的安全性出發，建立內河LNG加注船錨地作業安全評價指標體系;運用模糊綜合評價法對LNG加注船錨地作業風險的嚴重程度進行量化，確定作業風險等級及各風險因素對總體風險的影響程度。評價結果可對LNG加注船錨地作業風險管理及制訂安全保障措施提供一定參考。

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AnalysisofRisksinLNGBunkeringVesselOperationwithFuzzyEvaluationMethod

CAOChangkui，TUHaiyang

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135,China)

U698

A

2016-02-03

曹昌魁(1990—)，男，山東菏澤人，碩士，主要從事航海安全研究。 E-mail:cckuiwy@163.com

1000-4653(2016)03-0082-05