基于系統(tǒng)動力學(xué)的海洋平臺安全脆弱性分析*

姜盛玉，陳國明，李新宏，何 睿，董 澈

(中國石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東 青島 266580)

0 引言

海洋平臺工作環(huán)境特殊，具有高投入、高風(fēng)險和勞動密集等特點。隨著平臺裝備及作業(yè)系統(tǒng)集成化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化程度的增加，子系統(tǒng)之間的聯(lián)系性增強。某先兆事件中，子系統(tǒng)單元的脆弱性及風(fēng)險可隨關(guān)聯(lián)路徑傳遞至其他子系統(tǒng)，破壞鉆井系統(tǒng)中其他設(shè)備的功能，影響平臺鉆采作業(yè)的持續(xù)性。2010年，美國墨西哥灣作業(yè)的“深水地平線”[1]鉆井平臺發(fā)生嚴重井噴，并引起劇烈爆炸，造成 11人死亡，17人失蹤，大量原油泄漏。該事故即以防噴器剪切能力不足為原點，進而將風(fēng)險傳遞至平臺其他系統(tǒng)，造成毀滅性打擊。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者對海洋平臺安全進行了深入探討。郭恒等[2]從人因失誤、工藝設(shè)備、物料危險、管理缺陷和危險環(huán)境5個方面系統(tǒng)分析事故致因因素，提出海洋鉆井平臺事故致因評價框架；楊冬冬[3]運采用CFD方法建立海洋平臺井噴含硫天然氣后果預(yù)測及評估模型。國內(nèi)外對于海洋平臺的事故研究，大多采用傳統(tǒng)的方法如事故樹、事件樹和蝴蝶結(jié)模型法等分析鉆采安全，鮮有以海洋平臺安全的脆弱性為切入點進行探討。

脆弱性起源于對自然災(zāi)害的研究，其概念由Timmerman[4]首次提出，目前其概念已應(yīng)用到諸多領(lǐng)域。美國石油協(xié)會提出脆弱性是指可以被破壞者利用的弱點以損害或竊取資產(chǎn)、破壞系統(tǒng)關(guān)鍵功能，脆弱性是一個變量表征攻擊目標成功的可能性[5]。Bohle等[6]認為脆弱性包含內(nèi)部、外部2方面，內(nèi)部方面表現(xiàn)為系統(tǒng)對外界干擾或沖擊的應(yīng)對能力，外部方面表現(xiàn)為系統(tǒng)對外界擾動或沖擊的暴露，即發(fā)生事故的可能性。脆弱性概念逐漸引入風(fēng)險領(lǐng)域，魏彤彤[7]針對洪水災(zāi)害下化工裝置的脆弱性評估，提出了綜合考慮洪水類型、裝置結(jié)構(gòu)特征和危險物質(zhì)泄漏模式的脆弱性定量評估方法；王曉瑞[8]建立了瓦斯異常涌出下煤礦脆弱性的突變評價指標體系；Huai Su[9]開發(fā)了一個系統(tǒng)框架來評估天然氣管網(wǎng)的脆弱性。李乃文等[10]針對煤礦井下安全環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性， 建立了煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性的系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型。

考慮海洋平臺安全系統(tǒng)的復(fù)雜關(guān)系及其存在的反饋機制，筆者從系統(tǒng)動力學(xué)的角度出發(fā)，結(jié)合脆弱性理論，對海洋平臺的脆弱性進行動態(tài)分析，明確不同系統(tǒng)對脆弱性指標的敏感程度以及存在的相互關(guān)系。在建立系統(tǒng)動力學(xué)模型過程中，運用模糊層次分析法對不同系統(tǒng)中的因素進行判定，實現(xiàn)對海洋平臺安全系統(tǒng)的脆弱性動態(tài)評價和預(yù)測，最終確定系統(tǒng)脆弱性的關(guān)鍵影響因素，從而提出降低海洋平臺脆弱性的資金投入借鑒思路。

1 海洋平臺安全系統(tǒng)動力學(xué)模型

1.1 海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱因素分析

鑒于海洋平臺所處環(huán)境特殊，面對工況更加復(fù)雜，且發(fā)生事故后極易引發(fā)嚴重后果，事故處理難度大，本文將海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱性作為一個概念集合探究，即保證海洋平臺安全運行的系統(tǒng)的集合。其中的脆弱性內(nèi)容(見圖1)包括暴露度、敏感度和適應(yīng)度。其中，暴露度是個體或系統(tǒng)暴露于災(zāi)害及其不利影響的可能性；敏感度是系統(tǒng)組分由于暴露于災(zāi)害(擾動或壓力)而可能受到的損害程度；適應(yīng)度是個體或系統(tǒng)處理、抵抗不利影響的能力，以及從中恢復(fù)的能力[11]。

圖1 海洋平臺安全脆弱性結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram for safety vulnerability of offshore platform

海洋平臺的暴露度與環(huán)境復(fù)雜程度、開采設(shè)備與過程裝備的可靠性、工作人員操作可靠性直接相關(guān)。海洋平臺相較于陸地油氣開采，具有更高的孤立性、資源有限性等特點。海洋平臺承受著風(fēng)、浪、流等復(fù)雜環(huán)境載荷，極端臺風(fēng)風(fēng)載及其帶來的波浪載荷的聯(lián)動嚴重威脅平臺[12]，在相應(yīng)環(huán)境下暴露度可與平臺到臺風(fēng)中心距離成正比關(guān)系。此外，海洋平臺上過程裝備及工藝需要重點關(guān)注，如三相分離過程和氣體壓縮過程[13]，海洋環(huán)境具有濕度高，海風(fēng)頻繁的特征，加速密封元件老化，加快腐蝕速率及裂紋擴展，具有較高的暴露度。工作人員相較于設(shè)備，控制難度大，心理不可知，行為不可預(yù)測，海洋平臺發(fā)生的多數(shù)事故與人因密切相關(guān)，人員系統(tǒng)暴露度同樣不可忽視。

海洋平臺及其配套設(shè)備造價昂貴，所處環(huán)境多為自然資源豐富的海洋，環(huán)境流動性強。此外，海洋平臺具有較高的人員密度，當(dāng)發(fā)生不可逆災(zāi)害時，逃生路徑與方式相對有限。因此，海洋平臺從事鉆采過程中，一旦發(fā)生能量的不可控外泄，將會對平臺及設(shè)備造成損傷；同時，外泄油氣會隨洋流、風(fēng)浪進行大面積的擴散；事故演化過程中，如不能有效控制，將會發(fā)生更為嚴重的燃爆事件。在事故演化鏈不同階段，輕則造成海洋平臺減產(chǎn)、停產(chǎn)，重則造成平臺損毀、人員傷亡的重大事故，同時也造成海洋環(huán)境、大氣環(huán)境的嚴重污染，損害開采方聲譽，甚至國家影響力。

平臺的適應(yīng)度體現(xiàn)在安全屏障的完整性和可靠性，安全監(jiān)督監(jiān)管的有效性，安全規(guī)章制度的完備性和可行性方面。受災(zāi)條件下平臺必然呈現(xiàn)熵增趨勢，平臺系統(tǒng)需要在受災(zāi)條件下短時間內(nèi)完成調(diào)度和救援，這時設(shè)備可靠的緊急關(guān)斷系統(tǒng)、人員豐富的經(jīng)驗、完備的培訓(xùn)及演習(xí)可以有效遏制熵增，保證設(shè)備及人員處于正確的決策路徑，有效切斷連鎖事故的演化路徑，以降低事故的人員傷亡和財產(chǎn)損失，表現(xiàn)為高適應(yīng)度。然而，由于海洋平臺所處的環(huán)境相對特殊，當(dāng)發(fā)生事故時所能及時獲取的人力資源和物質(zhì)資源極為有限，控制事故發(fā)展和走向的能力較弱，事故處理效率與陸上相比存在差距。同時海洋平臺發(fā)生的事故對海洋生態(tài)環(huán)境和生物多樣性造成的影響是毀滅性的，即便做出巨大投入也難以恢復(fù)至事故發(fā)生前狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)動力學(xué)建模

系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics)是由美國麻省理工學(xué)院的J. W. Forrester教授于20世紀50年代創(chuàng)立的系統(tǒng)仿真方法，是根據(jù)系統(tǒng)論、控制論、信息論等有關(guān)理論和方法建立起來的計算機仿真模型，是研究高度非線性、多變量、多重反饋復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與行為的一門科學(xué)。系統(tǒng)動力學(xué)可以同時表示和分析多個系統(tǒng)控制變量，描述多個不安全行為的耦合作用，用動態(tài)的觀點來描述事故的發(fā)生機理，在事故突變機理中有無可比擬的優(yōu)勢。系統(tǒng)動力學(xué)認為，系統(tǒng)的模式與特性取決于邊界條件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)；反饋即X影響Y，Y又通過一系列因果鏈影響X，這樣將研究對象作為一個反饋系統(tǒng)才能得出科學(xué)結(jié)論。

1.2.1 海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱性流圖

海洋平臺安全系統(tǒng)由眾多子系統(tǒng)和影響因子組成，其中每個因子對平臺安全系統(tǒng)的脆弱性產(chǎn)生不同程度的影響。因此，為反應(yīng)不同因子對安全系統(tǒng)的脆弱性及敏感性，以及系統(tǒng)中存在正負反饋關(guān)系鏈，結(jié)合上述平臺脆弱因素分析，建立基于系統(tǒng)動力學(xué)的海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱性流圖，如圖2所示。

圖2 海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱性流圖Fig.2 Flow diagram for safety system vulnerability of offshore platform

以設(shè)備系統(tǒng)為例，由脆弱性流圖可知，在設(shè)備系統(tǒng)中，隨著生產(chǎn)平臺服役時間的增長，通訊設(shè)備、過程設(shè)備、采油采氣設(shè)備和交通設(shè)備出現(xiàn)不同程度的損耗及故障隱患，進而造成暴露度升高、敏感度升高及適應(yīng)度降低，再通過平臺事故發(fā)生概率影響安全監(jiān)督監(jiān)管；預(yù)警系統(tǒng)的完備性、應(yīng)急有效性及事故處理成本影響安全規(guī)章制度形成反饋系統(tǒng)。筆者將設(shè)備系統(tǒng)投入、管理系統(tǒng)投入和人員系統(tǒng)投入作為輸入變量，研究安全投入對安全脆弱性的影響。

1.2.2 系統(tǒng)動力學(xué)仿真參數(shù)確定

為構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)仿真方程，需要確定子系統(tǒng)中狀態(tài)變量的權(quán)重值。針對不同的海洋平臺，參數(shù)的設(shè)定結(jié)果必然存在差異，這取決于不同平臺的設(shè)備系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、人員系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)的不同狀態(tài)，以及對不同系統(tǒng)的安全投入比例；此外，影響海洋平臺安全系統(tǒng)的眾多因素指標存在模糊性和主觀性，在普遍情況下難以直接用精確數(shù)值對某些因素進行描述。鑒于上述因素考慮，采用模糊層次分析法(FAHP)確定狀態(tài)變量的參數(shù)[14]。

將基本因子重要度對比的語言描述分為7個等級[15]，形成重要度對比的語言描述及相應(yīng)的三角模糊集[16]。充分考慮專家的工作經(jīng)驗，工作年限和教育水平，選取不同崗位的專家進行指標重要度比較的語言術(shù)語評定。通過式(1)將獲取意見進行擬合：

(1)

式中：Zi表示ei的聚合模糊數(shù)；wj表示專家j的權(quán)重；fij表示專家j給出的e的相應(yīng)模糊數(shù)；n和m分別是專家和打分項e的數(shù)量。

筆者采用Max-Min聚合方法進行去模糊化的過程[17]。模糊集合(Z)的左右意見分別見式(2)，式(3)：

(2)

(3)

式中：aleft(Z)為三角模糊數(shù)左邊線與y=10-x的焦點縱坐標；aRight(Z)為三角模糊數(shù)右邊線與y=x的交點縱坐標；a，b，c分別為三角模糊數(shù)左端點橫坐標，三角模糊數(shù)中點橫坐標，三角模糊數(shù)右端點橫坐標。

因此，模糊數(shù)Zi的模糊可能性分數(shù)通過式(4)得到：

a(Zi)=[aRight(Zi)+1-aLeft(Zi)]/2

(4)

式中：a(Zi)為去模糊化后相應(yīng)分值。

特別地，以設(shè)備系統(tǒng)為例計算該系統(tǒng)內(nèi)各基本因素的權(quán)重取值。本文選取了3位專家進行語言化判定，他們分別為在海洋平臺工作領(lǐng)域經(jīng)驗豐富的工程人員，管理人員以及安全研究人員。通過上述方法得到設(shè)備系統(tǒng)的去主觀化判斷矩陣如式(5)：

(5)

經(jīng)過對判斷矩陣的計算得到最大特征根λmax=5.279 8，判斷矩陣的一致性指標CI=0.069 9，平均隨機一致性指標RI=1.12，一致性比率為CR=0.062 4<0.10，即認為判斷矩陣R1具有滿意的一致性，且由油氣井設(shè)備、過程裝備、通訊設(shè)備、動力定位設(shè)備和設(shè)備維修維護的排序權(quán)重為w=(0.245 0,0.232 6,0.187 0,0.170 9,0.164 5)T，權(quán)重分配合理程度較高。安全系統(tǒng)中，管理系統(tǒng)、人員系統(tǒng)、暴露度、敏感度和適應(yīng)度CR值分別為0.094 6，0.071 1，0.063 2，0.093 7，0.084 1，皆小于0.10，因此具有滿意的一致性；環(huán)境系統(tǒng)矩陣初次CR值為0.159 2>0.10，矩陣一致性較差，調(diào)整矩陣判定后經(jīng)計算CR值為0.085 8<0.10，滿足一致性要求。根據(jù)上述方法，可以計算出系統(tǒng)動力學(xué)流圖中各不同層次系統(tǒng)中因素對系統(tǒng)的權(quán)重值，并建立相應(yīng)的系統(tǒng)動力學(xué)方程，見表1。

2 系統(tǒng)動力學(xué)仿真結(jié)果分析

以某新服役半潛式平臺為研究對象，將分析時間步設(shè)置為1個月，進行為期36個月的仿真分析，對該段時期內(nèi)海洋平臺的脆弱性進行動態(tài)監(jiān)控。筆者以海洋平臺的暴露度、敏感度和適應(yīng)度3個脆弱性指標為研究對象進行仿真分析，并引入安全系統(tǒng)投入值，對于設(shè)備系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和人員系統(tǒng)設(shè)置正交試驗方案，得出海洋平臺脆弱性的變化規(guī)律并進行分析。其中，各系統(tǒng)內(nèi)初始值由平臺實際運行狀態(tài)獲得，暴露度、敏感度、適應(yīng)度數(shù)值為無量綱參量，僅表示特征變化趨勢。假定平臺的環(huán)境系統(tǒng)相對穩(wěn)定，安全投入不涉及環(huán)境系統(tǒng)。擬定的投入方案見表2。

表1 海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱性系統(tǒng)動力學(xué)方程Table 1 System dynamic equations for safety system vulnerability of offshore platform

2.1 海洋平臺安全系統(tǒng)暴露度分析

海洋平臺的安全系統(tǒng)是一個復(fù)雜的反饋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中的關(guān)鍵因素經(jīng)過系統(tǒng)的反饋環(huán)流動，最終會影響到自身。在這種動態(tài)反饋網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)暴露度、敏感度和適應(yīng)度反映更為直觀且符合實際。暴露度強調(diào)系統(tǒng)暴露于災(zāi)害或者不利影響的可能性，為增強海洋平臺的平穩(wěn)運行能力，應(yīng)使暴露度有效降低。其中，海洋平臺安全系統(tǒng)暴露度仿真結(jié)果如圖3所示，當(dāng)對海洋平臺不進行安全系統(tǒng)投入時，暴露度呈現(xiàn)先增長后逐漸穩(wěn)定的態(tài)勢。當(dāng)采用實驗1方案時，海洋平臺暴露度已經(jīng)得到有效下降，但下降速率較緩，且在25個月后達到穩(wěn)定值。實驗2、實驗3和實驗4由于投入量的增加，使得暴露度的下降速率相較于實驗1更為明顯，且都呈現(xiàn)隨時間的延長下降速率放緩態(tài)勢。其中實驗4方案使得暴露度下降最快，方案3次之，方案2最慢。實驗結(jié)果表明：設(shè)備系統(tǒng)對于降低暴露度最為重要。為保證海洋平臺暴露度有效下降，應(yīng)提高設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)可靠性，應(yīng)定期進行關(guān)鍵部位的監(jiān)測和檢測，保證設(shè)備子系統(tǒng)的健康運行狀態(tài)。

表2 安全系統(tǒng)投入正交試驗方案Table 2 Orthogonal test plan of safety system input

圖3 海洋平臺安全系統(tǒng)暴露度曲線Fig.3 Exposure curves for safety system of offshore platform

2.2 海洋平臺安全系統(tǒng)敏感度分析

敏感度強調(diào)系統(tǒng)暴露于事故或災(zāi)害可能受到損害的程度，多用于財產(chǎn)損失，人員傷亡及環(huán)境污染進行表征。降低安全系統(tǒng)的敏感度能夠有效減少當(dāng)平臺遭遇災(zāi)害或事故的損失程度。根據(jù)不同的模擬方案得出的敏感度結(jié)果如圖4所示。根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，在不進行安全系統(tǒng)的投入時，模擬期內(nèi)平臺的安全系統(tǒng)敏感度隨著時間的增加呈現(xiàn)線性增長態(tài)勢。實驗1方案能夠使得平臺敏感度下降，但下降幅度有限，于15個月左右進入平緩期，并在模擬后期有小幅度抬升。實驗2、實驗3和實驗4都使海洋平臺敏感度有效下降，且實驗4方案效果最優(yōu)，實驗2與實驗3效果相似。這說明為降低平臺敏感度應(yīng)重點關(guān)注設(shè)備系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，兩者對于降低海洋平臺的敏感度的重要程度近似，增強設(shè)備系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的耦合作用能有效降低事故及災(zāi)害發(fā)生后的影響程度。

圖4 海洋平臺安全系統(tǒng)敏感度曲線Fig.4 Sensitivity curves for safety system of offshore platform

2.3 海洋平臺安全系統(tǒng)適應(yīng)度分析

適應(yīng)度強調(diào)系統(tǒng)處理、抵抗不利影響(自然環(huán)境突變)的能力，以及從中恢復(fù)的能力，在海洋平臺安全系統(tǒng)中提高適應(yīng)度能夠有效提高系統(tǒng)應(yīng)對事故以及氣候變化的能力，盡可能減小損失。根據(jù)模擬結(jié)果，安全系統(tǒng)適應(yīng)度可由圖5得出，當(dāng)不進行安全系統(tǒng)投入時，平臺的安全系統(tǒng)在已有的安全資源的調(diào)控下，適應(yīng)度仍然能夠以一定的速率增長。這是因為，隨著人的學(xué)習(xí)能力和吸收信息的能力增強，在遇到緊急情況時更容易捕捉關(guān)鍵信息并找到突破點。當(dāng)采用實驗1方案時，適應(yīng)度增長率略微高于不對系統(tǒng)投入的增長率。實驗3增長率在模擬前期較大，在20個月附近減小至0，后期轉(zhuǎn)為負值。實驗2和實驗4方案能夠使適應(yīng)度得到有效的增長，增長率隨時間的延續(xù)逐漸減小，且實驗4方案效果優(yōu)于實驗2。由實驗結(jié)果可知，管理系統(tǒng)對于提升適應(yīng)度起關(guān)鍵作用，設(shè)備系統(tǒng)次之，人員系統(tǒng)最弱。因此，加強海洋平臺管理系統(tǒng)的建設(shè)，能夠有效提高其應(yīng)對自然災(zāi)害和危險事件的能力，增強事故處理能力。

圖5 海洋平臺安全系統(tǒng)適應(yīng)度曲線Fig.5 Fitness curves for safety system of offshore platform

結(jié)合試驗結(jié)果與分析，實驗4的安全投入方案降低脆弱性的效果最優(yōu)。以實驗4中的安全投入比例為參考，對所研究的平臺安全投入方案進行重新規(guī)劃，在方案實施期內(nèi)，有效降低了危險事件的發(fā)生概率，提升了安全運行時間，提高了安全投入的利用效率。

3 結(jié)論

1)針對海洋平臺的暴露度、敏感度和適應(yīng)度3個脆弱性指標，采用AHP和模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合方法，建立了海洋平臺的系統(tǒng)動力學(xué)模型，實現(xiàn)了動態(tài)分析海洋平臺的脆弱性，并從安全投入的角度探討了海洋平臺不同系統(tǒng)對脆弱性指標的敏感性。

2)通過建立安全投入的正交試驗，無投入時，隨服役時間延長平臺暴露度、敏感度升高，適應(yīng)度升高幅度較小，整體脆弱性呈上升趨勢；實驗4對于降低平臺整體脆弱性效果最優(yōu)，設(shè)備系統(tǒng)對于降低平臺暴露度起關(guān)鍵作用，管理系統(tǒng)對于提升平臺適應(yīng)度起關(guān)鍵作用，設(shè)備系統(tǒng)和管理系統(tǒng)同時對降低敏感度起關(guān)鍵作用。

3)系統(tǒng)動力學(xué)正交試驗結(jié)果表明，海洋平臺安全投入重點放在設(shè)備系統(tǒng)和管理系統(tǒng)可以有效降低整體脆弱性。同時，應(yīng)合理分配設(shè)備系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和人員系統(tǒng)的安全投入比例，以高效維持平臺脆弱性處于可接受范圍。