基于模糊Petri網(wǎng)的易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

吳鵬 夏海波 吳建軍 胡甚平

摘要：為降低風(fēng)險(xiǎn)因素的不確定性和模糊性對(duì)易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)確性的影響，通過(guò)引入可信度概念，提出基于模糊Petri網(wǎng)（fuzzy Petri nets，F(xiàn)PN）的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，以易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸事故為頂事件，建立層次化評(píng)估指標(biāo)體系;基于FPN理論，構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的FPN模型;運(yùn)用模糊推理算法對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。實(shí)例分析表明：基于FPN模型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法適用于對(duì)易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，且評(píng)估結(jié)果比用傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法得到的結(jié)果更加客觀(guān)、準(zhǔn)確，能為易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)預(yù)判和航線(xiàn)規(guī)劃提供參考。

關(guān)鍵詞：易流態(tài)化貨物; 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估; 模糊Petri網(wǎng); 模糊推理算法

中圖分類(lèi)號(hào)： U698

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：In order to reduce the effects of uncertainties and fuzziness of risk factors on the assessment accuracy during the risk assessment of shipping liquefiable solid bulk cargoes， by introducing the concept of credibility， a risk assessment method based on fuzzy Petri nets （FPN） is proposed. The risk factors are analyzed， the accidents of shipping liquefiable solid bulk cargoes are regarded as the top event， and a hierarchical assessment index system is established. According to FPN theory， the FPN model for risk assessment is built， and the risk assessment based on the fuzzy reasoning algorithm is conducted. The example analysis shows that， the risk assessment method based on the FPN model is suitable for the risk assessment of shipping liquefiable solid bulk cargoes， the results are more objective am accurate than those achieved by traditional risk assessment methods， and it can provide reference for risk prejudgment and route planning of shipping liquefiable solid bulk cargoes.

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的發(fā)展，大宗礦石的需求量飆升。大多數(shù)的大宗礦石屬于易流態(tài)化貨物且通過(guò)海上運(yùn)輸，而海上運(yùn)輸處于復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)中，不可避免地會(huì)發(fā)生事故[1]。據(jù)相關(guān)報(bào)道，1988—2016年間發(fā)生了23起易流態(tài)化貨物運(yùn)輸事故，造成164人死亡，17艘船滅失[2]。相比于其他散貨，易流態(tài)化貨物因其特有的易流態(tài)性，極易產(chǎn)生自由液面，破壞船舶穩(wěn)性甚至使船舶傾覆。因此，有必要對(duì)易流態(tài)化貨物的運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，為相關(guān)航運(yùn)人員提供安全保障。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)易流態(tài)化貨物的研究取得了一定的進(jìn)展。MUNRO等[3]通過(guò)對(duì)細(xì)鐵礦進(jìn)行室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得出貨物含水量是導(dǎo)致其液化的最主要原因的結(jié)論。WANG等[4]從礦粉的飽和度方面對(duì)貨物的易流態(tài)化程度進(jìn)行研究，得出貨物的飽和度與抗液化率具有相關(guān)性的結(jié)論。LEE[5]對(duì)鎳礦的積載問(wèn)題和液化事故的關(guān)系進(jìn)行了研究。周健等[6]研究了船載散裝鐵精礦在動(dòng)力荷載下的流態(tài)化特性。簡(jiǎn)琦薇等[7]對(duì)散裝鐵精礦流態(tài)化細(xì)觀(guān)規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了顆粒長(zhǎng)軸方向、平均接觸度、平面孔隙率等的演化規(guī)律。唐緒謙等[8]研究了船載精礦粉發(fā)生事故的原因、危害及其預(yù)防措施。然而，當(dāng)前大多數(shù)研究是關(guān)于易流態(tài)化貨物的貨物特性、流態(tài)化機(jī)理、流態(tài)化對(duì)船舶的影響，對(duì)易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的研究有待深入。

由于易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)因素具有不確定性和模糊性，因子相互關(guān)聯(lián)且相互影響，對(duì)易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，需要建立基于因子關(guān)聯(lián)的并行發(fā)展處理模型。Petri網(wǎng)是分布式系統(tǒng)的建模和分析工具，特別適合于描述系統(tǒng)中的并行關(guān)系 [9]。模糊Petri網(wǎng)（fuzzy Petri nets， FPN）是在傳統(tǒng)Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上的升級(jí)，旨在處理風(fēng)險(xiǎn)因素的不確定性和模糊性[10-11]，因此本文提出FPN風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。通過(guò)對(duì)易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，歸納凝練出易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)因素，建立層次化的FPN風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型;利用層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）求取指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合模糊推理算法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，為易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸安全提供有力保障。

1 問(wèn)題描述

1.1 易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)分析

易流態(tài)化貨物指本身含有細(xì)顆粒和一定量水分，當(dāng)其含水量超過(guò)適運(yùn)水分極限時(shí)可能形成自由液面或固液兩相流動(dòng)層的固體散裝貨物。當(dāng)船舶載運(yùn)易流態(tài)化貨物在海上航行時(shí)，貨物與航行中所遭遇的環(huán)境以及船舶自身的振動(dòng)等各因素產(chǎn)生耦合效應(yīng)，表面析出水分形成自由液面，當(dāng)船舶向一舷傾斜時(shí)，這些水分隨之傾斜，而當(dāng)船舶向另一舷傾斜時(shí)，由于其黏性的影響，水分不能完全隨之向另一側(cè)傾斜，久而久之就可能會(huì)導(dǎo)致船舶傾覆。

易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)指易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸系統(tǒng)在某種客觀(guān)條件下處于不安全狀態(tài)，以致發(fā)生事故的危險(xiǎn)程度[12]。

1.2 易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的構(gòu)建

相關(guān)研究[13]表明，易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)源于以下3個(gè)方面：貨物特有的易流態(tài)性;船舶在航行中所遭遇的環(huán)境;船舶內(nèi)部機(jī)器設(shè)備振動(dòng)或船舶操縱導(dǎo)致的搖振效應(yīng)。本文系統(tǒng)、科學(xué)地構(gòu)建易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，見(jiàn)圖1。

2 FPN評(píng)估算法

2.1 FPN原理

2.1.1 定義

4 結(jié) 論

應(yīng)用模糊Petri網(wǎng)（FPN）模型結(jié)合模糊推理算法對(duì)易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，一定程度上解決了易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)因素的模糊性和不確定性問(wèn)題;通過(guò)實(shí)例對(duì)FPN推理算法進(jìn)行驗(yàn)證，得出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果與實(shí)際航行情況相符合，并通過(guò)與已有的模糊理論評(píng)估算法結(jié)果的比較，證明該算法可行。下階段可發(fā)揮Petri網(wǎng)在處理并行關(guān)系方面的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)各評(píng)估指標(biāo)相互間的耦合作用進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，逐步發(fā)現(xiàn)易流態(tài)化貨物海上運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)的演變規(guī)律，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)遠(yuǎn)洋運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。

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（編輯 賈裙平）