液化天然氣動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)仿真

李偉，胡甚平，陳偉炯，陶瀟穎，田力

(1．上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306；2.江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航海系，江蘇 南通 226010；3.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

液化天然氣(liquefied natural gas，LNG) 是一種綠色、高效、環(huán)保的能源，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]，與常規(guī)石油燃料相比，LNG燃料具有易泄露、易燃、易爆的危險(xiǎn)性；這些特殊的理化屬性使得LNG動(dòng)力船的發(fā)展和應(yīng)用安全問題備受業(yè)界關(guān)注，LNG 動(dòng)力船一旦出現(xiàn)燃料泄漏可能會(huì)導(dǎo)致船舶發(fā)生火災(zāi)、爆炸、船舶失速、失控等衍生性事故，對船舶、從業(yè)人員及港口環(huán)境的安全都會(huì)帶來嚴(yán)重影響。因此，針對LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)演變研究有助于科學(xué)認(rèn)知該類型船舶作業(yè)模式和機(jī)理。

船舶及燃料供應(yīng)設(shè)備的可靠性是LNG動(dòng)力船安全營運(yùn)的關(guān)鍵，《國際氣體與低閃點(diǎn)燃料動(dòng)力船舶指引》[2]的頒布對LNG動(dòng)力船船舶機(jī)械、設(shè)備和系統(tǒng)布置與安裝提出強(qiáng)制要求，從規(guī)則層面為船舶及燃料供應(yīng)設(shè)備可靠性提供保障。在此基礎(chǔ)上，Wan[3]運(yùn)用安全評估方法研究LNG動(dòng)力船發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，Kwak[4]對 LNG 燃料船的制冷過程進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以提高閃蒸汽(boiled off gas,BOG)再液化能效；針對事故概率較高燃料加注環(huán)節(jié)，Jeong[5]辨識出 LNG燃料加注的潛在風(fēng)險(xiǎn)，F(xiàn)u[6]運(yùn)用仿真技術(shù)研究加注過程泄漏事故風(fēng)險(xiǎn)；對LNG燃料泄漏后果研究方面，Li[7]得出 LNG 泄漏時(shí)發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)程度，并對發(fā)生蒸汽爆炸等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，Davies[8]運(yùn)用解析模型研究 LNG 安全防護(hù)距離。LNG動(dòng)力船是涉及人、機(jī)、燃料、管理多要素的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)要素之間存在高度的關(guān)聯(lián)和耦合關(guān)系，致使船舶系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)不斷涌現(xiàn)。上述研究成果對LNG動(dòng)力船營運(yùn)和發(fā)展起到良好的促進(jìn)作用，但未能對LNG動(dòng)力船營運(yùn)過程中燃料的存儲(chǔ)、使用與船舶航行作業(yè)的耦合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，尤其對LNG動(dòng)力船在受限水域航行過程風(fēng)險(xiǎn)耦合機(jī)理研究尚未涉及。

目前，面對復(fù)雜系統(tǒng)耦合性和涌現(xiàn)性的特征，學(xué)者開始用系統(tǒng)思維來考慮系統(tǒng)安全性問題，提出了基于系統(tǒng)思維的安全性分析與控制方法(systems-theoretic process analysis，STPA)分析方法[9]，要求按照通過系統(tǒng)危險(xiǎn)、安全控制結(jié)構(gòu)、不安全行為、不安全行為形成原因等分析步驟完成危險(xiǎn)分析過程。系統(tǒng)理論事故建模與過程模型(systems-theoretic accident modeling and processes，STAMP)是研究復(fù)雜系統(tǒng)涌現(xiàn)的典型模型[10]。近年來，STAMP已被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療健康[11]、交通[12-13]、航空航天[14]等領(lǐng)域。STAMP 將系統(tǒng)安全性看作是控制問題而不是組件失效問題，認(rèn)為事故的發(fā)生源于組件失效、外部環(huán)境干擾和組件交互沒有有效控制，進(jìn)而超出系統(tǒng)安全約束。作為傳統(tǒng)綜合安全評估方法的拓展[15]，隨機(jī)過程下的船舶航行風(fēng)險(xiǎn)也取得一定進(jìn)展。胡甚平等[16-18]提出基于人工智能云模型的蒙特卡洛方法、馬爾可夫鏈研究過程風(fēng)險(xiǎn)，通過轉(zhuǎn)移矩陣來分析風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)，在量化復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了積極嘗試。

本文以STPA方法為范式，對LNG動(dòng)力船航行的控制過程進(jìn)行安全性分析，在識別系統(tǒng)組件和外部干擾因素的基礎(chǔ)上，提出LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)的STAMP模型，采用馬爾可夫鏈(markov chain)和云模型(cloud model)并構(gòu)的方法進(jìn)行過程安全動(dòng)態(tài)仿真，研究LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)演變。

1 過程風(fēng)險(xiǎn)的隨機(jī)過程問題

1.1 船舶航行過程風(fēng)險(xiǎn)

過程風(fēng)險(xiǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行過程中，任一時(shí)刻系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)的動(dòng)態(tài)表征，是風(fēng)險(xiǎn)因素作用下的不確定(隨機(jī))事件相互耦合的結(jié)果[15]。船舶航行過程風(fēng)險(xiǎn)是在時(shí)序狀態(tài)下，受船舶設(shè)備(硬件/軟件)、外部環(huán)境、船員等多種因素的影響，船舶系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)在安全狀態(tài)和危險(xiǎn)狀態(tài)之間不斷發(fā)展、演化的過程。

假設(shè)Rt為某一具體時(shí)刻船舶風(fēng)險(xiǎn)的性態(tài)，S={r}為安全與完全失效范圍內(nèi)的空間，若對于任一個(gè)時(shí)間參數(shù)t∈T，X(r,t)為S上隨機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)，且對任意一個(gè)g(l)∈S，X(r,t)為t的函數(shù)，那么稱{X(r,t),t∈T,l∈S}為船舶航行過程風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 隨機(jī)過程下的LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)測度

LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)是在時(shí)序狀態(tài)下，以外部環(huán)境為背景，船舶系統(tǒng)和LNG燃料系統(tǒng)不斷耦合交互，系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)連續(xù)變化的過程:

(1)

其中，耦合風(fēng)險(xiǎn)為：

(2)

(3)

1.3 風(fēng)險(xiǎn)的性態(tài)

風(fēng)險(xiǎn)的性態(tài)宏觀上表示某一時(shí)刻(階段)風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)，微觀上是風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理的變化性質(zhì)及表征，性態(tài)用于風(fēng)險(xiǎn)研究，更能體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)在時(shí)間上的過程性和空間上的傳播性[16]。本文引入可靠性理論中的“失效”概念，用失效程度來描述風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)的程度，將風(fēng)險(xiǎn)的性態(tài)劃分為安全R1∈[0,1.5)、個(gè)別失效R2∈[1.5,2.5)、部分失效R3∈[2.5,3.5)、全部失效R4∈[3.5,5] 4個(gè)區(qū)間，當(dāng)系統(tǒng)的失效程度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，即為危險(xiǎn)。

1.4 液化天然氣動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)形成模式

由于船舶燃料LNG理化性質(zhì)的特殊性，船舶對船員安全操作和應(yīng)急能力提出了更高的要求，船員的管理水平、作業(yè)經(jīng)驗(yàn)、決策能力、安全意識、應(yīng)急能力、操作規(guī)范程度等都是影響船舶安全狀態(tài)的決定因素。LNG動(dòng)力船燃料系統(tǒng)的泄露風(fēng)險(xiǎn)存在于燃料充裝、儲(chǔ)存和使用3個(gè)階段，集中于船舶的氣罐處所、機(jī)器處所、充裝處所與管線(含附件和閥件)等“三所一線”中。就作業(yè)過程而言，船舶航行過程中燃料的使用過程一般分為3階段：前期準(zhǔn)備、燃燒使用和關(guān)停前的吹掃等，前一步驟的安全狀態(tài)對下一步的工作有直接的影響[17]。

2 液化天然氣動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)仿真模型

2.1 液化天然氣動(dòng)力船安全控制結(jié)構(gòu)

事故的發(fā)生是一種涌現(xiàn)現(xiàn)象，根源在于復(fù)雜的部件交互導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的突變，而涌現(xiàn)是層次結(jié)構(gòu)的躍遷，因此事故致因?yàn)閯?dòng)態(tài)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[15],借助網(wǎng)絡(luò)模型可邏輯描述該安全控制結(jié)構(gòu)[10]。根據(jù)LNG動(dòng)力船作業(yè)流程和組件交互狀況，分別以船舶和LNG燃料為中心構(gòu)建安全上下控制結(jié)構(gòu)，上部控制回路為船舶子系統(tǒng)，下部控制回路為LNG 燃料子系統(tǒng)，為船舶提供動(dòng)力保障。

分層控制回路分析是使用STPA進(jìn)行事故致因分析和建模的主要途徑，一般是將復(fù)雜系統(tǒng)分成若干層次結(jié)構(gòu)，各層級間通過控制回路來實(shí)現(xiàn)通信和控制，保持動(dòng)態(tài)平衡。

通過構(gòu)建由控制器、控制過程、傳感器和執(zhí)行器構(gòu)成的反饋控制回路，重點(diǎn)關(guān)注時(shí)序變化和外部擾動(dòng)影響下，系統(tǒng)組件間的耦合、交互作用，分析不安全控制行為的性能和邏輯表征，辨識不安全控制作用和場景。LNG動(dòng)力船系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)來自船舶內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)、LNG燃料附加風(fēng)險(xiǎn)以及時(shí)序變化下兩者與外部環(huán)境擾動(dòng)的耦合和演化風(fēng)險(xiǎn)。兩回路各自循環(huán)運(yùn)行并在外部環(huán)境的干擾下進(jìn)行耦合，在時(shí)序變化下不斷輸出自身的狀態(tài)信息。兩回路中關(guān)鍵組件與LNG動(dòng)力船系統(tǒng)組分的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 LNG動(dòng)力船控制系統(tǒng)組分Table 1 Division of LNGFV system components

2.2 液化天然氣動(dòng)力船控制過程風(fēng)險(xiǎn)模型

2.2.1 船舶系統(tǒng)STAMP 模型

LNG動(dòng)力船船舶系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)控制過程如下：在某時(shí)刻，傳感器(導(dǎo)助航儀器)采集到被控對象(船舶)在外界環(huán)境(自然、交通環(huán)境等)影響下的狀態(tài)信息(位置、性能等)。通過人機(jī)交互將信息傳遞給控制器(船舶決策系統(tǒng))，控制器經(jīng)信息處理、分析和判斷給出具體控制策略，并以指令的形式通知執(zhí)行器(現(xiàn)場作業(yè)人員)，執(zhí)行器將具體操作施加于被控對象，形成船舶新的狀態(tài)，從而進(jìn)入下一時(shí)刻。若所采取控制措施及時(shí)、準(zhǔn)確、有效，則系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。目前LNG動(dòng)力船控制器以人工為主，自動(dòng)控制器(自動(dòng)舵、ECDIS等)輔助決策，基于安全控制結(jié)構(gòu)描述了復(fù)雜系統(tǒng)的控制過程，該模式為船舶系統(tǒng)STAMP模型。

2.2.2 燃料系統(tǒng)STAMP 模型

與傳統(tǒng)動(dòng)力船舶不同的是LNG動(dòng)力船舶將LNG作為燃料，LNG使用過程影響船舶安全。燃料使用過程風(fēng)險(xiǎn)是LNG動(dòng)力船的疊加風(fēng)險(xiǎn)。燃料LNG系統(tǒng)依然由LNG、傳感器、控制器和執(zhí)行器組成。一般地，儲(chǔ)罐及管系、閥件定義為控制對象，溫度、壓力及儲(chǔ)量檢測設(shè)備定義為傳感器，輪機(jī)部管理船員定義為控制器，現(xiàn)場作業(yè)人員，定義為執(zhí)行器，LNG系統(tǒng)的STAMP模型如圖1所示。

圖1 燃料安全控制結(jié)構(gòu)STAMP 模型Fig.1 STAMP model on LNG fuel work process

船舶航行時(shí)燃料供應(yīng)過程如下：在某時(shí)刻，確定的燃料狀態(tài)通過系統(tǒng)中各組件的交互實(shí)現(xiàn)通信和控制，從而形成LNG新的狀態(tài)，從而進(jìn)入下一時(shí)刻。LNG動(dòng)力船航行時(shí)燃料的使用過程可分為3個(gè)階段：準(zhǔn)備階段、使用階段和關(guān)停前的吹掃階段，這3個(gè)階段按順序執(zhí)行，前一階段對下一階段的安全狀態(tài)有直接的影響。燃料系統(tǒng) STAMP 模型的構(gòu)建印證了3層防護(hù)機(jī)制的有效性，即監(jiān)控系統(tǒng)(傳感器)為第1層防漏層，輪機(jī)部管理級船員(控制器)的自動(dòng)化控制為第2層止漏層，現(xiàn)場作業(yè)人員(執(zhí)行器)應(yīng)急操作和處理為第3層治漏層。

2.3 液化天然氣動(dòng)力船安全控制結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)成因體系

LNG動(dòng)力船除面臨著發(fā)生碰撞、擱淺等一般性船舶風(fēng)險(xiǎn)，其還面臨著因LNG泄露導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、船體低溫?fù)p傷、船舶失速等特有風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù) STPA 分析方法，造成系統(tǒng)事故發(fā)生或危險(xiǎn)出現(xiàn)的原因包括系統(tǒng)組件失效、外部干擾以及系統(tǒng)組件間的不良交互作用，以上原因均可能使系統(tǒng)控制回路中出現(xiàn)不恰當(dāng)?shù)目刂菩袨榛蝈e(cuò)誤反饋信息，從而導(dǎo)致危險(xiǎn)的發(fā)生。因此，可從組件失效、外部干擾以及組件交互等3個(gè)維度來構(gòu)建LNG動(dòng)力船系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)成因體系(不安全行為成因)，如圖2所示。

圖2 LNG動(dòng)力船系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)成因體系Fig.2 Risk elements of LNGFV system

2.3.1 組件失效

組件失效是指系統(tǒng)中1個(gè)或多個(gè)組件出現(xiàn)故障或不安全的狀態(tài)，在缺乏有效控制的情況下發(fā)生級聯(lián)效應(yīng)，從而引發(fā)系統(tǒng)事故的情形。STAMP模型中組件失效可以分為控制器、執(zhí)行器、被控對象和傳感器失效，對LNG動(dòng)力船而言，船舶系統(tǒng)及LNG燃料系統(tǒng)兩控制回路的組件失效可參照圖2中選取風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)。

2.3.2 組件交互

組件交互是系統(tǒng)組件間通過能量、信息傳遞以達(dá)到通信和控制的過程，LNG動(dòng)力船STAMP模型中涉及人與人、人與機(jī)、機(jī)與機(jī)間多次交互，交互過程中會(huì)將船舶及LNG燃料狀態(tài)信息，傳感器的監(jiān)測信息以及控制器的操作指令信息等進(jìn)行傳遞，通過控制回路逐層控制，反饋信息的準(zhǔn)確性、完整性、及時(shí)性，操作信息和動(dòng)作的有效性都決定著系統(tǒng)的安全狀態(tài)。其中包括船舶系統(tǒng)和LNG 燃料系統(tǒng)組件因素各8個(gè)，計(jì)C1j、C2k，j,k=1,2,…，8。

組件交互的過程實(shí)際上是系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)轉(zhuǎn)移的馬爾可夫過程，可以用轉(zhuǎn)移矩陣(變量)Ti來表示，具體含義見表2。組件的交互會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的性態(tài)在遵循馬爾可夫過程進(jìn)行傳遞演化，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)涌現(xiàn)，甚至導(dǎo)致危險(xiǎn)程度加深造成事故。

表2 系統(tǒng)組件交互的對應(yīng)關(guān)系Table 2 The correspondence of system component interaction

2.3.3 外部環(huán)境干擾

擾動(dòng)往往導(dǎo)致安全約束在傳遞過程中丟失、延誤或錯(cuò)誤，進(jìn)而引發(fā)系統(tǒng)事故或危險(xiǎn)發(fā)生。在 LNG 動(dòng)力船舶航行中燃料使用過程會(huì)受到外部環(huán)境的干擾，這些因素包括風(fēng)、潮汐、能見度等自然環(huán)境，航道水深、航道寬度、航道彎曲度等航道條件，以及船舶密度、交通復(fù)雜程度、交通服務(wù)等交通環(huán)境，上述因素的干擾，會(huì)使得船舶在航行過程中風(fēng)險(xiǎn)形成機(jī)理更加復(fù)雜，且在受到多因素多組件交互后風(fēng)險(xiǎn)演化路徑會(huì)變得更加復(fù)雜，亦可能呈現(xiàn)突變的可能。在時(shí)間序列上，每一次內(nèi)部控制系統(tǒng)交互的初始或終了時(shí)期會(huì)遭遇環(huán)境因素干擾，由此形成擾動(dòng)隨機(jī)現(xiàn)象。

2.4 液化天然氣動(dòng)力船控制過程風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)仿真流程

鑒于前述內(nèi)容，這里假定控制系統(tǒng)是一組具有馬爾可夫性質(zhì)的離散隨機(jī)變量的集合，用以量化研究船舶航行過程中的風(fēng)險(xiǎn)變化趨勢。由此，本文引入云模型和馬爾可夫鏈同構(gòu)的方法對LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，目的是解決多風(fēng)險(xiǎn)因素合成問題和獲取轉(zhuǎn)移變量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1)數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)LNG動(dòng)力船航行場景信息，收集船舶系統(tǒng)、LNG燃料系統(tǒng)各組件及外部環(huán)境指標(biāo)的主觀數(shù)據(jù)和客觀數(shù)據(jù)。由于觀測變量具有隨機(jī)性和模糊性，采用人工智能云模型來實(shí)現(xiàn)定性定量化。求取相應(yīng)的云參數(shù)特征值：(Ex,En,He)i，i=1,2,3，…，25確立不同采樣點(diǎn)下風(fēng)險(xiǎn)因子的表征。

2)因子合成。

由于多因素引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果，需對多因素測量結(jié)果進(jìn)行合成處理，本文采用常規(guī)的權(quán)重合成方法，選用層次分析法法求取各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重值ωi，分別計(jì)算船舶、LNG和環(huán)境子系統(tǒng)的數(shù)值。

3)風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)。

通過對風(fēng)險(xiǎn)因子的數(shù)據(jù)運(yùn)用云變換求得船舶系統(tǒng)或子系統(tǒng)在t時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)的狀態(tài)云模型 (Ex,En,He)t：

(4)

4)初始條件的設(shè)定。

5)轉(zhuǎn)移矩陣的確定。

目前離散時(shí)間馬爾可夫鏈轉(zhuǎn)移矩陣的求取主要有3大類方法，即通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法獲得、通過求解線性方程組獲得、通過二次規(guī)劃法獲得。根據(jù)數(shù)據(jù)獲取特點(diǎn)和所使用的計(jì)算工具，本文選用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法求取轉(zhuǎn)移矩陣。根據(jù)求得各個(gè)采樣點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)的狀態(tài)云參數(shù)，由其通過云發(fā)生器產(chǎn)生云滴，對云滴所屬4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定各個(gè)采樣點(diǎn)的狀態(tài)分布，進(jìn)而求得初始狀態(tài)與不同采樣點(diǎn)之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣。

6)仿真及風(fēng)險(xiǎn)的量化。

根據(jù)LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)測度模型，進(jìn)行C-MC仿真，在得到船舶航行過程中4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)之后，進(jìn)一步對其進(jìn)行量化處理，船舶航行過程中具體風(fēng)險(xiǎn)值R為：

(5)

3 液化天然氣動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)仿真

以LNG 動(dòng)力船“B輪”從長江口錨地起錨航行至外高橋港區(qū)二期碼頭靠泊為例，通過對船舶航行風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)仿真來驗(yàn)證STAMP模型的適用性。

“B輪”選擇在潮汐預(yù)報(bào)站“中浚”高潮前5 h起錨進(jìn)港，由上海港北槽深水航道進(jìn)入，途經(jīng)圓圓沙警戒區(qū)、外高橋航道和外高橋沿岸航道，航程約92 km，用時(shí)約5 h。以船舶航行0.5 h 為1個(gè)時(shí)間單位對LNG動(dòng)力船狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由此確立11個(gè)時(shí)間序列樣本。

3.1 數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)云參數(shù)

根據(jù)LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)STAMP模型，參照系統(tǒng)組件、外部環(huán)境、組件交互等3個(gè)維度確立25個(gè)風(fēng)險(xiǎn)影響因子，這些因素的判別數(shù)據(jù)源分為定性判斷和定量數(shù)據(jù)，如船舶通訊、導(dǎo)助航儀器狀態(tài)，船員的適任能力等采用定性描述，LNG儀表監(jiān)測和環(huán)境條件等采用定量數(shù)據(jù)描述。根據(jù)設(shè)定的情景條件，邀請具有該水域航行經(jīng)驗(yàn)的船舶駕駛?cè)藛T和相關(guān)引航員15名專家進(jìn)行調(diào)查，采用李斯特1-5標(biāo)度法針對采集數(shù)據(jù)信息進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)值評判，并對確定的評價(jià)指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行云參數(shù)計(jì)算，由此得到整個(gè)航段航行期間不同時(shí)刻的外部環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)云圖(部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖3所示，主要表示航道地理因素、自然氣象因素和交通通航因素等)。

3.2 航行過程風(fēng)險(xiǎn)仿真

3.2.1 初始狀態(tài)變量

根據(jù)初始階段狀態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)用還原云滴獲取離散風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)得出R1、R2、R3、R4風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)分布，然后結(jié)合AHP算法得出的各指標(biāo)權(quán)重值，將具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性的初始值進(jìn)一步運(yùn)用式(4)進(jìn)行云變換，分別計(jì)算出船舶系統(tǒng)及LNG燃料系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)的初始分布：

(6)

圖3 “B輪”航行不同時(shí)刻外部環(huán)境擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)云圖Fig.3 Cloud distribution map of risk state of external environmental factors at different times

另外，各樣本點(diǎn)下環(huán)境因素的狀態(tài)矩陣依據(jù)式(4)進(jìn)行計(jì)算，獲取(Ex,En,He)t，從而確定SEi。經(jīng)升云運(yùn)算確定新的狀態(tài)矩陣。

3.2.2 轉(zhuǎn)移矩陣

在LNG動(dòng)力船STAMP模型中，1個(gè)反饋回路中涉及人與機(jī)之間4次交互，交互的過程是組件間能量和信息的傳遞過程，亦是系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)的轉(zhuǎn)移過程，轉(zhuǎn)移變量(矩陣)具有較強(qiáng)的波動(dòng)性和隨機(jī)性。若假定LNG動(dòng)力船各組件交互過程中風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)Ri→Rj(i,j=1,2,3,4)的轉(zhuǎn)移次數(shù)Pij(t)服從高斯分布，且組件交互過程不發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)的突變，即風(fēng)險(xiǎn)的性態(tài)僅在Ri→Rj(|i-j|≤1之間轉(zhuǎn)移[16]，那么對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多次仿真統(tǒng)計(jì)后，可確定任意隨機(jī)轉(zhuǎn)移矩陣變量值，考慮到轉(zhuǎn)移矩陣中需要下一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率和為1，故需對變量進(jìn)行行向量歸一化計(jì)算[18]。因篇幅問題，這里采用隨機(jī)變量來描述時(shí)間樣本值，分別表達(dá)各子系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)移矩陣，見式(7)、(8)是某一個(gè)歸一化以后的變量樣本。

(7)

(8)

3.2.3 液化天然氣燃料使用過程風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)耦合仿真

為辨析LNG 燃料使用期間船舶系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)的耦合過程，以式(6)船舶系統(tǒng)和LNG燃料系統(tǒng)的初始狀態(tài)作為輸入，選取風(fēng)險(xiǎn)值較小的T2時(shí)刻外部環(huán)境變量作為環(huán)境輸入，經(jīng)1 000次仿真之后,得到LNG動(dòng)力船在前期準(zhǔn)備階段和燃燒使用階段的過程風(fēng)險(xiǎn)仿真結(jié)果，如圖4所示。仿真結(jié)果表明：

1)在外部環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較低的情況下，LNG動(dòng)力船燃料使用過程風(fēng)險(xiǎn)維持在較低的水平；

2)船舶系統(tǒng)和LNG燃料系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)的變化過程基本一致，在系統(tǒng)運(yùn)行的初始階段，風(fēng)險(xiǎn)略有上升，運(yùn)行一段時(shí)間后，風(fēng)險(xiǎn)的性態(tài)維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)；風(fēng)險(xiǎn)的變化體現(xiàn)了系統(tǒng)組件交互的過程，風(fēng)險(xiǎn)趨于穩(wěn)定是系統(tǒng)組件間信息交互及時(shí)和人的控制行為有效的結(jié)果；

3)船舶系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)略高，說明在LNG燃料系統(tǒng)運(yùn)行正常的情況下，LNG動(dòng)力船系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)主要來自船舶航行風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 單一環(huán)境下LNG動(dòng)力船風(fēng)險(xiǎn)仿真Fig.4 Process risk simulation of LNG-fueled vessels with single environment

3.2.4 過程風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)靈敏性分析

為更好地描述LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)的演化過程，同時(shí)對仿真模型的靈敏性進(jìn)一步檢驗(yàn)，對“B輪”從長江口錨地起錨航行至外高橋港區(qū)二期碼頭靠泊整個(gè)過程進(jìn)行模擬仿真，對應(yīng)LNG燃料系統(tǒng)的使用過程依次經(jīng)過前期準(zhǔn)備、燃燒使用和關(guān)停前吹掃3個(gè)階段。根據(jù)以上情景模式的設(shè)定，以式(6)作為船舶系統(tǒng)和LNG燃料系統(tǒng)的初始狀態(tài)，在時(shí)序的狀態(tài)下，依次輸入t0～t10時(shí)刻的環(huán)境變量，經(jīng)1 000次仿真之后,得到LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)仿真，如圖5所示。

圖5 真實(shí)環(huán)境下LNG動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)多次仿真Fig.5 Process risk simulation of LNG-fueled vessels during its voyage with real environment

3.3 液化天然氣動(dòng)力船航行過程風(fēng)險(xiǎn)性態(tài)分析

對比圖4和圖5綜合分析，可以得到以下結(jié)論：

1)LNG動(dòng)力船航行風(fēng)險(xiǎn)在燃料使用初始與結(jié)束階段風(fēng)險(xiǎn)值較高，在正常供應(yīng)階段風(fēng)險(xiǎn)值呈現(xiàn)平穩(wěn)態(tài)勢。初始階段，船舶系統(tǒng)和LNG燃料系統(tǒng)均呈現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)上升的趨勢，且船舶系統(tǒng)波動(dòng)性略大；一方面，由于船舶處于啟動(dòng)階段，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)尚不穩(wěn)定，組件間交互和控制需要一個(gè)過程，另一方面，LNG燃料系統(tǒng)在初始使用階段風(fēng)險(xiǎn)值較高，易發(fā)生燃料泄漏風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)霈F(xiàn)燃料泄漏導(dǎo)致船舶失速。結(jié)束階段，LNG燃料系統(tǒng)同樣易發(fā)生燃料泄漏；

2)組件間的交互過程是LNG動(dòng)力船航行風(fēng)險(xiǎn)控制的重要環(huán)節(jié)，信息反饋準(zhǔn)確、及時(shí)和控制行為及時(shí)、有效是保障系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的必要條件，為此對LNG動(dòng)力船營運(yùn)安全管理需重點(diǎn)關(guān)注：一是充分利用當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)，船舶上加裝更多的智能輔助設(shè)備及傳感器，以實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶系統(tǒng)和LNG燃料系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理；二是加強(qiáng)對船員安全教育和業(yè)務(wù)培訓(xùn)，尤其針對LNG特殊理化屬性的專業(yè)培訓(xùn)，以提升其安全操作意識，規(guī)范其安全操作程序，以及處置LNG泄漏、火災(zāi)等突發(fā)事件的應(yīng)急能力；

3)在目前船舶工程技術(shù)和LNG燃料應(yīng)用技術(shù)日趨成熟的背景下，LNG 系統(tǒng)和船舶系統(tǒng)本身均具有較高可靠性，LNG動(dòng)力船航行風(fēng)險(xiǎn)主要表征為外部環(huán)境影響下的船舶航行系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，其次為由外部環(huán)境引發(fā)的LNG燃料耦合風(fēng)險(xiǎn)，如LNG泄漏導(dǎo)致火災(zāi)、船舶失速等，因此傳統(tǒng)的交通風(fēng)險(xiǎn)依然是LNG動(dòng)力船需要重點(diǎn)防范的風(fēng)險(xiǎn)；

4)LNG動(dòng)力船營運(yùn)過程風(fēng)險(xiǎn)實(shí)質(zhì)上是船舶內(nèi)在風(fēng)險(xiǎn)、LNG燃料附加風(fēng)險(xiǎn)以及時(shí)序變化下兩者與外部環(huán)境擾動(dòng)的耦合和演化風(fēng)險(xiǎn)，燃料使用始末階段LNG的泄漏以及由此引發(fā)的火災(zāi)、船舶失速風(fēng)險(xiǎn)需重點(diǎn)防范。

4 結(jié)論

1)本文以復(fù)雜系統(tǒng)為對象，引入STPA方法，通過系統(tǒng)危險(xiǎn)、安全控制結(jié)構(gòu)、不安全行為、不安全行為形成原因等分析步驟完成過程風(fēng)險(xiǎn)分析。實(shí)現(xiàn)經(jīng)典事故致因理論的集成與發(fā)展，能達(dá)到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)下基于控制模式的風(fēng)險(xiǎn)分析目標(biāo)。

2)構(gòu)造LNG動(dòng)力船航行和燃料使用的過程風(fēng)險(xiǎn)仿真模型，對設(shè)定場景條件下LNG動(dòng)力船進(jìn)港到靠泊全過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)演化仿真。風(fēng)險(xiǎn)演化曲線符合“浴盆曲線”的規(guī)律，LNG動(dòng)力船舶航行安全受外部環(huán)境干擾影響明顯。

下一步研究是建立外部環(huán)境干擾、組件失效、組件交互更為詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)分析樹，通過定量方法對風(fēng)險(xiǎn)級別進(jìn)行標(biāo)識。