模糊评价方法在船舶动力装置安全评估中的应用

2008-01-29，，

船海工程 2008年1期

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(武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉 430063)

随着世界航运业的迅速发展，船舶的数量与日俱增，吨位也不断加大，海上交通越来越拥挤，海事事故发生的概率大幅提高，不仅对生命和财产造成巨大损失，同时也给生态环境带来严重的危害。因此，安全是航运界所面临的最主要问题，也是对船舶的最基本要求。船舶动力装置是船舶的动力中枢，所以研究船舶动力装置的安全性对提高船舶运输的整体安全性有着重要意义。

1 多级模糊综合评价方法的基本原理

模糊综合评判方法是用单因素隶属函数来表示某个因素对评判对象的影响,然后利用加权方法综合各个因素对评判对象的影响,最终得到关于该评判对象的综合评判。在船舶动力装置系统中，动力装置总体的安全性与其组成的各个子系统、各个设备，以及各个零部件之间的关系十分复杂，有一定的层次性和模糊性，因此，本文拟采用的是多级模糊综合评判数学模型。

1.1 确定评价对象的因素集U

设因素集[1]U={u1,u2,…,un}，其中元素ui(i=1,2,…,n)是第一层次，即最高层次中的第i个因素，它由第二层次中的k个子因素决定，即Ui={ui1,ui2,…,uik}，其中元素uij(i=1,2,…n;j=1,2…k)是第i个因素的第j个子因素。同理，第三级的因素集为：Uij={uij1,uij2,…uijh}。

如有更多层次，依次类推。根据第一层次中各个元素的重要程度，分别对每一个因素给出相应的权值，于是可得到每一层次的因素权重集。

第一层次的因素权重集为：

wAi=(wA1,wA2,…,wAn)

wAi(i=1,2,…,n)

wBi=(wB1,wB2,…,wBk)

图1 船舶动力装置模糊综合评价的递阶层次模型

第二层次的因素权重集为：

同理，第三层次的因素权重集为：wCi=(wC1,wC2,…,wCh)

1.2 确定评语等级论域V

由于评语集是对评价对象可能作出的评价结果所组成的集合，无论因素层次有多少，评语集只有一个，可表示为：V={v1,v2,…,vm}

即对被评价事物的等级划分，如优、良、中、差等评语。等级个数m通常要大于3而不超过9，且最好取奇数。

1.3 一级模糊综合评价

在多级模糊综合评价中，如在3个层次的结构情况下，一级模糊评价即对第三层次的多因素综合评价[2]。即一级模糊综合评价的基本模型为：

BCi=wCi∘RCi=

式中:“∘”是合成算子，它可将权重向量wCi与模糊关系矩阵RCi合成，得到被评价事物与评语等级间的隶属关系向量BCi，而RCi是单因素评价模糊关系矩阵。

1.4 二级模糊综合评价

二级模糊综合评价即对第二层所有因素的uij(i=1,2…,n;j=1,2,…k)的综合评价，因此一级模糊评价集BCi就是二级模糊综合评价的评判矩阵RBi：

式中：rik=bik,(i=1,2…,n;k=1,2…,p)

于是当第二级指标权值确定为wBi=(wB1,wB2,…,wBk)时，第二级模糊综合评价集为：

BBi=wBk∘RBk

1.5 三级模糊综合评价的评价矩阵

同理确定三级模糊综合评价的评价矩阵:

则三级模糊综合评价的评价集为：

BAi=wAh∘RAh

最后对模糊评价集进行归一化处理，并按照相关处理方法(如最大隶属度原则、隶属度对比度等)得到最终评价结果。

由上述步骤可以看出，在进行安全评估中，确定综合评价的因素集即安全评价指标、以及因素集所处的等级的隶属函数以及指标的权重值是进行安全评价的关键，直接关系着安全评价的准确性。

2 船舶动力装置安全评价模型

要综合评估船舶动力装置在运行中所处的安全状态，首先是要科学、合理地建立船舶动力装置的安全评价模型。船舶动力装置是一个复杂的系统，它是很多设备和系统组成的整体，对其进行评估，就必须考虑其组成设备的运行状态，因此对动力装置的评价，是一个以船舶动力装置为顶层的多级评价模型。其层次结构根据船舶动力装置以及其组成设备，对各设备进行状态检测的层次进行评价，其评价层次见图1。

2.1 劣化度的选取

在船舶动力装置中，确定设备劣化度是系统安全评价的第一步。劣化度指标是判断船舶动力装置的各个设备所处的劣化程度。劣化度接近零时,说明技术状态良好;劣化度接近或达到1，表明出现故障;劣化度越接近1，技术状态越差。劣化度是由各设备的振动信号、热工参数、瞬时转速、油液信息、设备累计运行时间等状态参数计算而来的，根据这些设备的状态参数的不同特性,劣化度的计算公式也不一样。在对船舶动力装置进行安全评价时，最容易得到的指标就是设备的实际使用台时，根据设备的实际使用台时来估计劣化度：

式中：t——该部位的使用台时；

T——该部位的平均失效间隔期；

k——指数，根据经验k可取2。

2.2 隶属度的确定

隶属函数是模糊集合的特征函数，是运用模糊理论解决实际问题的基础。在模糊集合中，打破了传统的分类集只有0和1的界线，任一元素可同时部分地属于多个模糊子集，隶属关系用隶属的程度来表示。隶属函数是模糊集合的基础，所以如何构造隶属函数就是一个关键问题。隶属函数是人们对客观事物不分明性的定量描述，必然带有人们的主观性，不同的人对同一模糊概念会建立不完全相同的隶属函数.隶属函数的优劣须经实际检验，并需要不断的学习和修正，一般可以通过主观经验、分析推理和调查统计来初步建立，然后在通过实际检验来逐步完善。

在船舶动力装置的安全评估中，根据专家的实际经验以及船舶动力装置的安全的特点，本文采用岭形分布来求劣化度为L时的技术状态，具体如下[4]：

2.3 权值的确定

在对船舶动力装置的安全评估中，要确保安全评估的准确性，必须尽量使评估各个因素集的权重值满足要求。各因素集权重的确定是根据船舶动力装置各个设备组成不同，权重的计算也不相同，因此在求权重过程中，应根据实际，尽量使运用多种方法综合计算，以满足条件。对船舶动力装置的安全评估适合的权重求法有很多种，主要包括经验判断法、加权统计法、加权算术平均法、加权几何平均法、模糊协调决策法、混合加权平均法、层次分析法、二元对比排序法等。

3 船舶动力装置安全评价模型实例

由于船舶动力装置的系统比较复杂，文中仅以某船舶的润滑驳运系统作为评价的对象，进行安全评价。某船滑油驳运系统的主要设备包括滑油驳运泵、滑油驳运泵电机、滤器、冷却器、滑油分油机等。这些设备在船舶设备管理中，主要采取定时维修的方式避免安全事故。但是，针对其中某一设备的维修，虽然改善了滑油驳运系统可靠性，但不能说明滑油驳运系统就一定处于一个良好的运行状态，因为润滑系统是一个系统，设备之间相互影响，相互联系的。某一设备处于良好状态时，润滑系统不一定处于良好状态。因此，船舶动力装置也并非处于良好状态，所有对动力装置的安全运行就不能掉以轻心。润滑系统的主要设备在某一时刻，在没有进行状态检监测的情况下，其它状态参数无法测量，仅仅只可得到设备运行时间的情况下，可以根据其大小和设备的平均故障间隔时间求得设备的劣化度，见表1。