基于灰色理论的漂浮救生舱载人漂浮安全性分析

倪先胜，周 成，曹和云，陈 欢，陈小宁

(武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430064)

0 引 言

漂浮救生舱是一种用于失事潜艇艇员集体脱险的设备[1]。漂浮救生舱通过连接装置与潜艇脱险舱相通，有耐压水密门隔开。失事潜艇艇员可在无外援情况下，从失事潜艇进入救生舱，脱开连接装置，救生舱即与艇分离，借助较大正浮力上浮至水面待救。载人漂浮过程包括潜艇与漂浮救生舱就位、潜器释放、潜器上浮、水面漂浮和人员转移等阶段。漂浮救生舱载人漂浮是验证和实现潜艇救生的关键步骤，对漂浮救生舱载人漂浮进行安全性分析是救生安全保障工作的重要内容。

长期以来，世界各海运国家为确保船舶设备安全做了大量工作，提出一些广泛应用的分析与评估方法，如事件树分析、概率风险分析、综合安全评估等，其中综合安全评估方法在一些领域中应用更为普遍[2]。

综合安全评估[3]一般包括危险识别、风险评估、提出降低风险的措施、降低风险的费用评估及提出降低风险措施的决策建议5个主要步骤。利用综合分析方法进行漂浮救生舱漂浮安全评估的流程如图1所示。

图1 综合安全分析方法示意图Fig.1 The schematic of the formal safty assessment method

对于舰艇设备载人应用这类复杂的技术问题，很多危险事件的发生不仅具有客观原因，还存在人为因素，由于没有大量的数据可供统计，其概率难以用传统方法得到。一些学者用专家评估和模糊集理论相结合的方法[4-5]得到故障树中危险事件发生的模糊概率，然后进行故障树定性和定量分析。然而，这一方法对危险事件之间关联程度并没有考虑。考虑到应用背景[6]，本文结合系统安全性标准大纲和综合安全分析方法，对漂浮过程进行危险识别，建立评估模型，提出基于灰色理论的风险评估方法，用改进的权重分析法确定评价体系的权重，并对灰色评估理论进行改进，实现对漂浮过程的风险概率和风险等级进行定性定量评估，进而提出降低风险措施的策略。

1 基于灰色理论的安全性分析方法

1.1 风险因素识别和指标体系

利用收集到的有关资料，系统、全面、定性地分析影响漂浮救生舱载人漂浮过程的各种因素，筛选出主要风险因素，建立因素体系。结合“共青团员”号漂浮救生舱实际应用样本案例，本文采用事件树分析方法，对载入漂浮过程进行危险识别。图2列出了应用过程中主要危险来源，并以危险事件作为风险评价模型，将事件发生的可能性作为评价指标。

图2 风险因素识别及风险评价指标体系Fig.2 Index system of the risk recognition and assessment

1.2 指标权重的确定

由于知识的局限性，参与载人漂浮应用的专家不可能对每个问题都了解和熟悉，而熟悉与否对评价的可靠性有相当大的影响。在对评价结果进行处理时，常常要求考虑专家对评价内容的权威程度。为了全面考量专家的权威性，分析评价专家与载人漂浮过程的关联程度，从职称、工作经验、熟悉程度等5个方面对专家进行综合评价(见表1)。

表1 载人漂浮安全性专家评估团评价标准

设评价专家有n位，第i位评价专家的综合影响价值记为Mi(i=1,2,…,n)，则有：Mi=ai·bi·ci·di；从而，专家的权威影响系数为

(1)

确定各指标的权重系数有主观赋权法和客观赋权法2种，在实际应用中为克服人为因素的影响，常常将主观赋权法和客观赋权法结合起来使用。本文采用组织n个专家对风险指标进行主观赋值，然后对这些权值进行一定的综合处理得到各指标的权重。设有n位专家，m个评价指标，第i位评价专家对第j个风险评价指标的权重给出评价值ωij(百分制)，则相关系数

(2)

根据式(1)计算相关系数λjk后得到相关矩阵A(λjk)，再按式(2)进行计算。

(3)

求得每个指标权重的得分Wi，则评价指标Xi的权重为：

其中，指标权重向量φ=[φ1,φ2,…,φn]。

1.3 评估样本矩阵的建立

设有m位评价专家，评价专家的序号为k，即k=1，2，…，m；设有评价风险集合U={u1,u2,…,un}，n表示风险因素个数。组织这些评价专家按照评价指标集合U的评分等级标准对第x个评价对象进行评分，即根据第k个评价专家对第x个评价对象所给出的分数dxk，就可以得到对m个评价对象的评价样本矩阵

(5)

1.4 评估灰类的确定

不同的评价专家认识上也有一定的差异，为了能比较确切地反映出第x个评价对象属于某类的程度，因此需要确定评价灰类的等级、灰类灰数以及白化权函数。设有g个评价灰类C1，C2，…，Cg，相应的白化权函数[7]及其阈值分别为f1(x),f2(x),…,fg(x)和λ1,λ2,…，λg。本文中，载人漂浮应用项目风险评价设定为5个评价等级，则g=5，相应从极高至极低风险的灰色白化权函数分别为：

1.5 灰色评价系数的计算

对于任何一个评价指标Ui，如果将第x个评价因素属于第h个评价灰类的灰色评价系数记为Ωij，则有[8]：

对于任何评价指标Ui，如果将第x个评价因素属于各个评价灰类的灰色评价系数记为Ωj，则有：

(8)

1.6 灰色评价权权值及权矩阵的计算

设所有评价专家针对评价指标，第x个评价项目主张第h个灰类的灰色评价权值记为θjh，则有：

θjh=Ωij/Ωj。

(9)

可以得到每x个评价对象的所有所属指标对各评价灰类的灰色评价权矩阵

(10)

1.7 综合评价及排序

为了能够确切反映出评价对象的评价等级，权重向量取φ，利用下式计算出灰色综合评价权矩阵：

(11)

由于第x个评价对象的综合评价结果B1(x)是一个向量，它描述的是第x个评价对象综合状况分灰类程度。按照最大值原则，可以确定评价对象所属灰度等级。为了进行综合排序，将各评价灰类等级按“灰水平”赋值，得到各评价灰类等级值化向量C=[C1，C2，…，Cg]，则对第x个评价对象的综合评价值为：

R(x)=B(x)×CT。

(12)

综合评价值R(x)求出后，就可以根据此值的大小给出m个评价对象风险高低的排序，并依据此值对项目风险提出风险预防措施。

2 载人漂浮过程安全性分析应用实例

2.1 漂浮救生舱载人漂浮危险事件风险评价

以漂浮救生舱载人漂浮过程为例，进行安全性分析。在完成危险识别后，评估过程如下：

选用5位评价专家，均来自于潜艇设计一线的科研专家，职称、专业、工作年限以及现场工作经验都均不相同，其权威系数评价矩阵为：

则可求得专家的权威系数为Xi=[0.22,0.20,0.19,0.21,0.18]。经过评价专家对各项危险事件的权重进行打分(百分制)， 最终按照式(2)计算可得，依照前文所列顺序，权重系数为：

φ=[0.17,0.12,0.06,0.06,0.13,0.13,0.15,0.16]。

现以危险事件E1“漂舱与潜艇围壳出现长时间卡滞”为例，5位评价专家按1.4节设计给出评价结论d1=[8,7,8,6,9]，采用白化权函数为最常用的三角函数，如式(6)所示，计算可得：

f1(d1)=[0.89,0.78,0.89,0.67,1]。

结合式(7)～式(12)，采用Matlab编程，计算结果可得：

Ω1=[2.46,3.14,2.47,3.34,1.79]；
θ1=[0.19,0.24,0.19,0.25,0.14]。

同理，可以求得其他危险事件的评价矩阵：

令灰度水平赋值向量C=[9,7,5,3,1],则由此求得：

R=φ×E×CT=4.93。

由此，经过综合计算得到综合风险评价值R=4.93。由3<4.93<5 得出结论：该项目的风险级别为中等偏低水平，项目基本可行。

根据公式Ri=φi×Ei×CT得到各指标的评价向量，计算可得：R1=5.67；R2=2.25；R3=3.25；R4=3.7；R5=2.45；R6=4.55；R7=4.82；R8=5.02。从而可以得出各级指标之间的评价关系。

2.2 载人漂浮过程风险管理对策和建议

通过计算的R(x)各值可以看出，各危险事件的风险评价值的关系为：漂舱与围壳发生卡滞风险>人员意外落水风险>漂浮过程人员碰撞风险>自持力风险>舱内发生火灾风险>接口进水风险>稳性浮性变化风险。故而，此项目的关键风险来源于漂舱与围壳发生卡滞风险、人员意外落水风险和漂浮过程人员碰撞风险。根据危险事件风险中的关键因素，相关管理和脱险人员可以采取具有针对性的措施加以防范，来降低此项目实施风险。现提出以下管理对策和建议：

1)针对卡滞风险，对脱险人员进行相关技术和操作规范的培训，确保熟悉操作要领；设计上，增加多重解锁结构设计，确保过程万无一失；载人漂浮过程中，一旦超过设计卡滞时间，及时采取相应应急处理措施。

2)载人漂浮过程中，脱险人员配备相应救生衣、救生圈和绳索等设备；易落水区域人员采取相互提醒等防护保障。

3)针对碰撞风险，漂舱内的锐边、尖角或其他突出物采用包覆措施，对可能掉落的物体采取固定措施或其它防护手段；适当配备防晕防碰撞的急救药品等。

3 结 语

本文针对漂浮救生舱载人漂浮过程在决策和实施过程面临的诸多危险事件和不能量化评估的问题，基于灰色评价理论进行了一系列的安全性分析，得出以下结论：

1)基于灰色理论的载人漂浮过程安全性分析全面的给出了载人过程中的危险事件，并进行量化评估，提出针对性措施，验证该方法的可行性和适用性。

2)结合该项目的量化评价结果，危险事件的综合风险级别为中等偏低水平，项目基本可行。其中，卡滞风险、人员落水风险和碰撞风险是项目中的关键因素，需要相应的措施来降低风险。

3)基于灰色理论的安全性分析方法充分利用决策者的判断信息，通过对“少数据”模型的挖掘和分析，总结出整体的风险。本文研究表明，该方法计算简便，实用性强，对风险的评价客观真实，对潜艇相关设备的载人应用的安全性分析具有指导意义。

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[7] 邓聚龙.灰理论基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2002.

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[8] 傅立.灰色系统理论及其应用[M].北京:科学技术出版社,1992.

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