模糊评价法在LNG加注船作业风险分析中的应用

2016-10-12曹昌魁屠海洋

中国航海 2016年3期

关键词：锚地标度向量

曹昌魁，屠海洋

(上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

模糊评价法在LNG加注船作业风险分析中的应用

曹昌魁，屠海洋

(上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

建立LNG加注船锚地作业安全评价指标体系，采用an指数型标度的层次分析法计算各项指标的权重值，并通过构建指标隶属度函数和模糊子集表确定模糊评价矩阵，运用模糊运算法求出LNG加注船锚地作业风险等级。选取国内某内河LNG加注船进行锚地加注作业风险分析，证明该评价方法的实用性，为海事管理部门控制LNG加注船的作业风险、加强及改善通航管理水平提供参考。

水路运输； LNG加注船；锚地作业；模糊综合评价；权重；隶属度

Abstract: The weights of the indexes are determined on the basis of the AHP for the risk in LNG bunkering vessel operation in anchorage ground. The membership function of the indexes and the fuzzy subset table are determined and the fuzzy evaluation matrix is built. The level of the risks in operations of LNG bunkering ships in an anchorage ground is evaluated with the fuzzy evaluation matrix. An inland river bunkering vessel operating in an anchorage ground, is taken as a sample to test the evaluation method. The tests show that the method is of practical value.

Keywords: waterway transportation; LNG bunkering vessel; operation in anchorage ground; fuzzy comprehensive evaluation; weight vector; degree of membership

液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)在改善大气环境、减轻水体污染和降低船舶营运成本等方面有着重要的作用，近几年国内已有多艘内河船舶改造为LNG燃料动力船。[1]作为LNG燃料动力船水上供应的重要配套设施之一，LNG加注船以其灵便性好、服务范围广和效率高等优势得到业界广泛关注。LNG加注船不仅可以在港口操作，而且能在内河或海上作业。[2]其在内河或海上作业时主要有以下2种靠离泊作业方式。

(1) LNG加注船锚泊，受注船并靠LNG加注船，加注结束后受注船离泊；

(2) 受注船锚泊，LNG加注船并靠受注船，加注结束后LNG加注船离泊。

然而，当加注船与受注船在锚地连接并进行加注作业时，两者在某种程度上构成一个整体，除了考虑锚地水域的环境状况及过往船舶的影响之外，还要考虑加注船与受注船的兼容性[3]；加上LNG本身具有易燃易爆性、低温危害性、易扩散性和压力危险性等特质[4]，使得LNG加注船锚地加注作业的安全问题尤为突出。

LNG加注船锚地作业具有复杂性高、难以量化和影响因素多等特点，难以用传统的数学模型进行分析。模糊综合评价法(Fuzzy Comprehensive Evaluation，FCE)是以模糊数学理论为基础的一种预测和评价方法，主要用程度语言来描述评价对象，评价方式与人们的正常思维模式很接近。[5]目前FCE的应用较为广泛，但其在LNG相关产业的安全研究方面多应用于LNG加注站、LNG气化站、LNG码头和LNG运输船等，对LNG加注船锚地作业安全评价的应用研究较少。对此，将FCE应用到LNG加注船锚地加注作业风险分析中，综合评价其风险等级。

1 FCE

完整的FCE主要涉及因素集、评语集和单因素评价矩阵等3个要素，评价单因素后，再对多因素问题进行模糊评价。具体评价步骤[5-7]如下。

1.1建立评价指标体系

建立评价指标体系时，要坚持一致性、可测性、可比性、独立性和可行性等原则。

1.2因素集

所建立的评价指标体系构成因素集U，即

U={u1,u2,…,um}

(1)

式(1)中：u1,u2,…,um为评价目标中的各种因素,即评价指标。

1.3指标权重集

常用的确定权重向量的方法有统计试验法、分析推理法、专家估计法和层次分析法。

1.4评语集

评语集是评价者可能对评价对象作出的各种评价结果所组成的评语等级的集合。一般等级的划分在3～7级，即

V={V1,V2,…,Vp}

(2)

式(2)中：3

1.5进行单因素评价，构建模糊评价矩阵

对U中的单因素ui(i=1,2,…,m)进行单因素评价，根据其对评价等级vj(j=1,2,…,n)的隶属度得到单因素评价向量Ri=(ri1,ri2,…,rin)，该向量是评价集V上的模糊子集。对U中的全部指标进行评价，可得到总的模糊评价矩阵Rm×n。

1.6建立模糊综合评价模型

已知评价指标权重向量W和模糊评价矩阵R后，可建立模糊综合评价模型。

B=W∘R=(b1,b2,…,bn)

(3)

式(3)中：“∘”为模糊综合运算符，在模糊数学中称为模糊算子，常用的是“取大取小算子M(∧，∨)”和“乘与和算子M(·，⊕)”[8];B为评价集V上的等级模糊子集。

1.7反模糊化处理

常用的反模糊化方法有最大隶属度法[9]和加权平均法，其中：最大隶属度法简单易行，但没有全面考虑其他因素的影响，评价结果的精确度不高；加权平均法以bj为权数，对评价集的各元素vj进行加权平均，将求得的结果作为最终评价值。

(4)

式(4)中：k=1或2，为待定系数，用于控制较大的bj所带来的影响。

2 FCE在LNG加注船锚地作业风险分析中的应用

2.1LNG加注船锚地作业安全评价指标体系

不同于其他普通水上作业，LNG加注船在锚地作业时除了要考虑水域环境、交通管理及人为因素等方面的影响之外，还要考虑船对船加注的特殊性。这里在参考相关研究[3，10-12]、现场调研及咨询行业专家的意见之后，确立内河LNG加注船锚地安全作业风险因素包括环境因素、船舶因素、加注/连接设备和人为因素等4类，各类下面又包括若干个二级风险因素，进而建立内河LNG加注船锚地作业安全评价指标体系(见表1)。根据评价指标体系可确定因素集U，包含4个子集共15项评价指标。

2.2指标权重的确定

采用层次分析法确定各个评价指标的权重值。

2.2.1构造判断矩阵

FCE的关键步骤是构造判断矩阵。对于n个元素来说，可得到两两比较判断矩阵C=(cij)n×n。构造判断矩阵的常用方法有1～9标度法、9/9～9/1标度法、10/10～18/2标度法和an指数标度法等。根据文献[13]和文献[14]，an指数标度法的满意一致性检验比率相比其他几种标度法所占比例最高。为达到良好的一致性，采用an指数型标度，根据各层指标Ui的相对重要度得到判断矩阵。

2.2.2一致性检验

由于判断矩阵Cij是根据专家认定的各指标间的相对重要度评价的，存在片面性和主观性，因此需对判断矩阵进行一致性检验。这里引入随机一致性比率CR确定判断矩阵是否具有满意的一致性。

(5)

式(5)中：λmax为判断矩阵的最大特征值；n为判断矩阵的阶数；RI为an指数型标度的平均一致性指标(见表2)。若式(5)中CR<0.10，则认为判断矩阵具有满意的一致性，其最大特征值所对应的特征向量W=[W1,W2,…,Wn]T中的各元素的大小即为各评价指标的权重值，否则需调整判断矩阵。

表2 an指数型标度的平均一致性指标

2.3指标评价标准的确定

LNG加注船锚地作业的影响因素较为复杂，涉及到的模糊概念较多，对其作业风险等级给出准确的“高风险”或“低风险”的定义较为困难。这里参考相关研究[9，12]，将各风险因素的评价标准划分为低风险、较低风险、一般风险、较高风险和高风险等5个层次，评语集为V={V1,V2,V3,V4,V5}={-2，-1，0，1，2}，其中，-2，-1,0,1,2为模糊数。

由于参考资料有限，各风险指标评价标准的划分比较粗略，但不影响模糊评价方法的应用。风力、流速、锚地底质和船龄等指标的评价标准主要根据文献[12]中锚地原油过驳风险指标与过驳危险度的关系，并考虑LNG加注船的特殊性得到；能见度和交通量评价标准则通过参考《内河水上交通能见度的监测及分级预警技术要求》和文献[15]得到；其他风险指标难以定量描述，这里采用模糊语言进行定性划分。[12，15]各风险指标评价标准见表3。

表3 风险指标评价标准

2.4评价指标隶属度的确定

由于指标因素和风险等级是模糊的概念，各相邻等级之间没有明显的界限，因此不宜贸然将某一指标因素描述为某个确定级别。这里认为任一因素都是模糊地分布在其前后相邻的2个等级之间。[15]对于直接可观测的指标因素(即风力、流速、能见度、交通量和船龄)，可利用模糊数学理论，参照文献[11]和文献[12]构建单指标隶属度函数；对于难以量化的指标因素，可构造评价指标隶属度模糊子集表[15-16](见表4)。

表4 评价指标隶属度模糊子集表

3 实例分析

以在国内某内河段(B级航区)锚地进行加注作业的某LNG加注船为研究对象，靠离泊选择受注船锚泊、LNG加注船并靠受注船的方式，加注结束后LNG加注船离泊。该LNG加注船总长45 m，型宽8.8 m，设计吃水2 m，储罐容积200 m3，加注作业水域的交通和气象数据见表5。

表5 作业水域的交通和气象数据

3.1权重值的确定

比较两两指标间的重要程度，运用层次分析法并结合MATLAB软件对环境因素、船舶因素、加注/连接设备和人为因素的数据进行处理，得到第1层判断矩阵为

(6)

经计算：λmax=4.009 4，CI=0.003 1，RI=0.496 9。随机一致性比率CR=0.006 2<0.1。计算得到权重值W=(0.212 3,0.185 0,0.342 4,0.260 3)。

同理，对第2层指标的比较数据进行处理，可得到第2层指标的权重值(见表6)。

表6 各评价指标隶属度

3.2模糊综合评价

3.2.1模糊运算

根据LNG加注船主要尺度参数及作业区域的气象和交通数据，并结合行业专家的意见，对各单因素进行评价，确定各评价指标隶属度见表6。

由表6可知，环境因素各指标模糊评价矩阵为

(7)

环境因素权重集为W1=(0.197 0,0.149 7,0.197 0,0.197 0,0.259 3)。根据文献[8]和文献[9]，乘与和算子M(·，⊕)兼顾整体因素对评价结果的影响，因此采用M(·，⊕)计算环境因素模糊隶属度向量。

B1=W1∘R1=(0.177 3，0.696 9，0.125 8，0，0)

(8)

同理可求得船舶因素隶属度向量B2,加注/连接设备隶属度向量B3及人为因素隶属度向量B4。B2=(0.573 8，0.284 1，0.142 1，0，0)；B3=(0.279 4，0.353 5，0.274 8，0.092 3，0)；B4=(0.151 0，0.401 0，0.349 0，0.099 0，0)。

将以上各模糊隶属度向量组合,即可得到LNG加注船锚地作业风险模糊综合评价矩阵。

(9)

由此，可得到LNG加注船锚地作业风险模糊综合隶属度向量。

B=W∘R=(0.278 8，0.425 9，0.237 9，0.057 4，0)

(10)

3.2.2反模糊化

3.2.2.1 LNG加注船锚地作业总体风险

按照最大隶属度方法，LNG加注船在该水域的加注作业风险属于“较低风险”等级；按照加权平均方法，根据式(4)对模糊向量B和评语集V={-2，-1，0，1，2}进行加权平均处理(取k=1)，结果为

(11)

最终评价结果为-0.926 1，对照“2.3”节中的指标评价标准可知，LNG加注船在该水域的锚地加注作业风险介于“较低风险”和“一般风险”之间，接近于“较低风险”等级。由于目前LNG加注船从设计到制造，再到作业、管理等各个阶段都有较高的标准和严格的规范，且内河水域自然环境相对于海上环境较为温和，因此实际中内河LNG加注船锚地作业的总体风险相对不高。但是，考虑到LNG事故后果的严重危害性，有必要采取一定的措施来保障作业周围人员和财产的安全，例如设立作业安全区。

3.2.2.2 4类风险因素对LNG加注船锚地作业风险的影响程度

根据求得的B1～B4，按照加权评价方法，参考式(4)，分别对4个向量和评语集进行加权平均处理，求得A1=-1.050 9，A2=-1.431 7，A3=-0.819 9，A4=-0.604 0。可见，环境因素和船舶因素均处于“低风险”和“较低风险”之间，说明该水域条件下的环境因素和船舶因素对总体风险的影响程度较小，基本可以满足LNG加注船锚地作业的要求。但是，作业所需的加注/连接设备及人为因素处于“较低风险”和“一般风险”之间，对总体风险的影响程度较大，作业过程中需加以重视。