基于模糊综合层次分析法的吸力式基础安装作业风险评估

刘香芝 李成帅 王康

摘 要：由于海洋环境的复杂性，吸力式基础安装作业会受到风、海流、作业船运动、海浪等多重载荷的作用，导致吸力式基础安装作业事故频发。为客观评价吸力式基础安装作业风险，首先运用层次分析法建立风险评估指标体系，计算指标权重，确定主要风险因素；然后进行模糊综合评判，运用加权平均法对评估结果进行处理，确定作业风险等级，分析结果可为提高吸力式基础作业安全提供一定参考价值。

关键词：吸力式基础安装作业；模糊综合层次分析法；风险评估

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.094

吸力式基础作为浮式海洋平台和各类采油设施的锚固基础是目前应用范围最广、适用水深最深的定位系统。目前，国外在深水吸力式基础海上安装施工技术方面已经非常成熟，应用水深最大已超过2500m，而吸力式基础在我国海上油气田开发工程中的应用还停留在浅海，技术相对落后，[1]并且深水基础的设计与安装更是刚刚起步，关于吸力式基础安装作业风险评估更是鲜有报道。吸力式基础安装过程中面临的安全问题，不但关系到现场作业人员的安全，更是直接关系到整个项目的成败，由于影响吸力式基础安装作业的评价指标众多，且各影响因素间相互关联，具有较大的模糊性。为此本文以某吸力式基础安装作业为例，运用模糊综合评估法对吸力式基础安装作业风险进行了综合评估。

1 吸力式基础安装作业事故风险评价指标体系的构建

吸力式基础安装常规作业过程包括：装船运输、吸力式基础下水、吸力式基础贯入设备对接、吸力式基础准确定位和方位角调整、吸力式基础贯入、吸力式基础贯入设备回收等多个环节[2]，作业工艺复杂，风险因素较多。本文结合历史事故案例、业内专家“头脑风暴”法，进行风险辨识，构建吸力式基础安装作业风险评估指标体系，如图1所示。

其中，吸力式基础安装作业风险为目标层，环境因素、装备因素、工艺因素、管理因素为准则层，水深、海流等23个因素为指标层，

2 吸力式基础安装作业的模糊综合层次分析

2.1 层次分析法确定权重

首先，将同一层次的风险指标因素两两比较重要性构造判断矩阵。重要性标度采用T. L.Saaty提出的九点标度法，若两因素比较同等重要，标度值取1；若两因素相比较，一个因素比另一个因素重要性不断增强，则标度值不断增大，最大值取9。[3]如采用专家评估法，对准则层4个因素两两比较重要性，见表1。

则判断矩阵为：

（1）

然后，计算判断矩阵的组大特征值对应的特征向量，将特征向量做归一化处理，作为权重。

由于专家评估法存在较大的主观性，因此构造的判断矩阵很难出现严格一致的情况，这就需要对矩阵的一致性进行检验，其检验公式为：[4]

（2）

式中，CR为随机一致性比率，CI为一致性指标，为最大特征根，n为比较矩阵阶数，RI为平均随机一致性指标，RI值参见表2。

当CR<0.1时认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则，需要将结果反馈给专家，对判断矩阵进行调整。

借助于MATLAB软件，求得指标层判断矩阵的最大特征值为4.08，一致性比率CR=0.03<0.1满足一致性要求，准则层4个因素的权重为：W=[0.24 0.45 0.11 0.20]。

同理可得指标层权重集为：WU1=[0.21 0.29 0.13 0.37]；WU2=[0.08 0.25 0.22 0.12 0.18 0.15 ] WU3=[0.10 0.25 0.20 0.30 0.15] ；WU4=[0.15 0.19 0.14 0.12 0.16 0.10 0.08 0.06]。

2.2 模糊综合评判

2.2.1 建立指标集U与评价集V

指标集一般用表示，ui=（i=1，2，3，…，n）表示第i个元素。根据研究需要，本文选取的评价集分为5个等级：V=（很高，较高，一般，较低，很低），对应的分值为V=（1，3，5，7，9），对应的分值区间为V=（[0，2]，（2，4]，（4，6]，（6，8]，（8，10]）。故每个因素分为5个风险等级，根据评判结果在每个等级的隶属度与对应分值乘积的加和所在区间来判断风险等级。

2.2.2 建立模糊关系矩阵R

对指标集U中的第i个因素ui进行评价时，对评判集V中第j个元素vj的隶属度为rij，则按第i个因素ui的评价结果，可得模糊关系矩阵Ri=（ri1，ri2，….rin）。

2.2.3 模糊综合评价

将指标集的权重矩阵Wi和模糊关系矩阵Ri进行乘法运算，得到模糊综合评价集Bi。[3]根据加权平均法对模糊综合评价集进行分析[5]，以确定评价体系所处的风险等级，[5]即：

（3）

3 吸力式基础安装作业风险综合评价实例分析

本文以某海域吸力式基础作业工程为实例，运用模糊综合层次分析法，对该吸力式基础安装作业进行综合评估。

3.1 确定权重值及模糊关系矩阵

参考专家意见，确定准则层和指标层各因素的相对重要度，构建判断矩阵，运用层次分析法计算各因素权重，应用Matlab软件进行辅助计算。根据专家决策法对各因素指标进行打分，确定模糊关系矩阵。各指标因素值及模糊隶属度见表3。

3.2 模糊综合评价

根据表3可得到各因素的权重矩阵Wi和模糊关系矩阵Ri，将两者进行乘法运算，得到模糊综合评价集Bi。

（4）

同理，计算得到各因素的模糊评判集如下：B2=[0.05 0.11 0.47 0.28 0.09]；B3=[0.18 0.32 0.33 0.13 0.04]；B4=[0.14 0.23 0.38 0.23 0.02]。将上述单模糊综合评价的结果作为多因素模糊综合评价矩阵的行向量，组成二级模糊综合評价矩阵R，与准则层权重向量W相乘，计算得到吸力桩安装作业风险的模糊综合评判结果，如式（5）。

（5）

最后运用加权平均法对模糊综合评价集进行分析，依据公式（3）得：

（6）

根据计算分析计算，对照风险等级区间可知该吸力式基础安装作业风险等级为“一般”，即表示该吸力式基础安装作业可以实现，但仍需要采取进一步的改进措施以提高作业安全性。结合权重分析可知，对吸力式基础安装作业影响最大的因素是“装备因素”，因此作业单位应加强对设备采购的管理，以保障作业安全。

4 结论

针对吸力式基础安装作业过程中的风险隐患，从环境因素、装备因素、工艺因素、管理因素4个方面构建评估指标体系，结合业多位内专家意见，采用专家决策法，建立判断矩阵和模糊关系矩阵，运用层次分析法确定各风险因素权重，确定主要风险因素，运用模糊综合法对吸力式基础安装作业风险程度进行整体把握。可为现场作业人员在进行安全管理时提供理论依据，也为后来人的相关研究提供一定的借鉴。

参考文献：

[1]王丽勤，刘冬雪等.吸力式基础安装的关键设备深水泵撬块[J]. 中国造船，2012，53（01）：121-125.

[2]国振.吸力锚锚泊系统安装与服役性状研究[D].浙江：浙江大学，2011：1-159.

[3]徐涛龙，姚安林等.基于模糊综合评价的城市燃气管网第三方破坏失效可能性研究[J].中国安全科学学报，2010，20（8）：165-169.

[4]李欢，王涌川.基于模糊层次分析法的页岩气钻井井喷事故风险评价[J].安全与环境工程，2018，25（02）：126-130.

[5]侯经纬，刘香芝等.基于模糊综合层次评价的城市燃气管网风险评估[J].化学工程与装备，2018，（04）：153-157，168.

作者简介：刘香芝（1988-），女，日照莒县人，硕士研究生，助教，研究方向：海洋油气安全技术。