基于模糊Petri网的易流态化货物海上运输风险评估

吴鹏 夏海波 吴建军 胡甚平

摘要：为降低风险因素的不确定性和模糊性对易流态化货物海上运输风险评估准确性的影响，通过引入可信度概念，提出基于模糊Petri网（fuzzy Petri nets，FPN）的风险评估方法。对其风险因素进行分析，以易流态化货物海上运输事故为顶事件，建立层次化评估指标体系;基于FPN理论，构建风险评估的FPN模型;运用模糊推理算法对其进行风险评估。实例分析表明：基于FPN模型的风险评估方法适用于对易流态化货物海上运输风险进行评估，且评估结果比用传统的风险评估方法得到的结果更加客观、准确，能为易流态化货物海上运输的风险预判和航线规划提供参考。

关键词：易流态化货物; 风险评估; 模糊Petri网; 模糊推理算法

中图分类号： U698

文献标志码： A

Abstract：In order to reduce the effects of uncertainties and fuzziness of risk factors on the assessment accuracy during the risk assessment of shipping liquefiable solid bulk cargoes， by introducing the concept of credibility， a risk assessment method based on fuzzy Petri nets （FPN） is proposed. The risk factors are analyzed， the accidents of shipping liquefiable solid bulk cargoes are regarded as the top event， and a hierarchical assessment index system is established. According to FPN theory， the FPN model for risk assessment is built， and the risk assessment based on the fuzzy reasoning algorithm is conducted. The example analysis shows that， the risk assessment method based on the FPN model is suitable for the risk assessment of shipping liquefiable solid bulk cargoes， the results are more objective am accurate than those achieved by traditional risk assessment methods， and it can provide reference for risk prejudgment and route planning of shipping liquefiable solid bulk cargoes.

0 引 言

隨着我国经济和贸易的发展，大宗矿石的需求量飙升。大多数的大宗矿石属于易流态化货物且通过海上运输，而海上运输处于复杂的风险系统中，不可避免地会发生事故[1]。据相关报道，1988—2016年间发生了23起易流态化货物运输事故，造成164人死亡，17艘船灭失[2]。相比于其他散货，易流态化货物因其特有的易流态性，极易产生自由液面，破坏船舶稳性甚至使船舶倾覆。因此，有必要对易流态化货物的运输风险进行研究，为相关航运人员提供安全保障。

当前，国内外学者对易流态化货物的研究取得了一定的进展。MUNRO等[3]通过对细铁矿进行室内振动台试验，得出货物含水量是导致其液化的最主要原因的结论。WANG等[4]从矿粉的饱和度方面对货物的易流态化程度进行研究，得出货物的饱和度与抗液化率具有相关性的结论。LEE[5]对镍矿的积载问题和液化事故的关系进行了研究。周健等[6]研究了船载散装铁精矿在动力荷载下的流态化特性。简琦薇等[7]对散装铁精矿流态化细观规律进行了研究，分析了颗粒长轴方向、平均接触度、平面孔隙率等的演化规律。唐绪谦等[8]研究了船载精矿粉发生事故的原因、危害及其预防措施。然而，当前大多数研究是关于易流态化货物的货物特性、流态化机理、流态化对船舶的影响，对易流态化货物海上运输风险评估方面的研究有待深入。

由于易流态化货物海上运输风险因素具有不确定性和模糊性，因子相互关联且相互影响，对易流态化货物海上运输风险进行评估，需要建立基于因子关联的并行发展处理模型。Petri网是分布式系统的建模和分析工具，特别适合于描述系统中的并行关系 [9]。模糊Petri网（fuzzy Petri nets， FPN）是在传统Petri网基础上的升级，旨在处理风险因素的不确定性和模糊性[10-11]，因此本文提出FPN风险评估模型。通过对易流态化货物海上运输风险进行分析，归纳凝练出易流态化货物海上运输风险因素，建立层次化的FPN风险评估模型;利用层次分析法（analytic hierarchy process， AHP）求取指标权重，结合模糊推理算法对风险指标进行评估，为易流态化货物海上运输安全提供有力保障。

1 问题描述

1.1 易流态化货物海上运输风险分析

易流态化货物指本身含有细颗粒和一定量水分，当其含水量超过适运水分极限时可能形成自由液面或固液两相流动层的固体散装货物。当船舶载运易流态化货物在海上航行时，货物与航行中所遭遇的环境以及船舶自身的振动等各因素产生耦合效应，表面析出水分形成自由液面，当船舶向一舷倾斜时，这些水分随之倾斜，而当船舶向另一舷倾斜时，由于其黏性的影响，水分不能完全随之向另一侧倾斜，久而久之就可能会导致船舶倾覆。

易流态化货物海上运输风险指易流态化货物海上运输系统在某种客观条件下处于不安全状态，以致发生事故的危险程度[12]。

1.2 易流态化货物海上运输风险指标体系的构建

相关研究[13]表明，易流态化货物海上运输风险源于以下3个方面：货物特有的易流态性;船舶在航行中所遭遇的环境;船舶内部机器设备振动或船舶操纵导致的摇振效应。本文系统、科学地构建易流态化货物海上运输风险指标体系，见图1。

2 FPN评估算法

2.1 FPN原理

2.1.1 定义

4 结 论

应用模糊Petri网（FPN）模型结合模糊推理算法对易流态化货物海上运输风险进行评估，一定程度上解决了易流态化货物海上运输风险因素的模糊性和不确定性问题;通过实例对FPN推理算法进行验证，得出的风险评估结果与实际航行情况相符合，并通过与已有的模糊理论评估算法结果的比较，证明该算法可行。下阶段可发挥Petri网在处理并行关系方面的优势，通过对各评估指标相互间的耦合作用进行实时数据采集，逐步发现易流态化货物海上运输风险的演变规律，实时动态预测远洋运输风险。

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（编辑 贾裙平）