基于模糊层次综合评估法的船舶安全性评估方法

吴巧瑞，陈明辉，张 珍，唐元璋，谢永和，郁惠民

（1.浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山 316022；2.中国人民解放军91257 部队，浙江舟山 316041）

随着全球经济和贸易的不断扩展，船舶运输行业也取得了快速的发展。然而，全球范围内的船舶安全事故却层出不穷，不但造成人员伤亡和经济损失，也会对整个海洋生态环境产生极大的损害。因此，为了提高船舶航行安全管理，需要对船舶航行安全性问题进行定量评估，以便于提前预测船舶航行中的风险并及时采取必要的措施。英国是最先进行船舶安全评估的国家，最早提出了一些比较有实用价值的措施和建议[1]；日本学者小林弘明[2]提出了有关操纵难度通航环境安全评估方法，采用定量的评估方法综合评估船舶的操纵难度；NJUMO[3]提出了一种事故树评估法，并且将该方法运用到船舶维修中；另外，PETER，et al[4]对港口邮轮进行了安全性评估研究，AYHAN，et al[5]应用模糊数据分析方法对货船进行了风险评估。在国内的研究中，樊红[6]在船舶综合安全评估中引入决策树分析法和概率图模型理论，这对于应对FSA 的可靠性和定量评价问题具有重要意义；哈尔滨工程大学任慧龙等[7-8]通过使用数据包络方法，对安全评估中的某些重要问题提出了更详细的处理方案；周江华等[9]使用事故树分析方法船舶火灾对散货船安全性进行了分析评估；哈尔滨工业大学林少芬等[10]以及刘艳玲等[11]结合模糊数学和FSA 分析评估了散货船的安全性，并把故障模式及影响分析和危害性分析引进到船舶主机系统的安全分析中。这些研究对从事船舶系统安全评价工作和提高系统安全水平起到了积极的推动作用，本文就是在这些研究工作的基础上，结合模糊综合评判法和层次分析方法，采用组合权重方法，将影响船舶航行安全的主客观因素结合在一起，形成了针对船舶航行安全性评估的模糊层次综合评估方法，从而对改进和完善船舶的安全管理工作和保障体系提供一定的借鉴意义。

1 模糊层次综合评价法

模糊层次综合安全评估法是一种综合了层次分析法与模糊评估法的安全性评估方法[12-13]，即在模糊数学基本理论的引导下，利用层次分析法得到评价因素的权重，利用模糊联系转换原理，量化评估指标中的模糊临界对象，从而最大限度地实现系统安全影响要素数据的结合，构成一个十分可靠的系统安全性对评价隶属度的判定集，按照最大隶属程度原则即可获得最终的综合评估结果。

1.1 建立因素集

因素集由与评估对象相关的各成分组成。如果能够把一个系统的安全性影响因素分成多个层次，这里用两个层次，第一层次的安全性影响因素为Ui（i=1，2，…，n），此中第i 个因素的情况又取决于第二层次中的要素Uij（i=1，2，…，m），那么该系统的安全评估因素集为：

其中，Ui=（Ui1，Ui2，…，Uij，…，Uim）。

1.2 建立权重集

因素集中的各因素在评估中具有不同的重要程度，区别每个因素的重要性方面方便突出主要因素的作用，同时提高评估结果的准确性。所以有必要对Ui按重要程度分别赋予不同的权重值wi（i=1，2，…，n），wj（j=1，2，…，m），该系统第一层的权重集是W=（w1，w2，…，wi，…，wn），第二层的权重集是Wi=（wi1，wi2，…，wij，…，wim）。

1.3 建立评价集

众多对评价对象可能得出的评估结果共同组成了评价集，如下：

式中：vj（j=1，2，…，m）是诸多可能出现的评估结果。模糊综合评价的目标是通过综合考虑影响评价对象的因素，在评价集中获得最佳判断结果。

1.4 建立评估矩阵

当确定评价集V 之后，就可以判定第二层次影响因素Uij（j=1，2，…，m）对于评价集中相关评语vj（j=1，2，…，m）的模糊隶属程度。隶属度的确定主要依靠于专家打分，然后量化评估结果为具体数值rij，于是就可获得第二层次影响因素的评价矩阵Ri，即

1.5 综合评估

完成上述工作后即可对进行船舶系统安全性的综合评价了，从下往上一次进行。第一个评估的就是因素Ui（i=1，2，…，n），结果如下：

此处的。为模糊运算符合：以行的形式把计算求得全部的第一层次因素的综合评价结果依次组合在一起，就可以得到系统整体的安全评估矩阵R，即：

所以，系统安全性的模糊综合评价结果是：

按照最大隶属度原则，max（bi）（i=1，2，…，l）相对应的评价即为系统安全性的模糊评估结果。进行模糊运算时需要对其中的要素权重和评估矩阵做归一化处理。

2 船舶航行安全的模糊层次综合评估

2.1 建立因素集

首先应确定因素集，明确因素集是关系模糊综合评估科学与否的重点，在进行恶劣天气条件下船舶航行安全性评价时，不可能做到面面俱到这就要求在抓住主要矛盾的同时，既要全面，也要尽可能重点突出。所以，本文对影响船舶安全的各要素做必要的筛选。恶劣大气条件下船舶航行的22 个评价指标作为因素集，如图1 所示。

图1 船舶系统安全评估指标体Fig.1 Indicator of safety assessment of ship systems

因素集指标总共分为3 级，一级指标为U1（人）、U2（船）、U3（环境）；二级指标为U11（操纵应变要求）、U21（稳性）、U21（船体结构）、U23（横倾）、U24（船龄）、U25（船舶设备）、U26（吨位）、U31（风）、U32（浪）；三级指标为U211（货物移动）、U212（油水消耗）、U213（自由液面）、U214（甲板上浪）、U215（结冰）、U221（强度）、U222（裂纹）、U223（形变）、U224（磨损）、U251（水密设备）、U252（系泊设备）、U253（机电设备）、U254（操纵导航通讯设备）、U255（排水与压载系统）、U311（风向）、U312（风级）、U321（浪向）、U322（浪级）。即：

2.2 获得权重向量

为了更准确地获得每个指标的权重，本文采用AHP 方法，通过咨询专家获得指标权重。利用几何平均法处理调查数据，可以获得判断矩阵，然后检查一致性指标，判别公式如下：

若是CR＜0.1 表明判断矩阵具有满意的一致性；反之，若CR≥0.1 则必须调整判断矩阵，令其一致性良好。经过计算，得出权重数值。

第一层三大类权重集模糊向量：

第二层全部权重模糊向量如下：

（1）人方面 W1=（操纵应变要求权重）=（W11）

（2）船舶方面

（3）环境方面

第三层每一方向的权重模糊向量：

W21=（货物移动权重，油水消耗权重，自由液面权重，甲板上浪权重，结冰权重）=（W211，W212，W213，W214，W215）W22=（强度权重，裂纹权重，形变权重，磨损权重）=（W221，W222，W223，W224）

W25=（水密设备权重，可移动设备系固权重，机电设备权重，操纵导航通讯接收设备权重，排水与压载系统权重）=（W251，W252，W253，W254，W255）

W31=（风向权重，风级权重）=（W311，W312）

W32=（浪向权重，浪级权重）=（W321，W322）

2.3 定义评价集

参照海内外研究学者通用的评价级别分类方法，本论文评价级别集合划分成5 个级别，即：

表示为V={低危险，较低危险，一般危险，较高危险，高危险}，来表现船舶在大风浪天气下船舶航行安全性评价级别，此处-2、-1、0、1、2 是表达某些模糊观点的模糊数以方便量化处理评语，风险评分级见表1。

表1 风险评分级Tab.1 Risk rating

2.4 确定评价矩阵

把结合因素集和评价集制作成的评判表格发放给相关的研发、设计、操作、管理等（专家）人员，判断因素集相对评价集的隶属情况。每位专家人员分析后把某一因素划为某一等级即在表格相对应的位置标记。最终整理汇总所得的评估结果。例如，有Nk个人觉得因素Ui应归为评语Vj，那么它的评估值为：

为对全部因素的专家判定结果进行如上方法的处理，便可得到因素集U=｛U1，U2，U3｝的评价矩阵：

有了因素权重和评级矩阵就可以按照模糊层次综合评价法进行综合评估。模糊层次综合安全评估方法克服了现在船舶行业基本事件概率统计缺乏的缺点，更好地表示船舶系统的安全状态。

3 案例分析—船舶机舱消防系统

以船舶机舱消防系统为例，分析机舱消防系统的基本特征，并在系统安全目标的基础上，综合运用模糊层次法综合评估其安全性。该实例分析研究的主要作用是表明模糊综合评估方法的科学实用性和评估结果的合理性。

危及消防系统安全的主要一级要素有人员因素、设备因素、环境因素和管理因素等四个方面。人员因素主要涉及船员的安全意识、责任感和消防能力；设备因素主要是指某些失火事故出现频繁的设备部件和系统，比如机舱发电机、主机、锅炉设备、电气装置一级油电管路系统等；环境因素指消防系统所处的内外环境，具体是指船舶机舱结构布局和某些意料之外的紧急情况；管理因素包含安全相关的教育、制度、检查和消防演练等四个方面[14]。系统影响因子具体层次关系如图2 所示。

图2 机舱消防系统安全影响因子层Fig.2 Factor layers of engine room fire system safety

3.1 确定因素权重

按照图2 确定的判断矩阵影响因素，同时因为数据很多，本节利用MATLAB 程序来明确影响因素的权重。具体过程如下：

（1） 确定一级指标权重：

一级指标判断矩阵见表2。

表2 一级指标判断矩阵Tab.2 Level 1 Indicator judgment matrix of level 1

最大特征值λmax=4.111；一致性检验：CR==0.041 1＜0.1，一致性检验满足

权重：W=（0.483 2 0.314 8 0.065 9 0.136 1）

（2） 确定人员因素影响因子权重：

人员因素影响因子判断矩阵见表3。

表3 人员因素影响因子判断矩阵Tab.3 Judgment matrix of personal factors

最大特征值λmax=3.018；一致性检验：CR==0.016＜0.1，一致性检验满足

权重：W1=（0.349 0.122 0.558）

同理可得：

设备因素影响因子权重：最大特征值λmax=6.207 8；一致性检验：CR==0.034＜0.1，一致性检验满足

权重：W2=（0.155 0.094 0.094 0.051 0.045 0.561 0.174）

环境因素影响因子权重：λmax=2；一致性检验：CR==0＜0.1，一致性检验满足

权重：W3=（0.875 0.125）

管理因素影响因子权重：λmax=4.155；一致性检验：CR==0.057＜0.1，一致性检验满足

权重：W4=（0.141 0.141 0.330 0.388）

3.2 建立评价集

评价集是专家人员对评估对象所做出的一系列总评价结果所构成的集合。我们在评估机舱消防系统安全时把其评价指标分成5 个级，，把数据进行归一化处理即可求出各层影响因子相对于评价指标的隶属程度。具体过程如下：

（1）建立人员因素影响因子评价集R1：

人员因素影响因子评价集见表4。

表4 人员因素影响因子评价集Tab.4 Evaluation set of influencing factors of personnel factors

（2）建立设备因素影响因子评价集R2：

设备因素影响因子评价集见表5。

表5 设备因素影响因子评价集Tab.5 Evaluation set of influencing factors of devices

（3） 建立环境因素影响因子评价集R3：

环境因素影响因子评价集见表6。

表6 环境因素影响因子评价集Tab.6 Evaluation set of influencing factors of the environment

（4）建立管理因素影响因子评价集R4：

管理因素影响因子评价集见表7。

表7 管理因素影响因子评价集Tab.7 Evaluation set of influencing factors of management

3.3 系统整体安全性综合评价

（1）一级模糊综合评价

I.人员因素

II.设备因素

III.环境因素

IV.管理因素

（2）二级模糊综合评价

把人员、设备、环境和管理等因素的评估结果看作自己的评价集，组合并入二级模糊综合评价的评估集矩阵R：

按照AHP 已得到人员因素、设备因素、环境因素和管理因素相对于评价目标的权重：

所以求得机舱消防系统安全性综合评估结果为：

可知评价结果在评价集（很好，好，一般，差，很差）上的隶属度分别为（0.145 0.419 0.334 0.088 0.014），按照最大隶属度原则，可知该机舱消防系统安全性综合评价结果为好。

4 结论

本文在应用模糊层次综合评估方法，同时采用组合权重方法，把主客观的影响因素结合在一起，建立了适用于恶劣天气条件下船舶航行的安全性问题的评估方法，去解决船舶运行可能会面临的各种不确定因素。然后，以船舶机舱系统为例进行模糊层次综合评估，验证了本文所提出的船舶航行安全的模糊层次综合评估方法的合理性和有效性，为船舶的安全航行和风险预测提供了有效评估方法。船舶安全性评估正在不断的研究过程中，随着不断的发展，可进一步的完善。