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(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

隨著世界航運業(yè)的迅速發(fā)展，船舶的數(shù)量與日俱增，噸位也不斷加大，海上交通越來越擁擠，海事事故發(fā)生的概率大幅提高，不僅對生命和財產(chǎn)造成巨大損失，同時也給生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的危害。因此，安全是航運界所面臨的最主要問題，也是對船舶的最基本要求。船舶動力裝置是船舶的動力中樞，所以研究船舶動力裝置的安全性對提高船舶運輸?shù)恼w安全性有著重要意義。

1 多級模糊綜合評價方法的基本原理

模糊綜合評判方法是用單因素隸屬函數(shù)來表示某個因素對評判對象的影響,然后利用加權(quán)方法綜合各個因素對評判對象的影響,最終得到關(guān)于該評判對象的綜合評判。在船舶動力裝置系統(tǒng)中，動力裝置總體的安全性與其組成的各個子系統(tǒng)、各個設(shè)備，以及各個零部件之間的關(guān)系十分復(fù)雜，有一定的層次性和模糊性，因此，本文擬采用的是多級模糊綜合評判數(shù)學(xué)模型。

1.1 確定評價對象的因素集U

設(shè)因素集[1]U={u1,u2,…,un}，其中元素ui(i=1,2,…,n)是第一層次，即最高層次中的第i個因素，它由第二層次中的k個子因素決定，即Ui={ui1,ui2,…,uik}，其中元素uij(i=1,2,…n;j=1,2…k)是第i個因素的第j個子因素。同理，第三級的因素集為：Uij={uij1,uij2,…uijh}。

如有更多層次，依次類推。根據(jù)第一層次中各個元素的重要程度，分別對每一個因素給出相應(yīng)的權(quán)值，于是可得到每一層次的因素權(quán)重集。

第一層次的因素權(quán)重集為：

wAi=(wA1,wA2,…,wAn)

wAi(i=1,2,…,n)

wBi=(wB1,wB2,…,wBk)

圖1 船舶動力裝置模糊綜合評價的遞階層次模型

第二層次的因素權(quán)重集為：

同理，第三層次的因素權(quán)重集為：wCi=(wC1,wC2,…,wCh)

1.2 確定評語等級論域V

由于評語集是對評價對象可能作出的評價結(jié)果所組成的集合，無論因素層次有多少，評語集只有一個，可表示為：V={v1,v2,…,vm}

即對被評價事物的等級劃分，如優(yōu)、良、中、差等評語。等級個數(shù)m通常要大于3而不超過9，且最好取奇數(shù)。

1.3 一級模糊綜合評價

在多級模糊綜合評價中，如在3個層次的結(jié)構(gòu)情況下，一級模糊評價即對第三層次的多因素綜合評價[2]。即一級模糊綜合評價的基本模型為：

BCi=wCi°RCi=

式中:“°”是合成算子，它可將權(quán)重向量wCi與模糊關(guān)系矩陣RCi合成，得到被評價事物與評語等級間的隸屬關(guān)系向量BCi，而RCi是單因素評價模糊關(guān)系矩陣。

1.4 二級模糊綜合評價

二級模糊綜合評價即對第二層所有因素的uij(i=1,2…,n;j=1,2,…k)的綜合評價，因此一級模糊評價集BCi就是二級模糊綜合評價的評判矩陣RBi：

式中：rik=bik,(i=1,2…,n;k=1,2…,p)

于是當(dāng)?shù)诙壷笜?biāo)權(quán)值確定為wBi=(wB1,wB2,…,wBk)時，第二級模糊綜合評價集為：

BBi=wBk°RBk

1.5 三級模糊綜合評價的評價矩陣

同理確定三級模糊綜合評價的評價矩陣:

則三級模糊綜合評價的評價集為：

BAi=wAh°RAh

最后對模糊評價集進行歸一化處理，并按照相關(guān)處理方法(如最大隸屬度原則、隸屬度對比度等)得到最終評價結(jié)果。

由上述步驟可以看出，在進行安全評估中，確定綜合評價的因素集即安全評價指標(biāo)、以及因素集所處的等級的隸屬函數(shù)以及指標(biāo)的權(quán)重值是進行安全評價的關(guān)鍵，直接關(guān)系著安全評價的準(zhǔn)確性。

2 船舶動力裝置安全評價模型

要綜合評估船舶動力裝置在運行中所處的安全狀態(tài)，首先是要科學(xué)、合理地建立船舶動力裝置的安全評價模型。船舶動力裝置是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它是很多設(shè)備和系統(tǒng)組成的整體，對其進行評估，就必須考慮其組成設(shè)備的運行狀態(tài)，因此對動力裝置的評價，是一個以船舶動力裝置為頂層的多級評價模型。其層次結(jié)構(gòu)根據(jù)船舶動力裝置以及其組成設(shè)備，對各設(shè)備進行狀態(tài)檢測的層次進行評價，其評價層次見圖1。

2.1 劣化度的選取

在船舶動力裝置中，確定設(shè)備劣化度是系統(tǒng)安全評價的第一步。劣化度指標(biāo)是判斷船舶動力裝置的各個設(shè)備所處的劣化程度。劣化度接近零時,說明技術(shù)狀態(tài)良好;劣化度接近或達(dá)到1，表明出現(xiàn)故障;劣化度越接近1，技術(shù)狀態(tài)越差。劣化度是由各設(shè)備的振動信號、熱工參數(shù)、瞬時轉(zhuǎn)速、油液信息、設(shè)備累計運行時間等狀態(tài)參數(shù)計算而來的，根據(jù)這些設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)的不同特性,劣化度的計算公式也不一樣。在對船舶動力裝置進行安全評價時，最容易得到的指標(biāo)就是設(shè)備的實際使用臺時，根據(jù)設(shè)備的實際使用臺時來估計劣化度：

式中：t——該部位的使用臺時；

T——該部位的平均失效間隔期；

k——指數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗k可取2。

2.2 隸屬度的確定

隸屬函數(shù)是模糊集合的特征函數(shù)，是運用模糊理論解決實際問題的基礎(chǔ)。在模糊集合中，打破了傳統(tǒng)的分類集只有0和1的界線，任一元素可同時部分地屬于多個模糊子集，隸屬關(guān)系用隸屬的程度來表示。隸屬函數(shù)是模糊集合的基礎(chǔ)，所以如何構(gòu)造隸屬函數(shù)就是一個關(guān)鍵問題。隸屬函數(shù)是人們對客觀事物不分明性的定量描述，必然帶有人們的主觀性，不同的人對同一模糊概念會建立不完全相同的隸屬函數(shù).隸屬函數(shù)的優(yōu)劣須經(jīng)實際檢驗，并需要不斷的學(xué)習(xí)和修正，一般可以通過主觀經(jīng)驗、分析推理和調(diào)查統(tǒng)計來初步建立，然后在通過實際檢驗來逐步完善。

在船舶動力裝置的安全評估中，根據(jù)專家的實際經(jīng)驗以及船舶動力裝置的安全的特點，本文采用嶺形分布來求劣化度為L時的技術(shù)狀態(tài)，具體如下[4]：

2.3 權(quán)值的確定

在對船舶動力裝置的安全評估中，要確保安全評估的準(zhǔn)確性，必須盡量使評估各個因素集的權(quán)重值滿足要求。各因素集權(quán)重的確定是根據(jù)船舶動力裝置各個設(shè)備組成不同，權(quán)重的計算也不相同，因此在求權(quán)重過程中，應(yīng)根據(jù)實際，盡量使運用多種方法綜合計算，以滿足條件。對船舶動力裝置的安全評估適合的權(quán)重求法有很多種，主要包括經(jīng)驗判斷法、加權(quán)統(tǒng)計法、加權(quán)算術(shù)平均法、加權(quán)幾何平均法、模糊協(xié)調(diào)決策法、混合加權(quán)平均法、層次分析法、二元對比排序法等。

3 船舶動力裝置安全評價模型實例

由于船舶動力裝置的系統(tǒng)比較復(fù)雜，文中僅以某船舶的潤滑駁運系統(tǒng)作為評價的對象，進行安全評價。某船滑油駁運系統(tǒng)的主要設(shè)備包括滑油駁運泵、滑油駁運泵電機、濾器、冷卻器、滑油分油機等。這些設(shè)備在船舶設(shè)備管理中，主要采取定時維修的方式避免安全事故。但是，針對其中某一設(shè)備的維修，雖然改善了滑油駁運系統(tǒng)可靠性，但不能說明滑油駁運系統(tǒng)就一定處于一個良好的運行狀態(tài)，因為潤滑系統(tǒng)是一個系統(tǒng)，設(shè)備之間相互影響，相互聯(lián)系的。某一設(shè)備處于良好狀態(tài)時，潤滑系統(tǒng)不一定處于良好狀態(tài)。因此，船舶動力裝置也并非處于良好狀態(tài)，所有對動力裝置的安全運行就不能掉以輕心。潤滑系統(tǒng)的主要設(shè)備在某一時刻，在沒有進行狀態(tài)檢監(jiān)測的情況下，其它狀態(tài)參數(shù)無法測量，僅僅只可得到設(shè)備運行時間的情況下，可以根據(jù)其大小和設(shè)備的平均故障間隔時間求得設(shè)備的劣化度，見表1。

表1 滑油系統(tǒng)的主要設(shè)備的性能參數(shù)

表2滑油系統(tǒng)主要設(shè)備的權(quán)值

項目評分合計權(quán)值駁運泵2332?100.25電機2322?90.225濾器1121?50.125冷卻器1222?70.175分油機2232?90.225總計?401

各個設(shè)備在船舶潤滑安全管理中的權(quán)重主要采取二元對比排序法來確定。具體做法是每兩項進行排比打分(共4分)，影響程度最高的為高分，在各個設(shè)備之間相互進行對比打分，然后將求得的每一項合計分除總分，歸一化后得到權(quán)重數(shù)，為了更準(zhǔn)確，對每一設(shè)備可請多個技術(shù)人員進行打分，然后求均值。

則可以求出船舶滑油系統(tǒng)的模糊評價具體如下：

B=(0.25,0.225,0.125,0.175,0.225)

則:B=(0.551,0.191,0.260,0.260,0)

由安全評價結(jié)果可以看出，船舶滑油系統(tǒng)處于一個良好的狀態(tài)，暫時沒有安全危險，但需要注意觀察其它設(shè)備的性能參數(shù)，防止設(shè)備發(fā)生意外事故造成損失。

船舶動力裝置的總體安全評價在潤滑系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再進行多級安全評價，綜合得出船舶動力裝置總體的安全狀態(tài)，管理人員根據(jù)船舶動力裝置的安全狀態(tài)，安排船舶的出行情況，避免船舶發(fā)生海事事故，造成人員、設(shè)備、財產(chǎn)的損失。

4 結(jié)束語

將多級模糊綜合評價方法應(yīng)用于船舶動力裝置的安全評價，能夠使船舶管理人員時刻了解到動力裝置的安全運行狀態(tài)，為管理人員制定維修計劃了提供幫助。將模糊安全評價與船舶預(yù)防維修大綱結(jié)合起來，為船舶管理人員更好的利用船舶設(shè)備提供了可能。

[1] 徐莜欣.船舶動力裝置[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2007.

[2] 李士勇.工程模糊數(shù)學(xué)及應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[3] 楊鹍鵬.綜合安全評價在船舶動力裝置中的應(yīng)用[J].中國航海,2007 (1) :101-104.

[4] 嚴(yán) 立.交通運輸機械針對性維修策略與應(yīng)用[M].大連：大連海事大學(xué),2001.