吳 昊，林 焰

（大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備與結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部，船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究

吳 昊，林 焰

（大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備與結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部，船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

文章結(jié)合模糊綜合評(píng)判法、層次分析法以及概率論提出了一種風(fēng)險(xiǎn)分析的評(píng)估方法，識(shí)別了系泊中的風(fēng)險(xiǎn)因素，建立完善了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并將其應(yīng)用于設(shè)計(jì)中或已服役作業(yè)的張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。將不同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果視為風(fēng)險(xiǎn)的總體的隨機(jī)樣本，用概率論和置信區(qū)間對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行置信度評(píng)價(jià)?？朔藛我辉u(píng)價(jià)方案主觀性太強(qiáng)的弱點(diǎn)，使評(píng)價(jià)更具有客觀性和可信性。經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算實(shí)例表明，該系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法是適用和有效的。利用獲取的評(píng)價(jià)結(jié)果，識(shí)別設(shè)計(jì)或已建成服役的張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高的風(fēng)險(xiǎn)因素，并采取有效措施，加強(qiáng)培訓(xùn)及時(shí)檢修設(shè)備，以防止意外的發(fā)生。結(jié)合一型設(shè)計(jì)中的張力腿平臺(tái)，應(yīng)用文中提出的數(shù)值風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)該平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)果表明該方法可以對(duì)張力腿平臺(tái)的系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的主觀因素進(jìn)行客觀有效的評(píng)估。并可以推廣應(yīng)用于其他海上結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問題中。

張力腿平臺(tái)；系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；評(píng)估指標(biāo)體系；評(píng)估方法；模糊綜合評(píng)判法；層次分析法；概率論

0 引 言

石油是經(jīng)濟(jì)的血液，擁有充足的油氣資源，并且保證油氣資源的穩(wěn)定供給，是經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展的必要條件。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界已經(jīng)逐漸步入能源稀缺時(shí)代，許多國(guó)家把目光轉(zhuǎn)向海洋，并投入大量的人力物力來(lái)開發(fā)海洋能源[1]。隨著海上能源開發(fā)的不斷發(fā)展，灘涂和淺海區(qū)域作業(yè)技術(shù)已相對(duì)成熟，國(guó)際上正積極發(fā)展深海鉆探技術(shù)。國(guó)內(nèi)還沒有掌握技術(shù)復(fù)雜的深海鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)，面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的海上開采難度，其越來(lái)越受到重視。張力腿平臺(tái)（TLP）、半潛式平臺(tái)和Spar平臺(tái)是深海鉆探平臺(tái)的主力。我國(guó)在張力腿平臺(tái)（TLP）和Spar平臺(tái)設(shè)計(jì)建造領(lǐng)域仍處于空白。

張力腿平臺(tái)是一種投資大，建造復(fù)雜，使用期長(zhǎng)的海洋油氣開采工具。系泊系統(tǒng)是張力腿平臺(tái)的重要系統(tǒng)之一，是確保張力腿平臺(tái)安全和穩(wěn)定作業(yè)的基礎(chǔ)。張力腿平臺(tái)在碼頭建造和海上服役期間，會(huì)由相應(yīng)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行系泊固定。碼頭建造時(shí)，系泊系統(tǒng)維持平臺(tái)位置的相對(duì)穩(wěn)定；海上服役時(shí)，對(duì)系泊響應(yīng)、穩(wěn)性要求更高。張力腿平臺(tái)在海上作業(yè)時(shí)會(huì)遇到各種海況，一旦遇到強(qiáng)烈的風(fēng)浪載荷作用，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)過(guò)大，系泊纜承受極大的張力，因此經(jīng)常發(fā)生因系泊系統(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致的危險(xiǎn)。所以需對(duì)張力腿平臺(tái)的系泊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

在張力腿平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其主要的系泊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，以此考察所建造平臺(tái)的系泊安全水平以及存在的問題，這對(duì)于提高張力腿平臺(tái)的設(shè)計(jì)建造水平是很有實(shí)用價(jià)值的，同時(shí)可以在船東選取系泊纜以及布置形式時(shí)起到借鑒作用。從安全風(fēng)險(xiǎn)控制角度來(lái)看，項(xiàng)目前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估既是投資項(xiàng)目建設(shè)程序中的一個(gè)重要階段，也是項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)后安全管理工作中不可缺少的組成部分和重要環(huán)節(jié)，可對(duì)運(yùn)營(yíng)后安全風(fēng)險(xiǎn)控制起到指導(dǎo)作用，以達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、安全運(yùn)營(yíng)的目的。

1 研究現(xiàn)狀

Coelho等[2]使用了蒙特卡洛模擬法和層次分析法（connectionist approach）相結(jié)合，評(píng)估了鉆井的整個(gè)過(guò)程以及深水油井竣工后的作業(yè)過(guò)程問題。Taroun等[3]運(yùn)用各種方法對(duì)工程進(jìn)行審查，嚴(yán)格核對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法在建設(shè)工程中應(yīng)用的結(jié)果，包括運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)故障結(jié)構(gòu)、模糊集理論、蒙特卡羅模擬，AHP/ANP（層次分析法/網(wǎng)絡(luò)分析法），概率—后果影響模型等。Zeng等[4]提出了基于模糊推理及AHP方法提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。Nieto-Morote和Ruz-Vila[5]提出了建設(shè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模糊法，使用三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素—風(fēng)險(xiǎn)影響，風(fēng)險(xiǎn)概率和風(fēng)險(xiǎn)的辨別用于評(píng)估整體風(fēng)險(xiǎn)。Osborn等[6]通過(guò)數(shù)學(xué)方法直接由概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果獲得了概率風(fēng)險(xiǎn)的敏感性信息，避免了額外的斷裂力學(xué)計(jì)算。劉佳琳等[7]針對(duì)大陸科學(xué)深部鉆探大型工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)衡量尺度不統(tǒng)一、風(fēng)險(xiǎn)不確定因素多等特點(diǎn)，建立針對(duì)項(xiàng)目的靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估評(píng)價(jià)體系，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素和項(xiàng)目整體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。陳捷俊等[8]對(duì)我國(guó)南海海域某FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)水下錨泊設(shè)施進(jìn)行了初步的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與風(fēng)險(xiǎn)分析，使用半定量方法得出了內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)錨泊設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)分布與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果優(yōu)化了單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的水下錨泊設(shè)施的檢驗(yàn)策略。楊光等[9]對(duì)我國(guó)渤海海域軟鋼臂式系泊系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與評(píng)價(jià)，并對(duì)其中若干關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的解析，為制定相應(yīng)的RBI檢驗(yàn)策略提供依據(jù)。熊志堅(jiān)[10]實(shí)證比較VLCC在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下最大外推力和應(yīng)有系留力數(shù)值關(guān)系，評(píng)估系泊安全性，闡明其斷纜成因，得出斷纜主要原因是船舶系纜設(shè)備缺陷所致，根據(jù)實(shí)際提出系泊風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)控對(duì)策。景勇[11]針對(duì)FPSO，對(duì)不同系泊方式進(jìn)行了全面風(fēng)險(xiǎn)分析。目前的研究主要集中在海洋結(jié)構(gòu)物的系泊響應(yīng)，以及鉆井的風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)于海上大型結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究較少。從風(fēng)險(xiǎn)防范角度來(lái)講，大型海上結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)控制和風(fēng)險(xiǎn)防范對(duì)于海上作業(yè)安全至關(guān)重要。

2 張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，或稱風(fēng)險(xiǎn)分析，是一種基于數(shù)據(jù)資料、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)而后直觀認(rèn)識(shí)的科學(xué)方法。通過(guò)將風(fēng)險(xiǎn)量化，便于進(jìn)行分析、比較，為風(fēng)險(xiǎn)管理的科學(xué)決策提供可靠的依據(jù)，從而能夠運(yùn)用有限的人力、物力和財(cái)力等資源條件，采取最合理的措施，達(dá)到最有效地減少風(fēng)險(xiǎn)的目的。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，首先需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。海洋結(jié)構(gòu)物在海洋中作業(yè)，眾多風(fēng)險(xiǎn)因素威脅著系泊安全。風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估依賴于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，評(píng)估的復(fù)雜性也主要是風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別后組成的評(píng)估指標(biāo)體系[12]。識(shí)別威脅張力腿平臺(tái)系泊安全的風(fēng)險(xiǎn)因素，并將識(shí)別出的風(fēng)險(xiǎn)因素建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系是由若干個(gè)單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的整體，它應(yīng)反映出在海洋中威脅張力腿平臺(tái)作業(yè)安全的主要因素。指標(biāo)體系要實(shí)際、完整、合理和科學(xué)，并基本上能夠?yàn)橛嘘P(guān)人員和部門所接受。風(fēng)險(xiǎn)的不確定性導(dǎo)致了評(píng)價(jià)因素?cái)?shù)量的龐大，評(píng)價(jià)的多目標(biāo)性、風(fēng)險(xiǎn)值不唯一性、再評(píng)價(jià)的復(fù)雜性、風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)變量的相關(guān)性、風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的多樣性及其模糊性等決定了方案設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。如何從眾多指標(biāo)中篩選出影響張力腿平臺(tái)系泊安全的最重要的風(fēng)險(xiǎn)因素，是一個(gè)值得研究的課題。

在張力腿平臺(tái)服役過(guò)程中，內(nèi)在和外在影響其系泊安全的因素是多方面的，包括：服役海區(qū)的波高、波長(zhǎng)、波浪周期、波浪的能量分布、風(fēng)速和風(fēng)向、流向和流速、海水鹽度、溫度、工作人員的操作、不可抗拒的惡劣環(huán)境、張力腿平臺(tái)的腐蝕程度、系泊纜的系泊狀態(tài)、系泊纜的腐蝕程度、系泊纜的數(shù)量等。在對(duì)張力腿平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，要將各個(gè)方面的影響都考慮進(jìn)去是不可行的，也沒有必要。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系建立的原則，要明確評(píng)估指標(biāo)的大類和數(shù)量問題，各個(gè)指標(biāo)之間要盡量相互獨(dú)立、互不重復(fù)，選擇對(duì)系泊安全有威脅的主要因素，抓住主要矛盾。通過(guò)反復(fù)的分析探討，影響張力腿平臺(tái)系泊安全的主要因素有：服役海區(qū)波高、波浪周期、張力腿平臺(tái)的系泊纜、作業(yè)人員的操作設(shè)備、張力腿平臺(tái)已服役壽命、服役海區(qū)的風(fēng)浪流同方向聯(lián)合作用等因素。

結(jié)合近年來(lái)進(jìn)行的張力腿平臺(tái)系泊研究工作，參照中國(guó)船級(jí)社有效系泊[13]規(guī)定的海上結(jié)構(gòu)物系泊方法，征求了相關(guān)方面專家的建議，本文提出了張力腿平臺(tái)的系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。

對(duì)張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的復(fù)雜性主要是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的建立。結(jié)合威脅張力腿平臺(tái)作業(yè)安全的主要因素的分析，借鑒其它海洋運(yùn)輸船舶和海洋結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定的經(jīng)驗(yàn)，本文提出了一套適用于張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系，該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系主要有9項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成：波高指數(shù)（RH）、周期指數(shù)（RT）、纜繩指數(shù)（RD）、人員操作設(shè)備指數(shù)（RR）、服役壽命指數(shù)（RSL）、風(fēng)浪流同向性指數(shù)（Rθ）、系泊纜剛性指數(shù)（RS）、極端天氣指數(shù)（RN）和作業(yè)水深指數(shù)（Rd）。各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的定義如下：

（1）波高指數(shù)（RH）：該指標(biāo)為服役海區(qū)1/3有義波高相對(duì)于設(shè)計(jì)工況的幅值。由于波浪的能量主要由波高決定，此指標(biāo)體現(xiàn)了服役海區(qū)的波浪能量值，能量值越大，對(duì)系泊安全的潛在威脅就越大。屬于正風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，指標(biāo)值越小越好。

（2）周期指數(shù)（RT）：該指標(biāo)為服役海區(qū)波浪周期相對(duì)于設(shè)計(jì)海況的周期值的大小。波浪周期與頻率相關(guān)，其直接影響平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。如果平臺(tái)響應(yīng)劇烈、不穩(wěn)定，張力腿平臺(tái)系泊危險(xiǎn)就大。此指標(biāo)變相體現(xiàn)了服役海區(qū)的波浪能量值，能量值越大，對(duì)系泊安全的威脅就越大。屬于負(fù)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。當(dāng)所處海域波浪周期與張力腿平臺(tái)的固有周期相接近時(shí)，需加懲罰系數(shù)。

式中：T為服役海區(qū)波浪周期，s；T0為設(shè)計(jì)海況波浪周期，s；XT為懲罰系數(shù)，波浪周期與張力腿平臺(tái)的固有周期相接近時(shí)，為10，其余為1。Tg為張力腿平臺(tái)的固有周期，計(jì)算公式為：

式中：k為勁度系數(shù)；m為質(zhì)量。

（3）纜繩指數(shù)（RD）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺(tái)在服役過(guò)程中，系泊纜在海水中被腐蝕和疲勞程度。系泊纜在海水中長(zhǎng)期處于拉伸狀態(tài)，受到海水腐蝕和交變載荷的作用，工作環(huán)境較復(fù)雜，且張力腿平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)易導(dǎo)致系泊系統(tǒng)發(fā)生腐蝕和疲勞損傷，危害其安全穩(wěn)定性[14]。用目前系泊纜直徑描繪張力腿平臺(tái)的腐蝕和疲勞狀態(tài)。屬于負(fù)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。當(dāng)所處海域波浪周期與張力腿平臺(tái)的系泊纜固有周期相接近，需加懲罰系數(shù)。

式中：D為現(xiàn)系泊纜直徑，m；D0為設(shè)計(jì)系泊纜直徑，m；XD為懲罰系數(shù)，波浪周期與張力腿平臺(tái)系泊纜的固有周期相接近時(shí)，為10，其余為1。TDg為張力腿平臺(tái)系泊纜的固有周期，計(jì)算公式為：

式中：k為勁度系數(shù)；m為質(zhì)量。

（4）人員操作設(shè)備指數(shù)（RR）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺(tái)在服役過(guò)程中，工作人員操作平臺(tái)上的設(shè)備出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率。該指數(shù)與工人是否經(jīng)過(guò)有效培訓(xùn)，是否經(jīng)驗(yàn)豐富，設(shè)備保養(yǎng)是否到位有關(guān)。操作人員對(duì)于張力腿平臺(tái)的系泊安全起著重要作用，操作失誤可能導(dǎo)致危險(xiǎn)狀況的發(fā)生。設(shè)備有效的維修保養(yǎng)對(duì)保證張力腿平臺(tái)的安全也起著至關(guān)重要的作用。屬于負(fù)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。值越大代表工作人員操作越熟練，設(shè)備保養(yǎng)越充分。

式中：CR為人員影響安全指數(shù)；CS為設(shè)備影響安全指數(shù)。

（5）服役壽命指數(shù)（RSL）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺(tái)在服役過(guò)程中，剩余使用壽命影響的剩余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)系泊安全的影響。對(duì)于新建造的張力腿平臺(tái)，有足夠的剩余強(qiáng)度保證生產(chǎn)作業(yè)的安全。而到設(shè)計(jì)壽命后期的張力腿平臺(tái)，剩余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越來(lái)越成為影響安全作業(yè)的主要因素。故需要對(duì)剩余壽命和剩余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。屬于負(fù)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。值越大代表平臺(tái)狀態(tài)良好，剩余壽命充足，認(rèn)為剩余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足安全服役條件。

式中：S為現(xiàn)平臺(tái)服役時(shí)間，年；S0為張力腿平臺(tái)設(shè)計(jì)使用壽命，年。

（6）風(fēng)浪流同向性指數(shù)（Rθ）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺(tái)在服役過(guò)程中，受到的環(huán)境載荷的大小。張力腿平臺(tái)在服役過(guò)程中會(huì)隨時(shí)受到來(lái)自不同方向的風(fēng)浪流的聯(lián)合作用，這三種載荷可能為相同方向，也可能為不同方向。一般認(rèn)為，當(dāng)風(fēng)浪流三種載荷從不同方向作用于張力腿平臺(tái)時(shí)，載荷在各方向上的分量可以相互抵消，平臺(tái)本身受到的實(shí)際載荷可能會(huì)小于這三種載荷中最大的載荷；當(dāng)風(fēng)浪流三種載荷從相同方向作用于張力腿平臺(tái)時(shí)，平臺(tái)本身受到的實(shí)際載荷可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這三種載荷中的任何載荷。所以風(fēng)浪流載荷同時(shí)同向聯(lián)合作用是張力腿平臺(tái)最危險(xiǎn)的工況。屬于正風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，指標(biāo)值越小越好。

表1 風(fēng)、浪、流載荷兩兩之間夾角對(duì)應(yīng)Rθ系數(shù)Tab.1 The Rθcoefficient corresponding of two angle among wind,wave and current load

表中：θij為風(fēng)、浪、流載荷兩兩之間夾角，度。如果i代表風(fēng)，j代表浪；如果i代表浪，j代表流；如果i代表流；j代表風(fēng)。

（7）系泊纜剛性指數(shù)（RS）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺(tái)在服役過(guò)程中，張力腿平臺(tái)的吃水、系泊纜的拉伸程度和預(yù)張緊程度。張力腿平臺(tái)正常作業(yè)情況下處于設(shè)計(jì)吃水，提供一定的浮力使系泊纜處于預(yù)張緊狀態(tài)，進(jìn)而具有一定的剛性。系泊纜與張力腿平臺(tái)的連接使得張力腿平臺(tái)與系泊纜組成類似剛體的結(jié)構(gòu)，能抵抗外載荷作用。系泊纜預(yù)張緊程度越大，系泊纜的剛性越大，張力腿平臺(tái)與系泊纜組成的結(jié)構(gòu)剛性越大，張力腿平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅值越小，平臺(tái)越穩(wěn)定。剛性指數(shù)除了與預(yù)張緊力有關(guān)，還與系泊纜的數(shù)量和分布有關(guān)。系泊纜數(shù)量越多，分布越均勻，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅值越小，越穩(wěn)定。系泊纜剛性指數(shù)屬于負(fù)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。系泊纜的剛性指數(shù)與張力腿平臺(tái)的吃水正相關(guān)，所以可以用平臺(tái)的吃水表示其剛性指數(shù)。

式中：L為張力腿平臺(tái)吃水，m；L0為張力腿平臺(tái)設(shè)計(jì)吃水，m。

（8）極端天氣指數(shù)（RN）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺(tái)在服役過(guò)程中，極端天氣狀況對(duì)作業(yè)安全的影響。海洋結(jié)構(gòu)物的安全與海上環(huán)境息息相關(guān)，良好的海區(qū)環(huán)境對(duì)平臺(tái)的安全至關(guān)重要。屬于正風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，指標(biāo)值越小越好。

式中：N為12級(jí)風(fēng)或者12級(jí)浪以上極端天氣數(shù)量，天；N0為該海區(qū)12級(jí)風(fēng)或者12級(jí)浪以上極端天氣數(shù)量統(tǒng)計(jì)值，天。

（9）作業(yè)水深指數(shù)（Rd）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺(tái)在服役過(guò)程中，張力腿平臺(tái)作業(yè)海域的水深。張力腿平臺(tái)正常作業(yè)水深為450～1 070 m，水深變化較大。隨著水深的增加，張力筋腱長(zhǎng)度增加，出現(xiàn)張力腿自重過(guò)大的問題，并且由于張力筋腱在深水中的受力情況發(fā)生改變，影響了平臺(tái)的定位性能。所以水深指數(shù)也影響系泊穩(wěn)定性。作業(yè)水深指數(shù)屬于正風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，指標(biāo)值越小越好。作業(yè)水深越小，平臺(tái)穩(wěn)定性越好。

式中：d為張力腿平臺(tái)作業(yè)水深，m；d0為張力腿平臺(tái)極限作業(yè)水深，m。

3 張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，往往涉及若干相互制約的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和很多復(fù)雜的影響因素，需協(xié)調(diào)矛盾，權(quán)衡利弊，進(jìn)行綜合評(píng)估。同樣一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，不同評(píng)估者可能做出不同的方案，同一評(píng)估者從不同的角度考慮，也會(huì)做出若干個(gè)結(jié)果。為了獲得一個(gè)理想的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，評(píng)估者常常設(shè)計(jì)許多方案，然后進(jìn)行綜合分析和考慮。在這一過(guò)程中，評(píng)估者的經(jīng)驗(yàn)和觀點(diǎn)，船東的要求和意愿等，起著很重要的作用[15]。但是，這些經(jīng)驗(yàn)、觀點(diǎn)、要求、意愿等，往往具有模糊性。在張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，如何把這種模糊性加以解析化和定量是個(gè)十分重要的問題，模糊綜合評(píng)判方法是處理此類問題一種可行的方法。

本文結(jié)合模糊綜合評(píng)判法，考慮層次分析，用概率論的方法對(duì)張力腿平臺(tái)的系泊風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

基本概念

（1）定義方案集

由若干個(gè)被評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)構(gòu)成方案集：

（2）選擇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)（因素）

選取表征風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的指標(biāo)（因素），作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)，組成風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)集（或稱風(fēng)險(xiǎn)因素集)，記為：

（3）對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)（因素）考評(píng)

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)每項(xiàng)指標(biāo)，總是存在一個(gè)期望值Mi和允許值mi，于是就有一個(gè)允許取值區(qū)間，記為[mi，Mi]。設(shè)在該區(qū)間上定義一個(gè)相應(yīng)于最優(yōu)值的模糊子集Ai，即

式中：μAi（ui）是ui的滿意度函數(shù)，它表征著對(duì)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)的滿意程度。

滿意度隨風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)值單調(diào)增加的情況，μAi（ui）的形式為

滿意度隨風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)值單調(diào)下降的情況，μAi（ui）的形式為

評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算獲得。獲得一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)值，經(jīng)滿意度曲線，就可給出一個(gè)模糊評(píng)估（或評(píng)分）。對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，每項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)分別進(jìn)行考評(píng)，可得評(píng)判矩陣；

矩陣R中每一行，是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)某項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的具體評(píng)定結(jié)果，是相對(duì)于某個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)評(píng)分。矩陣R中的每一列，是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的評(píng)分。因此，這個(gè)矩陣實(shí)際上是一個(gè)單因素評(píng)定表。

（4）進(jìn)行綜合評(píng)判

如前所述，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，涉及若干互相制約的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)和許多復(fù)雜的影響因素，因此，完成了對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)單因素評(píng)定后，尚需進(jìn)行多因素的綜合評(píng)判。這里引入重要度的概念來(lái)處理，重要度記為ωi，i=1，2，…，n，它表征著對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)重要程度作出評(píng)定，它是指標(biāo)集上的一個(gè)模糊子集，記為

將ωi歸一化，令就是權(quán)向量，其中αi為第i個(gè)指標(biāo)的重要度。

確定了對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)滿意度和重要度的評(píng)定以后，綜合評(píng)判問題歸結(jié)為

其中：bi= （α1r1i+α2r2i+…+αmrmi，i=1，2，…m）。bi實(shí)際上是對(duì)第i風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的一個(gè)綜合評(píng)判結(jié)果，根據(jù)bi的大小，可以完成風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的計(jì)算，從而得到綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。

利用模糊綜合評(píng)估法建立一組風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)方案或打分機(jī)制，對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)確定一個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)E，設(shè)定評(píng)語(yǔ)集的n個(gè)等級(jí)備選方案E=｛e1，e2，e3，…，en｝，其中n是可以選擇的評(píng)語(yǔ)等級(jí)數(shù)量。例如，e1=很低；e2=低；e3=中等；e4=高；e5=非常高。備選方案都有相應(yīng)的等級(jí)，如1=非常低；2=低；3=中等；4=高；5=非常高。

在本文中，建立5分等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)計(jì)算每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的平均分（1代表很低，5代表很高）。等級(jí)被定義為集合E，E=｛1，2，3，4，5｝，這里面的數(shù)字1、2、3、4、5分別表示的級(jí)別是很低、低、中等、高和很高（對(duì)于所有的風(fēng)險(xiǎn)因素都用這五個(gè)評(píng)語(yǔ)集進(jìn)行評(píng)價(jià)）。

對(duì)于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其隸屬度函數(shù)可由風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估小組來(lái)建立，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)估都由一組模糊子集組成。例如，如果波高指數(shù)過(guò)高的概率經(jīng)過(guò)專家調(diào)查組的調(diào)查結(jié)果如下，0%的專家認(rèn)為其發(fā)生的概率可能性很低，10%的專家認(rèn)為此風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率低，50%的專家認(rèn)為中等，30%的專家認(rèn)為高，10%認(rèn)為很高。對(duì)以上的結(jié)果加以進(jìn)一步解釋就是說(shuō)：每一個(gè)專家對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，我們得到的是這些打分的統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)所有這些專家的打分情況，變成發(fā)生概率的統(tǒng)計(jì)。在這里是對(duì)每一準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)估，對(duì)每一準(zhǔn)則的評(píng)語(yǔ)就是評(píng)語(yǔ)集的模糊子集，這個(gè)評(píng)語(yǔ)就是它的隸屬度函數(shù)向量。由于沒有一個(gè)準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)，所以這是一個(gè)模糊集合。那么，波高系數(shù)的概率由隸屬函數(shù)等式（21）給出：

此算式也可以寫為（0.00，0.10，0.50，0.30，0.10）的形式，所有風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)估形成一個(gè)模糊評(píng)價(jià)矩陣R=（rij）m×n，rij是滿足fi評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的ej評(píng)價(jià)等級(jí)。

確定每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重。在模糊評(píng)判的過(guò)程中，需要對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率進(jìn)行層次分析。建立評(píng)價(jià)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，用事件發(fā)生概率、事后影響嚴(yán)重性、不可預(yù)測(cè)性和導(dǎo)致事件后果進(jìn)一步惡化的因素這四個(gè)指標(biāo)對(duì)每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。這樣一來(lái)，在相同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下評(píng)價(jià)出來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)就具有可比性。

根據(jù)這四個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以建立一個(gè)層次分析法的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

利用層次分析法的九標(biāo)度矩陣對(duì)不同專家、學(xué)者和工程師提出的事件發(fā)生概率、事后影響嚴(yán)重性、不可預(yù)測(cè)性和事件后果進(jìn)一步惡化可能性進(jìn)行分析。對(duì)總體風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)重要性的成對(duì)比較形成判斷矩陣，判斷矩陣的形式如表2所示。

圖1 層次分析結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of analytic hierarchy

在這里，事件發(fā)生概率、事后影響嚴(yán)重性、不可預(yù)測(cè)性和事件后果進(jìn)一步惡化可能性分別用M1、M2、M3和M4來(lái)表示。

表2 判斷矩陣Tab.2 The judgment matrix

表3 層次分析法相對(duì)重要性判斷標(biāo)度Tab.3 Analytic hierarchy process(AHP)relative importance scale

同樣一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，不同評(píng)估者可能做出不同的方案，同一評(píng)估者從不同的角度考慮，也會(huì)做出若干個(gè)方案。對(duì)于不同的專家、學(xué)者和工程師提出的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，需要認(rèn)真分析，謹(jǐn)慎用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。為了獲得一個(gè)理想、客觀的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，需將評(píng)估者設(shè)計(jì)的許多方案按照概率論的區(qū)間分布進(jìn)行置信度分析，引入置信度1-α和置信區(qū)間[16]，對(duì)滿意度分布和容許值期望值置信評(píng)估。

張力腿平臺(tái)的系泊風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為總體樣本，不同評(píng)估方案計(jì)算出不同的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，不同的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為總體的簡(jiǎn)單隨機(jī)樣本。對(duì)于給定的α∈（0，1），如果風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)T1，T2滿足

則稱風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間 ［T1，T2］為風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)θ的置信度為1-α的置信區(qū)間。認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)在1-α的概率下發(fā)生在此區(qū)間。

由中心極限定理可得，對(duì)于任何總體的樣本都有

4 算 例

以流花16-2張力腿平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為實(shí)例，來(lái)說(shuō)明該評(píng)估方法的合理性和通用性。選取波高指數(shù)、纜繩指數(shù)、人員操作設(shè)備指數(shù)、服役壽命指數(shù)和風(fēng)浪流同向性指數(shù)作為評(píng)估的風(fēng)險(xiǎn)因素。計(jì)算出每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重為（0.10，0.36，0.18，0.36）。

列舉十種通過(guò)專家、學(xué)者和工程師提出的風(fēng)險(xiǎn)分布方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

表4 風(fēng)險(xiǎn)因素分布Tab.4 The distribution of risk factors

續(xù)表4

計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

隸屬度函數(shù)如下：

計(jì)算過(guò)程以浪高指數(shù)為例：

風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)：

其余纜繩指數(shù)、人員操作設(shè)備指數(shù)、服役壽命指數(shù)和風(fēng)浪流同向性指數(shù)風(fēng)險(xiǎn)因素結(jié)果匯總于表5。

表5 風(fēng)險(xiǎn)因素結(jié)果匯總Tab.5 The results summary of risk factors

為了評(píng)判的客觀性，經(jīng)過(guò)多位專家打分和評(píng)判，建立成對(duì)比較矩陣，最終確定如下：

一致性檢驗(yàn)：

故A的不一致性程度可以接受。

經(jīng)計(jì)算，A的權(quán)向量：

對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)形成模糊評(píng)價(jià)矩陣。利用模糊評(píng)價(jià)法算子，如公式（29）所示：

用復(fù)合權(quán)重向量和模糊評(píng)價(jià)矩陣以獲取整體風(fēng)險(xiǎn)的模糊評(píng)價(jià)，利用成對(duì)比較矩陣乘以隸屬度函數(shù)得最終結(jié)果。

DA=ω（A）?RA=（0.009 4，0.025 1，0.187 0，0.414 5，0.3696 ），DA是整體風(fēng)險(xiǎn)的隸屬函數(shù)。

整體風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)是根據(jù)公式（30）計(jì)算出來(lái)的

結(jié)果如下：

通過(guò)以上的結(jié)果表明，張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)最終評(píng)價(jià)出的整體風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為4.126 5，可視為高風(fēng)險(xiǎn)。因此，該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可被解釋為“高”。此外，在各種風(fēng)險(xiǎn)中，“人員操作指數(shù)”是風(fēng)險(xiǎn)最高的風(fēng)險(xiǎn)因素，其風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等于4.294；“風(fēng)浪流同向性指數(shù)”被視為次高風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等于4.124；“浪高指數(shù)”則位于第三位，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等于4.030。

其他九種通過(guò)專家、學(xué)者和工程師提出的風(fēng)險(xiǎn)分布方案不一一列舉，將所得結(jié)果匯總于表6。

表6 張力腿平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Tab.6 Tension leg platform risk index

風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間 ［T1，T2］為風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)θ的置信度為1-α的置信區(qū)間。

取置信度1-α=0.95

代入得置信區(qū)間為 ［3.421 2，3.7777］。

由于正態(tài)分布有

所以在3σ原則下此結(jié)果可信。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果是：在置信度為0.95情況下，張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)的置信區(qū)間為[3.421 2，3.777 7]，在5分等級(jí)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中，處于中等風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)之間，需得到重視并加強(qiáng)系泊的安全維護(hù)。在張力腿平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮多方面的因素，加大安全系數(shù)，確保運(yùn)營(yíng)安全。

十種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方案，影響評(píng)估系泊風(fēng)險(xiǎn)的因素中風(fēng)浪流同向性指數(shù)、浪高指數(shù)分別5次和3次成為最危險(xiǎn)的因素。在張力腿平臺(tái)系泊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)這兩種風(fēng)險(xiǎn)因素多重視。

評(píng)估結(jié)果和客觀分析是一致的。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以看出，該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的建立能體現(xiàn)張力腿平臺(tái)的綜合系泊風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法能有助于張力腿平臺(tái)系泊時(shí)在危險(xiǎn)發(fā)生之前對(duì)系泊風(fēng)險(xiǎn)加以防范和控制。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合模糊綜合評(píng)判法、層次分析法以及概率論提出了一種風(fēng)險(xiǎn)分析的評(píng)估方法，識(shí)別了系泊中的風(fēng)險(xiǎn)因素，建立完善了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并將其應(yīng)用于設(shè)計(jì)中或已服役作業(yè)的張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中。將不同風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果視為風(fēng)險(xiǎn)的總體的隨機(jī)樣本，用概率論和置信區(qū)間對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行置信度評(píng)價(jià)?？朔藛我辉u(píng)價(jià)方案主觀性太強(qiáng)的弱點(diǎn)，使評(píng)價(jià)更具有客觀性和可信性。結(jié)合一型設(shè)計(jì)中的張力腿平臺(tái)，應(yīng)用本文提出的數(shù)值風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)該平臺(tái)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)果表明該方法可以對(duì)張力腿平臺(tái)的系泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的主觀因素進(jìn)行客觀有效的評(píng)估。利用獲取的評(píng)價(jià)結(jié)果，識(shí)別設(shè)計(jì)或已建成服役的張力腿平臺(tái)系泊風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)高的風(fēng)險(xiǎn)因素，并采取有效措施，加強(qiáng)培訓(xùn)及時(shí)檢修設(shè)備，以防止意外的發(fā)生。有助于張力腿平臺(tái)系泊時(shí)在危險(xiǎn)發(fā)生之前對(duì)系泊風(fēng)險(xiǎn)加以防范和控制。該風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法可以推廣應(yīng)用于其他海上結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估問題中。

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Risk assessment of mooring for tension leg platform

WU Hao,LIN Yan
(School of Naval Architecture Engineering,Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics,State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Based on the Fuzzy Comprehensive Evaluation Method,Analytic Hierarchy Process(AHP)and Probability Theory,this paper put forward an analysis method of risk assessment,established the corresponding assessment criteria system,and applied to the design or were delivered of Tension Leg Platform (TLP)mooring risk assessment.Analysis and calculation example show that the risk assessment method for mooring is applicable and effective.Making use of the risk assessment result,identify the major risk factors of TLP which is designed or in service,and take effective measures to strengthen the training and maintain the equipment in time,could prevent the occurrence of accidents.Combined with a TLP in design,apply the numerical risk assessment model was applied to the platform of risk assessment for mooring system. The results show that this method can be objectively and effectively used to assess the subjective factors in the mooring risk assessment of TLP.And it can be applied in the risk assessment of other offshore structures.

Tension Leg Platform;risk assessment of mooring;assessment criteria system; assessment approach;fuzzy comprehensive evaluation method;analytic hierarchy process;theory of probability

P756.2

：Adoi：10.3969/j.issn.1007-7294.2016.05.011

1007-7294（2016）05-0600-13

2016-01-09

吳 昊（1989-），男，博士研究生；林 焰（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：linyanly@dlut.edu.cn。