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基于二維灰云模型的LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)推理*

2021-07-12 02:41朱清華胡甚平李文晶
關(guān)鍵詞:航行概率動(dòng)力

朱清華,胡甚平,田 力,李文晶

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院,上海 201306)

0 引言

以液化天然氣作為船舶燃料已成為符合嚴(yán)格排放法規(guī)的可行解決方案。因?yàn)長(zhǎng)NG燃料具有易燃易爆特性[1],所以針對(duì)LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化研究很有必要。

近年,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LNG動(dòng)力船安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究:Abdussamie等[2]針對(duì)LNG動(dòng)力船加注過(guò)程存在潛在后果和操作人員風(fēng)險(xiǎn)安全進(jìn)行研究;Yeo等[3]使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)對(duì)卸載過(guò)程動(dòng)態(tài)安全性分析,估計(jì)事件發(fā)生可能性及安全系統(tǒng)故障概率;Iannaccone等[4]基于船用柴油傳統(tǒng)技術(shù),對(duì)可預(yù)見(jiàn)液化天然氣加注技術(shù)固有安全性能進(jìn)行比較分析;Animah等[5]用模糊評(píng)判法對(duì)內(nèi)河LNG動(dòng)力船航行過(guò)程中環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究;Jenong[6]研究液化天然氣船用燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中高壓燃油制備室風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。上述研究從相對(duì)獨(dú)立層面界定船舶航行不同時(shí)期風(fēng)險(xiǎn)影響因素,但LNG動(dòng)力船航行周期內(nèi)會(huì)發(fā)生LNG加注、存儲(chǔ)、使用、釋放等任務(wù),船舶遭遇航行、停泊和裝卸等任務(wù),且任務(wù)實(shí)施工況間相互影響。

部分學(xué)者將數(shù)學(xué)模型與云模型結(jié)合,對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估展開研究:Liu等[7]提出,云模型可處理定性概念與定量描述的不確定性轉(zhuǎn)換;姜曾國(guó)等[8]用二維云模型從概率和風(fēng)險(xiǎn)損失2個(gè)指標(biāo)定性評(píng)估橋梁風(fēng)險(xiǎn);徐征捷等[9]將模糊層次分析法與云模型結(jié)合,利用云模型改進(jìn)常規(guī)模糊綜合評(píng)判法;王洪利等[10]基于云模型與灰理論建立灰云模型,融合信息不完全性和人主觀評(píng)判隨機(jī)性;胡甚平[11]將海上交通風(fēng)險(xiǎn)定義為可能性與后果共同作用,運(yùn)用灰云推理解決多維度風(fēng)險(xiǎn)測(cè)度問(wèn)題。

本文針對(duì)LNG動(dòng)力船航行過(guò)程中LNG使用與船舶航行2個(gè)主要作業(yè)方式,引入基于二維灰云模型進(jìn)行LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)多屬性推理,從定量角度分析整個(gè)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與風(fēng)險(xiǎn)耦合效果,論證過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)耦合特性。

1 LNG動(dòng)力船航行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與推理

1.1 LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)

LNG動(dòng)力船航行一方面將面臨傳統(tǒng)船舶航行人、機(jī)、環(huán)、管等因素引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)事件,另一方面面臨燃料泄漏、火災(zāi)爆炸和低溫傷害等風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知,風(fēng)險(xiǎn)是系統(tǒng)內(nèi)意外事件發(fā)生概率和后果的組合,LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)可定義為由LNG動(dòng)力船航行系統(tǒng)因子相互作用影響下人、船、環(huán)境受傷害概率及受傷害嚴(yán)重程度組合[12],如式(1)所示:

(1)

式中:Rν為系統(tǒng)因子風(fēng)險(xiǎn)程度,分為4個(gè)等級(jí)即高風(fēng)險(xiǎn)Ⅰ,較高風(fēng)險(xiǎn)Ⅱ,一般風(fēng)險(xiǎn)Ⅲ,低風(fēng)險(xiǎn)Ⅳ;v,n分別為系統(tǒng)整體和意外事件影響因子,具體指人、船、環(huán)境、管理和LNG等LNG動(dòng)力船系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因子;Pn為系統(tǒng)因子n導(dǎo)致系統(tǒng)意外事件發(fā)生概率,包括非常少見(jiàn)(P1),少見(jiàn)(P2),一般(P3),頻繁(P4),非常頻繁(P5);Sn為系統(tǒng)因子n導(dǎo)致系統(tǒng)意外事件發(fā)生引發(fā)后果,一般用非常嚴(yán)重(S5),嚴(yán)重(S4),一般(S3),輕微(S2),微小(S1)描述;Wn為系統(tǒng)因子n導(dǎo)致系統(tǒng)意外事件發(fā)生影響程度及權(quán)重。本文風(fēng)險(xiǎn)定量選擇P和S組合,定義為P*S。

LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)由LNG使用和船舶航行2個(gè)任務(wù)因素耦合作用形成。

1.2 動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)

在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估前首先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)控制。鑒于LNG動(dòng)力船航行場(chǎng)景特征,確立由LNG使用和船舶航行2個(gè)任務(wù)共同構(gòu)成的航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)。LNG使用著重分析LNG理化特性風(fēng)險(xiǎn),船舶航行著重分析典型場(chǎng)景條件下船舶通航風(fēng)險(xiǎn)。LNG動(dòng)力船航行系統(tǒng)因子較多且復(fù)雜,可分為人、機(jī)械、環(huán)境、管理,其中,機(jī)械因子劃分為船舶和LNG。這些因子在LNG動(dòng)力船航行過(guò)程中,隨船舶作業(yè)屬性不同表現(xiàn)狀態(tài)不同,且相互作用與形式存在一定差異。

針對(duì)LNG使用風(fēng)險(xiǎn),受LNG效率擾動(dòng)及人為失誤影響,存在儲(chǔ)罐超壓、LNG泄漏等風(fēng)險(xiǎn),且表現(xiàn)為風(fēng)險(xiǎn)影響因素不確定;針對(duì)船舶航行風(fēng)險(xiǎn),易受環(huán)境干擾,導(dǎo)致船舶失速、交通類風(fēng)險(xiǎn)和LNG火災(zāi)爆炸。在考慮人、物與環(huán)境不安全因素時(shí),結(jié)合實(shí)際情況建立LNG動(dòng)力船航行過(guò)程系統(tǒng)因子及風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系,見(jiàn)表1。

表1 LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

1.3 LNG動(dòng)力船風(fēng)險(xiǎn)推理

LNG動(dòng)力船航行風(fēng)險(xiǎn)取決于每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子發(fā)生概率P和產(chǎn)生后果S,而P、S具有不確定性,一般只能做定性描述。為給出定量描述,本文引入二維灰云推理模型,二維灰云推理流程如圖1所示。

圖1 二維灰云推理流程

2 風(fēng)險(xiǎn)推理方法

2.1 云模型與灰云

云模型可實(shí)現(xiàn)定性概念與定量值之間不確定性轉(zhuǎn)換,反映概念歧義性與表達(dá)隨機(jī)性[13]。二維云模型是一維云模型的延伸,如式(2)所示:

u:U→[0,1],?(x,y)∈U,(x,y)→u

(2)

式中:u為確定度;U為論域;x,y為論域中任意值。二維云模型通過(guò)6個(gè)數(shù)值特征描述總體定量屬性:

1)期望(Ex,Ey):標(biāo)定相應(yīng)定性概念中心值,是云的重心。

2)熵(Fx,Fy),指期望曲線的熵,反映定性概念在坐標(biāo)軸方向?qū)挾取?/p>

3)超熵(Hx,Hy),反映二維云投影在平面上厚度,即離散程度。

灰云模型是為克服傳統(tǒng)白化函數(shù)缺點(diǎn)提出的1種集成灰性、隨機(jī)性、模糊性的模型方法。面對(duì)當(dāng)前多因素相互影響的LNG動(dòng)力船航行風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題,灰云模型能有效解決灰性造成的不確定性信息表示問(wèn)題。

灰云模型是云模型與灰色理論的結(jié)合,二維灰云模型將2個(gè)一維灰云模型組合,其數(shù)字特征如式(3)所示:

(3)

二維灰云確定度如式(4)所示:

(4)

式中:Ix,Iy表示峰值;Ly,Lx,Kx,Ky表示左右界值;Fx,Fy為熵;Hx,Hy為超熵。其中一維變量如式(5)所示:

(5)

式中:σ為給定常數(shù)。

2.2 基于條件的云發(fā)生器

1)將(Fx,Fy)作為數(shù)學(xué)期望值、(Hx,Hy)作為標(biāo)準(zhǔn)差,產(chǎn)生二維正態(tài)隨機(jī)數(shù)(Fxi,Fyi),滿足高斯分布隨機(jī)數(shù)據(jù)。

2)將(Fxi,Fyi)作為標(biāo)準(zhǔn)差,以(Ixi,Iyi)為期望,生成二維正態(tài)隨機(jī)數(shù)Drop(xi,yi)。

3)通過(guò)計(jì)算得到云滴(xi,yi,ui),其中(xi,yi)為定性概念與論域中對(duì)應(yīng)位置的值,ui為(xi,yi)該語(yǔ)言值中充當(dāng)定量度量。

(6)

(7)

式中:F′為正態(tài)隨機(jī)數(shù),F(xiàn)′~N(F,H2)。

2.3 基于灰云模型風(fēng)險(xiǎn)推理

基于灰云模型風(fēng)險(xiǎn)推理主要包括以下6個(gè)步驟:

步驟2:構(gòu)造灰云尺標(biāo)。本文采用黃金分割率確立灰云尺標(biāo)。其中,概率評(píng)價(jià)論域?yàn)閇0,10],后果評(píng)價(jià)論域?yàn)閇0,5],標(biāo)準(zhǔn)灰云數(shù)字特征見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)灰云數(shù)字特征

通過(guò)專家咨詢得到LNG動(dòng)力船航行風(fēng)險(xiǎn)大小數(shù)字特征Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)G(41,32,50,0.333 3,0.041 7);Ⅱ級(jí)較高風(fēng)險(xiǎn)G(25,18,32,0.333 3,0.041 7);Ⅲ級(jí)一般風(fēng)險(xiǎn)G(13,8,18,0.333 3,0.041 7);Ⅳ級(jí)低風(fēng)險(xiǎn)G(4,0,8,0.333 3,0.041 7)。

步驟3:確定定性規(guī)則。為構(gòu)造灰云發(fā)生器,首先確定風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生概率、后果及風(fēng)險(xiǎn)大小間定性規(guī)則。

步驟4:構(gòu)造規(guī)則發(fā)生器。規(guī)則推理結(jié)構(gòu)由X條件云發(fā)生器和Y條件云發(fā)生器構(gòu)成,將定性分析問(wèn)題轉(zhuǎn)換為灰云模型定量分析[14]。以x為風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率輸入值,以y為風(fēng)險(xiǎn)影響程度輸入值,通過(guò)二維云X條件云發(fā)生器得到確定度u,將u輸入一維云Y條件云發(fā)生器,獲得單因素作用風(fēng)險(xiǎn)值Ri,將單因素作用風(fēng)險(xiǎn)值Ri加權(quán)求和得到最終風(fēng)險(xiǎn)值[15]。

步驟5:權(quán)重計(jì)算??紤]LNG動(dòng)力船航行過(guò)程中LNG使用和船舶航行作業(yè)方式風(fēng)險(xiǎn)形成因素及相互作用程度差異性,需獲取差異化權(quán)重值。

1)構(gòu)造優(yōu)先關(guān)系矩陣。確立層次結(jié)構(gòu)模型,可確定各層次因素相對(duì)關(guān)系。為準(zhǔn)確描述任意2個(gè)因素對(duì)決策重要性,本文采用0.1~0.9標(biāo)度法構(gòu)建表示兩兩因素間相對(duì)重要程度的模糊互補(bǔ)矩陣Q=(qij)n×n作為優(yōu)先關(guān)系矩陣。

2)模糊一致矩陣。對(duì)矩陣Q=(qij)n×n每行求和,并進(jìn)行數(shù)學(xué)變換得到模糊一致矩陣G,如式(8)~(9)所示:

(8)

(9)

式中:i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,n。

3)因素相對(duì)權(quán)重計(jì)算?;谀:恢戮仃?,采用排序法對(duì)各層因素權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。船舶航行風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重Wn如圖2所示。

圖2 船舶航行風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重

采用虛擬云中浮云計(jì)算指標(biāo)合成,如式(10)所示:

(10)

式中:Exi,Eni,Hei,wi分別為風(fēng)險(xiǎn)因子i對(duì)應(yīng)期望、熵、超熵和權(quán)重。

采用虛擬云綜合云模型計(jì)算2種作業(yè)耦合風(fēng)險(xiǎn),如式(11)所示:

(11)

式中:Exi,Eni,Hei,wi分別為不同作業(yè)i對(duì)應(yīng)期望、熵、超熵和權(quán)重。其中,LNG使用、船舶航行權(quán)重W=[0.449 5,0.550 5]。

步驟6:規(guī)則推理。根據(jù)前人觀點(diǎn)及專家建議,確立概率、后果和風(fēng)險(xiǎn)大小間關(guān)系,見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)云圖如圖3所示。規(guī)則1表示如果概率P1(該風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的機(jī)率為非常少見(jiàn))且后果S1(對(duì)目標(biāo)影響微小),代表風(fēng)險(xiǎn)很低,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí),風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)為低風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)云圖

3 實(shí)例應(yīng)用

某LNG動(dòng)力船長(zhǎng)寬283.06 m×43.4 m,總噸位95 753 t,在A港進(jìn)行加注作業(yè)后開往M港。在出港過(guò)程中完成LNG使用和船舶航行2種作業(yè)方式。采集相關(guān)數(shù)據(jù)并完成過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3.1 情景描述與數(shù)據(jù)獲取

LNG動(dòng)力船LNG使用和船舶航行作業(yè)安全狀態(tài)受各類風(fēng)險(xiǎn)因素影響。針對(duì)各指標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行專家評(píng)分,獲得每個(gè)指標(biāo)P,S狀態(tài)值。

根據(jù)設(shè)定場(chǎng)景,邀請(qǐng)船舶設(shè)計(jì)、建造以及航海技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)工程領(lǐng)域10名專家,判定各系統(tǒng)因子概率P及后果等級(jí)S,并結(jié)合云模型將定性判斷數(shù)據(jù)定量化,確定各因子概率和后果判定結(jié)果,如圖4所示。由圖4可知,各數(shù)據(jù)差異性較明顯,在船舶航行過(guò)程中表現(xiàn)不一致。

圖4 LNG使用、航行風(fēng)險(xiǎn)因子P、S值

3.2 模型仿真

按照前述風(fēng)險(xiǎn)仿真流程,結(jié)合采集數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真,以C1為例詳述仿真過(guò)程。將人員技術(shù)素養(yǎng)風(fēng)險(xiǎn)概率P=3.5和S=3輸入規(guī)則發(fā)生器,進(jìn)行100次仿真,得到若干云滴,推理得到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一般,運(yùn)用乘法原理計(jì)算C1風(fēng)險(xiǎn),其平均值為10.5。同理,仿真得到其它25個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),以灰色框條表示云推理結(jié)果,如圖5所示。通過(guò)乘法原理風(fēng)險(xiǎn)合成公式,得到LNG使用和船舶航行階段不同風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)。對(duì)LNG使用和船舶航行中事故發(fā)生概率和后果耦合,用乘法公式得出最終LNG動(dòng)力船航行過(guò)程整體風(fēng)險(xiǎn)值,并用云推理風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖5 LNG動(dòng)力船系統(tǒng)因子風(fēng)險(xiǎn)值和推理結(jié)果

3.3 過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)分析

由圖5可知,LNG使用中,管路閥件因子數(shù)據(jù)值高;在船舶航行中,熱源(泵、熱工作業(yè)、排煙口)因子數(shù)據(jù)值高。仿真結(jié)果見(jiàn)表4,LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)云曲面如圖6所示。

表4 仿真結(jié)果

1)LNG使用風(fēng)險(xiǎn)值13.074 8,圖6(a)云顯示處于規(guī)則3、規(guī)則4和規(guī)則5之間,但更靠近規(guī)則5,表示該過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí),圖6(d)仿真統(tǒng)計(jì)值顯示安全等級(jí)Ⅲ級(jí)占比較多,則LNG使用風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)為一般風(fēng)險(xiǎn)。

2)船舶航行風(fēng)險(xiǎn)值7.886 8,圖6(b)云顯示該狀態(tài)處于規(guī)則1、規(guī)則2和規(guī)則5之間,但更靠近規(guī)則1和規(guī)則2,表示船舶航行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí),圖6(e)仿真統(tǒng)計(jì)值顯示安全等級(jí)Ⅳ級(jí)占比較多,則船舶航行風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)為低風(fēng)險(xiǎn)。

3)LNG動(dòng)力船LNG使用和航行耦合風(fēng)險(xiǎn)為10.206 7。圖6(c)顯示LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)處于規(guī)則1、規(guī)則2和規(guī)則5之間,但更靠近規(guī)則5,得到LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)處于Ⅲ級(jí),圖6(f)仿真統(tǒng)計(jì)值顯示安全等級(jí)屬于Ⅲ級(jí)占比較多,則LNG動(dòng)力船航行過(guò)程處于一般風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。

圖6 LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)云曲面

4)燃料供應(yīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液化氣體從燃料艙到發(fā)動(dòng)機(jī)的安全控制,整個(gè)鏈路中處所、設(shè)備、管路閥件均屬于系統(tǒng)控制對(duì)象。根據(jù)初始事件發(fā)展路徑,潛在后果包括小型燃?xì)庑孤?、局部燃燒爆炸、連鎖火災(zāi)爆炸、大型燃?xì)庑孤┑?。船舶航行中根?jù)探測(cè)濃度值不同,需采用先報(bào)警后關(guān)斷策略。關(guān)斷時(shí)需綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)類型、發(fā)生泄漏區(qū)域(燃料閥門的前或后段)、燃料供應(yīng)布置形式以及切斷后船舶動(dòng)力性等因素進(jìn)行應(yīng)急關(guān)斷操作決策。

5)基于液化天然氣動(dòng)力船供氣系統(tǒng)工作流程,當(dāng)工況變化時(shí),需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置相應(yīng)控制方案,以達(dá)到最優(yōu)溫度控制效果,滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工作需求,保持船舶性能穩(wěn)定。因存在LNG供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn),船舶航行過(guò)程易出現(xiàn)船舶失速與船舶失控連鎖風(fēng)險(xiǎn)。船舶港內(nèi)航行時(shí),需要建立完善的安全管理程序,熟悉風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)方案,進(jìn)一步提高失控應(yīng)急處置能力。因此,需加強(qiáng)人員教育與培訓(xùn),以保障LNG動(dòng)力船安全航行。

4 結(jié)論

1)LNG動(dòng)力船不同作業(yè)方式風(fēng)險(xiǎn)值不同,船舶航行處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài),LNG使用處于一般風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài),整個(gè)航行過(guò)程處于一般風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài),且風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算值與推理風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一致。

2)基于氣體探測(cè)、通風(fēng)、探火以及其他危害等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)效率,依據(jù)燃料艙、熱交換器、壓縮機(jī)、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等不同對(duì)象建立不同安全控制策略。

3)將二維灰云模型理論應(yīng)用于LNG動(dòng)力船航行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),將風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率與后果組合,能有效彌補(bǔ)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單一維度評(píng)判風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不足,且實(shí)現(xiàn)定性分析與定量評(píng)估間轉(zhuǎn)換。

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