基于模糊故障树的潜标系统布放回收风险评估

            
/ u6 H8 l6 F2 I7 d$ k引言
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20世纪中叶, 潜标技术首先在美国发展起来。随着技术的不断成熟, 潜标逐渐成为海洋环境监测的主要设备之一[1]。潜标系统能够长期定点监测水下不同层面上的海流、水温、盐度和水下噪声等海洋水文资料[2]。我国于20世纪70 年代开始了海洋潜标技术研究, 虽然取得了一定进展, 但装备可靠性与国外发达国家相比仍存在一定差距。另外, 除了潜标系统本身的可靠性外, 水下复杂自然环境、系统布放和回收技术等都会影响潜标系统布放回收成功率[3]。因此, 潜标系统布放回收成功率通常难以保证, 而现有聚焦于潜标系统布放回收风险的研究较为匮乏。谷峰等[4]曾利用模糊故障树分析法对潜标系统回收率进行定量评定, 但国内未有学者对潜标系统布放回收过程进行风险评估。为此, 文中采用模糊故障树分析方法, 对潜标系统布放回收过程进行风险评估, 挖掘潜在风险因素, 理清风险演化机理, 并诊断关键风险源, 为作业人员在实施潜标系统布放回收风险管理时提供充分的理论指导。

- K0 [; c! U* `" ^* ~01故障树分析法
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故障树分析方法是一种由上往下的演绎式分析法, 其利用一套逻辑符号组合每一个基本事件, 来表示导致顶事件发生的关系图[5]。故障树分析法通常具有两大作用, 一是清楚表示各基本事件间的逻辑关系及风险演化路径, 对顶事件发生进行定性分析; 二是精确计算各基本事件的重要度及顶事件的发生可能性等, 从而对顶事件发生进行定量分析。因此, 利用故障树分析法对潜标系统布放回收流程进行风险分析, 可以获得导致潜标系统布放回收事故各风险源间的逻辑关联关系, 理清风险演化机理, 同时诊断关键风险源。

故障树模型中常用的图形符号如图1所示, 其中, 顶事件表示要研究的风险事件, 是进行风险分析的起点; 中间事件连接顶事件和基本事件, 属于过程事件, 能够被继续分解; 基本事件导致中间事件或顶事件发生, 却不能或不需要再分解的事件, 又称为底事件。与门和或门表示逻辑门, 逻辑门下方的事件称为输入事件, 逻辑门上方的事件称为输出事件[6]。与门表示必须所有输入事件发生, 才能保证输出事件发生; 或门表示只要有一个输入事件发生, 就能保证输出事件发生。

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图1  故障树模型常用图形符号

02风险识别

根据杨坤汉等[7]总结的绷紧型单点锚定潜标系统布放回收操作方法, 潜标系统的布放方法主要有“标锚法”和“锚标法”。“标锚法”是先用船上吊杆把潜标主浮标放入水中, 然后再布放测量仪器和系留绳; “锚标法”是先用船上吊杆把锚吊入水中, 再依次布放系留绳、测量仪器和主浮标。其中“标锚法”所需设备简单, 操作技术容易掌握, 受气象条件影响小, 整个系统在布放过程中所受张力小, 因此是最常采用的潜标布放方法。文中针对“标锚法”进行风险识别。

“标锚法”具体布放流程为: 1) 布放准备工作, 包括作业人员安全准备、布放装置准备以及布放工具准备; 2) 布放位置选取, 包括抵近布放区域、开展测深工作以及确定布放点; 3) 布放主浮标, 包括迎流停住船、挂钩吊起主浮标、软绳拉住主浮标、主浮标吊至水面释放、用撑竿将主浮标推离布放船以及停止放索; 4) 布放测量仪器和玻璃球组, 包括连接并吊放各测量仪器和玻璃球组, 停止放索; 5) 布放系留绳和锚, 包括连接声学释放器、锚链和锚, 开启声学释放器, 调试声学释放器, 依次吊放声学释放器、锚链和沉块, 最后确认水深满足要求; 6) 布放完成, 包括确认潜标数据正常、记录布放位置和时间、乘船离开。潜标系统的回收流程为上述“标锚法”的逆过程, 具体流程不再赘述。

通过回顾潜标系统布放回收风险分析相关文献, 以及咨询相关领域专家, 从设备故障、人为失误和环境因素3个方面入手, 确定了潜标系统布放回收流程中的26个风险源, 将这26个风险源作为故障树分析的基本事件, 具体每个基本事件含义及编号见表1。对于设备故障类型只分析到设备“故障”或“损坏”, 不对具体原因进行分析, 人为失误也是如此。

表1  故障树基本事件含义

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03故障树模型

潜标系统布放回收作业可分为布放和回收2个阶段, 分别对识别的26个基本事件进行分析,并根据这些事件对潜标布放回收事故发生所起的作用确定相互的逻辑关系, 建立故障树模型如图2所示。

通过对故障树进行定性分析可以求得最小割集, 表示导致顶事件发生的最小事件集合, 其作用主要有3个: 一是求顶事件的发生概率; 二是辨识系统的薄弱环节; 三是用于事故发生后诊断故障发生的原因。通过Fussel-Vesely算法[8]计算, 潜标系统布放回收故障树的最小割集有23个。其中, 1阶最小割集20个, 主要包括布放回收测量仪器失误、布放回收剩余装备失误、布放回收缆绳失误等底层事件。一旦这些基本事件发生, 都会直接导致不同程度的潜标系统布放回收事故, 因此在进行布放回收时, 需要重点关注。2阶最小割集3个, 分别为{X2, X3}、{X5, X6}、{X14, X15}, 割集中的基本事件主要包括布放主浮标的止荡绳和撑杆操作失误或损坏, 所以在布放潜标时, 至少保证2阶最小割集中有一个基本事件不发生。

图2  潜标系统布放回收故障树模型

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根据定性分析结果, 发现海洋环境监测潜标布放回收故障树的最小割集中基本事件个数较少, 说明潜标系统在布放回收过程中发生事故的条件是很容易形成的, 所以潜标系统在布放回收过程中发生事故的可能性较高。

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04定量风险评估

4.1  数据收集与概率分析

邀请10名拥有丰富的潜标布放回收作业经验的专家, 利用模糊语义表达形式(“非常高”、“高”、“中”、“低”和“非常低”)对上述26个基本事件的发生概率展开分析。为提高评估结果的可靠性, 对专家进行权重分配, 权重分配属性如表2所示, 每个专家的权重得分是这些权重属性的总和, 如表3所示, 权重系数的计算公式为

式中: Wi表示第i名专家权重系数; Vi表示第i名专家权重得分; 表示第i名专家各属性得分。

表2  各属性权重表

7 B4 U" W1 Q) E( U3 j6 t表3  专家及其权重因子

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根据Chen等[9]提出的将语义表达转化为模糊数的数值逼近方法, 将语义表达“非常高”、“高”、“中”、“低”和“非常低”分别用VH、H、M、L和VL五组字母代替表示, 10名专家关于上述潜标系统布放回收过程中的26个基本事件发生概率的分析结果见表4。结合图3所示的5个模糊隶属函数, 可以将每个专家关于各个基本事件的评估意见转化为一串数值(a、b、c、d)。根据不同专家的权重系数, 将10名专家对各个基本事件的意见合并得到表示单个意见的一串数值, 进而根据公式获得所有基本事件的模糊可能性得分(fuzzy probability score, FPS), 具体计算公式为

表4  基本事件发生概率的专家意见表

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图3  模糊数的隶属函数

进一步, 根据Onisawa[10]提出的将FPS转换为精确概率的计算公式(见式(3)), 计算得到所有基本事件的精确概率值P(X), 如表5第3列所示。表中CI为关键重要度。

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表5  基本事件发生概率

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基于各基本事件的发生概率, 能够获得顶事件潜标系统布放回收事故发生概率, 计算公式如式(4)所示, 其中N为基本事件数目。最终计算得到的潜标系统布放回收事故发生概率为0.051 195, 布放阶段事故发生概率为0.028 564, 回收阶段事故发生概率为0.021 297。  

4.2  关键重要度

海洋环境监测潜标系统布放回收故障树共有23个最小割集, 如果对这些基本事件同时进行重点关注, 显然会造成巨大的人工及费用成本, 所以文中研究引入 CI概念, 对26个基本事件的重要度进行深入分析, 从而挖掘出关键风险源。

根据孙红梅等[11]关于几种典型重要度的研究, CI表示基本事件故障概率的变化率与由它引起顶事件发生概率的变化率之比。因此对CI值大的基本事件进行防控, 可以有效降低顶事件发生的概率。各基本事件CI值见表5第5列。关键重要度的计算公式为

05结果分析与建议

计算结果显示, 发生概率较大(＞0.1%)的基本事件有X20、X26、X7、X6、X5、X8、X1和X4, 概率值由高到低分别为0.004 761、0.003 936、0.003 840、0.002 062、0.001 738、0.001 645、0.001 592、0.001 050。CI值较大(＞1%)的基本事件有X20、X26、X7、X8、X1、X4、X25, 由高到底分别为0.088 658、0.073 235、0.071 442、0.030 537、0.029 552、0.019 480、0.011 702。分析发现:

1) 发生概率较高的基本事件均与潜标系统布放阶段有关联, 因此潜标系统布放回收过程中, 应重点关注潜标系统布放阶段;

2) CI值较高的基本事件发生概率也较高, 所以对CI值较高的几个基本事件进行防控, 能有效预防潜标系统布放回收事故的发生;

3) CI值最高的是“缆绳缠绕”, 因此在潜标系统布放过程中需对缆绳布放回收进专门防控, 严格按照缆绳布放回收步骤操作;

4) CI值次高的是“海况突变”, 因此在潜标系统布放回收之前需全面认真地考虑整体计划, 密切关注相关海域未来15天的气象预报, 以避免在风暴潮、台风等气象灾害发生时进行布放回收作业;

5) CI值第3~第6高的风险源分别是“脱钩操作失误”、“声学释放器操作失误”、“驾驶员操作失误”、“吊机操作失误”, 均属于人为操作失误, 因此应加强对于脱钩操作人员、声学释放器操作人员等专业人员的日常培训, 并设置监督和提醒人员, 保证按规操作。

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. y7 @& c5 c' w06结束语

研究表明, 可以利用模糊故障树分析方法对海洋环境监测潜标系统布放回收过程进行风险评估, 获得各基本事件与潜标系统布放回收事故间的关联关系, 以及各基本事件的发生概率和关键重要度, 诊断导致潜标系统布放回收事故发生的关键风险源, 并提出相应的防控建议。文中方法既可以对潜标系统布放回收事故发生进行定性分析, 也可以对潜标系统布放回收事故发生概率进行定量计算, 但定量计算结果未与系统实际发生事故统计结果进行对比分析。未来将查询相关资料获得系统实际发生事故概率, 再与定量计算结果进行对比分析进而优化模糊算法。文中研究对于海洋环境监测潜标系统的设计及其布放回收风险防控具有一定的指导意义。