基于模糊故障樹的潛標系統布放回收風險評估

楊 宇, 楊偉丙, 李宸堯, 蔡 頌

基于模糊故障樹的潛標系統布放回收風險評估

楊 宇, 楊偉丙, 李宸堯, 蔡 頌

(中國人民解放軍32033部隊,海南 ?？? 570100)

針對海洋環境監測潛標系統布放回收成功率不高的問題, 結合相關文獻及專家意見, 分析潛標系統布放回收過程潛在風險源, 基于模糊故障樹分析法獲得風險基本事件與潛標系統布放回收事故間的關聯關系, 并對潛標系統在布放回收過程中發生事故的可能性進行定量分析, 獲得各基本事件的發生概率和關鍵重要度, 進而診斷潛標布放回收過程中的關鍵風險源, 從而提出相應的預防措施以提高潛標系統布放回收成功率。仿真結果表明, 基于模糊故障樹分析法能夠獲得潛標系統布放回收事故發生的概率和關鍵風險源; 發生概率較高的基本事件均與潛標系統布放階段有關聯; 關鍵重要度較高的基本事件發生概率也較高。該項研究對海洋環境監測潛標系統的設計及其布放回收風險防控具有一定的參考價值。

潛標; 布放回收; 風險評估; 模糊算法

0 引言

20世紀中葉, 潛標技術首先在美國發展起來。隨著技術的不斷成熟, 潛標逐漸成為海洋環境監測的主要設備之一[1]。潛標系統能夠長期定點監測水下不同層面上的海流、水溫、鹽度和水下噪聲等海洋水文資料[2]。我國于20世紀70 年代開始了海洋潛標技術研究, 雖然取得了一定進展, 但裝備可靠性與國外發達國家相比仍存在一定差距。另外, 除了潛標系統本身的可靠性外, 水下復雜自然環境、系統布放和回收技術等都會影響潛標系統布放回收成功率[3]。因此, 潛標系統布放回收成功率通常難以保證, 而現有聚焦于潛標系統布放回收風險的研究較為匱乏。谷峰等[4]曾利用模糊故障樹分析法對潛標系統回收率進行定量評定, 但國內未有學者對潛標系統布放回收過程進行風險評估。為此, 文中采用模糊故障樹分析方法, 對潛標系統布放回收過程進行風險評估, 挖掘潛在風險因素, 理清風險演化機理, 并診斷關鍵風險源, 為作業人員在實施潛標系統布放回收風險管理時提供充分的理論指導。

1 故障樹分析法

故障樹分析方法是一種由上往下的演繹式分析法, 其利用一套邏輯符號組合每一個基本事件, 來表示導致頂事件發生的關系圖[5]。故障樹分析法通常具有兩大作用, 一是清楚表示各基本事件間的邏輯關系及風險演化路徑, 對頂事件發生進行定性分析; 二是精確計算各基本事件的重要度及頂事件的發生可能性等, 從而對頂事件發生進行定量分析。因此, 利用故障樹分析法對潛標系統布放回收流程進行風險分析, 可以獲得導致潛標系統布放回收事故各風險源間的邏輯關聯關系, 理清風險演化機理, 同時診斷關鍵風險源。

故障樹模型中常用的圖形符號如圖1所示, 其中, 頂事件表示要研究的風險事件, 是進行風險分析的起點; 中間事件連接頂事件和基本事件, 屬于過程事件, 能夠被繼續分解; 基本事件導致中間事件或頂事件發生, 卻不能或不需要再分解的事件, 又稱為底事件。與門和或門表示邏輯門, 邏輯門下方的事件稱為輸入事件, 邏輯門上方的事件稱為輸出事件[6]。與門表示必須所有輸入事件發生, 才能保證輸出事件發生; 或門表示只要有一個輸入事件發生, 就能保證輸出事件發生。

圖1 故障樹模型常用圖形符號

2 風險識別

根據楊坤漢等[7]總結的繃緊型單點錨定潛標系統布放回收操作方法, 潛標系統的布放方法主要有“標錨法”和“錨標法”?！皹隋^法”是先用船上吊桿把潛標主浮標放入水中, 然后再布放測量儀器和系留繩; “錨標法”是先用船上吊桿把錨吊入水中, 再依次布放系留繩、測量儀器和主浮標。其中“標錨法”所需設備簡單, 操作技術容易掌握, 受氣象條件影響小, 整個系統在布放過程中所受張力小, 因此是最常采用的潛標布放方法。文中針對“標錨法”進行風險識別。

“標錨法”具體布放流程為: 1) 布放準備工作, 包括作業人員安全準備、布放裝置準備以及布放工具準備; 2)布放位置選取, 包括抵近布放區域、開展測深工作以及確定布放點; 3)布放主浮標, 包括迎流停住船、掛鉤吊起主浮標、軟繩拉住主浮標、主浮標吊至水面釋放、用撐竿將主浮標推離布放船以及停止放索; 4)布放測量儀器和玻璃球組, 包括連接并吊放各測量儀器和玻璃球組, 停止放索; 5)布放系留繩和錨, 包括連接聲學釋放器、錨鏈和錨, 開啟聲學釋放器, 調試聲學釋放器, 依次吊放聲學釋放器、錨鏈和沉塊, 最后確認水深滿足要求; 6)布放完成, 包括確認潛標數據正常、記錄布放位置和時間、乘船離開。潛標系統的回收流程為上述“標錨法”的逆過程, 具體流程不再贅述。

通過回顧潛標系統布放回收風險分析相關文獻, 以及咨詢相關領域專家, 從設備故障、人為失誤和環境因素3個方面入手, 確定了潛標系統布放回收流程中的26個風險源, 將這26個風險源作為故障樹分析的基本事件, 具體每個基本事件含義及編號見表1。對于設備故障類型只分析到設備“故障”或“損壞”, 不對具體原因進行分析, 人為失誤也是如此。

表1 故障樹基本事件含義

3 故障樹模型

潛標系統布放回收作業可分為布放和回收2個階段, 分別對識別的26個基本事件進行分析,并根據這些事件對潛標布放回收事故發生所起的作用確定相互的邏輯關系, 建立故障樹模型如圖2所示。

通過對故障樹進行定性分析可以求得最小割集, 表示導致頂事件發生的最小事件集合, 其作用主要有3個: 一是求頂事件的發生概率; 二是辨識系統的薄弱環節; 三是用于事故發生后診斷故障發生的原因。通過Fussel-Vesely算法[8]計算, 潛標系統布放回收故障樹的最小割集有23個。其中, 1階最小割集20個, 主要包括布放回收測量儀器失誤、布放回收剩余裝備失誤、布放回收纜繩失誤等底層事件。一旦這些基本事件發生, 都會直接導致不同程度的潛標系統布放回收事故, 因此在進行布放回收時, 需要重點關注。2階最小割集3個, 分別為{X2, X3}、{X5, X6}、{X14, X15}, 割集中的基本事件主要包括布放主浮標的止蕩繩和撐桿操作失誤或損壞, 所以在布放潛標時, 至少保證2階最小割集中有一個基本事件不發生。

圖2 潛標系統布放回收故障樹模型

根據定性分析結果, 發現海洋環境監測潛標布放回收故障樹的最小割集中基本事件個數較少, 說明潛標系統在布放回收過程中發生事故的條件是很容易形成的, 所以潛標系統在布放回收過程中發生事故的可能性較高。

4 定量風險評估

4.1 數據收集與概率分析

邀請10名擁有豐富的潛標布放回收作業經驗的專家, 利用模糊語義表達形式(“非常高”、“高”、“中”、“低”和“非常低”)對上述26個基本事件的發生概率展開分析。為提高評估結果的可靠性, 對專家進行權重分配, 權重分配屬性如表2所示, 每個專家的權重得分是這些權重屬性的總和, 如表3所示, 權重系數的計算公式為

表2 各屬性權重表

表3 專家及其權重因子

根據Chen等[9]提出的將語義表達轉化為模糊數的數值逼近方法, 將語義表達“非常高”、“高”、“中”、“低”和“非常低”分別用VH、H、M、L和VL五組字母代替表示, 10名專家關于上述潛標系統布放回收過程中的26個基本事件發生概率的分析結果見表4。結合圖3所示的5個模糊隸屬函數, 可以將每個專家關于各個基本事件的評估意見轉化為一串數值(、、、)。根據不同專家的權重系數, 將10名專家對各個基本事件的意見合并得到表示單個意見的一串數值, 進而根據公式獲得所有基本事件的模糊可能性得分(fuzzy probability score, FPS), 具體計算公式為

表4 基本事件發生概率的專家意見表

(3)

進一步, 根據Onisawa[10]提出的將FPS轉換為精確概率的計算公式(見式(3)), 計算得到所有基本事件的精確概率值(), 如表5第3列所示。表中CI為關鍵重要度。

表5 基本事件發生概率

基于各基本事件的發生概率, 能夠獲得頂事件潛標系統布放回收事故發生概率, 計算公式如式(4)所示, 其中為基本事件數目。最終計算得到的潛標系統布放回收事故發生概率為0.051195, 布放階段事故發生概率為0.028564, 回收階段事故發生概率為0.021297。

4.2 關鍵重要度

海洋環境監測潛標系統布放回收故障樹共有23個最小割集, 如果對這些基本事件同時進行重點關注, 顯然會造成巨大的人工及費用成本, 所以文中研究引入CI概念, 對26個基本事件的重要度進行深入分析, 從而挖掘出關鍵風險源。

根據孫紅梅等[11]關于幾種典型重要度的研究, CI表示基本事件故障概率的變化率與由它引起頂事件發生概率的變化率之比。因此對CI值大的基本事件進行防控, 可以有效降低頂事件發生的概率。各基本事件CI值見表5第5列。關鍵重要度的計算公式為

5 結果分析與建議

計算結果顯示, 發生概率較大(＞0.1%)的基本事件有X20、X26、X7、X6、X5、X8、X1和X4, 概率值由高到低分別為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值較大(＞1%)的基本事件有X20、X26、X7、X8、X1、X4、X25, 由高到底分別為0.088 658、0.073 235、0.071 442、0.030 537、0.029 552、0.019 480、0.011 702。分析發現:

1) 發生概率較高的基本事件均與潛標系統布放階段有關聯, 因此潛標系統布放回收過程中, 應重點關注潛標系統布放階段;

2) CI值較高的基本事件發生概率也較高, 所以對CI值較高的幾個基本事件進行防控, 能有效預防潛標系統布放回收事故的發生;

3) CI值最高的是“纜繩纏繞”, 因此在潛標系統布放過程中需對纜繩布放回收進專門防控, 嚴格按照纜繩布放回收步驟操作;

4) CI值次高的是“海況突變”, 因此在潛標系統布放回收之前需全面認真地考慮整體計劃, 密切關注相關海域未來15天的氣象預報, 以避免在風暴潮、臺風等氣象災害發生時進行布放回收作業;

5) CI值第3～第6高的風險源分別是“脫鉤操作失誤”、“聲學釋放器操作失誤”、“駕駛員操作失誤”、“吊機操作失誤”, 均屬于人為操作失誤, 因此應加強對于脫鉤操作人員、聲學釋放器操作人員等專業人員的日常培訓, 并設置監督和提醒人員, 保證按規操作。

6 結束語

研究表明, 可以利用模糊故障樹分析方法對海洋環境監測潛標系統布放回收過程進行風險評估, 獲得各基本事件與潛標系統布放回收事故間的關聯關系, 以及各基本事件的發生概率和關鍵重要度, 診斷導致潛標系統布放回收事故發生的關鍵風險源, 并提出相應的防控建議。文中方法既可以對潛標系統布放回收事故發生進行定性分析, 也可以對潛標系統布放回收事故發生概率進行定量計算, 但定量計算結果未與系統實際發生事故統計結果進行對比分析。未來將查詢相關資料獲得系統實際發生事故概率, 再與定量計算結果進行對比分析進而優化模糊算法。文中研究對于海洋環境監測潛標系統的設計及其布放回收風險防控具有一定的指導意義。

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Risk Assessment of Deployment and Recovery of Submarine Buoy System Based on Fuzzy Fault Tree

YANG Yu, YANG Wei-bing, LI Chen-yao, CAI Song

(32033thUnit, The Chinese People’s Liberation Army, Haikou 570100, China)

Aiming at the low success rate of submarine buoy deployment and recovery in marine environmental monitoring systems, this paper analyzes the potential risk sources in the process of submarine buoy system deployment and recovery combined with relevant literature and expert opinions.Based on the fuzzy fault tree analysis method, the relationship between the basic risk events and the deployment and recovery accidents of the submarine buoy system is obtained, and the possibility of accidents in the deployment and recovery process of the submarine buoy systems analyzed quantitatively.The occurrence probability and critical importance of each basic event are obtained, then the key risk sources in the deployment and recovery processes of the submarine buoy system are diagnosed, and the corresponding preventive measures are presented to improve the success rate of deployment and recovery.The simulation results showed that: 1) based on the fuzzy fault tree analysis method, the probability and key risk sources of the deployment and recovery accidents of the submarine buoy system can be obtained; 2) the basic events with a high probability are related to the deployment stage of submarine buoy system; 3) and the probability of basic events with a higher critical importance is also higher.

submersible buoy; deployment and recovery; risk assessment; fuzzy fault tree

楊宇, 楊偉丙, 李宸堯, 等.基于模糊故障樹的潛標系統布放回收風險評估[J].水下無人系統學報, 2022, 30(1): 122-127.

P715.5; X820.4

A

2096-3920(2022)01-0122-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.016

2021-04-13;

2021-06-13.

楊 宇(1992-), 男, 碩士, 助理工程師, 主要研究方向為氣象海洋學.

(責任編輯: 許 妍)