船舶风险评估

船舶风险评估学院建工学院专业船舶与海洋工程年级2016级姓名施冠羽指导教师余建星2016年12月12日摘要为了合理进行船舶风险评估,提出了一种基于模糊逻辑系统的船舶风险评估方法.根据模糊逻辑系统的基本原理,建立了船舶风险评估的模糊逻辑模型;按照国家标准、规范,并结合经验建立了风险指标的模糊集合、风险矩阵及模糊规则,然后进行了模糊推理,得到了系统的风险等级,并制定了预防风险的措施。结合船舶风险评估的特点，选择适用于船舶定量风险评估的理论方法，建立了层次分析法与模糊综合评估法相结合的风险评估模型。关键词：船舶工程;模糊逻辑系统;风险评估;模糊规则；层次分析法ABSTRACTThepaperproposesanewriskassessmentmethodformarineengineeringbasedonthefuzzy-logicsystem.Accordingtothetheoryofthefuzzy-logicsystem,afuzzy-logicmodeforriskassessmentwassetup.Accordingtothenationalstandards,rulesandexperiences,thepaperpresentsthefuzzyriskvariablessets,riskmatrixandfuzzyrules,thenmakesfuzzyreasoning,andfindstherisklevelofthesystem,andtakessomemeasurestoavoidtherisk.Thetheorymethodofquantitativeriskassessmentisselected,andtheriskassessmentmodelisestablishedbytheanalytichierarchyprocessandthefuzzycomprehensiveevaluationmethod.Keywords:marineengineering;fuzzy-logicsystem;riskassessment;fuzzyrules;AHP目录第一章模糊逻辑系统概述.................................................................................51.1模糊规则库.......................................51.2模糊推理机.......................................51.3模糊化...........................................51.4清晰化...........................................5第二章船舶系统风险评估的模糊逻辑模型....................................................62.1风险指标的模糊集合...............................62.2风险评估模型的模糊规则...........................72.3船舶系统风险评估的流程...........................72.4基于风险等级的系统维护...........................8第三章船舶风险评估指标.........................................................................................83.1船舶评估指标权重..................................83.2船舶评估指标隶属度...............................10第四章结束语..................................................................................................................11第一章模糊逻辑系统概述模糊逻辑系统[1,2,4]是一个建立在知识库、模糊规则库基础上的逻辑推理系统,主要由模糊规则库、模糊推理机、模糊化和清晰化4个部分组成,其信息处理流程如图1所示.文中仅讨论多输入单输出的模糊逻辑系统,多输出的模糊逻辑系统可分解为多个单输出系统来分析.输入信号(风险参数)U=U1×U2×⋯×UnRn,经系统处理后得到输出信号(即评估等级)VR.1.1模糊规则库模糊规则库是模糊逻辑系统的核心,它由一系列IF2THEN形式的模糊规则组成.其格式为:Ru(l)∶IFx1isAl1and⋯andxnisAln,THENyisBl(1)式中:Ali(i=1,2,⋯,n);Bl分别为UiR和VR对应的模糊集;x=(x1,x2,⋯,xn)T∈U;y∈V分别表示模糊逻辑系统的输入变量和输出结果;l表示模糊规则的序号,若共有M条规则,则l=1,2,⋯,M.1.2模糊推理机在模糊推理机中,利用模糊规则库中的IF2THEN逻辑原理将输入信号U对应的模糊集Al映射到输出信号V对应的模糊集Bl.输入信号U对应的模糊集Al,经模糊推理机处理后,得到输出信号对应的模糊集Bl:μBl(y)=maxMl=1[supmin(μAlx∈U(x),μAl1(x1),⋯,μAln(xn),μBl(y))]M1.3模糊化模糊逻辑系统的输入信号是实数域变量或语言值变量,而模糊推理机只能处理模糊集信号,不能直接处理实数域信号,因此实数域的输入信号必须模糊化后才能进行模糊推理运算.模糊化是将实数域变量x3∈URn映射到U对应的模糊集Al上.1.4清晰化清晰化是将输出信号V对应的模糊集Bl映射到一个实点yΔ∈V.为了使该点能够很好地反映模糊集Bl代表的信息,本文采用中值法清晰化模糊集合.对于同一模糊集上的模糊等级F1,F2,⋯,Fm,若其中值分别为y1,y2,⋯,ym,某输出信号对它们的隶属度分别为w1,w2,⋯,wm,则代表输出信号V指标的实数值yΔ可以用下式计算得到:yΔ=(y1w1+y2w2+⋯+ymwm)/(w1+w2+⋯+wm)(3)第二章船舶系统风险评估的模糊逻辑模型2.1风险指标的模糊集合风险,是指在一定的时间内,由于系统行为的不确定性(主要指发生了意料之外的事故)给人类带来危害的可能性.系统的风险等级主要由事件发生的概率及事件的危害程度2个方面的因素决定.根据文献[5]中表5.2失效概率分类,采用语言值集合FL={不太可能,很少的,较少的,经常性}表示事件发生的概率,并用[0,1]上的模糊等级与之对应;根据GJB1391严酷度分类[6],用语言值集合CS={轻度的,临界的,致命的,灾难的}表示事件的危害程度,并用[0,1]上的模糊等级与之对应;采用语言值集合H={可忽略的,合理可行的,高风险的,不可接受的}表示系统的风险等级,并用[0,1]上的模糊等级与之对应.概率语言值[5]、危害语言值[6]、风险语言值与模糊等级的定义分别如表1～3所示表1事件的概率等级及语言值定义概率等级概率语言值年度名义频率范围0,0.1,0.2不太可能10-40.3,0.4,0.5很少的10-2～10-30.6,0.7,0.8较少的10-1～10-20.9,1.0经常性10-1表2事件的危害等级及语言值定义危害等级危害程度的语言值对人员、财产和环境的影响0,01,0,2轻度的不足以导致人员伤害,很小的经济损失,不会破坏环境.0.3,0.4,0.5临界的引起人员的轻度伤害,一定的经济损失,对环境轻度破坏.0.6,0.7,0.8致命的引起人员的严重伤害,重大的经济损失,对环境破坏程度大.0.9,1.0灾难的引起人员死亡或系统毁坏,经济损失惨重,对环境灾难性破坏.表3系统的风险等级及语言值风险等级0,0.1,0.20.3,0.4,0.50.6,0.7,0.80.9,1.0风险语言值可忽略的合理可行的高风险的不可接受的2.2风险评估模型的模糊规则风险(Risk)是根据事件发生的概率(P)及其危害(C)来评价的,即:Risk=f(P,C).模糊规则是用IF2THEN的形式建立概率、危害和风险之间语言值的联系.如:IF(事件发生概率等级是经常性的)and(其危害是灾难性的)Then(事件发生的风险是不可接受的).2.3船舶系统风险评估的流程系统的风险是由人员风险、环境风险和财产风险3部分构成的,利用模糊逻辑系统进行各个风险的评估步骤如下:(1)系统输入变量的模糊化系统的输入变量是表征事件发生频率和危害程度的参数.根据故障树分析、故障模式及危害分析[6],参考概率、危害等级定义,便得出概率等级和危害等级;若缺乏统计数据,则需专家定义概率、危害等级标准,再逐一评估得到[6,7].因此,输入变量可能是FL,CS模糊集中具有隶属度的语言值,也可能是[0,1]上的实数值(模糊等级).语言值可直接进行模糊推理;实数值则需根据概率、危害等级标准进行模糊化,判断其隶属于模糊集上的哪些语言值及其隶属度.(2)模糊推理运算输入变量模糊化后,其可能隶属于几个语言值,则进行模糊推理时可能涉及到多个模糊规则.在其涉及到的第i(i=1,⋯,I)个模糊规则中,若输入变量对该规则中概率语言值的隶属度为μFL,i,对该规则中危害语言值的隶属度为μCS,i,则评估风险对该规则中风险语言值的隶属度μi可用下式表示为:μi=min(μFL,i,μCS,i)(4)评估风险的语言值模糊集Lrj可表示为:Lrj={max(β1,i,“可忽略的”);max(β2,i,“合理可行的”);max(β3,i,“高风险的”);max(β4,i,“不可接受的”)}(5)式中:β1,j表示经过模糊推理运算后,第i(i=1,⋯,I)个模糊规则中的评估风险对风险语言值“可忽略的”的隶属度;同理,β2,i,β3,i,β4,i分别表示其对风险语言值“合理可行的”、“高风险的”、“不可接受的”的隶属度.(3)模糊集清晰化利用中值法(即(3)式)将评估风险的语言值模糊集Lrj转化为一个实数值yΔ,用[0,1]上的模糊等级rj=yΔ反映事件风险的大小.根据上述方法分别求出人员风险rP、环境风险rE和财产风险rB,再利用专家层次分析法[8]得到三者在系统风险中的权重wP,wE,wB,则系统的风险RL可表示为:RL=rpwp+rEwE+rBwB(6)2.4基于风险等级的系统维护有计划的维护能保证船舶系统的可靠性、安全性,而维护是直接与费用效益相联系的.为了确保系统的风险,兼顾运作的效益,实施基于风险等级的系统维护是必要的.作者根据经验,初步拟定了一份基于风险等级的船舶消防系统维护标准(风险等级0.5以下:正常维护,定期检查、维修;0.5～0.85:经常检查、维修,定期大修;0.85以上:及时大修或替换系统).第三章船舶风险评估指标3.1船舶评估指标权重通过发放调查表以及对有经验的专家、学者的调研，建立了船舶承保风险评估指标体系，并对各指标进行了详细分析。为了客观、合理地评价船舶的承保风险，突出主要的风险影响因素，本文采用层次分析法(TheAnalyticHierarchyPrecess，简称AHP)来计算评估指标的权重，即获取下一级指标对上一级指标评价时各个指标的重要度。（1）首先，构造两两比较判断矩阵。在建立船舶承保风险评估指标体系以后，也就建立了元素的递阶层次结构。其上下层次之间元素的隶属关系也被确定了。接下来就是在各层元素中进行两两比较，并引入判断尺度将其量化，构成两两比较判断矩阵。比较判断矩阵是以上一层次的某元素CK为评价准则，对下一层次的元素A1，A2，...，An进行两两比较，按判断尺度确定其相当重要度aij，以此作为元素值，建立判断矩阵：CKA1A2...Aj...AnA1a11a12...a1j...a1nA2a21a22...a2j...a2nAiai1ai2...ai