基于專家權(quán)重和風(fēng)險(xiǎn)矩陣的潛艇集體逃生艙風(fēng)險(xiǎn)評估方法

陳生春，陳華偉

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢430033

0 引 言

目前，國內(nèi)外對裝備的風(fēng)險(xiǎn)評估大多是在對大量歷史數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而新型裝備和研制中的裝備由于缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因而較難進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，尤其是難以開展定量分析。當(dāng)前，使用較廣泛的基于專家權(quán)重的風(fēng)險(xiǎn)分析方法、基于模糊集合的分析方法以及風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法都不能很好地解決此類問題，本文將結(jié)合以上3 種方法的特點(diǎn)，給出一種新的風(fēng)險(xiǎn)評估模型，即把基于專家權(quán)重的風(fēng)險(xiǎn)等級計(jì)算方法和基于模糊集合的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算方法與風(fēng)險(xiǎn)矩陣相結(jié)合，以較好地解決這一問題。

潛艇集體逃生艙是艇員逃生的有效裝置，因而進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估對逃生艙的設(shè)計(jì)和制造具有重要的指導(dǎo)意義。這種基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)思路可以有效降低因設(shè)計(jì)缺陷而造成的資源浪費(fèi)。利用本文給出的風(fēng)險(xiǎn)評估模型，將對部分失效模式進(jìn)行初步的風(fēng)險(xiǎn)評估，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析，以證明該模型的適用性和結(jié)果的可信度。

1 專家權(quán)重的確定

確定專家權(quán)重是對評估專家的評估，是度量評估專家可信度的過程，有助于保證評估質(zhì)量。對專家賦予的權(quán)重是對專家知識、經(jīng)驗(yàn)和能力的綜合數(shù)量表示。這里將專家權(quán)重分為兩部分：靜態(tài)權(quán)重和動態(tài)權(quán)重，通過靜態(tài)權(quán)重和動態(tài)權(quán)重的組合得到最終的專家權(quán)重［1-3］。

1.1 靜態(tài)權(quán)重

本文把依據(jù)專家影響力、專業(yè)熟悉度及相關(guān)知識充裕度等而確定的權(quán)重稱為靜態(tài)權(quán)重。以專家質(zhì)量模型為基礎(chǔ)，通過計(jì)算專家影響力(ZY)、專家相關(guān)知識充裕度(ZC)和專家專業(yè)經(jīng)驗(yàn)熟悉度(ZJ)，由公式Zi=k1ZY+k2ZC+k3ZJ得到專家質(zhì)量得分(Zi)，進(jìn)行歸一化處理后得到靜態(tài)權(quán)重。設(shè)專家數(shù)為n，第j個(gè)專家的靜態(tài)權(quán)重為

式中：Zij為第j 個(gè)專家的質(zhì)量得分；Zik為第k 個(gè)專家的質(zhì)量得分。

1.2 動態(tài)權(quán)重

在實(shí)際評估過程中，專家所判斷的質(zhì)量并不一定與他的靜態(tài)權(quán)重相一致。動態(tài)權(quán)重是根據(jù)專家本次評估的偏離程度經(jīng)反饋計(jì)算得到，偏離程度越大，專家獲得的權(quán)重就越小，這種權(quán)重是一種動態(tài)的權(quán)重，可以考核專家本次的評估質(zhì)量，是對專家評審質(zhì)量的動態(tài)反映。在群體決策過程中加入動態(tài)權(quán)重可以使評估結(jié)果更貼近真實(shí)情況。

設(shè)n 個(gè)專家對同一方案的評估為mj（j=1，2，…，n），平均值，取可得

經(jīng)歸一化處理，得到各專家的動態(tài)權(quán)重

式中，Kj為第j個(gè)專家對該方案評估時(shí)的動態(tài)權(quán)重。

1.3 靜態(tài)權(quán)重與動態(tài)權(quán)重的組合

靜態(tài)權(quán)重與動態(tài)權(quán)重既可單獨(dú)使用，也可以組合使用。靜態(tài)權(quán)重反映專家本身的素質(zhì)和，動態(tài)權(quán)重是專家在靜態(tài)權(quán)重的前提下其能力的體現(xiàn)。為了對被評估對象做出更公正、科學(xué)的評估，提高評估系統(tǒng)的可靠性以及評估結(jié)果的精度，本文將靜態(tài)權(quán)重與動態(tài)權(quán)重進(jìn)行了融合，使得利用專家權(quán)重進(jìn)行的模糊綜合評判矩陣能更接近于實(shí)際。

首先，將靜態(tài)權(quán)重與動態(tài)權(quán)重相乘，然后再進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算公式為

在評估過程中，決定專家權(quán)重的因素很多，其中靜態(tài)權(quán)重是每個(gè)專家所特有的，并且是固定的。同時(shí)，在專家進(jìn)行評估的過程中，還存在臨時(shí)的經(jīng)驗(yàn)信息和臨時(shí)心態(tài)，使得最終的專家權(quán)重由靜態(tài)權(quán)重和動態(tài)權(quán)重共同決定。這種確定專家權(quán)重的方法在很大程度上降低了主觀因素的影響，與其它直接賦予專家權(quán)重的方法相比，更加科學(xué)、合理。

2 風(fēng)險(xiǎn)矩陣的建立及計(jì)算

2.1 風(fēng)險(xiǎn)等級的確定

風(fēng)險(xiǎn)等級表征失效效應(yīng)的嚴(yán)重程度，這里著重強(qiáng)調(diào)對艇員可能造成的傷害情況。目前，并沒有一種精確的量值來描述風(fēng)險(xiǎn)等級，而只是將它們進(jìn)行粗略的劃分。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的不同，劃分情況也不同，通常依具體情況而定。

本文針對集體逃生艙，依據(jù)對人員可能造成的傷害情況，將風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為了5 個(gè)等級，即A，B，C，D，E，分別為致命的、可能造成永久性殘疾的、需住院治療的、需在岸上由醫(yī)生治療的，以及簡單的海上應(yīng)急救治。專家一般不會直接判斷某失效模式的風(fēng)險(xiǎn)等級，多用帶有模糊性的分值給出判斷。本文為不同的風(fēng)險(xiǎn)等級賦予了不同的區(qū)間值，對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級Tab.1 Risk grade

這里選取20 人組成專家組，通過專家會議法來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別，得到的部分失效模式如表2所示。

表2 失效模式及其符號Tab.2 Failure modes and symbols

由專家組對各失效模式的危險(xiǎn)程度進(jìn)行打分，并根據(jù)打分情況確定專家動態(tài)權(quán)重，然后由公式（1）計(jì)算專家靜態(tài)權(quán)重，由公式（4）確定最終的專家權(quán)重。計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 專家權(quán)重Tab.3 Expert weights

將各專家的權(quán)重與其給出的分值進(jìn)行組合（計(jì)算方法見式（5））。查表1 可確定各失效模式的風(fēng)險(xiǎn)等級，其結(jié)果如表4 所示。

式中：wi為第i 個(gè)專家的權(quán)重；ri為第i 個(gè)專家的打分分值；Bj為第j 個(gè)失效模式的最終分值。

表4 失效模式的風(fēng)險(xiǎn)等級Tab.4 Risk grade of failure modes

2.2 風(fēng)險(xiǎn)概率的計(jì)算

風(fēng)險(xiǎn)概率帶有顯著的模糊性，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)方法難以解決此類問題。本文將采用專家主觀判斷法與模糊集理論相結(jié)合的方法來評估事件發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)概率。

模糊可能性值表示某事件發(fā)生的置信度，與風(fēng)險(xiǎn)概率的近似對應(yīng)關(guān)系如表5 所示。通過將專家評估語言轉(zhuǎn)化為模糊可能性值，從而確定風(fēng)險(xiǎn)概率，其計(jì)算過程參照文獻(xiàn)［4-8］。

表5 風(fēng)險(xiǎn)概率Tab.5 Risk probability

2.3 風(fēng)險(xiǎn)值的確定

在失效模式、影響及危害度分析（FMECA）中，將失效模式的發(fā)生概率與失效模式的嚴(yán)重程度綜合在一起即為失效模式的危害度，風(fēng)險(xiǎn)值的概念即來源于此。本文將失效模式的風(fēng)險(xiǎn)等級（嚴(yán)重程度）與風(fēng)險(xiǎn)概率（發(fā)生的概率）進(jìn)行了綜合，其結(jié)果即為失效模式的風(fēng)險(xiǎn)值。

結(jié)合上述針對潛艇集體逃生艙的風(fēng)險(xiǎn)等級和風(fēng)險(xiǎn)概率，建立了風(fēng)險(xiǎn)值矩陣，如表6 所示［9-10］。風(fēng)險(xiǎn)值為1～15 的整數(shù)，并將其劃分為了不同的區(qū)間，給出了不同的應(yīng)急方案。

表6 風(fēng)險(xiǎn)矩陣Tab.6 Risk matrix

結(jié)合各失效模式的風(fēng)險(xiǎn)概率及其風(fēng)險(xiǎn)等級，查表6 可得到其風(fēng)險(xiǎn)值，結(jié)果如表7 所示。

表7 失效模式的風(fēng)險(xiǎn)等級Tab.7 Risk grade of failure mode

表8 給出了在不同風(fēng)險(xiǎn)值下應(yīng)采取的措施。

表8 風(fēng)險(xiǎn)值Tab.8 Risk value

3 評估結(jié)果的可信度分析

潛艇集體逃生艙作為一種新型的救生裝備，目前還沒有相關(guān)失效模式的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，也難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，本文將主要通過與類似救生裝備的風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果進(jìn)行對比來確定該評估結(jié)果的可信度。2009年，英國詹姆士費(fèi)舍爾公司（JFD 公司）采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣的方法對LR7 型深潛救生艇進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評估（表9），本文在其評估結(jié)果中選取了4 個(gè)與集體逃生艙類似的失效模式進(jìn)行了對比。

表9 LR7 部分失效模式的評估結(jié)果Tab.9 Evaluation results of LR7 failure modes

由于兩者在結(jié)構(gòu)、原理和使用方式等方面存在差異，因而類似失效模式的評估結(jié)果不可能完全相同。由表9 和表10 可以看出，4 種類似失效模式的評估結(jié)果基本一致，說明該評估結(jié)果具有較高的可信度。

表10 集體逃生艙部分失效模式的評估結(jié)果Tab.10 Evaluation results of collective escape capsule failure modes

4 結(jié) 語

針對處于研制階段的裝備無歷史數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，風(fēng)險(xiǎn)評估較為困難的情況，本文將基于專家權(quán)重的風(fēng)險(xiǎn)等級計(jì)算方法和基于模糊集合的風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算方法與風(fēng)險(xiǎn)矩陣予以了結(jié)合，給出了一種新的風(fēng)險(xiǎn)評估模型，解決了無法進(jìn)行定量分析的問題。從評估過程及評估結(jié)果來看，本文所提出的評估模型具有較好的適用性，能較好地完成對在研項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評估，應(yīng)用該評估模型得到的評估結(jié)果具有較高的可信度。

［1］龐彥軍，劉開第，張博文. 綜合評價(jià)系統(tǒng)客觀性指標(biāo)權(quán)重的確定方法［J］. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2001（8）：37-42.PANG Yanjun，LIU Kaidi，ZHANG Bowen. The meth?od of determining the objective index weight in the syn?thetic evaluation system［J］. Systems Engineering-The?ory and Practice，2001（8）：37-42.

［2］陶菊春，吳建民.綜合加權(quán)評分法的綜合權(quán)重確定新探［J］.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐，2001（8）：43-48.TAO Jüchun，WU Jianmin. New study on determining the weight of index in synthetic weighted mark method［J］. Systems Engineering-Theory and Practice，2001（8）：43-48.

［3］張駿. 群體決策過程中系統(tǒng)評價(jià)的專家權(quán)重反饋算法［J］. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2002，24（6）：145-146，150.ZHANG Jun. A feedback algorithm of experts’weight for system estimate in the process of group decision［J］.Journal of Wuhan University of Technology（Informa?tion and Management Engineering），2002，24（6）：145-146，150.

［4］DONG Y H，YU D T. Estimation of failure probability of oil and gas transmission pipelines by fuzzy fault tree analysis［J］. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2005，18（2），83-88.

［5］何淑靜，周偉國，嚴(yán)銘卿. 上海城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)失效模糊故障樹分析法［J］. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，33（4）：507-511.HE Shujing，ZHOU Weiguo，YAN Mingqing. Fuzzy fault tree analysis method for assessing shanghai city gas transmission and distribution pipeline’s fault［J］.Journal of Tongji University（Natural Science），2005，33（4）：507-511.

［6］陶俊勇，王勇，陳循. 復(fù)雜大系統(tǒng)動態(tài)可靠性與動態(tài)概率風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.兵工學(xué)報(bào)，2009，30（11）：1533-1539.TAO Junyong，WANG Yong，CHEN Xun. A survey of the complex large system dynamic reliability and dy?namic probabilistic risk assessment［J］. Acta Arma?mentarii，2009，30（11）：1533-1539.

［7］NEJAD-HOSSEINIAN S H. Automatic generation of generalized event sequence diagrams for guiding simu?lation based dynamic probabilistic risk assessment of complex systems［M］. Maryland：University of Mary?land，2007.

［8］XU H.Dynamic Event Fault Tree（DEFT）：a methodol?ogy for probabilistic risk assessment of computerbased systems［M］. Virginia：University of Virginia，2008.

［9］GARVEY P R，LANSDOWNE Z F. Risk matrix：an ap?proach for identifying，assessing and ranking program risks［J］. Air Force Journal of Logistics，1998，22（1）：18-21.

［10］陳華偉，陳生春，黃祥兵.風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法在集體逃生艙釋放過程中的應(yīng)用研究［J］. 艦船電子工程，2011，31（7）：105-108.CHEN Huawei，CHEN Shengchun，HUANG Xiangbing.Appling risk matrix method to evaluate the releasing process of collective escape capsule［J］. Ships Elec?tronic Engineering，2011，31（7）：105-108.