海洋鉆井平臺應急脆弱性群評估法研究*

熊云峰，陳章蘭，李曉文

(1.集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引言

脆弱性(Vulnerability)源于自然災害領域，反映承載體能夠應對災害的程度[1]。20 世紀90年代以來，脆弱性的概念從科學領域向社會學領域滲透，在公共安全、管理學、職業(yè)健康、經(jīng)濟學等領域得到廣泛關(guān)注，脆弱性的概念被不斷修正和完善。從安全科學與工程擴展角度來說，脆弱性是系統(tǒng)在某一擾動下發(fā)生的變化程度，以及從擾動的不利影響中恢復正常運行的能力[1-3]。根據(jù)海洋鉆井平臺應急系統(tǒng)特點，海洋鉆井平臺應急脆弱性可定義為海洋鉆井平臺應急系統(tǒng)中存在的可能被威脅利用造成損害的薄弱環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)應對各種不利因素影響時的敏感性與反應能力。海洋鉆井平臺的應急能力與鉆井平臺安全可靠作業(yè)息息相關(guān),只有對海洋鉆井平臺應急脆弱性作出科學評估，及時指出應急系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，才能采取切實可行的糾正和預防措施，及時有效排除系統(tǒng)中隱藏的威脅和不利因素，確保海洋鉆井平臺安全。因此，如何正確評估海洋鉆井平臺應急脆弱性是關(guān)系到海洋鉆井平臺整體作業(yè)安全的重要研究課題。

目前，關(guān)于海洋鉆井平臺應急脆弱性評估的研究成果較少：孟祥坤[4]以南海第7代超深水半潛式平臺的鉆井系統(tǒng)為研究對象，提出1套針對深水半潛式平臺鉆井作業(yè)系統(tǒng)的風險評估方法；Paik等[5]建立海洋結(jié)構(gòu)物的風險評估和管理框架，并對其火災爆炸風險開展定量評估；劉書杰等[6]基于貝葉斯網(wǎng)絡建立深水鉆井安全性網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)；Xue等[7]建立海上鉆井作業(yè)的安全屏障模型；郭恒等[8-9]建立海洋平臺事故動力模型，提出海洋鉆井平臺事故致因評價框架；秦庭榮等[10]提出船舶應急脆弱性定義，建立船舶應急脆弱性評估指標體系和脆弱性評估模型；梅丹等[11]提出綜合脆弱性概念，建立艦船電網(wǎng)節(jié)點綜合脆弱性的評估模型。綜上，現(xiàn)有研究均沒有充分考慮不同專家在群評估中作用的差異性,忽略專家權(quán)重對指標權(quán)重和評估結(jié)果的重要影響。

本文根據(jù)海洋鉆井平臺應急系統(tǒng)顯著復雜性和模糊性特點，充分考慮評估專家和評價因子權(quán)重信息，運用權(quán)重集結(jié)方法和模糊綜合評估理論，構(gòu)建海洋鉆井平臺應急脆弱性綜合群評估模型，旨在為科學評價海洋鉆井平臺應急脆弱性提供新思路。

1 評估指標體系

根據(jù)海洋鉆井平臺的作業(yè)特點、危害因素、突發(fā)事件特征以及平臺應急體系自身功能要求，基于人因工程理論，遵循科學性、系統(tǒng)性及層次性相結(jié)合的原則，從脆弱性特征要素(包括暴露度、敏感度和適應度)和構(gòu)成承載體的組元因素(包括人員、設備、環(huán)境，管理等)出發(fā)，對海洋鉆井平臺應急脆弱性影響因子進行系統(tǒng)分析，建立海洋鉆井平臺應急脆弱性綜合評估評價指標體系，如圖1所示。

圖1 海洋鉆井平臺應急脆弱性評估指標體系Fig.1 Evaluation index system for emergency vulnerability of offshore drilling platforms

評估指標體系分為2個層次：第1層由應急人員脆弱性(R)、應急設備脆弱性(S)、應急管理脆弱性(G)和外部保障脆弱性(H)4個單元組成，每個單元又有若干評估指標；第2層即為評估目標層，由第1層的4個單元作為第2層的4個評估指標。其中，R1～R4分別表示人員業(yè)務能力、心理素質(zhì)、身體素質(zhì)和知識水平；S1～S7分別表示井控設備系統(tǒng)、油液輸送系統(tǒng)、檢測報警系統(tǒng)、消防設備系統(tǒng)、救生設備系統(tǒng)、防污染設備系統(tǒng)和應急通信系統(tǒng)；G1～G5分別表示領導重視程度、應急組織機構(gòu)、應急管理制度、應急管控預案、安全教育培訓；H1～H4分別表示自然環(huán)境條件、外部物資補償、外部救援力量和災后保險理賠。

2 權(quán)重計算模型

在對某個評估對象進行群評估時，必須合理確定評估專家的權(quán)重和評估指標的權(quán)重，才能確保評估結(jié)論準確性和可靠性[12]。

目前，專家權(quán)重確定方法一般直接根據(jù)評估指標值，通過計算熵權(quán)等方法獲得。確定指標綜合權(quán)重的方法為分別由主觀權(quán)重法(如層次分析法等)和客觀權(quán)重法(如變異系數(shù)法等)求出指標的主、客觀權(quán)重，通過線性組合等方法得到指標綜合權(quán)重。上述方法均未考慮專家個體差異性，沒有充分反映專家權(quán)重對指標權(quán)重重要影響。因此，本文將針對海洋鉆井平臺應急脆弱性評估的特點，統(tǒng)籌考慮不同專家學習背景、工作經(jīng)驗和業(yè)務能力等方面的差異性，賦予專家合理的權(quán)重；并引入多位專家對指標賦權(quán)，然后利用群決策方法對所有專家給出的指標權(quán)重進行集結(jié)，得到指標綜合權(quán)重，從而提高指標權(quán)重的合理性和可信性[13-16]。

2.1 評估專家權(quán)重

評估專家基本條件為至少在本專業(yè)領域工作滿3 a、具備本專業(yè)或相關(guān)專業(yè)?？萍耙陨蠈W歷、副高級及以上職稱的專業(yè)技術(shù)人員。從專家學習背景、工作經(jīng)驗和業(yè)務能力3個方面給專家評分，評分標準見表1～3。

表1 專家學習背景評分標準Table 1 Scoring standard of experts’ learning background

表2 專家工作經(jīng)驗的評分標準Table 2 Scoring standard of experts’ working experience

表3 專家業(yè)務能力的評分標準Table 3 Scoring standard of experts’ professional ability

按照表1～3，對每位專家進行評分，并計算出每位專家的總得分。

專家權(quán)重如式(1)所示：

λ=(λt)1×p

(1)

其中λt如式(2)所示：

(2)

式中：λt∈[0,1]為第t個專家的權(quán)重；Dt表示第t位專家的總得分；p為專家總數(shù)。

2.2 評估指標綜合權(quán)重

由p位評估專家根據(jù)自己的工作經(jīng)驗和主觀偏好，運用直接賦權(quán)法、層次分析法、熵權(quán)法、差異系數(shù)法、灰關(guān)聯(lián)分析法、成份分析法或組合權(quán)重法等[12-15]，分別給出n個評估指標的權(quán)重向量如式(3)所示：

(3)

根據(jù)式(3)，建立由p位評估專家賦權(quán)的評估指標權(quán)重矩陣WZ如式(4)所示:

(4)

考慮到不同評估專家的工作相關(guān)性、經(jīng)驗和知識儲備差異性，給出的評估指標權(quán)重值不同。為統(tǒng)籌考慮所有專家意見，提高指標權(quán)重準確性，需要對所有專家給出的指標權(quán)重進行集結(jié)，獲得評估指標的綜合權(quán)重，如式(5)所示：

W=λWZ=(ωi)1×n

(5)

3 群評估模型

3.1 確定評價因素集和評語集

根據(jù)評估指標體系，確定總目標(第2層)指標集如式(6)所示：

U={R,S,G,H}

(6)

子目標(第1層)有4個指標集，如式(7)～(10)所示：

R={R1,R2,R3,R4}

(7)

S={S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7}

(8)

G={G1,G2,G3,G4,G5}

(9)

H={H1,H2,H3,H4}

(10)

將專家對應急脆弱性的評語分為很低(V1)、較低(V2)、一般(V3)、較高(V4)、很高(V5)5個等級，建立評語集如式(11)所示：

V={V1,V2,V3,V4,V5}

(11)

3.2 構(gòu)建第1層各單元模糊隸屬度矩陣

針對海洋鉆井平臺應急脆弱性的評語具有較強模糊性的特點，通過評估專家對評價因素集中的每個因素對照評語集進行評估(即給出評語)，然后對評估結(jié)果加以統(tǒng)計，得出每個因素屬于各個評語的程度(即隸屬度)，從而構(gòu)建模糊隸屬度矩陣[13，15-16]。具體包括以下4個步驟：

2)由p位專家按照評語集中的5個評語，分別對第1層第k單元的第i個評估指標給出自己的評語。

(12)

3.3 模糊綜合評估

根據(jù)多級模糊綜合評估理論，按照公式(1)～(12)，得到第1層各單元模糊評價結(jié)果B1k如式(13)所示：

B1k=W1k°A1k

(13)

式中：W1k為第1層第k單元各評估指標的權(quán)重向量；°為加權(quán)平均型模糊算子。

按式(14)建立第2層模糊評估矩陣B：

B=(B11,B12,B13,B14)T

(14)

按式(15)計算模糊評估向量C：

C=W2°B

(15)

式中：W2為第2層各評估指標的權(quán)重向量。

根據(jù)最大隸屬度原則，確定最終評估結(jié)果，根據(jù)綜合評估結(jié)論，提出有針對性的改進措施。

4 模型算例

4.1 確定專家權(quán)重

若由5位專家對某海洋鉆井平臺的應急脆弱性進行群評估，則首先對5位專家進行編號，分別為Z1，Z2，Z3，Z4，Z5；然后根據(jù)每位專家學歷背景、工作經(jīng)驗和業(yè)務能力，按照表1～3進行打分，得到5位專家總得分，根據(jù)式(1)求出5位專家權(quán)重，結(jié)果見表4。

表4 專家權(quán)重Table 4 Weights of experts

4.2 確定指標權(quán)重

(16)

根據(jù)式(5)對集結(jié)各位專家給出的指標權(quán)重進行集結(jié)，從而獲得第1層第1單元指標的綜合權(quán)重W11=(0.376,0.259,0.212,0.153)

同理得到第1層其它3個單元以及第2層各評估指標的綜合權(quán)重如式(17)所示：

W12=(0.212,0.167,0.204,0.153,0.136,0.050,0.078)
W13=(0.194,0.261,0.203,0.189,0.153)
W14=(0.186,0.327,0.361,0.126)
W2=(0.262,0.238,0.324,0.176)

(17)

4.3 多級模糊綜合評估

根據(jù)3.2節(jié)內(nèi)容，可以得到第1層4個評估單元的模糊隸屬度矩陣，如式(18)～(21)所示：

(18)

(19)

(20)

(21)

根據(jù)公式(13)～(15)計算可得式(22)～(23)：

(22)

C=W2°B=(0.193,0.354,0.322,0.125,0.005)

(23)

根據(jù)最大隸屬度原則得到評估結(jié)論見表5。由表5可知，為提高該海洋鉆井平臺的應急保障能力，主要從該海洋鉆井平臺的應急設備系統(tǒng)和外部保障系統(tǒng)2方面入手，制訂并實施預防與糾正措施：1)加強安全應急知識的學習培訓，提高全員安全應急意識和各級管理人員的管理能力。2)強化應急管理機構(gòu)的職能，健全海洋鉆井平臺的應急管理體系，完善應急管控預案，提高應急演習的實用性。3)強化平臺外部環(huán)境的監(jiān)控，進一步做好防極端天氣的應急管理工作。4)增強與外部救援單位的溝通聯(lián)系，適時開展聯(lián)合救援演習，提高聯(lián)合應急救援能力。

表5 評估結(jié)論Table 5 Evaluation conclusions

5 結(jié)論

1)海洋鉆井平臺應急脆弱性評估指標體系具有一定合理性，但在實際應用時，需要根據(jù)評估需求對評價指標和體系層次進行適當增減。

2)根據(jù)專家自身客觀屬性，運用專家打分法建立專家權(quán)重計算模型；基于專家權(quán)重將各評估指標權(quán)重集結(jié)為評估指標的綜合權(quán)重，不僅反映評估專家在群評估中的重要作用，也有效保證群評估結(jié)果的準確性。

3)基于多級模糊綜合評估理論，提出新的集結(jié)專家權(quán)重隸屬度確定方法，構(gòu)建海洋鉆井平臺應急脆弱性群評估模型。該模型邏輯性強、原理簡單、應用方便，能較好地解決海洋鉆井平臺應急脆弱性群評估問題。

4)本文主要對海洋鉆井平臺應急脆弱性群評估方法進行探索，模擬算例比較簡單，今后將繼續(xù)針對該評估法的實用性和可靠性進行深入研究。