基于Petri網(wǎng)的船舶海上加油作業(yè)過程建模與安全分析*

溫福妍 盛進(jìn)路 于敏

（1.重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

由于海上條件的限制，運(yùn)輸物資的大型遠(yuǎn)洋船舶主要采取加油船加油的方式補(bǔ)給燃料，但是近年來在加油過程中時(shí)有事故發(fā)生。2016年新加坡籍散貨船“C”輪在靠泊福州羅源華東船廠碼頭期間，由于加油作業(yè)過程中操作不當(dāng)發(fā)生操作性污染事故，導(dǎo)致重油從油艙透氣孔溢出并泄漏入海，造成附近水域污染。因此，加強(qiáng)船舶海上加油過程管理對保證船舶安全、減少船舶財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。

在船舶加油過程的安全和防止環(huán)境污染方面，學(xué)者們大多宏觀上分析船舶加油作業(yè)的管理對策和市場標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，沒能對其進(jìn)行定量分析。如李文霆［1］對船舶加油作業(yè)存在的共性問題提出相應(yīng)的管理對策。施偉等［2］從監(jiān)控船舶加油過程管理來提高作業(yè)安全性。張聰超［3］從提高海上加油市場準(zhǔn)入制度門檻來提高加油作業(yè)安全性，缺少對加油作業(yè)過程的定量系統(tǒng)研究。Petri網(wǎng)作為一種系統(tǒng)模型，可以用直觀的圖形和數(shù)學(xué)方法對系統(tǒng)性質(zhì)進(jìn)行表示，被學(xué)者廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。如陳玉瑤等［4］運(yùn)用Petri網(wǎng)對物流倉儲作業(yè)建模仿真，檢驗(yàn)作業(yè)流程的安全性。蔡婷婷等［5］對危險(xiǎn)品出入庫流程進(jìn)行Petri網(wǎng)模型構(gòu)建，提高了危險(xiǎn)品出入庫的安全性。白冰輪［6］在郵政寄遞流程與業(yè)務(wù)方面構(gòu)建了相關(guān)Petri網(wǎng)模型，使寄遞業(yè)務(wù)流程更精簡化、合理化。

由于加油船加油過程涉及環(huán)節(jié)較多，非常適合利用Petri網(wǎng)對加油過程進(jìn)行系統(tǒng)建模和參數(shù)化表達(dá)，并利用PIPE軟件對模型進(jìn)行驗(yàn)證分析，以提高海上加油作業(yè)過程的安全性。

1 船舶加油作業(yè)程序描述

大型船舶加油作業(yè)涉及程序較多，過程較為復(fù)雜，在加油過程中需多方協(xié)調(diào)控制，若其中某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能造成事故。具體加油過程如下：

1）船舶加油前準(zhǔn)備工作。首先組織人員測量、記錄船舶剩余油量，根據(jù)實(shí)際情況確認(rèn)燃油添加量及燃油添加油艙；然后檢查受油艙甲板透氣孔狀態(tài)，保證其通透性，并將盛油器皿放置于透氣孔下方；最后派專人同供方交流，確定每個(gè)油艙加油量、加油順序和泵油速度等［7］。

2）船舶加油過程控制。①懸掛“禁止吸煙”警告牌并嚴(yán)禁在油氣可能擴(kuò)散區(qū)域明火作業(yè)；②船方人員與供油方一起測量供油油船的存油量并做好記錄；③檢查供油軟管接裝緊密牢固，以防滲漏跑油污染海域［8］；④檢查各閥門開關(guān)是否正確；⑤與供油方確定加油信號，一切無誤后開始輸送燃油；⑥加油前幾分鐘內(nèi)傾聽該油艙加油管的流油聲；⑦檢查受油艙透氣管的透氣情況，以確定燃油正確加入指定油艙中；⑧觀察加油引起船舶傾斜對測量的影響，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)與供油方聯(lián)系；⑨受油艙的油位到達(dá)本油艙的3/4高度時(shí)打開下一個(gè)受油艙的進(jìn)口閥，再關(guān)閉正在加油油艙的進(jìn)口閥。若船舶在加油過程中不慎發(fā)生溢油事故要盡快采取有效措施，并向當(dāng)?shù)睾Ｊ虏块T及其他相關(guān)部門報(bào)告。

3）加油后續(xù)。首先清理加油軟管中殘存的燃油；然后船方與供油方一起對加油量進(jìn)行確認(rèn)（加油數(shù)量的差值應(yīng)小于5%，若與供油方在加油數(shù)量上存在爭議，在受油單上注明實(shí)際受油量并注明存在爭議，同時(shí)用書面形式報(bào)告本單位物資部門）；最后船方向供油方索取受油油樣。

2 基于Petri網(wǎng)的船舶加油過程建模

2.1 建模的預(yù)設(shè)條件

假定船舶加油作業(yè)過程為滿足下列條件的三元組N=（S，T；F）的一個(gè)網(wǎng)，

4）dom（F）∪cod（F）=S∪T（表示整個(gè)加油過程網(wǎng)中無孤立結(jié)點(diǎn)）；

其中：

式中，S的元素稱為加油過程狀態(tài)，T的元素稱為加油過程事件，F(xiàn)是網(wǎng)N的流關(guān)系，“｜”表示描述改變加油作業(yè)系統(tǒng)狀態(tài)的事件。

令∑=（S，T；F，M）為一個(gè)Petri網(wǎng)，S={S1，S2，…，Sm}，T={T1，T2，…，Tn}，則Petri網(wǎng)∑的結(jié)構(gòu)（S，T；F）可以用一個(gè)n行m列矩陣A=［aij］n×m來表示，其中

稱A為∑（或網(wǎng)N=（S，T；F））的關(guān)聯(lián)矩陣。

2.2 Petri網(wǎng)模型

根據(jù)具體加油過程和Petri網(wǎng)相關(guān)定義，對船舶加油過程建立Petri網(wǎng)模型，具體模型如圖1所示，Petri網(wǎng)模型中各庫所和變遷的含義如表1所示。從建立的Petri網(wǎng)模型可以看出，該模型將加油過程各個(gè)重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了標(biāo)記，以流程圖的方式將復(fù)雜的加油過程進(jìn)行了梳理，使加油過程更加明了。

表1 船舶加油流程Petri網(wǎng)模型庫所及變遷代表含義

續(xù)表1

3 船舶加油過程內(nèi)部活動關(guān)系分析

3.1 關(guān)聯(lián)矩陣

為了驗(yàn)證創(chuàng)建的加油作業(yè)模型是否合理，需對模型動態(tài)性質(zhì)進(jìn)行分析。利用Petri網(wǎng)中的關(guān)聯(lián)矩陣、不變量、關(guān)聯(lián)矩陣重組的方法對模型可靠性進(jìn)行分析，關(guān)聯(lián)矩陣如下：

通過分析得出Petri網(wǎng)的P-不變量：

X1=（1，1，1，1，0，0，1，1，0，0，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1）T；

X2=（1，1，1，1，0，0，1，0，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1）T；

X3=（1，1，1，0，1，1，1，1，0，0，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1）T；

X4=（1，1，1，0，1，1，1，0，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1）T。

根據(jù)Petri網(wǎng)理論關(guān)于有界和安全性的定論，網(wǎng)∑中的T1變遷開始具有發(fā)生權(quán)，標(biāo)識運(yùn)行狀況各個(gè)庫所的界為1且根據(jù)P-不變量對網(wǎng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)的分析，因此網(wǎng)系統(tǒng)是有界的，并且網(wǎng)∑也是安全的。

3.2 Petri網(wǎng)子網(wǎng)關(guān)系分析

利用關(guān)聯(lián)矩陣重組算法可以將關(guān)聯(lián)矩陣中的流程分解為若干個(gè)相對獨(dú)立的子流程，即將Petri網(wǎng)分解為若干個(gè)子網(wǎng)，通過對Petri網(wǎng)的分解，可以對子網(wǎng)之間的關(guān)系進(jìn)行分析。通過上述關(guān)聯(lián)矩陣得到子網(wǎng)如圖2：

以上列出了系統(tǒng)部分子網(wǎng)，子網(wǎng)表達(dá)了船舶加油作業(yè)過程可以由幾個(gè)獨(dú)立的活動組成，在加油過程中將活動和事件等進(jìn)行整合，分析內(nèi)部過程之間可能存在的沖突等關(guān)系。如子網(wǎng)5與子網(wǎng)6中，子網(wǎng)5要達(dá)到T14的條件，需要庫所P16狀態(tài)，子網(wǎng)6要實(shí)現(xiàn)T15的條件，也需要庫所P16狀態(tài)。所以子網(wǎng)5與子網(wǎng)6之間在狀態(tài)確定上產(chǎn)生沖突。即在子網(wǎng)5和子網(wǎng)6的關(guān)聯(lián)矩陣中，P16行、T14列的值為“-1”，在子網(wǎng)6中，T15的發(fā)生需要P16狀態(tài)，T15列的值也為“-1”。因此，子網(wǎng)5與子網(wǎng)6之間在船舶加油狀態(tài)上出現(xiàn)同步，即在子網(wǎng)5的關(guān)聯(lián)矩陣中的P16行、T14列的值為“-1”，在子網(wǎng)6中的P16行、T15列的值同為“-1”，故二者是沖突關(guān)系。船舶加油輸送完成要進(jìn)行加油量確認(rèn)，供油方和船方輪機(jī)長在簽署受油單時(shí)對加油量要達(dá)成一致，雙方對加油數(shù)量的認(rèn)定差值應(yīng)小于5%，在實(shí)際加油中加油過程在此程序上時(shí)常發(fā)生沖突。

在子網(wǎng)1中（P3，T2）處、子網(wǎng)2中（P4，T2）處的值均為1，這表明庫所P3和庫所P4、P5中的狀態(tài)任一途徑都可以觸發(fā)變遷T2，由此可知子網(wǎng)1、子網(wǎng)2之間是并發(fā)關(guān)系。加油前甲板透氣孔是否通暢處于并發(fā)關(guān)系，狀態(tài)之間互不影響皆可觸發(fā)下一步進(jìn)行。

在子網(wǎng)3中（P7，T5）處和子網(wǎng)4中（P8，T5）的值均為1，這表明庫所P7和庫所P8、P9的任一狀態(tài)具備都可以觸發(fā)變T6，由此可知子網(wǎng)3和子網(wǎng)4這二者之間是并發(fā)關(guān)系。加油前甲板下水道堵塞與否是并行路線，兩路線其一發(fā)生即可，對后續(xù)程序不產(chǎn)生影響，但不同路線對運(yùn)行結(jié)果會產(chǎn)生較大影響。

4 提高船舶海上加油作業(yè)安全的建議

1）子網(wǎng)1中（P3，T2）處、子網(wǎng)2中（P4，T2）處的值均為1，子網(wǎng)1、子網(wǎng)2之間是并發(fā)關(guān)系。加油前機(jī)艙人員需要仔細(xì)檢查受油柜的甲板透氣孔是否暢通，確保氣孔處于通暢狀態(tài)，防止因?yàn)閴毫^大燃油不能成功加進(jìn)油艙而溢出在船上；在透氣孔管下方放置好盛油皿，備一定數(shù)量的木屑、棉紗對溢出的燃油進(jìn)行吸油處理。

2）子網(wǎng)3中（P7，T5）處和子網(wǎng)4中（P8，T5）的值均為1，子網(wǎng)3和子網(wǎng)4這二者之間是并發(fā)關(guān)系，對船舶甲板下水道進(jìn)行堵塞，防止燃油流進(jìn)大海對環(huán)境造成污染。

3）把存油進(jìn)行駁艙，把新加裝的燃油加入空艙中，避免不同燃油公司的燃油混合在一起，燃油加進(jìn)空艙也便于測量計(jì)算，降低溢油的危險(xiǎn)。如果新加入的燃油存在問題也不會對原來的燃油造成影響。

4）加油前檢查各閥門開關(guān)是否正確，加油前幾分鐘傾聽加油管流油聲，防止因?yàn)閴毫栴}油不能輸入油艙，如壓力過大嚴(yán)重時(shí)甚至把加油管沖掉造成嚴(yán)重溢油事故。

5 結(jié)論

1）通過對海上船舶加油作業(yè)過程的語言解構(gòu)，建立作業(yè)過程的Petri網(wǎng)模型，將整個(gè)加油過程進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)，利用Petri網(wǎng)中的關(guān)聯(lián)矩陣、不變量等方法對模型可靠性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了Petri網(wǎng)模型對加油過程安全分析的有效性，為船舶海上加油安全提供了理論依據(jù)。

2）通過對Petri網(wǎng)模型子網(wǎng)間關(guān)系的分析，找出加油過程內(nèi)部的不協(xié)調(diào)性，并以此為基礎(chǔ)提出了加油過程的安全建議，有助于防范船舶加油過程發(fā)生重大安全事故的發(fā)生，減少損失和人員傷亡。