吳 昊，林 焰

（大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備與結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，運載工程與力學(xué)學(xué)部，船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

張力腿平臺系泊風(fēng)險評估方法研究

吳 昊，林 焰

（大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備與結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，運載工程與力學(xué)學(xué)部，船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024）

文章結(jié)合模糊綜合評判法、層次分析法以及概率論提出了一種風(fēng)險分析的評估方法，識別了系泊中的風(fēng)險因素，建立完善了相應(yīng)的風(fēng)險評估指標(biāo)體系，并將其應(yīng)用于設(shè)計中或已服役作業(yè)的張力腿平臺系泊風(fēng)險評估。將不同風(fēng)險評估結(jié)果視為風(fēng)險的總體的隨機樣本，用概率論和置信區(qū)間對風(fēng)險評估結(jié)果進(jìn)行置信度評價?？朔藛我辉u價方案主觀性太強的弱點，使評價更具有客觀性和可信性。經(jīng)過分析和計算實例表明，該系泊風(fēng)險評估方法是適用和有效的。利用獲取的評價結(jié)果，識別設(shè)計或已建成服役的張力腿平臺系泊風(fēng)險指數(shù)高的風(fēng)險因素，并采取有效措施，加強培訓(xùn)及時檢修設(shè)備，以防止意外的發(fā)生。結(jié)合一型設(shè)計中的張力腿平臺，應(yīng)用文中提出的數(shù)值風(fēng)險評估模型對該平臺的系泊系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)險評估。結(jié)果表明該方法可以對張力腿平臺的系泊風(fēng)險評估中的主觀因素進(jìn)行客觀有效的評估。并可以推廣應(yīng)用于其他海上結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險評估問題中。

張力腿平臺；系泊風(fēng)險評估；評估指標(biāo)體系；評估方法；模糊綜合評判法；層次分析法；概率論

0 引 言

石油是經(jīng)濟(jì)的血液，擁有充足的油氣資源，并且保證油氣資源的穩(wěn)定供給，是經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展的必要條件。進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界已經(jīng)逐漸步入能源稀缺時代，許多國家把目光轉(zhuǎn)向海洋，并投入大量的人力物力來開發(fā)海洋能源[1]。隨著海上能源開發(fā)的不斷發(fā)展，灘涂和淺海區(qū)域作業(yè)技術(shù)已相對成熟，國際上正積極發(fā)展深海鉆探技術(shù)。國內(nèi)還沒有掌握技術(shù)復(fù)雜的深海鉆井平臺的設(shè)計和建造技術(shù)，面對越來越嚴(yán)峻的海上開采難度，其越來越受到重視。張力腿平臺（TLP）、半潛式平臺和Spar平臺是深海鉆探平臺的主力。我國在張力腿平臺（TLP）和Spar平臺設(shè)計建造領(lǐng)域仍處于空白。

張力腿平臺是一種投資大，建造復(fù)雜，使用期長的海洋油氣開采工具。系泊系統(tǒng)是張力腿平臺的重要系統(tǒng)之一，是確保張力腿平臺安全和穩(wěn)定作業(yè)的基礎(chǔ)。張力腿平臺在碼頭建造和海上服役期間，會由相應(yīng)的系泊系統(tǒng)進(jìn)行系泊固定。碼頭建造時，系泊系統(tǒng)維持平臺位置的相對穩(wěn)定；海上服役時，對系泊響應(yīng)、穩(wěn)性要求更高。張力腿平臺在海上作業(yè)時會遇到各種海況，一旦遇到強烈的風(fēng)浪載荷作用，平臺運動響應(yīng)過大，系泊纜承受極大的張力，因此經(jīng)常發(fā)生因系泊系統(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致的危險。所以需對張力腿平臺的系泊風(fēng)險進(jìn)行評估。

在張力腿平臺設(shè)計時對其主要的系泊風(fēng)險進(jìn)行評估，以此考察所建造平臺的系泊安全水平以及存在的問題，這對于提高張力腿平臺的設(shè)計建造水平是很有實用價值的，同時可以在船東選取系泊纜以及布置形式時起到借鑒作用。從安全風(fēng)險控制角度來看，項目前的風(fēng)險評估既是投資項目建設(shè)程序中的一個重要階段，也是項目運營后安全管理工作中不可缺少的組成部分和重要環(huán)節(jié)，可對運營后安全風(fēng)險控制起到指導(dǎo)作用，以達(dá)到規(guī)避風(fēng)險、安全運營的目的。

1 研究現(xiàn)狀

Coelho等[2]使用了蒙特卡洛模擬法和層次分析法（connectionist approach）相結(jié)合，評估了鉆井的整個過程以及深水油井竣工后的作業(yè)過程問題。Taroun等[3]運用各種方法對工程進(jìn)行審查，嚴(yán)格核對風(fēng)險評估方法在建設(shè)工程中應(yīng)用的結(jié)果，包括運用風(fēng)險故障結(jié)構(gòu)、模糊集理論、蒙特卡羅模擬，AHP/ANP（層次分析法/網(wǎng)絡(luò)分析法），概率—后果影響模型等。Zeng等[4]提出了基于模糊推理及AHP方法提出的風(fēng)險評估模型。Nieto-Morote和Ruz-Vila[5]提出了建設(shè)項目的風(fēng)險評估模糊法，使用三個風(fēng)險因素—風(fēng)險影響，風(fēng)險概率和風(fēng)險的辨別用于評估整體風(fēng)險。Osborn等[6]通過數(shù)學(xué)方法直接由概率風(fēng)險評估的結(jié)果獲得了概率風(fēng)險的敏感性信息，避免了額外的斷裂力學(xué)計算。劉佳琳等[7]針對大陸科學(xué)深部鉆探大型工程項目數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)衡量尺度不統(tǒng)一、風(fēng)險不確定因素多等特點，建立針對項目的靜態(tài)風(fēng)險評估評價體系，對風(fēng)險因素和項目整體風(fēng)險進(jìn)行評估。陳捷俊等[8]對我國南海海域某FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)水下錨泊設(shè)施進(jìn)行了初步的風(fēng)險識別與風(fēng)險分析，使用半定量方法得出了內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)錨泊設(shè)施的風(fēng)險分布與風(fēng)險評級，并結(jié)合風(fēng)險分析結(jié)果優(yōu)化了單點系泊系統(tǒng)的水下錨泊設(shè)施的檢驗策略。楊光等[9]對我國渤海海域軟鋼臂式系泊系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)險辨識與評價，并對其中若干關(guān)鍵風(fēng)險點進(jìn)行了相應(yīng)的解析，為制定相應(yīng)的RBI檢驗策略提供依據(jù)。熊志堅[10]實證比較VLCC在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下最大外推力和應(yīng)有系留力數(shù)值關(guān)系，評估系泊安全性，闡明其斷纜成因，得出斷纜主要原因是船舶系纜設(shè)備缺陷所致，根據(jù)實際提出系泊風(fēng)險的預(yù)控對策。景勇[11]針對FPSO，對不同系泊方式進(jìn)行了全面風(fēng)險分析。目前的研究主要集中在海洋結(jié)構(gòu)物的系泊響應(yīng)，以及鉆井的風(fēng)險分析，對于海上大型結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險評估研究較少。從風(fēng)險防范角度來講，大型海上結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險識別、風(fēng)險控制和風(fēng)險防范對于海上作業(yè)安全至關(guān)重要。

2 張力腿平臺系泊風(fēng)險識別

風(fēng)險評估，或稱風(fēng)險分析，是一種基于數(shù)據(jù)資料、運行經(jīng)驗而后直觀認(rèn)識的科學(xué)方法。通過將風(fēng)險量化，便于進(jìn)行分析、比較，為風(fēng)險管理的科學(xué)決策提供可靠的依據(jù)，從而能夠運用有限的人力、物力和財力等資源條件，采取最合理的措施，達(dá)到最有效地減少風(fēng)險的目的。

風(fēng)險評估，首先需要進(jìn)行風(fēng)險識別。海洋結(jié)構(gòu)物在海洋中作業(yè)，眾多風(fēng)險因素威脅著系泊安全。風(fēng)險的評估依賴于風(fēng)險識別，評估的復(fù)雜性也主要是風(fēng)險識別后組成的評估指標(biāo)體系[12]。識別威脅張力腿平臺系泊安全的風(fēng)險因素，并將識別出的風(fēng)險因素建立風(fēng)險評估指標(biāo)體系。風(fēng)險評估指標(biāo)體系是由若干個單項風(fēng)險評價指標(biāo)組成的整體，它應(yīng)反映出在海洋中威脅張力腿平臺作業(yè)安全的主要因素。指標(biāo)體系要實際、完整、合理和科學(xué)，并基本上能夠為有關(guān)人員和部門所接受。風(fēng)險的不確定性導(dǎo)致了評價因素數(shù)量的龐大，評價的多目標(biāo)性、風(fēng)險值不唯一性、再評價的復(fù)雜性、風(fēng)險指標(biāo)變量的相關(guān)性、風(fēng)險指標(biāo)的多樣性及其模糊性等決定了方案設(shè)計的復(fù)雜性。如何從眾多指標(biāo)中篩選出影響張力腿平臺系泊安全的最重要的風(fēng)險因素，是一個值得研究的課題。

在張力腿平臺服役過程中，內(nèi)在和外在影響其系泊安全的因素是多方面的，包括：服役海區(qū)的波高、波長、波浪周期、波浪的能量分布、風(fēng)速和風(fēng)向、流向和流速、海水鹽度、溫度、工作人員的操作、不可抗拒的惡劣環(huán)境、張力腿平臺的腐蝕程度、系泊纜的系泊狀態(tài)、系泊纜的腐蝕程度、系泊纜的數(shù)量等。在對張力腿平臺進(jìn)行風(fēng)險評估時，要將各個方面的影響都考慮進(jìn)去是不可行的，也沒有必要。依據(jù)風(fēng)險評估指標(biāo)體系建立的原則，要明確評估指標(biāo)的大類和數(shù)量問題，各個指標(biāo)之間要盡量相互獨立、互不重復(fù)，選擇對系泊安全有威脅的主要因素，抓住主要矛盾。通過反復(fù)的分析探討，影響張力腿平臺系泊安全的主要因素有：服役海區(qū)波高、波浪周期、張力腿平臺的系泊纜、作業(yè)人員的操作設(shè)備、張力腿平臺已服役壽命、服役海區(qū)的風(fēng)浪流同方向聯(lián)合作用等因素。

結(jié)合近年來進(jìn)行的張力腿平臺系泊研究工作，參照中國船級社有效系泊[13]規(guī)定的海上結(jié)構(gòu)物系泊方法，征求了相關(guān)方面專家的建議，本文提出了張力腿平臺的系泊風(fēng)險評估方法和風(fēng)險評估指標(biāo)體系。

對張力腿平臺系泊風(fēng)險評估的復(fù)雜性主要是風(fēng)險評估指標(biāo)體系的建立。結(jié)合威脅張力腿平臺作業(yè)安全的主要因素的分析，借鑒其它海洋運輸船舶和海洋結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險評定的經(jīng)驗，本文提出了一套適用于張力腿平臺系泊風(fēng)險評估的指標(biāo)體系，該風(fēng)險評估指標(biāo)體系主要有9項風(fēng)險評價指標(biāo)組成：波高指數(shù)（RH）、周期指數(shù)（RT）、纜繩指數(shù)（RD）、人員操作設(shè)備指數(shù)（RR）、服役壽命指數(shù)（RSL）、風(fēng)浪流同向性指數(shù)（Rθ）、系泊纜剛性指數(shù)（RS）、極端天氣指數(shù)（RN）和作業(yè)水深指數(shù)（Rd）。各項風(fēng)險指標(biāo)的定義如下：

（1）波高指數(shù)（RH）：該指標(biāo)為服役海區(qū)1/3有義波高相對于設(shè)計工況的幅值。由于波浪的能量主要由波高決定，此指標(biāo)體現(xiàn)了服役海區(qū)的波浪能量值，能量值越大，對系泊安全的潛在威脅就越大。屬于正風(fēng)險指標(biāo)，指標(biāo)值越小越好。

（2）周期指數(shù)（RT）：該指標(biāo)為服役海區(qū)波浪周期相對于設(shè)計海況的周期值的大小。波浪周期與頻率相關(guān)，其直接影響平臺的運動響應(yīng)。如果平臺響應(yīng)劇烈、不穩(wěn)定，張力腿平臺系泊危險就大。此指標(biāo)變相體現(xiàn)了服役海區(qū)的波浪能量值，能量值越大，對系泊安全的威脅就越大。屬于負(fù)風(fēng)險指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。當(dāng)所處海域波浪周期與張力腿平臺的固有周期相接近時，需加懲罰系數(shù)。

式中：T為服役海區(qū)波浪周期，s；T0為設(shè)計海況波浪周期，s；XT為懲罰系數(shù)，波浪周期與張力腿平臺的固有周期相接近時，為10，其余為1。Tg為張力腿平臺的固有周期，計算公式為：

式中：k為勁度系數(shù)；m為質(zhì)量。

（3）纜繩指數(shù)（RD）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺在服役過程中，系泊纜在海水中被腐蝕和疲勞程度。系泊纜在海水中長期處于拉伸狀態(tài)，受到海水腐蝕和交變載荷的作用，工作環(huán)境較復(fù)雜，且張力腿平臺渦激運動易導(dǎo)致系泊系統(tǒng)發(fā)生腐蝕和疲勞損傷，危害其安全穩(wěn)定性[14]。用目前系泊纜直徑描繪張力腿平臺的腐蝕和疲勞狀態(tài)。屬于負(fù)風(fēng)險指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。當(dāng)所處海域波浪周期與張力腿平臺的系泊纜固有周期相接近，需加懲罰系數(shù)。

式中：D為現(xiàn)系泊纜直徑，m；D0為設(shè)計系泊纜直徑，m；XD為懲罰系數(shù)，波浪周期與張力腿平臺系泊纜的固有周期相接近時，為10，其余為1。TDg為張力腿平臺系泊纜的固有周期，計算公式為：

式中：k為勁度系數(shù)；m為質(zhì)量。

（4）人員操作設(shè)備指數(shù)（RR）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺在服役過程中，工作人員操作平臺上的設(shè)備出現(xiàn)錯誤的概率。該指數(shù)與工人是否經(jīng)過有效培訓(xùn)，是否經(jīng)驗豐富，設(shè)備保養(yǎng)是否到位有關(guān)。操作人員對于張力腿平臺的系泊安全起著重要作用，操作失誤可能導(dǎo)致危險狀況的發(fā)生。設(shè)備有效的維修保養(yǎng)對保證張力腿平臺的安全也起著至關(guān)重要的作用。屬于負(fù)風(fēng)險指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。值越大代表工作人員操作越熟練，設(shè)備保養(yǎng)越充分。

式中：CR為人員影響安全指數(shù)；CS為設(shè)備影響安全指數(shù)。

（5）服役壽命指數(shù)（RSL）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺在服役過程中，剩余使用壽命影響的剩余結(jié)構(gòu)強度對系泊安全的影響。對于新建造的張力腿平臺，有足夠的剩余強度保證生產(chǎn)作業(yè)的安全。而到設(shè)計壽命后期的張力腿平臺，剩余結(jié)構(gòu)強度越來越成為影響安全作業(yè)的主要因素。故需要對剩余壽命和剩余結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行評估。屬于負(fù)風(fēng)險指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。值越大代表平臺狀態(tài)良好，剩余壽命充足，認(rèn)為剩余結(jié)構(gòu)強度滿足安全服役條件。

式中：S為現(xiàn)平臺服役時間，年；S0為張力腿平臺設(shè)計使用壽命，年。

（6）風(fēng)浪流同向性指數(shù)（Rθ）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺在服役過程中，受到的環(huán)境載荷的大小。張力腿平臺在服役過程中會隨時受到來自不同方向的風(fēng)浪流的聯(lián)合作用，這三種載荷可能為相同方向，也可能為不同方向。一般認(rèn)為，當(dāng)風(fēng)浪流三種載荷從不同方向作用于張力腿平臺時，載荷在各方向上的分量可以相互抵消，平臺本身受到的實際載荷可能會小于這三種載荷中最大的載荷；當(dāng)風(fēng)浪流三種載荷從相同方向作用于張力腿平臺時，平臺本身受到的實際載荷可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這三種載荷中的任何載荷。所以風(fēng)浪流載荷同時同向聯(lián)合作用是張力腿平臺最危險的工況。屬于正風(fēng)險指標(biāo)，指標(biāo)值越小越好。

表1 風(fēng)、浪、流載荷兩兩之間夾角對應(yīng)Rθ系數(shù)Tab.1 The Rθcoefficient corresponding of two angle among wind,wave and current load

表中：θij為風(fēng)、浪、流載荷兩兩之間夾角，度。如果i代表風(fēng)，j代表浪；如果i代表浪，j代表流；如果i代表流；j代表風(fēng)。

（7）系泊纜剛性指數(shù)（RS）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺在服役過程中，張力腿平臺的吃水、系泊纜的拉伸程度和預(yù)張緊程度。張力腿平臺正常作業(yè)情況下處于設(shè)計吃水，提供一定的浮力使系泊纜處于預(yù)張緊狀態(tài)，進(jìn)而具有一定的剛性。系泊纜與張力腿平臺的連接使得張力腿平臺與系泊纜組成類似剛體的結(jié)構(gòu)，能抵抗外載荷作用。系泊纜預(yù)張緊程度越大，系泊纜的剛性越大，張力腿平臺與系泊纜組成的結(jié)構(gòu)剛性越大，張力腿平臺運動幅值越小，平臺越穩(wěn)定。剛性指數(shù)除了與預(yù)張緊力有關(guān)，還與系泊纜的數(shù)量和分布有關(guān)。系泊纜數(shù)量越多，分布越均勻，平臺運動幅值越小，越穩(wěn)定。系泊纜剛性指數(shù)屬于負(fù)風(fēng)險指標(biāo)，指標(biāo)值越大越好。系泊纜的剛性指數(shù)與張力腿平臺的吃水正相關(guān)，所以可以用平臺的吃水表示其剛性指數(shù)。

式中：L為張力腿平臺吃水，m；L0為張力腿平臺設(shè)計吃水，m。

（8）極端天氣指數(shù)（RN）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺在服役過程中，極端天氣狀況對作業(yè)安全的影響。海洋結(jié)構(gòu)物的安全與海上環(huán)境息息相關(guān)，良好的海區(qū)環(huán)境對平臺的安全至關(guān)重要。屬于正風(fēng)險指標(biāo)，指標(biāo)值越小越好。

式中：N為12級風(fēng)或者12級浪以上極端天氣數(shù)量，天；N0為該海區(qū)12級風(fēng)或者12級浪以上極端天氣數(shù)量統(tǒng)計值，天。

（9）作業(yè)水深指數(shù)（Rd）：該指標(biāo)體現(xiàn)了張力腿平臺在服役過程中，張力腿平臺作業(yè)海域的水深。張力腿平臺正常作業(yè)水深為450～1 070 m，水深變化較大。隨著水深的增加，張力筋腱長度增加，出現(xiàn)張力腿自重過大的問題，并且由于張力筋腱在深水中的受力情況發(fā)生改變，影響了平臺的定位性能。所以水深指數(shù)也影響系泊穩(wěn)定性。作業(yè)水深指數(shù)屬于正風(fēng)險指標(biāo)，指標(biāo)值越小越好。作業(yè)水深越小，平臺穩(wěn)定性越好。

式中：d為張力腿平臺作業(yè)水深，m；d0為張力腿平臺極限作業(yè)水深，m。

3 張力腿平臺系泊風(fēng)險評估方法

張力腿平臺系泊風(fēng)險評估，往往涉及若干相互制約的風(fēng)險指標(biāo)和很多復(fù)雜的影響因素，需協(xié)調(diào)矛盾，權(quán)衡利弊，進(jìn)行綜合評估。同樣一項風(fēng)險評估，不同評估者可能做出不同的方案，同一評估者從不同的角度考慮，也會做出若干個結(jié)果。為了獲得一個理想的風(fēng)險評估結(jié)果，評估者常常設(shè)計許多方案，然后進(jìn)行綜合分析和考慮。在這一過程中，評估者的經(jīng)驗和觀點，船東的要求和意愿等，起著很重要的作用[15]。但是，這些經(jīng)驗、觀點、要求、意愿等，往往具有模糊性。在張力腿平臺系泊風(fēng)險評估中，如何把這種模糊性加以解析化和定量是個十分重要的問題，模糊綜合評判方法是處理此類問題一種可行的方法。

本文結(jié)合模糊綜合評判法，考慮層次分析，用概率論的方法對張力腿平臺的系泊風(fēng)險進(jìn)行評估。

基本概念

（1）定義方案集

由若干個被評估的風(fēng)險等級構(gòu)成方案集：

（2）選擇風(fēng)險評估指標(biāo)（因素）

選取表征風(fēng)險等級的指標(biāo)（因素），作為風(fēng)險評估依據(jù)，組成風(fēng)險指標(biāo)集（或稱風(fēng)險因素集)，記為：

（3）對風(fēng)險評估指標(biāo)（因素）考評

風(fēng)險等級每項指標(biāo)，總是存在一個期望值Mi和允許值mi，于是就有一個允許取值區(qū)間，記為[mi，Mi]。設(shè)在該區(qū)間上定義一個相應(yīng)于最優(yōu)值的模糊子集Ai，即

式中：μAi（ui）是ui的滿意度函數(shù)，它表征著對相應(yīng)風(fēng)險評估指標(biāo)的滿意程度。

滿意度隨風(fēng)險評估指標(biāo)值單調(diào)增加的情況，μAi（ui）的形式為

滿意度隨風(fēng)險評估指標(biāo)值單調(diào)下降的情況，μAi（ui）的形式為

評估風(fēng)險等級的每項風(fēng)險評估指標(biāo)通過風(fēng)險計算獲得。獲得一個風(fēng)險評估指標(biāo)值，經(jīng)滿意度曲線，就可給出一個模糊評估（或評分）。對每個風(fēng)險等級，每項風(fēng)險評估指標(biāo)分別進(jìn)行考評，可得評判矩陣；

矩陣R中每一行，是對風(fēng)險等級某項評估指標(biāo)的具體評定結(jié)果，是相對于某個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的一個評分。矩陣R中的每一列，是對風(fēng)險等級各項評估指標(biāo)的評分。因此，這個矩陣實際上是一個單因素評定表。

（4）進(jìn)行綜合評判

如前所述，風(fēng)險評估，涉及若干互相制約的風(fēng)險評估指標(biāo)和許多復(fù)雜的影響因素，因此，完成了對各風(fēng)險評估指標(biāo)單因素評定后，尚需進(jìn)行多因素的綜合評判。這里引入重要度的概念來處理，重要度記為ωi，i=1，2，…，n，它表征著對風(fēng)險等級各風(fēng)險評估指標(biāo)重要程度作出評定，它是指標(biāo)集上的一個模糊子集，記為

將ωi歸一化，令就是權(quán)向量，其中αi為第i個指標(biāo)的重要度。

確定了對各風(fēng)險評定標(biāo)準(zhǔn)滿意度和重要度的評定以后，綜合評判問題歸結(jié)為

其中：bi= （α1r1i+α2r2i+…+αmrmi，i=1，2，…m）。bi實際上是對第i風(fēng)險等級的一個綜合評判結(jié)果，根據(jù)bi的大小，可以完成風(fēng)險等級的計算，從而得到綜合風(fēng)險評估結(jié)果。

利用模糊綜合評估法建立一組風(fēng)險評估等級方案或打分機制，對這些風(fēng)險確定一個評價標(biāo)準(zhǔn)E，設(shè)定評語集的n個等級備選方案E=｛e1，e2，e3，…，en｝，其中n是可以選擇的評語等級數(shù)量。例如，e1=很低；e2=低；e3=中等；e4=高；e5=非常高。備選方案都有相應(yīng)的等級，如1=非常低；2=低；3=中等；4=高；5=非常高。

在本文中，建立5分等級的風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)用來計算每個風(fēng)險的平均分（1代表很低，5代表很高）。等級被定義為集合E，E=｛1，2，3，4，5｝，這里面的數(shù)字1、2、3、4、5分別表示的級別是很低、低、中等、高和很高（對于所有的風(fēng)險因素都用這五個評語集進(jìn)行評價）。

對于每個標(biāo)準(zhǔn)，其隸屬度函數(shù)可由風(fēng)險評估小組來建立，每個標(biāo)準(zhǔn)的評估都由一組模糊子集組成。例如，如果波高指數(shù)過高的概率經(jīng)過專家調(diào)查組的調(diào)查結(jié)果如下，0%的專家認(rèn)為其發(fā)生的概率可能性很低，10%的專家認(rèn)為此風(fēng)險發(fā)生的概率低，50%的專家認(rèn)為中等，30%的專家認(rèn)為高，10%認(rèn)為很高。對以上的結(jié)果加以進(jìn)一步解釋就是說：每一個專家對這些風(fēng)險進(jìn)行打分評價，我們得到的是這些打分的統(tǒng)計，統(tǒng)計所有這些專家的打分情況，變成發(fā)生概率的統(tǒng)計。在這里是對每一準(zhǔn)則進(jìn)行評估，對每一準(zhǔn)則的評語就是評語集的模糊子集，這個評語就是它的隸屬度函數(shù)向量。由于沒有一個準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)，所以這是一個模糊集合。那么，波高系數(shù)的概率由隸屬函數(shù)等式（21）給出：

此算式也可以寫為（0.00，0.10，0.50，0.30，0.10）的形式，所有風(fēng)險因素的評估形成一個模糊評價矩陣R=（rij）m×n，rij是滿足fi評價準(zhǔn)則的ej評價等級。

確定每個標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重。在模糊評判的過程中，需要對風(fēng)險發(fā)生概率進(jìn)行層次分析。建立評價每個風(fēng)險的標(biāo)準(zhǔn)，用事件發(fā)生概率、事后影響嚴(yán)重性、不可預(yù)測性和導(dǎo)致事件后果進(jìn)一步惡化的因素這四個指標(biāo)對每一個風(fēng)險進(jìn)行評價。這樣一來，在相同的評價標(biāo)準(zhǔn)下評價出來的風(fēng)險就具有可比性。

根據(jù)這四個評價標(biāo)準(zhǔn)可以建立一個層次分析法的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

利用層次分析法的九標(biāo)度矩陣對不同專家、學(xué)者和工程師提出的事件發(fā)生概率、事后影響嚴(yán)重性、不可預(yù)測性和事件后果進(jìn)一步惡化可能性進(jìn)行分析。對總體風(fēng)險相對重要性的成對比較形成判斷矩陣，判斷矩陣的形式如表2所示。

圖1 層次分析結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of analytic hierarchy

在這里，事件發(fā)生概率、事后影響嚴(yán)重性、不可預(yù)測性和事件后果進(jìn)一步惡化可能性分別用M1、M2、M3和M4來表示。

表2 判斷矩陣Tab.2 The judgment matrix

表3 層次分析法相對重要性判斷標(biāo)度Tab.3 Analytic hierarchy process(AHP)relative importance scale

同樣一項風(fēng)險評估，不同評估者可能做出不同的方案，同一評估者從不同的角度考慮，也會做出若干個方案。對于不同的專家、學(xué)者和工程師提出的風(fēng)險發(fā)生概率，需要認(rèn)真分析，謹(jǐn)慎用于風(fēng)險評估。為了獲得一個理想、客觀的風(fēng)險評估結(jié)果，需將評估者設(shè)計的許多方案按照概率論的區(qū)間分布進(jìn)行置信度分析，引入置信度1-α和置信區(qū)間[16]，對滿意度分布和容許值期望值置信評估。

張力腿平臺的系泊風(fēng)險指數(shù)為總體樣本，不同評估方案計算出不同的風(fēng)險指數(shù)，不同的風(fēng)險指數(shù)為總體的簡單隨機樣本。對于給定的α∈（0，1），如果風(fēng)險指數(shù)T1，T2滿足

則稱風(fēng)險區(qū)間 ［T1，T2］為風(fēng)險指數(shù)θ的置信度為1-α的置信區(qū)間。認(rèn)為風(fēng)險在1-α的概率下發(fā)生在此區(qū)間。

由中心極限定理可得，對于任何總體的樣本都有

4 算 例

以流花16-2張力腿平臺的風(fēng)險評估作為實例，來說明該評估方法的合理性和通用性。選取波高指數(shù)、纜繩指數(shù)、人員操作設(shè)備指數(shù)、服役壽命指數(shù)和風(fēng)浪流同向性指數(shù)作為評估的風(fēng)險因素。計算出每個標(biāo)準(zhǔn)的權(quán)重為（0.10，0.36，0.18，0.36）。

列舉十種通過專家、學(xué)者和工程師提出的風(fēng)險分布方案進(jìn)行風(fēng)險評估。

表4 風(fēng)險因素分布Tab.4 The distribution of risk factors

續(xù)表4

計算風(fēng)險指數(shù)

隸屬度函數(shù)如下：

計算過程以浪高指數(shù)為例：

風(fēng)險指數(shù)：

其余纜繩指數(shù)、人員操作設(shè)備指數(shù)、服役壽命指數(shù)和風(fēng)浪流同向性指數(shù)風(fēng)險因素結(jié)果匯總于表5。

表5 風(fēng)險因素結(jié)果匯總Tab.5 The results summary of risk factors

為了評判的客觀性，經(jīng)過多位專家打分和評判，建立成對比較矩陣，最終確定如下：

一致性檢驗：

故A的不一致性程度可以接受。

經(jīng)計算，A的權(quán)向量：

對每個風(fēng)險進(jìn)行模糊評價形成模糊評價矩陣。利用模糊評價法算子，如公式（29）所示：

用復(fù)合權(quán)重向量和模糊評價矩陣以獲取整體風(fēng)險的模糊評價，利用成對比較矩陣乘以隸屬度函數(shù)得最終結(jié)果。

DA=ω（A）?RA=（0.009 4，0.025 1，0.187 0，0.414 5，0.3696 ），DA是整體風(fēng)險的隸屬函數(shù)。

整體風(fēng)險指數(shù)是根據(jù)公式（30）計算出來的

結(jié)果如下：

通過以上的結(jié)果表明，張力腿平臺系泊風(fēng)險最終評價出的整體風(fēng)險指數(shù)為4.126 5，可視為高風(fēng)險。因此，該項目的風(fēng)險等級可被解釋為“高”。此外，在各種風(fēng)險中，“人員操作指數(shù)”是風(fēng)險最高的風(fēng)險因素，其風(fēng)險指數(shù)等于4.294；“風(fēng)浪流同向性指數(shù)”被視為次高風(fēng)險，風(fēng)險指數(shù)等于4.124；“浪高指數(shù)”則位于第三位，風(fēng)險指數(shù)等于4.030。

其他九種通過專家、學(xué)者和工程師提出的風(fēng)險分布方案不一一列舉，將所得結(jié)果匯總于表6。

表6 張力腿平臺風(fēng)險指數(shù)Tab.6 Tension leg platform risk index

風(fēng)險區(qū)間 ［T1，T2］為風(fēng)險指數(shù)θ的置信度為1-α的置信區(qū)間。

取置信度1-α=0.95

代入得置信區(qū)間為 ［3.421 2，3.7777］。

由于正態(tài)分布有

所以在3σ原則下此結(jié)果可信。

風(fēng)險評估的結(jié)果是：在置信度為0.95情況下，張力腿平臺系泊風(fēng)險的置信區(qū)間為[3.421 2，3.777 7]，在5分等級的評估標(biāo)準(zhǔn)中，處于中等風(fēng)險和高風(fēng)險之間，需得到重視并加強系泊的安全維護(hù)。在張力腿平臺系泊系統(tǒng)設(shè)計時需考慮多方面的因素，加大安全系數(shù)，確保運營安全。

十種風(fēng)險評估方案，影響評估系泊風(fēng)險的因素中風(fēng)浪流同向性指數(shù)、浪高指數(shù)分別5次和3次成為最危險的因素。在張力腿平臺系泊系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，需對這兩種風(fēng)險因素多重視。

評估結(jié)果和客觀分析是一致的。通過風(fēng)險評估可以看出，該風(fēng)險評估指標(biāo)體系的建立能體現(xiàn)張力腿平臺的綜合系泊風(fēng)險，通過該風(fēng)險評估方法能有助于張力腿平臺系泊時在危險發(fā)生之前對系泊風(fēng)險加以防范和控制。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合模糊綜合評判法、層次分析法以及概率論提出了一種風(fēng)險分析的評估方法，識別了系泊中的風(fēng)險因素，建立完善了相應(yīng)的風(fēng)險評估指標(biāo)體系，并將其應(yīng)用于設(shè)計中或已服役作業(yè)的張力腿平臺系泊風(fēng)險評估中。將不同風(fēng)險評估結(jié)果視為風(fēng)險的總體的隨機樣本，用概率論和置信區(qū)間對風(fēng)險評估結(jié)果進(jìn)行置信度評價?？朔藛我辉u價方案主觀性太強的弱點，使評價更具有客觀性和可信性。結(jié)合一型設(shè)計中的張力腿平臺，應(yīng)用本文提出的數(shù)值風(fēng)險評估模型對該平臺的系泊系統(tǒng)進(jìn)行了風(fēng)險評估。結(jié)果表明該方法可以對張力腿平臺的系泊風(fēng)險評估中的主觀因素進(jìn)行客觀有效的評估。利用獲取的評價結(jié)果，識別設(shè)計或已建成服役的張力腿平臺系泊風(fēng)險指數(shù)高的風(fēng)險因素，并采取有效措施，加強培訓(xùn)及時檢修設(shè)備，以防止意外的發(fā)生。有助于張力腿平臺系泊時在危險發(fā)生之前對系泊風(fēng)險加以防范和控制。該風(fēng)險評估方法可以推廣應(yīng)用于其他海上結(jié)構(gòu)物的風(fēng)險評估問題中。

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Risk assessment of mooring for tension leg platform

WU Hao,LIN Yan
(School of Naval Architecture Engineering,Faculty of Vehicle Engineering and Mechanics,State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Based on the Fuzzy Comprehensive Evaluation Method,Analytic Hierarchy Process(AHP)and Probability Theory,this paper put forward an analysis method of risk assessment,established the corresponding assessment criteria system,and applied to the design or were delivered of Tension Leg Platform (TLP)mooring risk assessment.Analysis and calculation example show that the risk assessment method for mooring is applicable and effective.Making use of the risk assessment result,identify the major risk factors of TLP which is designed or in service,and take effective measures to strengthen the training and maintain the equipment in time,could prevent the occurrence of accidents.Combined with a TLP in design,apply the numerical risk assessment model was applied to the platform of risk assessment for mooring system. The results show that this method can be objectively and effectively used to assess the subjective factors in the mooring risk assessment of TLP.And it can be applied in the risk assessment of other offshore structures.

Tension Leg Platform;risk assessment of mooring;assessment criteria system; assessment approach;fuzzy comprehensive evaluation method;analytic hierarchy process;theory of probability

P756.2

：Adoi：10.3969/j.issn.1007-7294.2016.05.011

1007-7294（2016）05-0600-13

2016-01-09

吳 昊（1989-），男，博士研究生；林 焰（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：linyanly@dlut.edu.cn。