姜盛玉，陳國明，李新宏，何 睿，董 澈

(中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580)

0 引言

海洋平臺工作環(huán)境特殊，具有高投入、高風險和勞動密集等特點。隨著平臺裝備及作業(yè)系統(tǒng)集成化、網絡化與智能化程度的增加，子系統(tǒng)之間的聯系性增強。某先兆事件中，子系統(tǒng)單元的脆弱性及風險可隨關聯路徑傳遞至其他子系統(tǒng)，破壞鉆井系統(tǒng)中其他設備的功能，影響平臺鉆采作業(yè)的持續(xù)性。2010年，美國墨西哥灣作業(yè)的“深水地平線”[1]鉆井平臺發(fā)生嚴重井噴，并引起劇烈爆炸，造成 11人死亡，17人失蹤，大量原油泄漏。該事故即以防噴器剪切能力不足為原點，進而將風險傳遞至平臺其他系統(tǒng)，造成毀滅性打擊。鑒于此，國內外學者對海洋平臺安全進行了深入探討。郭恒等[2]從人因失誤、工藝設備、物料危險、管理缺陷和危險環(huán)境5個方面系統(tǒng)分析事故致因因素，提出海洋鉆井平臺事故致因評價框架；楊冬冬[3]運采用CFD方法建立海洋平臺井噴含硫天然氣后果預測及評估模型。國內外對于海洋平臺的事故研究，大多采用傳統(tǒng)的方法如事故樹、事件樹和蝴蝶結模型法等分析鉆采安全，鮮有以海洋平臺安全的脆弱性為切入點進行探討。

脆弱性起源于對自然災害的研究，其概念由Timmerman[4]首次提出，目前其概念已應用到諸多領域。美國石油協(xié)會提出脆弱性是指可以被破壞者利用的弱點以損害或竊取資產、破壞系統(tǒng)關鍵功能，脆弱性是一個變量表征攻擊目標成功的可能性[5]。Bohle等[6]認為脆弱性包含內部、外部2方面，內部方面表現為系統(tǒng)對外界干擾或沖擊的應對能力，外部方面表現為系統(tǒng)對外界擾動或沖擊的暴露，即發(fā)生事故的可能性。脆弱性概念逐漸引入風險領域，魏彤彤[7]針對洪水災害下化工裝置的脆弱性評估，提出了綜合考慮洪水類型、裝置結構特征和危險物質泄漏模式的脆弱性定量評估方法；王曉瑞[8]建立了瓦斯異常涌出下煤礦脆弱性的突變評價指標體系；Huai Su[9]開發(fā)了一個系統(tǒng)框架來評估天然氣管網的脆弱性。李乃文等[10]針對煤礦井下安全環(huán)境的復雜性和特殊性， 建立了煤礦井下安全系統(tǒng)脆弱性的系統(tǒng)動力學仿真模型。

考慮海洋平臺安全系統(tǒng)的復雜關系及其存在的反饋機制，筆者從系統(tǒng)動力學的角度出發(fā)，結合脆弱性理論，對海洋平臺的脆弱性進行動態(tài)分析，明確不同系統(tǒng)對脆弱性指標的敏感程度以及存在的相互關系。在建立系統(tǒng)動力學模型過程中，運用模糊層次分析法對不同系統(tǒng)中的因素進行判定，實現對海洋平臺安全系統(tǒng)的脆弱性動態(tài)評價和預測，最終確定系統(tǒng)脆弱性的關鍵影響因素，從而提出降低海洋平臺脆弱性的資金投入借鑒思路。

1 海洋平臺安全系統(tǒng)動力學模型

1.1 海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱因素分析

鑒于海洋平臺所處環(huán)境特殊，面對工況更加復雜，且發(fā)生事故后極易引發(fā)嚴重后果，事故處理難度大，本文將海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱性作為一個概念集合探究，即保證海洋平臺安全運行的系統(tǒng)的集合。其中的脆弱性內容(見圖1)包括暴露度、敏感度和適應度。其中，暴露度是個體或系統(tǒng)暴露于災害及其不利影響的可能性；敏感度是系統(tǒng)組分由于暴露于災害(擾動或壓力)而可能受到的損害程度；適應度是個體或系統(tǒng)處理、抵抗不利影響的能力，以及從中恢復的能力[11]。

圖1 海洋平臺安全脆弱性結構圖Fig.1 Structure diagram for safety vulnerability of offshore platform

海洋平臺的暴露度與環(huán)境復雜程度、開采設備與過程裝備的可靠性、工作人員操作可靠性直接相關。海洋平臺相較于陸地油氣開采，具有更高的孤立性、資源有限性等特點。海洋平臺承受著風、浪、流等復雜環(huán)境載荷，極端臺風風載及其帶來的波浪載荷的聯動嚴重威脅平臺[12]，在相應環(huán)境下暴露度可與平臺到臺風中心距離成正比關系。此外，海洋平臺上過程裝備及工藝需要重點關注，如三相分離過程和氣體壓縮過程[13]，海洋環(huán)境具有濕度高，海風頻繁的特征，加速密封元件老化，加快腐蝕速率及裂紋擴展，具有較高的暴露度。工作人員相較于設備，控制難度大，心理不可知，行為不可預測，海洋平臺發(fā)生的多數事故與人因密切相關，人員系統(tǒng)暴露度同樣不可忽視。

海洋平臺及其配套設備造價昂貴，所處環(huán)境多為自然資源豐富的海洋，環(huán)境流動性強。此外，海洋平臺具有較高的人員密度，當發(fā)生不可逆災害時，逃生路徑與方式相對有限。因此，海洋平臺從事鉆采過程中，一旦發(fā)生能量的不可控外泄，將會對平臺及設備造成損傷；同時，外泄油氣會隨洋流、風浪進行大面積的擴散；事故演化過程中，如不能有效控制，將會發(fā)生更為嚴重的燃爆事件。在事故演化鏈不同階段，輕則造成海洋平臺減產、停產，重則造成平臺損毀、人員傷亡的重大事故，同時也造成海洋環(huán)境、大氣環(huán)境的嚴重污染，損害開采方聲譽，甚至國家影響力。

平臺的適應度體現在安全屏障的完整性和可靠性，安全監(jiān)督監(jiān)管的有效性，安全規(guī)章制度的完備性和可行性方面。受災條件下平臺必然呈現熵增趨勢，平臺系統(tǒng)需要在受災條件下短時間內完成調度和救援，這時設備可靠的緊急關斷系統(tǒng)、人員豐富的經驗、完備的培訓及演習可以有效遏制熵增，保證設備及人員處于正確的決策路徑，有效切斷連鎖事故的演化路徑，以降低事故的人員傷亡和財產損失，表現為高適應度。然而，由于海洋平臺所處的環(huán)境相對特殊，當發(fā)生事故時所能及時獲取的人力資源和物質資源極為有限，控制事故發(fā)展和走向的能力較弱，事故處理效率與陸上相比存在差距。同時海洋平臺發(fā)生的事故對海洋生態(tài)環(huán)境和生物多樣性造成的影響是毀滅性的，即便做出巨大投入也難以恢復至事故發(fā)生前狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)動力學建模

系統(tǒng)動力學(System Dynamics)是由美國麻省理工學院的J. W. Forrester教授于20世紀50年代創(chuàng)立的系統(tǒng)仿真方法，是根據系統(tǒng)論、控制論、信息論等有關理論和方法建立起來的計算機仿真模型，是研究高度非線性、多變量、多重反饋復雜系統(tǒng)結構與行為的一門科學。系統(tǒng)動力學可以同時表示和分析多個系統(tǒng)控制變量，描述多個不安全行為的耦合作用，用動態(tài)的觀點來描述事故的發(fā)生機理，在事故突變機理中有無可比擬的優(yōu)勢。系統(tǒng)動力學認為，系統(tǒng)的模式與特性取決于邊界條件和內部結構；反饋即X影響Y，Y又通過一系列因果鏈影響X，這樣將研究對象作為一個反饋系統(tǒng)才能得出科學結論。

1.2.1 海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱性流圖

海洋平臺安全系統(tǒng)由眾多子系統(tǒng)和影響因子組成，其中每個因子對平臺安全系統(tǒng)的脆弱性產生不同程度的影響。因此，為反應不同因子對安全系統(tǒng)的脆弱性及敏感性，以及系統(tǒng)中存在正負反饋關系鏈，結合上述平臺脆弱因素分析，建立基于系統(tǒng)動力學的海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱性流圖，如圖2所示。

圖2 海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱性流圖Fig.2 Flow diagram for safety system vulnerability of offshore platform

以設備系統(tǒng)為例，由脆弱性流圖可知，在設備系統(tǒng)中，隨著生產平臺服役時間的增長，通訊設備、過程設備、采油采氣設備和交通設備出現不同程度的損耗及故障隱患，進而造成暴露度升高、敏感度升高及適應度降低，再通過平臺事故發(fā)生概率影響安全監(jiān)督監(jiān)管；預警系統(tǒng)的完備性、應急有效性及事故處理成本影響安全規(guī)章制度形成反饋系統(tǒng)。筆者將設備系統(tǒng)投入、管理系統(tǒng)投入和人員系統(tǒng)投入作為輸入變量，研究安全投入對安全脆弱性的影響。

1.2.2 系統(tǒng)動力學仿真參數確定

為構建系統(tǒng)動力學仿真方程，需要確定子系統(tǒng)中狀態(tài)變量的權重值。針對不同的海洋平臺，參數的設定結果必然存在差異，這取決于不同平臺的設備系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、人員系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)的不同狀態(tài)，以及對不同系統(tǒng)的安全投入比例；此外，影響海洋平臺安全系統(tǒng)的眾多因素指標存在模糊性和主觀性，在普遍情況下難以直接用精確數值對某些因素進行描述。鑒于上述因素考慮，采用模糊層次分析法(FAHP)確定狀態(tài)變量的參數[14]。

將基本因子重要度對比的語言描述分為7個等級[15]，形成重要度對比的語言描述及相應的三角模糊集[16]。充分考慮專家的工作經驗，工作年限和教育水平，選取不同崗位的專家進行指標重要度比較的語言術語評定。通過式(1)將獲取意見進行擬合：

(1)

式中：Zi表示ei的聚合模糊數；wj表示專家j的權重；fij表示專家j給出的e的相應模糊數；n和m分別是專家和打分項e的數量。

筆者采用Max-Min聚合方法進行去模糊化的過程[17]。模糊集合(Z)的左右意見分別見式(2)，式(3)：

(2)

(3)

式中：aleft(Z)為三角模糊數左邊線與y=10-x的焦點縱坐標；aRight(Z)為三角模糊數右邊線與y=x的交點縱坐標；a，b，c分別為三角模糊數左端點橫坐標，三角模糊數中點橫坐標，三角模糊數右端點橫坐標。

因此，模糊數Zi的模糊可能性分數通過式(4)得到：

a(Zi)=[aRight(Zi)+1-aLeft(Zi)]/2

(4)

式中：a(Zi)為去模糊化后相應分值。

特別地，以設備系統(tǒng)為例計算該系統(tǒng)內各基本因素的權重取值。本文選取了3位專家進行語言化判定，他們分別為在海洋平臺工作領域經驗豐富的工程人員，管理人員以及安全研究人員。通過上述方法得到設備系統(tǒng)的去主觀化判斷矩陣如式(5)：

(5)

經過對判斷矩陣的計算得到最大特征根λmax=5.279 8，判斷矩陣的一致性指標CI=0.069 9，平均隨機一致性指標RI=1.12，一致性比率為CR=0.062 4<0.10，即認為判斷矩陣R1具有滿意的一致性，且由油氣井設備、過程裝備、通訊設備、動力定位設備和設備維修維護的排序權重為w=(0.245 0,0.232 6,0.187 0,0.170 9,0.164 5)T，權重分配合理程度較高。安全系統(tǒng)中，管理系統(tǒng)、人員系統(tǒng)、暴露度、敏感度和適應度CR值分別為0.094 6，0.071 1，0.063 2，0.093 7，0.084 1，皆小于0.10，因此具有滿意的一致性；環(huán)境系統(tǒng)矩陣初次CR值為0.159 2>0.10，矩陣一致性較差，調整矩陣判定后經計算CR值為0.085 8<0.10，滿足一致性要求。根據上述方法，可以計算出系統(tǒng)動力學流圖中各不同層次系統(tǒng)中因素對系統(tǒng)的權重值，并建立相應的系統(tǒng)動力學方程，見表1。

2 系統(tǒng)動力學仿真結果分析

以某新服役半潛式平臺為研究對象，將分析時間步設置為1個月，進行為期36個月的仿真分析，對該段時期內海洋平臺的脆弱性進行動態(tài)監(jiān)控。筆者以海洋平臺的暴露度、敏感度和適應度3個脆弱性指標為研究對象進行仿真分析，并引入安全系統(tǒng)投入值，對于設備系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和人員系統(tǒng)設置正交試驗方案，得出海洋平臺脆弱性的變化規(guī)律并進行分析。其中，各系統(tǒng)內初始值由平臺實際運行狀態(tài)獲得，暴露度、敏感度、適應度數值為無量綱參量，僅表示特征變化趨勢。假定平臺的環(huán)境系統(tǒng)相對穩(wěn)定，安全投入不涉及環(huán)境系統(tǒng)。擬定的投入方案見表2。

表1 海洋平臺安全系統(tǒng)脆弱性系統(tǒng)動力學方程Table 1 System dynamic equations for safety system vulnerability of offshore platform

2.1 海洋平臺安全系統(tǒng)暴露度分析

海洋平臺的安全系統(tǒng)是一個復雜的反饋網絡系統(tǒng)，其中的關鍵因素經過系統(tǒng)的反饋環(huán)流動，最終會影響到自身。在這種動態(tài)反饋網絡中，系統(tǒng)暴露度、敏感度和適應度反映更為直觀且符合實際。暴露度強調系統(tǒng)暴露于災害或者不利影響的可能性，為增強海洋平臺的平穩(wěn)運行能力，應使暴露度有效降低。其中，海洋平臺安全系統(tǒng)暴露度仿真結果如圖3所示，當對海洋平臺不進行安全系統(tǒng)投入時，暴露度呈現先增長后逐漸穩(wěn)定的態(tài)勢。當采用實驗1方案時，海洋平臺暴露度已經得到有效下降，但下降速率較緩，且在25個月后達到穩(wěn)定值。實驗2、實驗3和實驗4由于投入量的增加，使得暴露度的下降速率相較于實驗1更為明顯，且都呈現隨時間的延長下降速率放緩態(tài)勢。其中實驗4方案使得暴露度下降最快，方案3次之，方案2最慢。實驗結果表明：設備系統(tǒng)對于降低暴露度最為重要。為保證海洋平臺暴露度有效下降，應提高設備系統(tǒng)內子系統(tǒng)可靠性，應定期進行關鍵部位的監(jiān)測和檢測，保證設備子系統(tǒng)的健康運行狀態(tài)。

表2 安全系統(tǒng)投入正交試驗方案Table 2 Orthogonal test plan of safety system input

圖3 海洋平臺安全系統(tǒng)暴露度曲線Fig.3 Exposure curves for safety system of offshore platform

2.2 海洋平臺安全系統(tǒng)敏感度分析

敏感度強調系統(tǒng)暴露于事故或災害可能受到損害的程度，多用于財產損失，人員傷亡及環(huán)境污染進行表征。降低安全系統(tǒng)的敏感度能夠有效減少當平臺遭遇災害或事故的損失程度。根據不同的模擬方案得出的敏感度結果如圖4所示。根據模擬結果可以看出，在不進行安全系統(tǒng)的投入時，模擬期內平臺的安全系統(tǒng)敏感度隨著時間的增加呈現線性增長態(tài)勢。實驗1方案能夠使得平臺敏感度下降，但下降幅度有限，于15個月左右進入平緩期，并在模擬后期有小幅度抬升。實驗2、實驗3和實驗4都使海洋平臺敏感度有效下降，且實驗4方案效果最優(yōu)，實驗2與實驗3效果相似。這說明為降低平臺敏感度應重點關注設備系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，兩者對于降低海洋平臺的敏感度的重要程度近似，增強設備系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的耦合作用能有效降低事故及災害發(fā)生后的影響程度。

圖4 海洋平臺安全系統(tǒng)敏感度曲線Fig.4 Sensitivity curves for safety system of offshore platform

2.3 海洋平臺安全系統(tǒng)適應度分析

適應度強調系統(tǒng)處理、抵抗不利影響(自然環(huán)境突變)的能力，以及從中恢復的能力，在海洋平臺安全系統(tǒng)中提高適應度能夠有效提高系統(tǒng)應對事故以及氣候變化的能力，盡可能減小損失。根據模擬結果，安全系統(tǒng)適應度可由圖5得出，當不進行安全系統(tǒng)投入時，平臺的安全系統(tǒng)在已有的安全資源的調控下，適應度仍然能夠以一定的速率增長。這是因為，隨著人的學習能力和吸收信息的能力增強，在遇到緊急情況時更容易捕捉關鍵信息并找到突破點。當采用實驗1方案時，適應度增長率略微高于不對系統(tǒng)投入的增長率。實驗3增長率在模擬前期較大，在20個月附近減小至0，后期轉為負值。實驗2和實驗4方案能夠使適應度得到有效的增長，增長率隨時間的延續(xù)逐漸減小，且實驗4方案效果優(yōu)于實驗2。由實驗結果可知，管理系統(tǒng)對于提升適應度起關鍵作用，設備系統(tǒng)次之，人員系統(tǒng)最弱。因此，加強海洋平臺管理系統(tǒng)的建設，能夠有效提高其應對自然災害和危險事件的能力，增強事故處理能力。

圖5 海洋平臺安全系統(tǒng)適應度曲線Fig.5 Fitness curves for safety system of offshore platform

結合試驗結果與分析，實驗4的安全投入方案降低脆弱性的效果最優(yōu)。以實驗4中的安全投入比例為參考，對所研究的平臺安全投入方案進行重新規(guī)劃，在方案實施期內，有效降低了危險事件的發(fā)生概率，提升了安全運行時間，提高了安全投入的利用效率。

3 結論

1)針對海洋平臺的暴露度、敏感度和適應度3個脆弱性指標，采用AHP和模糊數學理論相結合方法，建立了海洋平臺的系統(tǒng)動力學模型，實現了動態(tài)分析海洋平臺的脆弱性，并從安全投入的角度探討了海洋平臺不同系統(tǒng)對脆弱性指標的敏感性。

2)通過建立安全投入的正交試驗，無投入時，隨服役時間延長平臺暴露度、敏感度升高，適應度升高幅度較小，整體脆弱性呈上升趨勢；實驗4對于降低平臺整體脆弱性效果最優(yōu)，設備系統(tǒng)對于降低平臺暴露度起關鍵作用，管理系統(tǒng)對于提升平臺適應度起關鍵作用，設備系統(tǒng)和管理系統(tǒng)同時對降低敏感度起關鍵作用。

3)系統(tǒng)動力學正交試驗結果表明，海洋平臺安全投入重點放在設備系統(tǒng)和管理系統(tǒng)可以有效降低整體脆弱性。同時，應合理分配設備系統(tǒng)、管理系統(tǒng)和人員系統(tǒng)的安全投入比例，以高效維持平臺脆弱性處于可接受范圍。