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        基于Petri網(wǎng)的船舶海上加油作業(yè)過程建模與安全分析*

        2022-12-01 04:24:20溫福妍盛進路于敏
        工業(yè)安全與環(huán)保 2022年8期
        關鍵詞:油艙關聯(lián)矩陣庫所

        溫福妍 盛進路 于敏

        (1.重慶交通大學 航運與船舶工程學院,重慶 400074;2.重慶交通大學 交通運輸學院,重慶 400074)

        0 引言

        由于海上條件的限制,運輸物資的大型遠洋船舶主要采取加油船加油的方式補給燃料,但是近年來在加油過程中時有事故發(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)過程中操作不當發(fā)生操作性污染事故,導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,加強船舶海上加油過程管理對保證船舶安全、減少船舶財產(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準規(guī)范,沒能對其進行定量分析。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)學方法對系統(tǒng)性質(zhì)進行表示,被學者廣泛應用于各領域。如陳玉瑤等[4]運用Petri網(wǎng)對物流倉儲作業(yè)建模仿真,檢驗作業(yè)流程的安全性。蔡婷婷等[5]對危險品出入庫流程進行Petri網(wǎng)模型構建,提高了危險品出入庫的安全性。白冰輪[6]在郵政寄遞流程與業(yè)務方面構建了相關Petri網(wǎng)模型,使寄遞業(yè)務流程更精簡化、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)對加油過程進行系統(tǒng)建模和參數(shù)化表達,并利用PIPE軟件對模型進行驗證分析,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)船舶加油前準備工作。首先組織人員測量、記錄船舶剩余油量,根據(jù)實際情況確認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”警告牌并嚴禁在油氣可能擴散區(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)異常情況及時與供油方聯(lián)系;⑨受油艙的油位到達本油艙的3/4高度時打開下一個受油艙的進口閥,再關閉正在加油油艙的進口閥。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?shù)睾J虏块T及其他相關部門報告。

        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行確認(加油數(shù)量的差值應小于5%,若與供油方在加油數(shù)量上存在爭議,在受油單上注明實際受油量并注明存在爭議,同時用書面形式報告本單位物資部門);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 建模的預設條件

        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)的一個網(wǎng),

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

        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Petri網(wǎng),S={S1,S2,…,Sm},T={T1,T2,…,Tn},則Petri網(wǎng)∑的結(jié)構(S,T;F)可以用一個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重要節(jié)點進行了標記,以流程圖的方式將復雜的加油過程進行了梳理,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)部活動關系分析

        3.1 關聯(lián)矩陣

        為了驗證創(chuàng)建的加油作業(yè)模型是否合理,需對模型動態(tài)性質(zhì)進行分析。利用Petri網(wǎng)中的關聯(lián)矩陣、不變量、關聯(lián)矩陣重組的方法對模型可靠性進行分析,關聯(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,標識運行狀況各個庫所的界為1且根據(jù)P-不變量對網(wǎng)結(jié)構性質(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)關系分析

        利用關聯(lián)矩陣重組算法可以將關聯(lián)矩陣中的流程分解為若干個相對獨立的子流程,即將Petri網(wǎng)分解為若干個子網(wǎng),通過對Petri網(wǎng)的分解,可以對子網(wǎng)之間的關系進行分析。通過上述關聯(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)表達了船舶加油作業(yè)過程可以由幾個獨立的活動組成,在加油過程中將活動和事件等進行整合,分析內(nèi)部過程之間可能存在的沖突等關系。如子網(wǎng)5與子網(wǎng)6中,子網(wǎng)5要達到T14的條件,需要庫所P16狀態(tài),子網(wǎng)6要實現(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”,故二者是沖突關系。船舶加油輸送完成要進行加油量確認,供油方和船方輪機長在簽署受油單時對加油量要達成一致,雙方對加油數(shù)量的認定差值應小于5%,在實際加油中加油過程在此程序上時常發(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)關系。加油前甲板透氣孔是否通暢處于并發(fā)關系,狀態(tài)之間互不影響皆可觸發(fā)下一步進行。

        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)關系。加油前機艙人員需要仔細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),防止因為壓力過大燃油不能成功加進油艙而溢出在船上;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)關系,對船舶甲板下水道進行堵塞,防止燃油流進大海對環(huán)境造成污染。

        3)把存油進行駁艙,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,燃油加進空艙也便于測量計算,降低溢油的危險。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是否正確,加油前幾分鐘傾聽加油管流油聲,防止因為壓力問題油不能輸入油艙,如壓力過大嚴重時甚至把加油管沖掉造成嚴重溢油事故。

        5 結(jié)論

        1)通過對海上船舶加油作業(yè)過程的語言解構,建立作業(yè)過程的Petri網(wǎng)模型,將整個加油過程進行參數(shù)化表達,利用Petri網(wǎng)中的關聯(lián)矩陣、不變量等方法對模型可靠性進行分析,驗證了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。

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