船舶行业试验系统安全风险评估的构建与研究*

王静 张会会 姜传炜 邓天勇 陈存

(武汉第二船舶设计研究所 武汉 430205)

0 引言

船舶行业试验系统是一个多阶段、跨专业、立体交叉、高风险的系统工程。船舶行业设计研制特点决定了在试验环节各种危险因素相互交叉，发生事故的可能性高，科研人员生命安全和国家财产安全难以保障[1-2]。如何完善船舶行业试验系统的安全风险评估体系，降低科研试验系统的安全风险，减少事故的发生，已经成为船舶行业亟待解决的热点问题。

目前我国在高危行业尤其是建筑、危险化学品、矿山、物流等方面开展了大量的安全风险分析与评价研究，船舶行业虽然在船舶通航、维修、下水等方面开展了相关的安全风险评估研究[3-5]，但是对船舶类试验系统的安全风险评价方面的研究较少，加之我国现阶段科研类试验系统的增多，更加需要研究相应的安全风险评估办法，用于提高船舶行业试验环节的安全性与成功率。

1 试验安全风险分析

船舶试验系统安全风险分析是通过系统分析影响船舶试验安全的各类因素，确定能够反映安全风险水平的关键环节。

船舶试验过程中，试验负责人、安全管理人员、试验操作人员、船舶试验系统、自然环境、地质条件、作业现场环境等各类因素均能影响试验环节安全，可纳入船舶试验管理系统中的人、设备、环境、管理4个要素之中[6]。

2 试验系统安全风险评估指标体系

由于船舶行业试验的种类、数量较多，导致试验环节在不同阶段场地环境、试验材料、设备构成均不相同，进而试验的规模和组织方式也不相同，这些特点决定了船舶类试验系统安全风险评估指标体系的复杂性。

将试验系统作为一个整体进行安全风险评价，根据安全系统原理，从人、设备、环境、管理等4个方面进行安全风险因素分类，整合船舶行业科研试验系统安全风险评估的关键环节，构建船舶行业试验系统安全风险评估指标体系。

2.1 人的因素

从管理层人员安全意识程度、试验人员专业技术能力、试验人员结构及文化程度、试验人员安全意识程度等4个方面对人的因素进行分析。“管业务必须管安全”的原则决定了管理层人员安全意识的重要性。在试验环节中，管理层对安全的重视程度影响了整个试验团队对安全生产规章制度的执行力度。

2.2 设备因素

设备技术档案资料齐全、设备日常维护保养、安全保护装置可靠性、电气线路可靠性、特种设备可靠性等要素，决定了船舶类试验系统的可靠性，组成了船舶类试验系统的设备因素。

2.3 环境因素

影响船舶类试验安全的环境因素较多。船舶行业试验按照场所分类，一般分为室内场所试验和外场试验，环境因素包括自然环境、试验现场环境、试验现场定员定量定置管理等内容，其中自然环境条件对外场试验影响比较大。

2.4 管理因素

通过落实安全生产责任制、制定试验大纲(或试验安全保障方案)、按照安全生产规定要求进行审批、试验全过程的安全检查、加强试验各阶段安全技术交底及教育培训、编制事故应急预案并演练、编制试验撤收方案等管理措施，加强船舶行业试验系统安全管理。

船舶行业试验系统安全风险评估指标体系的建立，是决定安全风险评估的关键。基于试验安全风险分析，对相关指标进行筛选，选取了对船舶行业试验系统安全影响较大的19个安全风险因素，构建了船舶行业试验系统安全风险评估指标体系，具体层级及指标如图1所示。

图1 船舶行业试验系统安全风险评估指标体系

3 基于层次分析法的安全风险评估

3.1 层次分析法指标权重的确定原则

(1)获取指标判断矩阵

通过重要性的两两成对比较，获取各指标相对重要性的排序，构造判断矩阵，判断标度值如表1所示。

表1 判断标度值

续表1

(2)矩阵一致性检验

根据公式(1)计算衡量指标判断矩阵的不一致程度指标CI。

(1)

式中，λmax为指标判断矩阵的最大特征值，N为矩阵阶数。

通过表2获得平均随机一致性指标RI。

表2 平均随机一致性指标RI的取值

根据公式(2)计算指标判断矩阵的一致性检验值。

(2)

当CR<0.1时，判定指标判断矩阵具有满意的一致性，或者可以接受的不一致程度；否则调整指标判断矩阵，直到满足矩阵一致性检验为止。

(3)计算指标权重值

通过公式(3)和(4)得到指标判断矩阵中每个指标的权重系数。

(3)

(4)

3.2 试验安全风险评估指标权重

船舶行业试验系统安全风险评估指标体系中指标层共有19项评估指标，分别为I1，I2，…，I19，指标判断矩阵的阶数为19，直接采用层次分析法计算权重并进行矩阵一致性检验时，计算量较大，存在一定的误差。

为了提高计算效率，减少指标权重的误差，本文将试验安全预警指标系统分为两个层次，准则层为第一层级，指标层为第二层级，采用分层计算的方式获得每个评估指标的权重。

3.2.1计算试验系统安全风险评估指标体系第一个层级权重

通过获取判断矩阵及矩阵一致性检验，确定第一个层级的4个权重ωi，计算公式为

(5)

式中，mi为指标矩阵每行数据的几何平均值；i=1，2，3，4，分别代表第一层级的4个要素(人、设备、环境、管理)。

3.2.2计算试验系统安全风险评估指标体系第二个层级权重

对应第一层级的4个要素，通过第一层级某个要素包含的第二层级要素的判断矩阵及矩阵一致性检验，确定第一层级要素对应的第二层级要素的权重表示为ωij，计算公式为

(6)

式中，n为第一层级的第i个要素下第二层级的要素数量，ij为第一层级的第i个要素下第二层级的第j个要素。

3.2.3计算试验系统安全风险评估指标体系的指标权重

试验系统安全风险评估指标体系的指标权重为

WN=ωi·ωij

(7)

当i=1，2，3，4时，ni为第一层级的第i个要素下第二层级的要素数量，分别为4，5，3，7，所以有以下关系为

N=j+ni-1(i>1)+ni-2(i>2)+ni-3(i>3)

(8)

对应试验安全风险评估指标体系(图1)，通过3个步骤获取船舶行业科研试验系统安全风险评估指标体系中的各项指标权重。

3.3 试验系统安全风险评估指标体系的指数值

通过专家打分法确定试验系统安全风险评估指标体系中19个指标的量化值，根据指标权重建立数学模型，得出试验系统预警指数值为

(9)

式中，SPI为试验系统安全风险评估指数值，Ai为试验系统安全风险评估指标的专家打分值，Wi为试验系统安全风险评估指标权重。

当i=1～19时，含有19个元素的SPIi组合成安全预警指标体系。船舶行业试验安全风险状态划分为4个等级，分别为安全、注意、警告、危险[7]，通过对试验系统安全风险评估指标体系指数值的运算，评估试验系统安全风险状态。

3.4 实例分析

为了对船舶行业试验系统进行安全风险评估，首先确定试验系统安全风险评估指标体系准则层和指标层的指标判断矩阵，借助Matlab软件采用层次分析法计算准则层和指标层的权重值，进而根据式(7)确定船舶行业试验系统安全风险评估指标体系的19个指标的权重值，如表3所示。

本文以某船舶行业研究所的海水加压试验系统为例，该系统包括压力罐、加压系统及集中控制台，具备交变、蠕变、静态加压功能，可完成各种试件在外压水环境下结构力学、工作性能方面的试验。同时邀请6位专家(1位试验项目负责人， 1位试验技术负责人，1位试验安全管理员，1位试验设备工程师，1位企业安全管理负责人，1位企业安全管理员)，通过船舶行业试验系统安全风险评估指标体系对海水加压试验系统的4次试验进行打分，按照安全、注意、警告、危险4个等级对每个指标进行划分，等级对应区间值分别为[0.75,1)，[0.5,0.75)，[0.25,0.5)，(0,0.25)，数值越低表示安全风险越高。

通过专家评价法对收集的4次试验分值进行统计分析，确定每次试验的19个指标分值，经加权评价得到各评价指标风险值，根据式(9)计算得到试验系统每次试验的安全评估值，见表3。

表3 某海水加压试验系统安全风险评估指标值

结果显示，海水加压试验系统4次试验的评估值分别为0.660 507，0.702 108，0.762 080，0.784 521，代表安全风险等级分别为注意、注意、安全、安全，基本符合试验现场全过程的安全风险状态。随着试验系统各项条件的完善改进，影响试验系统安全风险因素的19个评估指标值不断提高，试验的安全风险逐渐降低，试验系统的安全性得到了提升。

在保持其他评估指标不变的情况下，当评估指标权重越高时，对这个指标进行等比例增加或降低，对试验风险评估值的影响就越大。船舶行业试验系统安全风险评估指标权重最高的5项即为试验系统安全风险评估的显著因素。

从海水加压试验系统安全风险评估指标权重值可以得出，该系统安全风险影响指标显著性排序为：落实安全生产责任制q41>试验现场定员定量定置管理q33>电气线路可靠性q24=特种设备可靠性q25>安全保护装置可靠性q23。

为了进一步改善海水加压试验系统的安全风险状态，后续应该从落实安全生产责任制，加强试验现场定员定量定置管理，提高电气线路、特种设备、安全保护装置可靠性等方面采取安全改进措施，降低海水加压试验系统的安全风险。

4 结语

本文对船舶行业试验系统进行了安全风险分析，通过安全系统工程理论确定了影响船舶行业试验系统安全的各项指标，然后运用层次分析法计算得到试验系统安全风险评估系统的各项指标权重，进而构建了试验系统安全风险评估模型。

本文通过船舶行业某试验系统的4次试验，对船舶行业试验系统安全风险评估模型进行了实例验证，表明该模型具有一定的可行性和有效性。

根据船舶行业试验的安全风险评估值判断试验系统的安全风险状态，当安全风险状态为警告或危险时进行预警，采取安全措施改进提高试验系统安全风险评估模型的19个评估指标，直至试验安全风险状态为安全或注意时，再进行试验。

通过试验系统安全风险评估模型，可以精准有效地控制试验风险，采用最优方案降低试验系统的危险性，形成具有安全预警能力的船舶行业试验系统。