海洋钻井平台应急脆弱性群评估法研究*

熊云峰，陈章兰，李晓文

(1.集美大学 轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

0 引言

脆弱性(Vulnerability)源于自然灾害领域，反映承载体能够应对灾害的程度[1]。20 世纪90年代以来，脆弱性的概念从科学领域向社会学领域渗透，在公共安全、管理学、职业健康、经济学等领域得到广泛关注，脆弱性的概念被不断修正和完善。从安全科学与工程扩展角度来说，脆弱性是系统在某一扰动下发生的变化程度，以及从扰动的不利影响中恢复正常运行的能力[1-3]。根据海洋钻井平台应急系统特点，海洋钻井平台应急脆弱性可定义为海洋钻井平台应急系统中存在的可能被威胁利用造成损害的薄弱环节，是系统应对各种不利因素影响时的敏感性与反应能力。海洋钻井平台的应急能力与钻井平台安全可靠作业息息相关,只有对海洋钻井平台应急脆弱性作出科学评估，及时指出应急系统中的薄弱环节，才能采取切实可行的纠正和预防措施，及时有效排除系统中隐藏的威胁和不利因素，确保海洋钻井平台安全。因此，如何正确评估海洋钻井平台应急脆弱性是关系到海洋钻井平台整体作业安全的重要研究课题。

目前，关于海洋钻井平台应急脆弱性评估的研究成果较少：孟祥坤[4]以南海第7代超深水半潜式平台的钻井系统为研究对象，提出1套针对深水半潜式平台钻井作业系统的风险评估方法；Paik等[5]建立海洋结构物的风险评估和管理框架，并对其火灾爆炸风险开展定量评估；刘书杰等[6]基于贝叶斯网络建立深水钻井安全性网络的拓扑结构；Xue等[7]建立海上钻井作业的安全屏障模型；郭恒等[8-9]建立海洋平台事故动力模型，提出海洋钻井平台事故致因评价框架；秦庭荣等[10]提出船舶应急脆弱性定义，建立船舶应急脆弱性评估指标体系和脆弱性评估模型；梅丹等[11]提出综合脆弱性概念，建立舰船电网节点综合脆弱性的评估模型。综上，现有研究均没有充分考虑不同专家在群评估中作用的差异性,忽略专家权重对指标权重和评估结果的重要影响。

本文根据海洋钻井平台应急系统显著复杂性和模糊性特点，充分考虑评估专家和评价因子权重信息，运用权重集结方法和模糊综合评估理论，构建海洋钻井平台应急脆弱性综合群评估模型，旨在为科学评价海洋钻井平台应急脆弱性提供新思路。

1 评估指标体系

根据海洋钻井平台的作业特点、危害因素、突发事件特征以及平台应急体系自身功能要求，基于人因工程理论，遵循科学性、系统性及层次性相结合的原则，从脆弱性特征要素(包括暴露度、敏感度和适应度)和构成承载体的组元因素(包括人员、设备、环境，管理等)出发，对海洋钻井平台应急脆弱性影响因子进行系统分析，建立海洋钻井平台应急脆弱性综合评估评价指标体系，如图1所示。

图1 海洋钻井平台应急脆弱性评估指标体系Fig.1 Evaluation index system for emergency vulnerability of offshore drilling platforms

评估指标体系分为2个层次：第1层由应急人员脆弱性(R)、应急设备脆弱性(S)、应急管理脆弱性(G)和外部保障脆弱性(H)4个单元组成，每个单元又有若干评估指标；第2层即为评估目标层，由第1层的4个单元作为第2层的4个评估指标。其中，R1～R4分别表示人员业务能力、心理素质、身体素质和知识水平；S1～S7分别表示井控设备系统、油液输送系统、检测报警系统、消防设备系统、救生设备系统、防污染设备系统和应急通信系统；G1～G5分别表示领导重视程度、应急组织机构、应急管理制度、应急管控预案、安全教育培训；H1～H4分别表示自然环境条件、外部物资补偿、外部救援力量和灾后保险理赔。

2 权重计算模型

在对某个评估对象进行群评估时，必须合理确定评估专家的权重和评估指标的权重，才能确保评估结论准确性和可靠性[12]。

目前，专家权重确定方法一般直接根据评估指标值，通过计算熵权等方法获得。确定指标综合权重的方法为分别由主观权重法(如层次分析法等)和客观权重法(如变异系数法等)求出指标的主、客观权重，通过线性组合等方法得到指标综合权重。上述方法均未考虑专家个体差异性，没有充分反映专家权重对指标权重重要影响。因此，本文将针对海洋钻井平台应急脆弱性评估的特点，统筹考虑不同专家学习背景、工作经验和业务能力等方面的差异性，赋予专家合理的权重；并引入多位专家对指标赋权，然后利用群决策方法对所有专家给出的指标权重进行集结，得到指标综合权重，从而提高指标权重的合理性和可信性[13-16]。

2.1 评估专家权重

评估专家基本条件为至少在本专业领域工作满3 a、具备本专业或相关专业专科及以上学历、副高级及以上职称的专业技术人员。从专家学习背景、工作经验和业务能力3个方面给专家评分，评分标准见表1～3。

表1 专家学习背景评分标准Table 1 Scoring standard of experts’ learning background

表2 专家工作经验的评分标准Table 2 Scoring standard of experts’ working experience

表3 专家业务能力的评分标准Table 3 Scoring standard of experts’ professional ability

按照表1～3，对每位专家进行评分，并计算出每位专家的总得分。

专家权重如式(1)所示：

λ=(λt)1×p

(1)

其中λt如式(2)所示：

(2)

式中：λt∈[0,1]为第t个专家的权重；Dt表示第t位专家的总得分；p为专家总数。

2.2 评估指标综合权重

由p位评估专家根据自己的工作经验和主观偏好，运用直接赋权法、层次分析法、熵权法、差异系数法、灰关联分析法、成份分析法或组合权重法等[12-15]，分别给出n个评估指标的权重向量如式(3)所示：

(3)

根据式(3)，建立由p位评估专家赋权的评估指标权重矩阵WZ如式(4)所示:

(4)

考虑到不同评估专家的工作相关性、经验和知识储备差异性，给出的评估指标权重值不同。为统筹考虑所有专家意见，提高指标权重准确性，需要对所有专家给出的指标权重进行集结，获得评估指标的综合权重，如式(5)所示：

W=λWZ=(ωi)1×n

(5)

3 群评估模型

3.1 确定评价因素集和评语集

根据评估指标体系，确定总目标(第2层)指标集如式(6)所示：

U={R,S,G,H}

(6)

子目标(第1层)有4个指标集，如式(7)～(10)所示：

R={R1,R2,R3,R4}

(7)

S={S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7}

(8)

G={G1,G2,G3,G4,G5}

(9)

H={H1,H2,H3,H4}

(10)

将专家对应急脆弱性的评语分为很低(V1)、较低(V2)、一般(V3)、较高(V4)、很高(V5)5个等级，建立评语集如式(11)所示：

V={V1,V2,V3,V4,V5}

(11)

3.2 构建第1层各单元模糊隶属度矩阵

针对海洋钻井平台应急脆弱性的评语具有较强模糊性的特点，通过评估专家对评价因素集中的每个因素对照评语集进行评估(即给出评语)，然后对评估结果加以统计，得出每个因素属于各个评语的程度(即隶属度)，从而构建模糊隶属度矩阵[13，15-16]。具体包括以下4个步骤：

2)由p位专家按照评语集中的5个评语，分别对第1层第k单元的第i个评估指标给出自己的评语。

(12)

3.3 模糊综合评估

根据多级模糊综合评估理论，按照公式(1)～(12)，得到第1层各单元模糊评价结果B1k如式(13)所示：

B1k=W1k∘A1k

(13)

式中：W1k为第1层第k单元各评估指标的权重向量；∘为加权平均型模糊算子。

按式(14)建立第2层模糊评估矩阵B：

B=(B11,B12,B13,B14)T

(14)

按式(15)计算模糊评估向量C：

C=W2∘B

(15)

式中：W2为第2层各评估指标的权重向量。

根据最大隶属度原则，确定最终评估结果，根据综合评估结论，提出有针对性的改进措施。

4 模型算例

4.1 确定专家权重

若由5位专家对某海洋钻井平台的应急脆弱性进行群评估，则首先对5位专家进行编号，分别为Z1，Z2，Z3，Z4，Z5；然后根据每位专家学历背景、工作经验和业务能力，按照表1～3进行打分，得到5位专家总得分，根据式(1)求出5位专家权重，结果见表4。

表4 专家权重Table 4 Weights of experts

4.2 确定指标权重

(16)

根据式(5)对集结各位专家给出的指标权重进行集结，从而获得第1层第1单元指标的综合权重W11=(0.376,0.259,0.212,0.153)

同理得到第1层其它3个单元以及第2层各评估指标的综合权重如式(17)所示：

W12=(0.212,0.167,0.204,0.153,0.136,0.050,0.078)
W13=(0.194,0.261,0.203,0.189,0.153)
W14=(0.186,0.327,0.361,0.126)
W2=(0.262,0.238,0.324,0.176)

(17)

4.3 多级模糊综合评估

根据3.2节内容，可以得到第1层4个评估单元的模糊隶属度矩阵，如式(18)～(21)所示：

(18)

(19)

(20)

(21)

根据公式(13)～(15)计算可得式(22)～(23)：

(22)

C=W2∘B=(0.193,0.354,0.322,0.125,0.005)

(23)

根据最大隶属度原则得到评估结论见表5。由表5可知，为提高该海洋钻井平台的应急保障能力，主要从该海洋钻井平台的应急设备系统和外部保障系统2方面入手，制订并实施预防与纠正措施：1)加强安全应急知识的学习培训，提高全员安全应急意识和各级管理人员的管理能力。2)强化应急管理机构的职能，健全海洋钻井平台的应急管理体系，完善应急管控预案，提高应急演习的实用性。3)强化平台外部环境的监控，进一步做好防极端天气的应急管理工作。4)增强与外部救援单位的沟通联系，适时开展联合救援演习，提高联合应急救援能力。

表5 评估结论Table 5 Evaluation conclusions

5 结论

1)海洋钻井平台应急脆弱性评估指标体系具有一定合理性，但在实际应用时，需要根据评估需求对评价指标和体系层次进行适当增减。

2)根据专家自身客观属性，运用专家打分法建立专家权重计算模型；基于专家权重将各评估指标权重集结为评估指标的综合权重，不仅反映评估专家在群评估中的重要作用，也有效保证群评估结果的准确性。

3)基于多级模糊综合评估理论，提出新的集结专家权重隶属度确定方法，构建海洋钻井平台应急脆弱性群评估模型。该模型逻辑性强、原理简单、应用方便，能较好地解决海洋钻井平台应急脆弱性群评估问题。

4)本文主要对海洋钻井平台应急脆弱性群评估方法进行探索，模拟算例比较简单，今后将继续针对该评估法的实用性和可靠性进行深入研究。