一种基于模糊Petri网络的FPSO单点多管缆干涉风险评估方法

技术领域

本发明涉及海洋石油工程风险评估技术领域，具体涉及一种基于模糊Petri网络的FPSO单点多管缆干涉风险评估方法。

背景技术

海洋管线在波、流和浮体运动等的作用下，水下形态会发生变化，并使管线受到不同程度的拉伸、扭转、弯曲和挤压，与周围管线相碰撞，引发干涉现象发生。干涉现象的发生容易使管线相互缠绕，周期性的碰撞也会造成管线的磨损、疲劳与断裂，危及工程安全。

FPSO内转塔式单点系泊系统作为FPSO的重要组成部分之一，其水下管缆众多，如系泊缆、生产立管、电缆等，在生产作业过程中，错综复杂的管汇受多种因素影响容易产生干涉风险，影响FPSO的系泊可靠性，并对人员生命安全和设备财产安全造成危害。

模糊Petri网络是一种有向网状结构模型，其模型中的元素包括库所、变迁、有向弧和托肯，其中库所表示状态，变迁表示状态变化。采用可视化图形，用圆形表示库所，矩形表示变迁，两者以有向弧进行连接，可以很好地描述异步、同步、并行等逻辑关系，从而求解具有模糊性和不确定性的问题。

现阶段对管缆干涉问题的研究多集中在力学分析上，对管缆干涉风险进行定量评估与分析的研究还较少。且目前海洋石油工程领域常用的风险评估方法主要有故障树分析法、FMEA法、贝叶斯网络法等，但由于FPSO单点多管缆干涉风险受多种因素影响，且因素间相互联系，现有方法难以对其进行有效分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于模糊Petri网络的FPSO单点多管缆干涉风险评估方法。

具体地，本发明提供一种基于模糊Petri网络的FPSO单点多管缆干涉风险评估方法，包括如下步骤：

步骤100，首先识别FPSO单点系泊系统管缆干涉的风险因素，建立包含目标层、准则层和指标层构成的三级风险评估指标体系；然后利用九元组定义模糊Petri网络：基于风险评估指标体系并结合模糊Petri网理论，采用模糊产生式“或”规则构建模糊Petri网模型；

步骤200，设定库所可信度等级与变迁置信度等级，引入模糊置信结构，根据领域专家经验确定三级风险评估指标体系的库所可信度与各级指标间的变迁置信度，建立初始库所可信度矩阵和变迁置信度矩阵；

步骤300，通过库所可信度推理算法迭代求解最终库所可信度矩阵，得到准则层指标与目标层指标的库所可信度；将变权理论引入状态矩阵推理算法中，迭代求解最终状态矩阵，计算库所的风险等级评估值，并结合库所可信度计算综合评估值；

步骤400，根据综合评估值对FPSO单点系泊系统的多管缆干涉风险进行定量评估，并对指标层指标进行风险排序，对其中的风险薄弱环节提出相应的风险控制措施。

本发明首先识别影响FPSO单点系泊系统多管缆干涉的相关风险因素来建立多层次的风险评估指标体系，并根据模糊Petri网理论将指标体系转换为模糊Petri网模型，然后采用模糊置信结构来确定库所可信度和变迁置信度，通过模糊推理算法迭代求解最终库所可信度矩阵和最终状态矩阵，最后结合库所可信度和风险等级评估值完成对风险的综合定量评估。

本发明有益效果包括：(1)通过构建模糊Petri网模型，能够直观形象地表示风险因素间的逻辑关系；(2)引入模糊置信结构来处理专家主观语言评价，提高了初始数据的准确性；(3)将变权理论与模糊推理算法相结合，通过动态推理使得评估结果更加科学合理；(4)通过综合评估结果对风险因素进行排序，能够提出针对性的风险控制措施，达到风险防控的效果。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的评估方法流程图；

图2是本发明一个实施方式中建立的FPSO单点多管缆干涉风险评估指标体系示意图；

图3为本发明一个实施方式中模糊产生式“或”规则示意图；

图4为本发明一个实施方式中建立的FPSO单点多管缆干涉风险模糊Petri网络模型示意图；

图5为本发明实施例中三级指标风险评估值示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。

如图1所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种基于模糊Petri网络的FPSO单点多管缆干涉风险评估方法，包括如下步骤：

步骤100，首先识别FPSO单点系泊系统管缆干涉的风险因素，建立包含目标层、准则层和指标层构成的三级风险评估指标体系；然后利用九元组定义模糊Petri网模型：基于风险评估指标体系并结合模糊Petri网理论，采用模糊产生式“或”规则构建模糊Petri网模型；

其中，目标层为一级指标，即FPSO单点多管缆干涉风险；准则层为二级指标，包括环境、设备、管缆设计、第三方破坏和管理五个方面；指标层为三级指标，包括各二级指标下的多个风险因素，这里指标数为30个。

表1FPSO单点多管缆干涉风险指标

定义模糊Petri网模型的九元组FPN＝(P,T,D,I,O,U,α,R,M)，其中：

P＝{P

T＝{t

D＝{d

R:P→D表示库所到对应命题的映射；

I＝{δ

O＝{γ

U(t

α(P

M是n×q阶的状态矩阵，用于表征风险因素的后果大小，n×q即为n个库所在q个风险等级中的隶属度。M(0)为初始状态矩阵，M(k)为迭代k次后的状态矩阵。

目标层、准则层和指标层与库所划分的分类一一对应，各级指标间的联系用变迁表示。如指标层为三级指标，其对应库所P

采用模糊产生式“或”规则构建模糊Petri网模型的方式为；

IF d

其中，“AND”和“OR”为模糊产生式规则的逻辑连接符号，d

步骤200，设定库所可信度等级与变迁置信度等级，引入模糊置信结构，根据领域专家经验确定三级风险评估指标体系的库所可信度与各级指标间的变迁置信度，建立初始库所可信度矩阵和变迁置信度矩阵；

库所可信度和变迁置信度均分为五个等级:H＝(H

根据领域专家经验确定三级风险评估指标体系的库所可信度与各级指标间的变迁置信度的过程为：

步骤201，建立三种形式的模糊置信结构，包括：置信结构形式为{(H

步骤202，令专家Z

式中，

结合专家权重β

G

式中，

步骤203，将综合置信结构转换成梯形模糊数R＝(R

式中，r

由重心法将梯形模糊数R去模糊化：

式中，f(x)表示梯形模糊数的隶属度函数，X即为所求的库所可信度或变迁置信度。

步骤300，通过库所可信度推理算法迭代求解最终库所可信度矩阵，得到准则层指标与目标层指标的库所可信度；将变权理论引入状态矩阵推理算法中，迭代求解最终状态矩阵，计算库所的风险等级评估值，并结合库所可信度计算综合评估值；

通过库所可信度推理算法迭代求解最终库所可信度矩阵的过程为：

步骤301，首先定义两个算子：

·：A·B＝C，其中A为n×p维矩阵，B为p×m维矩阵，C为n×m维矩阵，

步骤302，再定义输入：包括初始库所可信度矩阵α(0)、变迁置信度矩阵U、权值矩阵W。其中，α(0)为n×1维矩阵；U为n×m维矩阵；W为n×m维矩阵，其元素W

步骤303，最后令k＝0，k表示推理迭代次数，计算等效模糊真值向量：E(k+1)＝W

步骤400，根据综合评估值对FPSO单点系泊系统的多管缆干涉风险进行定量评估，并对指标层指标进行风险排序，对其中的风险薄弱环节提出相应的风险控制措施。

结合库所可信度计算综合评估值的过程如下；

步骤401，首先定义两个算子：

步骤402，然后定义输入：包括初始状态矩阵M(0)、输入矩阵I、输出矩阵O、常权重向量C与风险等级向量Q。其中，常权重向量C通过层次分析法计算得到；风险等级向量Q＝(0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)，(0,0.2]对应风险等级“极低”，(0.2,0.4]对应风险等级“低”，(0.4,0.6]对应风险等级“中等”，(0.6,0.8]对应风险等级“高”，(0.8,1.0)对应风险等级“极高”；初始状态矩阵M(0)通过领域专家经验获得，令专家对三级指标P

表2风险等级划分标准

步骤403，再令k＝0，k表示推理迭代次数；根据库所可信度对各二级指标下的三级指标进行变权：

式中，S

迭代计算变迁激发后的下一状态矩阵：

若M(k+1)＝M(k)，则迭代结束，输出最终状态矩阵；否则令k＝k+1，重复前述迭代过程，直至相等；

步骤404，计算库所的风险等级评估值：D＝M(k)Q

本实施方式首先识别影响FPSO单点系泊系统多管缆干涉的相关风险因素来建立多层次的风险评估指标体系，并根据模糊Petri网理论将指标体系转换为模糊Petri网模型，然后采用模糊置信结构来确定库所可信度和变迁置信度，通过模糊推理算法迭代求解最终库所可信度矩阵和最终状态矩阵，最后结合库所可信度和风险等级评估值完成对风险的综合定量评估。

本实施方式与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)通过构建模糊Petri网模型，能够直观形象地表示风险因素间的逻辑关系；

(2)引入模糊置信结构来处理专家主观语言评价，提高了初始数据的准确性；

(3)将变权理论与模糊推理算法相结合，通过动态推理使得评估结果更加科学合理；

(4)通过综合评估结果对风险因素进行排序，能够提出针对性的风险控制措施，达到风险防控的效果。

以下通过对南海某内转塔式FPSO单点系泊系统的多管缆干涉风险为实施例，结合附图对本发明的评估方法做详细的说明。

1.建立如图2所示的风险评估指标体系，和如图4所示的模糊Petri网模型。

2.邀请10位领域专家，专家权重均为0.1，采用三种形式的模糊置信结构对库所可信度和变迁置信度进行评价，得到的初始库所可信度矩阵和变迁置信度矩阵为：

α(0)＝[0.685,0.438,0.291,0.498,0.826,0.545,0.851,0.799,0.633,0.485,0.623,0.473,0.54,0.568,0.425,0.49,0.428,0.285,0.388,0.30,0.32,0.223,0.45,0.35,0.216,0.340,0.293,0.405,0.413,0.283,0,0,0,0,0,0]

U＝{μ

3.通过库所可信度推理算法进行迭代，输入初始数据，包括初始库所可信度矩阵α(0)、变迁置信度矩阵U和权值矩阵W：

其中，W＝{W

迭代得到：

α(1)＝[0.685,0.438,0.291,0.498,0.826,0.545,0.851,0.799,0.633,0.485,0.623,0.473,0.54,0.568,0.425,0.49,0.428,0.285,0.388,0.30,0.32,0.223,0.45,0.35,0.216,0.34,0.293,0.405,0.413,0.283,0,0,0,0,0,0]

α(3)＝α(2)，迭代结束。由最终库所可信度矩阵可知：环境、设备、管缆设计、第三方破坏和管理五个因素存在风险的可信度分别为0.692、0.573、0.435、0.250、0.367，而目标层FPSO单点多管缆干涉风险的可信度为0.614，说明环境与设备因素发生风险的可能性较高，并将引起管缆干涉风险的发生。

4.通过状态矩阵推理算法进行迭代，输入初始数据，包括初始状态矩阵M(0)、输入矩阵I、输出矩阵O、常权重向量C与风险等级向量Q：

其中，M(0)由10位领域专家进行评估得到：

C＝(0.1670,0.2798,0.0615,0.0364,0.1039,0.0446,0.1039,0.2028,0.1712,0.0666,0.0745,0.1314,0.2431,0.1699,0.1434,0.3324,0.2100,0.1084,0.0766,0.1825,0.0901,0.3386,0.0835,0.1221,0.1786,0.0519,0.2254,0.1634,0.2970,0.5396,0.3097,0.2659,0.2214,0.0701,0.1329)；

Q＝(0.2,0.4,0.6,0.8,1.0)；

迭代得到：

M(3)＝M(2)，迭代结束。由最终状态矩阵可知，FPSO单点多管缆干涉风险的评估向量为(0.005，0.052，0.244，0.420，0.280)，可求得多管缆干涉风险的风险等级评估值为0.784，结合库所可信度，可得综合评估值为0.481，对应的风险评估等级为“中等”。

通过模糊推理算法，结合风险等级评估值和库所可信度，可以得到二级指标和三级指标的综合评估值。其中，五个二级指标的综合评估值分别为0.547、0.451、0.339、0.185、0.290，可知FPSO单点多管缆干涉风险受到多种因素的综合作用，其中环境和设备因素的综合评估值较高，说明这二者是影响管缆干涉的主要风险因素，需要对其重点关注。

30个三级指标的综合评估值如图5所示，据此对三级指标进行风险排序，其中综合评估值大于0.4的三级指标共10个，如表3所示。

表3风险排序结果

根据该结果，可知上述十个风险指标为风险指标评估体系中的风险薄弱环节，通过对其提出相应的风险控制措施，能够有效防范风险发生，起到防控减灾的效果，减少对人员生命和财产安全的损害。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。