郑金鑫 崔维成
（上海交通大学船舶与海洋工程学院）

提 要 研究海洋工程结构风险权衡方法，用于结构的设计、制造和维护。并对超大型浮体机场的风险管理给出一个风险权衡模型方法，为结构风险预防和工程决策提供参考。

Summary A risk balancing model which handles the risk-reduce and cost balancing encountered in the design, construction and maintenance of offshore structures is developed. This model contemplates to maintain the project objectives within the predetermined expenditure constrains by optimizing the assignment with the incorporation of event analysis in the offshore projects. The risk balancing model can also be utilized for the prediction of maintenance cost. this paper also provides a methodology for cost-based decision analysis of VLFS.

关键词 风险分析，风险权衡，超大型浮体

Key words risk analysis, risk balance, very large floating structures

1 引 言

近三十年来，海洋结构工程技术的迅速发展促进了海洋经济的发展。但是，由于海洋工程结构工作环境的恶劣性和承载方式的复杂性，包括海洋石油平台、超大型浮式海洋结构物以及海上发射平台等海洋工程结构的各类灾害事故时有发生，尤其是海洋石油平台的灾难事故不仅造成人员伤亡和经济损失，而且对近海周边环境和海洋生态造成严重的污染和破坏，其后果十分严重。众所周知的Alexander L. Kielland (1980) ；Glomer Java Sea (1983) ；Piper Alpha (1988) 和Sleipner A (1991)等的灾害事故导致巨大的损失和社会影响[1]。根据美国海岸警备队（USCG）的统计，仅美国每年由于船舶和海洋工程结构的灾害事故（诸如碰撞、搁浅和火灾以及原油泄漏等）造成的经济损失竟高达数十亿美元之多，且由此引起的海洋环境的长期污染后果更是难以评估。因此发展可行的风险分析技术对海洋工程结构重大灾害预防具有重大的经济和社会意义，现已引起国内外工程界和理论界极大关注[2,3]，成为今后若干年内的研究热点。

研究海洋工程结构的重大灾害特性和预防，必然涉及到结构所面临的风险,即进行结构风险分析。风险就是发生不测事故的可能性，是结构物的预期结果中不利于设计目标实现的一面。工程结构风险分析的研究是当前国内外宇航、航空、船舶与海洋工程、核工业、机械电子以及土木、化工等工业技术领域所共同关注的前沿性研究课题。结构系统在使用期间的维护和风险权衡对于各类风险决策具有重要意义[4]。本文较系统对一个风险权衡模型进行深入研究，并结合超大型浮体机场说明分析程序。该模型可为设计、使用期间提供参考。

2 基本概念及公式

风险具有以下两方面性质，即：不测事故的发生概率；相应事故可能造成的后果。包括风险确定和辩识以及风险量化，以便于进行数学处理。风险确定和辩识首先要回答和解决结构中可能发生灾害的因素是那些、所引起后果的严重程度如何等问题。在进行结构风险分析时，评估风险就是对灾害进行量化，以确定发生概率和相应后果。近年来提出的定量风险分析（Quantitative Risk Analysis）实质上就是利用古典概率论处理不确定性的随机数学方法。对于具有n个独立事件的事物风险可表示为：

(1)

式中： pj —— 第j个事件的发生概率；

cj —— 第j个事件造成的后果；

实数对 是概率空间P与非负实集C矢积到非负实集R的单值映射，它是可以定义的，风险分析就是在这个基础上建立的，通常可将风险定义为事件发生概率与后果的乘积：

(2)

本文采用这种定义形式，并利用Einstein求和约定。

事故发生概率和危害后果是风险分析的两个重要方面。本文限定在有限基本空间 Hc 中讨论问题，假设 Hc = Rm （m维实空间），即：

（ (3)

这样，风险就可以表示为Rm上的函数，即

(4)

这就是m维实空间上的超曲面，利用上式得到风险判定准则：

(5)

基于这样的关系可以得到风险增加的方向为曲面的外法向，即：

(6)

因此，只要能确定问题独立因素维数、得到合理实用的概率和后果函数，就可以进行风险分析了。

在这里需要指出的是确定条件下风险大小（或量级）是不因人而变的，但风险评估准则却是因人而异的。如一个拥有亿元资产的人和仅有10万元资产的人同样是投资10万元，他们面临的风险是一样的，但个人对风险的承受能力是不同的，从而导致选用的风险准则不同。

3 风险优化分析

在进行风险分析时，尤其是在一定条件下权衡风险是一个重要的研究内容。这通常导致在一确定曲面上研究风险优化问题，如在 的条件下求解最小风险的优化问题。在式（2）的前提下，问题可通过Lagrange乘子法求解如下：

(7)

(8)

(9)

其中，G为Lagrange函数，记号下标（，j）为对分量j求偏导数

通常方程（9）是非线性的，可以利用数值解法求解，下面对于一具体形式分析说明。将约束曲面看成分量之和为一确定值的形式，这相当于用于结构安全维护和防险方面的投资总额一定。被分别配给m个花费项目。它也可是非资金的可量化指标。

(10)

(11)

(12)

研究了结构系统的风险权衡问题，它的方法是利用将一确定数额的资金分配给m个风险消耗模式，同时，将每一个风险模式下的风险事件概率和后果视做上述m个分量的函数，这样就可以将该问题化为一极值问题，它可以通过lagrange乘子法求解。概率和后果采用如下衰减函数形式。

4 分析过程

以超大型浮体机场撞击风险为例，首先要确认可能造成撞击灾害的结构物，分析表明撞击物主要是来自于相关海域的过往飞机和船只，如图1所示。

撞击主要来自于相关海域的过往飞机（如商用、军用飞机）和系统内飞机以及相关海域的过往船只（如商船、军舰和其它船只等）和自身系统船只（如供给船、运油船和储备船等）。外来过往结构物所蕴涵的风险一般是低频率高后果；系统结构物的风险一般是高频率低后果，这些可以在设计阶段就考虑到的。撞击频率与一定时期内相关海域的过往飞机和船只数量有关。撞击后果与撞击物的撞击几何方式和速度有关。这些可以通过统计数据来获得。在分析事故原因时得到的最底层事件作为风险消耗模式，利用上述方法在一给定数额资金条件下进行优化。

5 结论

现代海洋工程结构物面临许多不确定因素，明确实际灾害发生原因对于进行风险权衡极其重要。随着人因错误操作诱发事故的增多，在风险管理中必须考虑到这些因素，以便在进行权衡时可以更加有效地利用资金来减少灾害。

撞击风险
飞机撞击
船舶撞击
潜艇撞击
过往飞机
系统飞机
过往船只
系统船只
自然灾害
航向失误
动力失控
操作失误
意外事故
航向失误
动力失控
自然灾害
操作失误
航向失误
动力失控
图1 超大型浮体机场撞击风险分析事件图

参 考 文 献

[1] P.F. Hansen, Risk Analysis of Marine Structures, Lyngby, Denmark, 1998

[2] T. Aven, W. Rettedal, Bayesian Frameworks for Integrating QRA and SRA Methods, Structural Safety, 1998, vol.20(2): 155-165

[3] Cui Weicheng, Recent Research Trends in Ship Structural Mechanics. J. of Ship Mechanics.1999, vol.3(3): 55-80

[4] David G. Elms, Risk Balancing in Structural Problems, Structural Safety, 1997, vol.19(1): 67-77

[5] Stuart G. Reid, Perception and Communication of Risk, and the Importance of Dependability, Structural Safety, 1999, vol.21(4): 373-384