基于Petri网的船舶海上加油作业过程建模与安全分析*

温福妍 盛进路 于敏

（1.重庆交通大学 航运与船舶工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学 交通运输学院，重庆 400074）

0 引言

由于海上条件的限制，运输物资的大型远洋船舶主要采取加油船加油的方式补给燃料，但是近年来在加油过程中时有事故发生。2016年新加坡籍散货船“C”轮在靠泊福州罗源华东船厂码头期间，由于加油作业过程中操作不当发生操作性污染事故，导致重油从油舱透气孔溢出并泄漏入海，造成附近水域污染。因此，加强船舶海上加油过程管理对保证船舶安全、减少船舶财产损失具有重要意义。

在船舶加油过程的安全和防止环境污染方面，学者们大多宏观上分析船舶加油作业的管理对策和市场标准规范，没能对其进行定量分析。如李文霆［1］对船舶加油作业存在的共性问题提出相应的管理对策。施伟等［2］从监控船舶加油过程管理来提高作业安全性。张聪超［3］从提高海上加油市场准入制度门槛来提高加油作业安全性，缺少对加油作业过程的定量系统研究。Petri网作为一种系统模型，可以用直观的图形和数学方法对系统性质进行表示，被学者广泛应用于各领域。如陈玉瑶等［4］运用Petri网对物流仓储作业建模仿真，检验作业流程的安全性。蔡婷婷等［5］对危险品出入库流程进行Petri网模型构建，提高了危险品出入库的安全性。白冰轮［6］在邮政寄递流程与业务方面构建了相关Petri网模型，使寄递业务流程更精简化、合理化。

由于加油船加油过程涉及环节较多，非常适合利用Petri网对加油过程进行系统建模和参数化表达，并利用PIPE软件对模型进行验证分析，以提高海上加油作业过程的安全性。

1 船舶加油作业程序描述

大型船舶加油作业涉及程序较多，过程较为复杂，在加油过程中需多方协调控制，若其中某一环节出现问题都可能造成事故。具体加油过程如下：

1）船舶加油前准备工作。首先组织人员测量、记录船舶剩余油量，根据实际情况确认燃油添加量及燃油添加油舱；然后检查受油舱甲板透气孔状态，保证其通透性，并将盛油器皿放置于透气孔下方；最后派专人同供方交流，确定每个油舱加油量、加油顺序和泵油速度等［7］。

2）船舶加油过程控制。①悬挂“禁止吸烟”警告牌并严禁在油气可能扩散区域明火作业；②船方人员与供油方一起测量供油油船的存油量并做好记录；③检查供油软管接装紧密牢固，以防渗漏跑油污染海域［8］；④检查各阀门开关是否正确；⑤与供油方确定加油信号，一切无误后开始输送燃油；⑥加油前几分钟内倾听该油舱加油管的流油声；⑦检查受油舱透气管的透气情况，以确定燃油正确加入指定油舱中；⑧观察加油引起船舶倾斜对测量的影响，发现异常情况及时与供油方联系；⑨受油舱的油位到达本油舱的3/4高度时打开下一个受油舱的进口阀，再关闭正在加油油舱的进口阀。若船舶在加油过程中不慎发生溢油事故要尽快采取有效措施，并向当地海事部门及其他相关部门报告。

3）加油后续。首先清理加油软管中残存的燃油；然后船方与供油方一起对加油量进行确认（加油数量的差值应小于5%，若与供油方在加油数量上存在争议，在受油单上注明实际受油量并注明存在争议，同时用书面形式报告本单位物资部门）；最后船方向供油方索取受油油样。

2 基于Petri网的船舶加油过程建模

2.1 建模的预设条件

假定船舶加油作业过程为满足下列条件的三元组N=（S，T；F）的一个网，

4）dom（F）∪cod（F）=S∪T（表示整个加油过程网中无孤立结点）；

其中：

式中，S的元素称为加油过程状态，T的元素称为加油过程事件，F是网N的流关系，“｜”表示描述改变加油作业系统状态的事件。

令∑=（S，T；F，M）为一个Petri网，S={S1，S2，…，Sm}，T={T1，T2，…，Tn}，则Petri网∑的结构（S，T；F）可以用一个n行m列矩阵A=［aij］n×m来表示，其中

称A为∑（或网N=（S，T；F））的关联矩阵。

2.2 Petri网模型

根据具体加油过程和Petri网相关定义，对船舶加油过程建立Petri网模型，具体模型如图1所示，Petri网模型中各库所和变迁的含义如表1所示。从建立的Petri网模型可以看出，该模型将加油过程各个重要节点进行了标记，以流程图的方式将复杂的加油过程进行了梳理，使加油过程更加明了。

表1 船舶加油流程Petri网模型库所及变迁代表含义

续表1

3 船舶加油过程内部活动关系分析

3.1 关联矩阵

为了验证创建的加油作业模型是否合理，需对模型动态性质进行分析。利用Petri网中的关联矩阵、不变量、关联矩阵重组的方法对模型可靠性进行分析，关联矩阵如下：

通过分析得出Petri网的P-不变量：

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。

根据Petri网理论关于有界和安全性的定论，网∑中的T1变迁开始具有发生权，标识运行状况各个库所的界为1且根据P-不变量对网结构性质的分析，因此网系统是有界的，并且网∑也是安全的。

3.2 Petri网子网关系分析

利用关联矩阵重组算法可以将关联矩阵中的流程分解为若干个相对独立的子流程，即将Petri网分解为若干个子网，通过对Petri网的分解，可以对子网之间的关系进行分析。通过上述关联矩阵得到子网如图2：

以上列出了系统部分子网，子网表达了船舶加油作业过程可以由几个独立的活动组成，在加油过程中将活动和事件等进行整合，分析内部过程之间可能存在的冲突等关系。如子网5与子网6中，子网5要达到T14的条件，需要库所P16状态，子网6要实现T15的条件，也需要库所P16状态。所以子网5与子网6之间在状态确定上产生冲突。即在子网5和子网6的关联矩阵中，P16行、T14列的值为“-1”，在子网6中，T15的发生需要P16状态，T15列的值也为“-1”。因此，子网5与子网6之间在船舶加油状态上出现同步，即在子网5的关联矩阵中的P16行、T14列的值为“-1”，在子网6中的P16行、T15列的值同为“-1”，故二者是冲突关系。船舶加油输送完成要进行加油量确认，供油方和船方轮机长在签署受油单时对加油量要达成一致，双方对加油数量的认定差值应小于5%，在实际加油中加油过程在此程序上时常发生冲突。

在子网1中（P3，T2）处、子网2中（P4，T2）处的值均为1，这表明库所P3和库所P4、P5中的状态任一途径都可以触发变迁T2，由此可知子网1、子网2之间是并发关系。加油前甲板透气孔是否通畅处于并发关系，状态之间互不影响皆可触发下一步进行。

在子网3中（P7，T5）处和子网4中（P8，T5）的值均为1，这表明库所P7和库所P8、P9的任一状态具备都可以触发变T6，由此可知子网3和子网4这二者之间是并发关系。加油前甲板下水道堵塞与否是并行路线，两路线其一发生即可，对后续程序不产生影响，但不同路线对运行结果会产生较大影响。

4 提高船舶海上加油作业安全的建议

1）子网1中（P3，T2）处、子网2中（P4，T2）处的值均为1，子网1、子网2之间是并发关系。加油前机舱人员需要仔细检查受油柜的甲板透气孔是否畅通，确保气孔处于通畅状态，防止因为压力过大燃油不能成功加进油舱而溢出在船上；在透气孔管下方放置好盛油皿，备一定数量的木屑、棉纱对溢出的燃油进行吸油处理。

2）子网3中（P7，T5）处和子网4中（P8，T5）的值均为1，子网3和子网4这二者之间是并发关系，对船舶甲板下水道进行堵塞，防止燃油流进大海对环境造成污染。

3）把存油进行驳舱，把新加装的燃油加入空舱中，避免不同燃油公司的燃油混合在一起，燃油加进空舱也便于测量计算，降低溢油的危险。如果新加入的燃油存在问题也不会对原来的燃油造成影响。

4）加油前检查各阀门开关是否正确，加油前几分钟倾听加油管流油声，防止因为压力问题油不能输入油舱，如压力过大严重时甚至把加油管冲掉造成严重溢油事故。

5 结论

1）通过对海上船舶加油作业过程的语言解构，建立作业过程的Petri网模型，将整个加油过程进行参数化表达，利用Petri网中的关联矩阵、不变量等方法对模型可靠性进行分析，验证了Petri网模型对加油过程安全分析的有效性，为船舶海上加油安全提供了理论依据。

2）通过对Petri网模型子网间关系的分析，找出加油过程内部的不协调性，并以此为基础提出了加油过程的安全建议，有助于防范船舶加油过程发生重大安全事故的发生，减少损失和人员伤亡。