水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

席永濤，陳杰，胡甚平，郭云龍，許玲

(1.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306;2.華東理工大學(xué)商學(xué)院，上海 200237)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過船舶運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)貨物種類達(dá)3 000多種，占海運(yùn)總量一半以上.為保障船舶運(yùn)載的危險(xiǎn)貨物安全和航運(yùn)人員的人身安全，防止海洋污染，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)制定國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則(International Maritime Dangerous Goods Code，IMDG Code)，詳細(xì)說明船舶運(yùn)輸危險(xiǎn)貨物的定義、分類、包裝、檢驗(yàn)及托運(yùn)程序等.許多國家也以立法形式制定本國的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸規(guī)則.［1]由于管理、人員素質(zhì)等問題，危險(xiǎn)貨物水上運(yùn)輸?shù)陌踩匀灾档藐P(guān)注，制定系統(tǒng)且行之有效的管理政策應(yīng)引起海事、航運(yùn)、港口、環(huán)保、海洋等各有關(guān)方面的高度重視.［2]

目前，對(duì)水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)的研究多采用定性的方法，定量研究相對(duì)較少.現(xiàn)有的定量研究一般應(yīng)用層次分析法［3]、灰色評(píng)價(jià)法以及模糊評(píng)判法［4]建立危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸評(píng)價(jià)模型，借助系統(tǒng)因素層次劃分方法，對(duì)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全進(jìn)行系統(tǒng)的定量或半定量分析.此類研究方法多從靜態(tài)角度出發(fā)，具有一定的片面性.

危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全管理是一個(gè)動(dòng)態(tài)控制過程，具有動(dòng)態(tài)性和非線性特點(diǎn).系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics，SD)針對(duì)這些特點(diǎn)，從宏觀角度出發(fā)，動(dòng)態(tài)、全面地分析危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)要素的變化規(guī)律，以及單個(gè)要素的變化對(duì)系統(tǒng)整體安全行為的影響和作用，以確定系統(tǒng)對(duì)其本身結(jié)構(gòu)、環(huán)境或假設(shè)的改變會(huì)作何反應(yīng)，即建立一套與真實(shí)系統(tǒng)相似的邏輯模式，通過運(yùn)作過程了解系統(tǒng)行為，進(jìn)而評(píng)估各種不同系統(tǒng)決策參數(shù)下的管理政策，再由管理者調(diào)整決策參數(shù)求得最優(yōu)決策.［5]本文運(yùn)用SD建模軟件Vensim，從人、設(shè)備、環(huán)境、管理、貨物等5個(gè)方面分析影響危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)因素，建立水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而進(jìn)行政策模擬［6].

1 水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)

水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，指的是系統(tǒng)內(nèi)部及與其關(guān)系密切的各種因素在特定的條件下造成不安全事件發(fā)生的可能性及造成損失的程度.水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸系統(tǒng)包含人、設(shè)備、環(huán)境、管理、貨物等5大基本風(fēng)險(xiǎn)因素，每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素又有相應(yīng)的子因素.［7-8]其中:①人的風(fēng)險(xiǎn)因素包括疲勞上崗，心理素質(zhì)不穩(wěn)定，船員責(zé)任心差，船員安全意識(shí)低，應(yīng)急能力差，相關(guān)知識(shí)缺乏等方面.［9-10]②設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括船體及結(jié)構(gòu)老化，設(shè)備維護(hù)不到位，設(shè)備故障等.③環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括自然條件差，通航環(huán)境差.自然條件主要為能見度，風(fēng)、流，溫度;通航環(huán)境包括助航標(biāo)志、交通密度和航道因素.④管理風(fēng)險(xiǎn)因素除涉及人、設(shè)備、環(huán)境、貨物因素的管理外，還包括海事、航運(yùn)、港口等相關(guān)部門對(duì)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)督管理，其子因素主要包括安全投入少，教育培訓(xùn)力度小和安全監(jiān)管制度不合理，其中安全監(jiān)管制度不合理又包括貨物檢驗(yàn)、申報(bào)不嚴(yán)，違法不究和部門信息化設(shè)備落后等.⑤貨物風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括貨物監(jiān)管不當(dāng)，貨載、隔離不當(dāng)以及貨艙環(huán)境不適等.

2 水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)SD模型

危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故的發(fā)生極少是由單一因素引起的，引發(fā)事故的因素之間也是相互影響、相互依賴、互為因果的.要想建立水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)模型，首先需要明確各風(fēng)險(xiǎn)因素間的因果關(guān)系.同樣，為防止事故的發(fā)生，要同時(shí)兼管人、設(shè)備、環(huán)境、管理、貨物等5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素中的子因素構(gòu)成的因果回路，只有弱化或切斷某個(gè)環(huán)節(jié)才能避免風(fēng)險(xiǎn)的相互作用和影響.［11]

2.1 水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)因果反饋模型

依據(jù)各風(fēng)險(xiǎn)因素之間的因果關(guān)系，采用SD軟件建立水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)模型，見圖1.由于系統(tǒng)較為復(fù)雜，涉及的子因素繁多，下面以人的風(fēng)險(xiǎn)因素為例進(jìn)行說明.(1)人的風(fēng)險(xiǎn)因素→心理素質(zhì)不穩(wěn)定→決策失誤→管理風(fēng)險(xiǎn)因素→設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素→人的風(fēng)險(xiǎn)因素.(2)人的風(fēng)險(xiǎn)因素→心理素質(zhì)不穩(wěn)定→應(yīng)急能力差→管理風(fēng)險(xiǎn)因素→相關(guān)知識(shí)缺乏→船舶環(huán)境不適→環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素→疲勞上崗→人的風(fēng)險(xiǎn)因素.(3)人的風(fēng)險(xiǎn)因素→心理素質(zhì)不穩(wěn)定→船員安全意識(shí)低→船舶環(huán)境不適→貨物風(fēng)險(xiǎn)因素→人的風(fēng)險(xiǎn)因素.(4)人的風(fēng)險(xiǎn)因素→心理素質(zhì)不穩(wěn)定→操作失誤→設(shè)備故障→設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素→人的風(fēng)險(xiǎn)因素.

圖1 水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)SD因果反饋模型

2.2 水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)流圖

該模型中涉及因素繁多，其中:H=(H1，H2，…，Hn1)代表人的風(fēng)險(xiǎn)因素;S=(S1，S2，…，Sn2)代表設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素;E=(E1，E2，…，En3)代表環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素;M=(M1，M2，…，Mn4)代表管理風(fēng)險(xiǎn)因素;G=(G1，G2，…，Gn5)代表貨物風(fēng)險(xiǎn)因素.選取人的風(fēng)險(xiǎn)因素及其子因素、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素及其子因素加以說明，具體參數(shù)見表1.由所構(gòu)建的水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)SD模型及參數(shù)說明，應(yīng)用Vensim軟件繪制結(jié)構(gòu)流圖，見圖2.

表1 部分參數(shù)說明

圖2 水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)SD結(jié)構(gòu)流圖

3 算例

以某港口2001—2012年危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故為例.根據(jù)所建的結(jié)構(gòu)流圖找出模型中的邊界風(fēng)險(xiǎn)子因素(此類子因素不受系統(tǒng)內(nèi)部的影響)，如溫度、濕度、能見度、安全投入少、安全監(jiān)督不合理等.部分邊界風(fēng)險(xiǎn)子因素的具體值可以通過歷史資料查閱得到，如歷年月平均溫度、濕度等，其他邊界風(fēng)險(xiǎn)子因素的值通過專家打分獲得.為使結(jié)果具有一致性，分值均在［0，1]范圍內(nèi)，其中:0表示風(fēng)險(xiǎn)子因素發(fā)生的概率為0;1表示此風(fēng)險(xiǎn)子因素發(fā)生的概率為1，且造成的損失極為嚴(yán)重.

對(duì)邊界風(fēng)險(xiǎn)子因素賦值完畢后，對(duì)其他邊界風(fēng)險(xiǎn)子因素進(jìn)行賦值計(jì)算.使用Vensim軟件，運(yùn)行危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)原因樹.根據(jù)圖1所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以專家調(diào)查問卷的方式對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過分析各風(fēng)險(xiǎn)子因素重要性進(jìn)行評(píng)分.評(píng)分規(guī)則［12]見表2.采用變異系數(shù)法獲取各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)子因素權(quán)重.

表2 評(píng)分規(guī)則

3.1 參數(shù)及方程的確定

通過查閱相關(guān)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確立危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故數(shù)量與運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系.例如，從2001年到2012年的12年間，某港口發(fā)生危險(xiǎn)貨物事故174起，平均每年發(fā)生14.5起［13]，則可確定危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故數(shù)量與運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，即L=14.5V.溫度與時(shí)間的表函數(shù)見表3.人的風(fēng)險(xiǎn)因素中的疲勞上崗的值，應(yīng)用Vensim軟件中的函數(shù)表達(dá)式［14]計(jì)算，即:H2=0.7 ×ABS(SIN(3.14/6) ×Time)+0.3×Env.航道寬度、彎曲度、深度、助航標(biāo)志完善度等的值，可根據(jù)某港口實(shí)際情況設(shè)定，也可采取Vensim軟件中的函數(shù)表達(dá)式選取，即:E7=RANDOM UNIFORM(0，1，0.5)，其 中 RANDOM UNIFORM為均勻分布隨機(jī)數(shù).

表3 歷年各月份平均溫度

3.2 權(quán)重的確定

向航運(yùn)公司50名危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全管理人員發(fā)放針對(duì)38個(gè)風(fēng)險(xiǎn)子因素的調(diào)查問卷，共收回問卷38份，有效問卷30份.S1，…，S30等30名專家對(duì)H1，…，E12等38個(gè)風(fēng)險(xiǎn)子因素的評(píng)分結(jié)果見表4.對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析、整理，利用變異系數(shù)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和集成處理，獲得各級(jí)權(quán)重.［15]

表4 專家對(duì)38個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的評(píng)分

采用變異系數(shù)法確定指標(biāo)權(quán)重.先假設(shè)有m個(gè)專家構(gòu)成專家組，每個(gè)專家負(fù)責(zé)評(píng)價(jià)n個(gè)指標(biāo)，則可構(gòu)成m×n階的評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣X=(Xji)m×n，其中Xji為第j個(gè)專家對(duì)第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分.首先，計(jì)算第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的均值為

其次，計(jì)算第i項(xiàng)指標(biāo)的方差為

再次，計(jì)算第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)為

最后，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為

以評(píng)價(jià)體系中人的風(fēng)險(xiǎn)因素為例進(jìn)行實(shí)例分析，運(yùn)行Vensim軟件中人的風(fēng)險(xiǎn)因素原因樹，建立專家風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)分體系，見圖 3.根據(jù) S1，…，S30等30 名專家對(duì) G1，H2，H4和S1的打分，建立30×4階評(píng)價(jià)矩陣為

圖3 人的風(fēng)險(xiǎn)因素原因樹

根據(jù)式(1)～(4)計(jì)算得各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重(wG1，wH2，wH4，wS1)=(w11，w12，w13，w14)=(0.327，0.426，0.128，0.119)，以此類推，計(jì)算各級(jí)權(quán)重.

3.3 模型模擬與分析

為比較和探討在不同的管理政策下危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故的變化趨勢(shì)，結(jié)合本模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置參數(shù)的初始值與變量之間的函數(shù)關(guān)系，隨后模擬2001—2012年12年的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故的變化趨勢(shì).下文中用 1，2，…，12分別代表 2001年，2002年，…，2012 年.

3.3.1 方案 1

采用當(dāng)前事故數(shù)量曲線描述現(xiàn)有管理政策下危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故數(shù)量在12年中的變化.圖4中4個(gè)子圖模擬的是12年中危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故數(shù)量在不同管理政策下的變化趨勢(shì).如船員的心理素質(zhì)經(jīng)專家打分確定其初始值為0.8，通過加大教育培訓(xùn)力度等措施提高船員綜合素質(zhì)，可以使人的風(fēng)險(xiǎn)值隨著時(shí)間的推移而降低.同樣可采取一些措施使設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)值、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)值和貨物風(fēng)險(xiǎn)值降低.表5為心理素質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)值與時(shí)間的表函數(shù).

圖4 各風(fēng)險(xiǎn)值的降低對(duì)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故數(shù)量的影響

表5 心理素質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)值與時(shí)間的表函數(shù)

3.3.2 方案 2

在方案1的前提下完善管理政策，同時(shí)分別降低人、設(shè)備、環(huán)境和貨物因素的風(fēng)險(xiǎn)值，對(duì)各因素中可調(diào)節(jié)邊界風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，模擬對(duì)事故數(shù)量波動(dòng)影響最大的風(fēng)險(xiǎn)因素.模擬結(jié)果見圖5.由圖5可知，人的風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)運(yùn)輸事故數(shù)量的影響最大，其次是貨物風(fēng)險(xiǎn)因素，最后是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素.

圖5 風(fēng)險(xiǎn)值的降低對(duì)運(yùn)輸事故數(shù)量的影響

3.4 對(duì)策建議

政府與相關(guān)部門協(xié)調(diào)完善危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)陌踩O(jiān)督管理制度，使海事、航運(yùn)、港口等相關(guān)部門嚴(yán)格按照申報(bào)要求申報(bào)，嚴(yán)禁瞞報(bào)、謊報(bào).［16]對(duì)違規(guī)違法運(yùn)輸行為給予嚴(yán)厲處罰，同時(shí)大力宣傳危險(xiǎn)貨物安全運(yùn)輸?shù)闹匾?加大安全投入，尤其是船員教育培訓(xùn)的投入，以提高船員綜合素質(zhì)，特別是提高船員心理素質(zhì)和應(yīng)急能力，從而使船員在事故發(fā)生時(shí)能及時(shí)采取有效措施減少人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染;培養(yǎng)船員責(zé)任心，提高安全意識(shí)，這是保證危險(xiǎn)貨物安全運(yùn)輸和設(shè)備規(guī)范使用與維護(hù)的有效途徑.

4 結(jié)束語

采用SD模型對(duì)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互影響關(guān)系和風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬.針對(duì)水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)成因的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性，通過分析人、設(shè)備、環(huán)境、貨物、管理等5個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)因素，并結(jié)合我國水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理的現(xiàn)狀，建立水上危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸SD模型.通過收集資料和歷史數(shù)據(jù)確立參數(shù)變量和參數(shù)方程，應(yīng)用Vensim軟件對(duì)現(xiàn)有管理政策進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，模擬不同管理政策下單一風(fēng)險(xiǎn)因素值的改變對(duì)降低危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故風(fēng)險(xiǎn)的影響.結(jié)果顯示，人、設(shè)備、環(huán)境和管理的風(fēng)險(xiǎn)值的降低都能降低危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，其中，人的風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸事故的影響程度最大，這說明人的安全管理政策較其他安全管理制度更加重要.

采用SD模型分析的優(yōu)點(diǎn):可描述影響因素之間相互影響關(guān)系;可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)描述，彌補(bǔ)靜態(tài)評(píng)估不能描述風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)特性的不足.由于本文案例數(shù)據(jù)的限制，不管是指標(biāo)體系的建立還是模擬結(jié)果的精確性都有進(jìn)一步提升的空間.今后的研究需進(jìn)一步收集數(shù)據(jù)，根據(jù)不同管理決策對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)管理決策的實(shí)施效果進(jìn)行模擬.

［1]邱文昌，施紀(jì)昌.海上貨物運(yùn)輸［M].北京:人民交通出版社，2005:82-100.

［2]繆克銀.基于灰色理論的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)研究［J].物流技術(shù)，2012，31(6):66-68，82.

［3]張樹奎，魯子愛.基于AHP的港口安全風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)判方法［J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，25(1):14-16，59.

［4]繆克銀.危險(xiǎn)貨物海上安全運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)判［J].中國航海，2012，35(4):76-79.

［5]劉業(yè)嬌，曹慶貴，王文才，等.煤礦安全管理的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型［J].煤炭工程，2011(8):126-127，130.

［6]繆克銀.危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全策略的分析與研究［J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7(12):103-107.

［7]李偉，胡甚平，尤慶華，等.港口水域通航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的未確知測(cè)度模型［J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(3):13-17，21.

［8]趙素平，江福才.江陰港危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全性分析［J].中國化工貿(mào)易，2012，4(3):252-253.

［9]席永濤，胡甚平.海運(yùn)人因可靠性分析中行為形成因子模型［J].中國航海，2012，35(1):66-70.

［10]何剛，張國樞，陳清華，等.煤礦安全生產(chǎn)中人的行為影響因子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)仿真分析［J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，18(9):43-47.

［11]劉堂卿.空中交通管制安全風(fēng)險(xiǎn)耦合機(jī)理研究［D].武漢:武漢理工大學(xué)，2011.

［12]陳勇，胡甚平，軒少永，等.航運(yùn)公司安全管理有效性組合賦權(quán)評(píng)價(jià)模型［J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(8):78-84.

［13]ZHANG Jianghua，ZHAO Laijun.Risk analysis of dangerous chemicals transportation，systems engineering［J].Theory ＆ Practice，2007，27(12):117-122.

［14]唐麗敏，唐磊，于越，等.道路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)南到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型［J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(2):61-66，71.

［15]胡甚平.海上交通系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)蒙特卡洛仿真［J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(4):7-11，16.

［16]沈欣中.危險(xiǎn)貨物集裝箱的積載與管理［J].航海技術(shù)，2007(5):26-27.