基于云模型的深圳港危險化學品應急能力評價

凌笑顏，鄧麗娟

(集美大學航海學院， 福建 廈門 361021)

0 引言

港口是貨物運輸和中轉(zhuǎn)的樞紐，目前危險化學品的運輸量和運輸種類逐年攀升，危險化學品若發(fā)生事故常常會造成慘烈的后果。因此，港口的危險化學品應急能力逐漸成為人們關注的重點。

港口危險化學品應急能力是指《危險品貨物分類和品名編號》(GB 6944—2012)中規(guī)定的所有形式的危險化學品，在港區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生《生產(chǎn)安全事故應急預案管理辦法》(國家安監(jiān)總局第88號令)所規(guī)定的事故時，相關部門的到場時間、救援速度、處置與恢復等的綜合能力。

在應急能力評價時，常用的方法包括概率評估法、灰色理論、逼近理想解排序法(TOPSIS)、層次分析法(AHP)、模糊層次分析法(FAHP)等。概率評估法[1]要求數(shù)據(jù)準確充分，難以應用于有不確定因素的系統(tǒng)；灰色理論常用于數(shù)據(jù)預測；TOPSIS[2]通過對有限方案的優(yōu)劣排序?qū)崿F(xiàn)多目標決策；AHP[3]要滿足矩陣一致性和某些矩陣的非病態(tài)要求；FAHP在指標集較大的情況下，常出現(xiàn)超模糊現(xiàn)象，導致隸屬度無法區(qū)分，多線性模糊分析也存在同樣的問題[4]。以上評價方法的共同缺點是主觀依賴性及數(shù)據(jù)的不確定性較高，且模糊性會帶來一定的隨機性[5]，而云模型可以極大地改善這些問題。

云模型是在模糊數(shù)學和概率統(tǒng)計的基礎上，以自然語言描述為切入點，與自然語言中定性概念的模糊性、隨機性有機結合，以實現(xiàn)它們之間的自然轉(zhuǎn)換的一種評級方法[6]。本文以深圳港為例，利用云模型，對深圳港的危險化學品應急能力進行評價。

1 深圳港危險化學品應急能力評價指標體系與模型的構建

風險分析是應急能力分析的基礎[7]。根據(jù)《深圳市突發(fā)事件應急能力評估報告(2018)》和《深圳港港口風險評估報告(2018)》及相關應急預案，深圳港危險化學品的主要風險為火災、泄露和爆炸。本文在上述風險分析評估報告及應急預案的基礎上，對影響應急能力的關鍵因素進行實地調(diào)研和統(tǒng)計分析，結合港口危險化學品事故特點，以應急管理的4個階段，即預防階段、準備階段、響應階段和恢復階段，劃分二級指標，將應急任務細化為三級評估指標。在三級指標的基礎上，每一項能力通過8個基本要素(即評估項)來評估，分別是組織能力、人力資源、裝備設施、系統(tǒng)能力、信息流動能力、應急預案、應急培訓和應急演練。在問卷中根據(jù)指標實際情況，對這8個評估項，或者采取“0-1”式打分，或者采取階段式打分。例如人力資源是指事故發(fā)生后，救援及處置人員的到場或就位情況，20～30 min內(nèi)就位為10分，1 h以內(nèi)為6～9分，2 h內(nèi)為4～5分，2 h以上為0～3分；裝備設施主要是依照《消防法》的規(guī)定，應急物資是否齊全，“是”為1分，“否”為0分。其他評估項以此類推，在此不再贅述。由此構建的評價指標體系包括1個一級指標，4個二級指標，13個三級指標，每個三級指標包括8個評估項，共104個評估項。

從國務院應急辦專家?guī)熘须S機邀請9位專家(以下用“專家”代指)，對深圳港的各項指標權重及應急能力評價指標進行打分。權重打分包括三級指標在二級指標中的比重和二級指標在一級指標中的比重，一級指標的權重為1；應急能力評價指標打分是對三級評價指標和二級評價指標打分。打分結果均需經(jīng)過逆向云模型，根據(jù)云滴的散亂程度進行調(diào)整。

在構建評價模型時，首先根據(jù)評價指標體系形成因素集和指標集。在評價指標體系中，一級指標劃分為若干二級指標，記為U={U1，U2，…，Un}；二級指標Ui劃分為若干三級指標Ui={Ui1，Ui2，…，Uin}，i=1,2,…；n=1,2,…。U構成的集合即為因素集，對應因素集的文字描述即為指標集。

在指標體系評價結束后，U的評語構成的集合為評語集，記為V={V1，V2，…，Vn}，n=1,2,…。

在本研究中，將深圳港危險化學品應急能力評價，也就是一級指標記做C；二級指標分別記做C1，C2，C3，C4；二級指標Ci細化為三級指標，其集合記做Cij={Ci1，Ci2，…，Cin}，i=1,2,3,4;n=1,2，…。評語集記為V={V1，V2，…，Vn}，評價指標內(nèi)容具體如圖1所示。

設U是一個精確數(shù)值表示的定量論域，C是U上的定性概念，如定量值x∈U，且x是C上的一次隨機實現(xiàn)，x對C的隸屬度μ(x)∈[0,1]是有穩(wěn)定傾向的隨機數(shù)，μ：U→[0,1]，x∈U，x→μ(x)，則稱x在論域U上的分布為“云”[7]，記做(x，μ(x))。x為一個云滴，是云模型的具體實現(xiàn)。

云滴數(shù)量即云圖上的數(shù)據(jù)點的數(shù)量，記做N，也就是云模型實現(xiàn)的次數(shù)。

云的三個數(shù)字特征分別為期望Ex，熵En和超熵He，記做A=(Ex，En，He)，主要分布區(qū)間為[Ex-3En,Ex+3En]。其含義分別為：期望Ex是樣本均值，在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中是最基礎的代表性數(shù)據(jù)；熵En反映數(shù)據(jù)的模糊度，也就是概念所包含的樣本的取值范圍；超熵He為熵En的不確定性度量，表示定性概念的隨機性和模型的離散程度。

一個數(shù)字特征分別為(Ex=0，En=1，He=0.1)，云滴數(shù)量N=3 000的云圖，如圖2所示。x軸表示集合C對應的數(shù)值，y軸表示相對應的隸屬度。云滴的數(shù)量對云圖的準確性有較大影響，綜合比較常用云滴數(shù)，本研究取N=3 000。

云模型發(fā)生有正向和逆向，分別通過正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器生成，具體計算方法可參考文獻[8]。

多層次的綜合云模型由低級云模型逐層向上計算得到，遵循的計算法則與常見的矩陣計算法則不同，以下分別從云的數(shù)字特征的基本運算法則、同一論域和概念下的虛云計算法則、不同內(nèi)涵的云模型之間的計算法則三個層面描述其運算方法。

1)基本運算法則

根據(jù)正向或逆向云處理器得到云模型后，還會涉及到不同云模型之間的運算。在計算過程中，三個數(shù)字特征的運算法則如下：

Ex1×Ex2=Ex1×Ex2;

(1)

(2)

(3)

2)同類型云的計算法則

在同一論域上的兩個或多個云模型C1(Ex1，En1，He1)、C2(Ex2，En2，He2)，經(jīng)過計算得到綜合了C1和C2的虛云C(Ex，En，He)。在本研究中，綜合云模型計算方式如下：

Ex=(Ex1En1+Ex2En2+…+ExnEnn)/(En1+En2+…+Enn);

(4)

En=En1+En2+…+Enn;

(5)

He=(He1En1+He2En2+…+HenEnn)/(En1+En2+…+Enn)。

(6)

3)云矩陣的計算法則

結合權重云和綜合云求更高等級的云模型時，用云矩陣的方式，計算法則如下：

(7)

2 深圳港危險化學品應急能力評價的標尺云模型

云圖是云模型的圖像化體現(xiàn)，評價結果的對比是通過云圖的對比實現(xiàn)的。生成的云模型需與標尺云圖比較，若生成的云圖落在兩個標尺云圖之間，或更靠近某個標尺云圖，則該評價結果即在兩個標尺代表的結果之間，或更接近某標尺代表的結果。因此，在進行計算前，要確定評價標準，邀請專家進行指標的等級劃分，即建立標尺云模型(云標尺)，生成標尺云圖，這是云模型評價的第一步。

按照專家意見將指標的重要程度分為5類，并確定賦值區(qū)間，建立匹配的云標尺并生成云圖，具體結果如表1所示。

表1 云模型中的指標等級劃分

經(jīng)Matlab運算，繪制結果如圖3所示。5個倒鐘型云圖從左至右分別是：不重要、一般重要、重要、比較重要和很重要。對應在評價結果中，以上5個分別對應差、一般、好、很好和非常好。將評價結果與綜合云模型生成的云圖相比較，即可得到對應的評價結果。

3 深圳港危險化學品應急能力評價的權重云模型

權重云模型是由評價指標體系中的權重得分計算得到。本研究的權重云模型包括三級權重云模型和二級權重云模型，按照以下三步得到：1)邀請專家對指標權重打分；2)將得到的分數(shù)經(jīng)逆向云發(fā)生器反饋，由打分專家進行修正；3)將得到的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，即可得到權重云模型。以下結果由式(1)～式(3)計算得到。

1)三級指標權重云模型

在二級指標中，響應能力(C1)的評估項最復雜，因此以響應能力為例，說明三級指標權重的云模型建立過程。C1打分結果如表2所示，經(jīng)逆向云發(fā)生器處理，調(diào)整得到趨于穩(wěn)定的云圖。對打分結果進行歸一化處理，得到三級評價指標的權重云模型，即：C11(0.777 1,0.122 6,0.007 4)；C12(0.714 6,0.103 4,0.000 6)；C13(0.733 5,0.099 4,0.000 5)；C14(0.711 6,0.133 1,0.000 8)；C15(0.772 7,0.112 1,0.000 6)；C16(0.749 4,0.126 3,0.000 6)；C17(0.763 0,0.103 8,0.000 6)。

表2 響應能力權重打分

2)二級指標權重云模型

同理，得到二級指標評價云模型，即：C1(0.268 4,0.253 9,0.005 1)；C2(0.357 8,0.284 6,0.002 9)；C3(0.314 5,0.253 7,0.002 3)；C4(0.415 6,0.304 6,0.003 0)。

一級指標權重為1。

4 深圳港危險化學品應急能力評價的評價云模型

評價云模型是由評價指標體系中每項指標的得分計算得到。本研究的評價云模型包括三級權重云模型和二級權重云模型，按照以下三步得到。1)邀請專家對每項指標打分，利用逆向云發(fā)生器生成指標評價云模型；2)統(tǒng)計每項評價指標的最高得分和最低得分，利用逆向云發(fā)生器生成最高評價云模型和最低評價云模型；3)兩組云模型通過式(4)～式(6)計算得到一個廣義云模型，即可得到評價云模型。

評價云模型的計算以第一個指標先期處置(C11)為例，說明計算過程。統(tǒng)計該指標的最大值和最小值得分，見表3，利用式(4)～式(6)求出最大值云模型、最小值云模型，得到評價云模型C11。求得其他三級指標的評價云模型，結果如表4所示。

得到三級評價云模型后，以同樣的方法，得到二級指標的評價云模型。

表3 先期處置C11最大值和最小值打分

表4 三級指標評價云模型

5 深圳港危險化學品應急能力評價的綜合云模型

綜合云模型是結合權重云模型和評價云模型，用式(7)計算得到，為區(qū)分以上三種模型，稱為綜合云模型。將綜合云模型輸入Matlab，即可得到最終的評價云圖。

根據(jù)上述計算結果，得到深圳港應急能力評價云模型C=(0.747 2,0.069 2,0.008 7)，輸入Matlab中生成云圖，如圖4所示。將圖4與圖1標尺云圖進行比較，即可得到評價結果。由于評價結果常落在兩個評價區(qū)間內(nèi)，因此在比對圖中繪制其上下兩個區(qū)間的云圖，便于比較。從圖4中得出，深圳港的應急評價結果在“很好”和“非常好”之間，更靠近“很好”，因此可認為其評價結果為“很好”。

通過二級指標的云圖得到二級指標的評價結果：響應能力C1位于“好”和“很好”之間，如圖5所示，更靠近“很好”，因此可認為評級結果為“很好”；預防能力C2位于“一般”和“好”之間，如圖6所示，更靠近“好”，因此可認為評級結果為“好”；準備能力C3位于“很好”和“非常好”之間，如圖7所示，更靠近“非常好”，因此可認為評級結果為“非常好”；恢復能力C4位于“好”和“很好”之間，如圖8所示，更靠近“好”，因此可認為評級結果為“好”。

6 結論

1)云模型主要從隨機性和模糊性兩個方面減少評價過程中出現(xiàn)的不確定性。在減少隨機性方面，主要從逆向云發(fā)生器出發(fā)，按照云滴的散亂程度調(diào)整打分；在減少模糊性方面，綜合了最高評價值和最低評價值，并進行歸一化處理。借助Matlab軟件，將云模型實現(xiàn)為云圖，較為直觀地反應了深圳港應急能力的各級指標的評價等級。根據(jù)評價結果，結合實際調(diào)研走訪情況，進行分析總結，為深圳港應急能力的提升提供理論參考。

2)形成了深圳港應急能力評價指標體系，結合專家打分與云模型計算得出其應急能力整體較好的結論。本文評價結果與實際情況較為相符，因此可以認為本指標體系較為合理，方法較為科學。