基于多評價方法的港口危險貨物集裝箱堆場動態(tài)風(fēng)險評估

何淼 李亞軍 唐榮堅 楊寒冰

摘 要：在我國石油、化工、新能源等產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的背景下，港口危險貨物集裝箱堆場的重要性不言而喻。但由于其流動性大、貨種繁多的特性，難以實現(xiàn)具有針對性的動態(tài)風(fēng)險評估。本研究綜合評比多種風(fēng)險評估方法，選用AHP、灰色系統(tǒng)理論和模糊綜合評價方法構(gòu)建了針對危貨集裝箱堆場的動態(tài)風(fēng)險評估模型。結(jié)合堆場實際環(huán)境參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，搭建完成港口危險貨物集裝箱堆場動態(tài)風(fēng)險信息化系統(tǒng)，在一定程度上為危貨集裝箱堆場的長效安全管理提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：危險貨物;AHP;灰色系統(tǒng)理論;信息化系統(tǒng)

中圖分類號：698? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0029-05

近年來，在我國經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，石油、化工、新能源等產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴張，危險貨物在交通運輸體系研究中也備受關(guān)注。于港口而言，集裝箱運輸是水運中最主要的運輸方式之一，集裝箱堆場涉及到的作業(yè)形式、機械設(shè)備和堆放貨種繁復(fù)多樣，且鑒于堆場實時變化的動態(tài)特性，實現(xiàn)對于港口危險貨物集裝箱堆場風(fēng)險的動態(tài)評估極為困難。

在此之前，諸多學(xué)者已經(jīng)開展了港口危險貨物集裝箱動態(tài)風(fēng)險評估的相關(guān)研究。早在1995年，Rao等[1]從港口危險品入手，通過原因-后果分析，確定與危險貨物可能引發(fā)的事故，從而提出危險控制建議。Trbojevic[2]等在風(fēng)險辨識和定量評估的基礎(chǔ)上構(gòu)建安全屏障，并將其集成于安全管理系統(tǒng)中（SMS）。Greenberg[3]提出了想要實現(xiàn)港口安全的三個步驟，并以此對實際場景開展風(fēng)險評估，進(jìn)而提出建議。

在90年代末期，?；犯劭诘娘L(fēng)險也在國內(nèi)引起了廣泛的重視，柴田[4]和林觀炎[5]等人面向危化品碼頭，進(jìn)行風(fēng)險辨識、定量風(fēng)險評估、風(fēng)險分級，最終提出降低和控制風(fēng)險的辦法。曹鑫[6]將油碼頭作為研究對象，構(gòu)建出了安全評價指標(biāo)體系。王紀(jì)東[7]通過對碼頭設(shè)施及碼頭事故案例的分析，從人-機-管理的角度，對碼頭危化品的安全風(fēng)險因素進(jìn)行了分析，并針針對性地選擇16個評價指標(biāo)構(gòu)建風(fēng)險評價體系。

在港口的風(fēng)險評估方法上，陳虹[8]使用了ANP方法和灰色綜合評價方法對危險品碼頭的風(fēng)險開展了綜合評價。黃劍明[9]以寧波港區(qū)化學(xué)品碼頭的環(huán)境風(fēng)險為對象，使用AHP和模糊綜合評價方法進(jìn)行研究。吳偉龍[10]系統(tǒng)研究了港口危險貨物的致險源和影響因素，在指標(biāo)評價體系的基礎(chǔ)上，使用層次分析法量化評價危險貨物應(yīng)急方案。

1 風(fēng)險評估方法

當(dāng)前針對危險貨物集裝箱堆場的風(fēng)險評估方法繁復(fù)多樣，總體上可劃分為定性評估方法、半定量評估方法和定量評估方法。當(dāng)下面向港口危險貨物集裝箱堆場的風(fēng)險評估仍多以定性或半定量的評估方法為主，其中定性評估方法主要是對評估對象進(jìn)行系統(tǒng)、全面的分析，根據(jù)分析結(jié)果對事件的危險性做出大致的評價。半定量評估方法則將評估對象的危險狀況表示為某種數(shù)值形式，以數(shù)值的差異劃分和確定各個危險事件的風(fēng)險等級。半定量方法相對于定性評估有著更具象化的表征，其可以得到風(fēng)險事件的發(fā)生頻率和后果。

在本研究中，為了綜合結(jié)果的準(zhǔn)確性和現(xiàn)場的可操作性，使用了多種定量（半定量）評估和定性評估相結(jié)合的方式。

研究模型選擇在層次分析方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合港口危險貨物集裝箱多層次、多因素及動態(tài)風(fēng)險評估要求的特征，將灰色系統(tǒng)理論和模糊數(shù)學(xué)的計算方法融入，構(gòu)建出完整的動態(tài)風(fēng)險評估模型。該方法是在風(fēng)險管控清單的基礎(chǔ)上，以專家打分表收集到的數(shù)據(jù)為依據(jù)，從“人-物-環(huán)-管”四個角度出發(fā)，確立各個風(fēng)險事件的發(fā)生概率和事故后果的嚴(yán)重程度，進(jìn)而計算出堆場的風(fēng)險等級大小。通過在模型中加入實時的動態(tài)數(shù)據(jù)接口，完成對堆場風(fēng)險的全時段監(jiān)控，以滿足動態(tài)風(fēng)險評估的要求。

2 動態(tài)評估模型

2.1模型整體結(jié)構(gòu)

模型整體考慮將堆場風(fēng)險（D）歸因為風(fēng)險事件發(fā)生的可能性（L）和后果嚴(yán)重程度（C）的乘積。

風(fēng)險事件發(fā)生的可能性劃分為四個方面，分別為管理因素、人的因素、物的因素和環(huán)境因素，每個致險因素細(xì)分為各個二級指標(biāo)，如表 1所示。

根據(jù)到為危險貨物集裝箱堆場可能存在的實際動態(tài)數(shù)據(jù)接口，將可能性參數(shù)的主體構(gòu)架分為兩個方面，涉及到動態(tài)指標(biāo)的物的因素和環(huán)境因素為可能性參數(shù)提供主要的計算依據(jù)，管理因素和人的因素在專家打分和權(quán)重計算后為可能性參數(shù)提供調(diào)整系數(shù)。可能性參數(shù)的結(jié)構(gòu)組成如下所示：

其中，χL，M和χL，P分別表示管理因素和人的因素的可能性調(diào)整參數(shù)，LW和LE分別表示物的因素和環(huán)境因素的可能性取值，wW'和wE'分別表示物的因素和環(huán)境因素的權(quán)重，計算方法將結(jié)合評價指標(biāo)體系和專家打分結(jié)果，綜合層次分析法和灰色系統(tǒng)理論共同計算。

后果嚴(yán)重度計算主要參考兩方面因素，分別對應(yīng)港口重大危險源與可能的事故后果，總體計算方式如下式所示。

其中，港口重大危險源主要由港口中危險貨物的存量計算，引入動態(tài)接口數(shù)據(jù)后，實時測算堆場的R值，進(jìn)而確定港口重大危險源等級對應(yīng)的后果嚴(yán)重程度。而在堆場事故后果評估中，主要參考堆場可能的人員、財產(chǎn)、敏感目標(biāo)、環(huán)境污染和社會影響度等參量，采用線性內(nèi)插的方法實時計算港口危險貨物集裝箱堆場可能的后果嚴(yán)重程度。

2.2動態(tài)指標(biāo)參數(shù)

對于港口危險貨物集裝箱堆場事故發(fā)生可能性的一級指標(biāo)和二級指標(biāo)分別構(gòu)成了指標(biāo)體系中的準(zhǔn)則層和方案層，如表 2所示。

以U為最終目的，以U1、U2、U3....Uk為準(zhǔn)則層，U11、U12、U13...，U21、U22、U23......，Uij.為方案層，根據(jù)準(zhǔn)則層、方案層一一構(gòu)成秩為i/j的準(zhǔn)則層比較矩陣和方案層比較矩陣。

同理，再根據(jù)每個一級指標(biāo)（準(zhǔn)則層）下，二級指標(biāo)的個數(shù)n，分別構(gòu)建方案層的比較矩陣A（M， P， W， E）=（aij）n×n。準(zhǔn)則層和方案層比較矩陣中的aij均按表 3中的說明對標(biāo)度進(jìn)行賦值。

準(zhǔn)則層、方案層構(gòu)造的矩陣均如下形式：

若式比較矩陣是完全一致矩陣，則有aij? ajk = aik。但實際上在構(gòu)造成對比較矩陣時要求滿足上述眾多等式是不可能的。因此，可以允許成對比較矩陣存在一定程度的不一致性，對完全一致的成對比較矩陣，其絕對值最大的特征值等于該矩陣的維數(shù)。對成對比較矩陣的一致性要求，要求矩陣最大的特征值和該矩陣的維數(shù)相差不大。檢驗成對比較矩陣一致性的步驟如下：

計算比較矩陣不一致程度的指標(biāo)CI

由于aij取值滿足表 3，由下表取平均隨機一致性指標(biāo)RI，該值只與矩陣階數(shù) n有關(guān)。

w1， w2， w3 ... w11， w12， w13， ...即準(zhǔn)則層、方案層的權(quán)重值，由此可以計算出物的因素和環(huán)境因素的權(quán)重，及其各自下級指標(biāo)的權(quán)重值。結(jié)合專家打分結(jié)果，按照最大值的方式分別計算各個二級指標(biāo)的可能性取值，將可能性取值與權(quán)重加權(quán)累計可以計算出動態(tài)指標(biāo)參數(shù)取值，如下式所示。

2.3調(diào)整參數(shù)

對于調(diào)整參數(shù)的計算，主要考慮使用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行計算。對于管理因素和人的因素的基礎(chǔ)指標(biāo)，其可能性取值區(qū)間為[0，10]，同級指標(biāo)中的權(quán)重通過在區(qū)間[0，1]上賦值，各三級指標(biāo)的權(quán)重和影響因素均由專家打分決定，根據(jù)n個專家的打分情況，通過對各個專家賦分求平均值的方式確定各三級因素的權(quán)重：

式中m1、m2、m3、m4、m5分別對應(yīng)各個三級指標(biāo)的專家權(quán)重賦值，由此可以得到n個專家打出的影響因數(shù)矩陣：

參考測度理論，各二級因素取值可分為5個等級。將每個等級取值為該區(qū)間的平均值，即W=（9.5，7.5，4.5，2，0.5）。

將專家打分樣本評價矩陣按照灰色系統(tǒng)理論的計算模式進(jìn)行處理。定義K類的白化函數(shù)fk，樣本di在k類白化函數(shù)上的白化值為fk （di）。本研究中fk一共設(shè)計了5類白化函數(shù)，yk為fk的值，x為樣本值，白化函數(shù)分別表示為：

隨后，以專家樣本評價矩陣為基礎(chǔ)，分析評價指標(biāo)M1，得出該指標(biāo)在各評價標(biāo)準(zhǔn)下的灰統(tǒng)計值。如下：

同理可以計算得到M2、M3、M4、M5、…的白化函數(shù)統(tǒng)計值nij（其中i=2，3，4，5;j=1，2，3，4，5），確定出整體的灰類統(tǒng)計函數(shù)nM2、nM3、nM4、nM5。

在此基礎(chǔ)上，確定灰類評估矩陣和權(quán)重矩陣，先計算評估指標(biāo)M1中每種灰類統(tǒng)計值的權(quán)重：

同理可計算出M2、M3、M4、M5的中每種灰類統(tǒng)計值的權(quán)重vij （其中i=2，3，4，5;j=1，2，3，4，5）。從而得到致險因素M1的模糊評價矩陣：

對于致險因素M進(jìn)行模糊計算：

將計算結(jié)果中與風(fēng)險等級對比，按照最大隸屬度原則確定為M可能性指標(biāo)的取值WM。根據(jù)上述計算方法，可分別計算出其余各個二級指標(biāo)的可能性參數(shù)取值，并將計算結(jié)果對照表即可得到風(fēng)險發(fā)生等級。

因此，通過灰色系統(tǒng)理論計算出的風(fēng)險可能性計算值，可以分別得到管理因素和人的因素的風(fēng)險值。隨后，將各個區(qū)段的可能性與系數(shù)取值范圍形成一一映射，采用線性內(nèi)插的方式引入[0.8， 1.2]的取值區(qū)間中，確定管理因素和人的因素的對應(yīng)的調(diào)整參數(shù)，即為χL，M和χL，P的取值。

2.4后果嚴(yán)重度計算方法

港口危險貨物集裝箱堆場事故后果嚴(yán)重程度的計算主要參考兩個方面：集裝箱區(qū)的重大危險源等級和可能的事故后果。針對重大危險源等級R值的計算方法，見下式。

其中，q1、q2…qn 表征每種設(shè)計最大存儲量（單位：噸），Q1、Q2…Qn 表示與各危險貨物相對應(yīng)的臨界量（單位：噸），β1、β2…βn為各危險貨物相對應(yīng)的校正系數(shù)，具體取值根據(jù)單元內(nèi)危險貨物種類不同分別設(shè)定，α為該重大危險源庫區(qū)外暴露人員的校正系數(shù)。因此，港口重大危險源等級對應(yīng)的后果影響因素，通過多段函數(shù)形式引入后果嚴(yán)重度計算。

根據(jù)嚴(yán)重度指標(biāo)體系，對于可能的事故后果主要從人員、財產(chǎn)、敏感目標(biāo)、環(huán)境影響和社會關(guān)注度五個方面考慮。

對于堆場后果嚴(yán)重度影響最大的指標(biāo)為評價單元內(nèi)的人員數(shù)量，由于該研究主要面向火災(zāi)爆炸事故，鑒于其本身所具備的瞬時性和多米諾效應(yīng)，極易造成群死群傷事故。參考事故等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將評價單元內(nèi)人員數(shù)量與后果嚴(yán)重程度取值（CP）構(gòu)建多段函數(shù)，函數(shù)計算結(jié)果為后果嚴(yán)重程度值。

3 信息化系統(tǒng)

以港口危險貨物集裝箱堆場風(fēng)險評估模型為基礎(chǔ)，結(jié)合堆場生產(chǎn)現(xiàn)狀及相關(guān)的管理系統(tǒng)，搭建面向危險貨物集裝箱堆場的動態(tài)風(fēng)險評估信息化系統(tǒng)。該信息化系統(tǒng)實現(xiàn)了從風(fēng)險事件探測、預(yù)警、報警的全過程覆蓋，在達(dá)到一定風(fēng)險等級時，會在系統(tǒng)首頁實現(xiàn)彈窗預(yù)警。系統(tǒng)頁面顯示和交互部分基本實現(xiàn)預(yù)期功能設(shè)計，系統(tǒng)主頁面實現(xiàn)了可調(diào)整、移動的頁面分類型（窗口）展示、集裝箱堆場模型及平面圖、數(shù)據(jù)選擇性展示、窗口報表輪播以及控制措施顯示功能。

此外，該系統(tǒng)主要涵蓋了風(fēng)險評估、監(jiān)控平臺、預(yù)警報警、堆場管控和堆場基礎(chǔ)信息管理等模塊。其中風(fēng)險評估模塊依托于前文所構(gòu)建的危險貨物堆場動態(tài)風(fēng)險評估模型，結(jié)合堆場可監(jiān)測的動態(tài)數(shù)據(jù)端口，實時計算危險貨物堆場的動態(tài)風(fēng)險值。

為進(jìn)一步提升信息化系統(tǒng)的可推廣性，在風(fēng)險評估模塊中額外添加了模塊編輯功能，集成了動態(tài)數(shù)據(jù)接口開關(guān)功能，以方便其與動態(tài)數(shù)據(jù)的函數(shù)銜接，如圖 2所示。

如圖 3所示，在針對具體指標(biāo)進(jìn)行模塊編輯時，主要可編輯菜單包括指標(biāo)名稱、指標(biāo)位置、是否涉及動態(tài)數(shù)據(jù)及指標(biāo)的具體描述。如該指標(biāo)涉及動態(tài)數(shù)據(jù)，可在動態(tài)函數(shù)編輯模塊中設(shè)計函數(shù)實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。

至此信息化系統(tǒng)構(gòu)建基本完成。隨后將信息化系統(tǒng)與堆場實際使用的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)一步對接，實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用。

4 結(jié)論

本研究針對港口危險貨物集裝箱堆場的動態(tài)風(fēng)險，綜合多種風(fēng)險評估方法，構(gòu)建動態(tài)風(fēng)險評估模型，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)針對港口危險貨物集裝箱堆場的信息化系統(tǒng)，本研究主要結(jié)論如下：

（1）綜合評比多種風(fēng)險評估方法，從適用性的角度對層次分析法、灰色系統(tǒng)理論、模糊綜合評價法等多個評價方法分析比較，根據(jù)港口危險貨物集裝箱多層次、多因素及動態(tài)風(fēng)險評估要求的特征，確定動態(tài)風(fēng)險模型計算方法。

（2）動態(tài)風(fēng)險評估模型整體結(jié)構(gòu)采用DLC方法，針對風(fēng)險事件發(fā)生的可能性從管理、人、物、環(huán)境等多個因素，展開分析和計算，使用層次分析法灰色系統(tǒng)理論，綜合計算事故發(fā)生的可能性。

（3）港口危險貨物集裝箱堆場事故后果嚴(yán)重程度的計算主要參考集裝箱區(qū)的重大危險源等級和可能的事故后果。對于可能的事故后果主要從人員、財產(chǎn)等方面綜合考慮。

（4）信息化系統(tǒng)的搭建，系統(tǒng)主要涵蓋了風(fēng)險評估、監(jiān)控平臺、預(yù)警報警、堆場管控和堆場基礎(chǔ)信息管理等模塊，結(jié)合堆場可監(jiān)測的動態(tài)數(shù)據(jù)端口，可實時計算危險貨物堆場的動態(tài)風(fēng)險值。

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