基于集對分析的PX 項(xiàng)目海域污染風(fēng)險(xiǎn)評估模型

李紹平，黃加亮，，謝敢，黃朝霞

(集美大學(xué)a.海事管理與海事法律科學(xué)研究中心;b.輪機(jī)工程學(xué)院;c.理學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

PX 項(xiàng)目，指的是二甲苯化工項(xiàng)目.PX 能與乙醇、乙醚、丙酮等有機(jī)溶劑混溶.外觀與性狀為無色透明液體，可燃、有毒、有刺激性、具有芳香氣味，對眼及上呼吸道有刺激作用，高濃度時(shí)，對中樞系統(tǒng)有麻醉作用，吸入較高濃度的二甲苯可能出現(xiàn)急性中毒;并可使胎兒畸形，對人和環(huán)境影響非常大.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)目前已建成的PX 項(xiàng)目有10 余家，主要分布于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū).抗風(fēng)險(xiǎn)的安全距離并非決定性的關(guān)鍵因素，PX 原材料運(yùn)輸與原料、產(chǎn)品在港口泊位上的輸入輸出所導(dǎo)致的污染風(fēng)險(xiǎn)很難預(yù)料.

為研究綜合安全評估法在船舶安全規(guī)則制定中的應(yīng)用，文獻(xiàn)［1］借鑒核工業(yè)、化工及海上石油開發(fā)等行業(yè)在風(fēng)險(xiǎn)管理方面的經(jīng)驗(yàn)，尋找出適用于控制船舶運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)管理的捷徑.文獻(xiàn)［2］針對港口水域交通環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估過程中信息的不確定性、多樣性及評估指標(biāo)客觀權(quán)重難以確定的問題，引入信息熵權(quán)法，獲得各種不確定信息熵的客觀權(quán)重，建立基于熵權(quán)證據(jù)推理的評估模型.文獻(xiàn)［3］以不同港口水域風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法的評價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ)，分析港口航行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法的一致性，建立國際海事組織(IMO)推薦的一致性分析模型，得出影響因素之間的關(guān)聯(lián)和評價(jià)方法的一致性程度.為給液化天然氣(LNG)船舶進(jìn)出港組織方案選擇提供決策依據(jù)，將多目標(biāo)格序決策理論運(yùn)用到組織方案評價(jià)比選中.而應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件程序動態(tài)監(jiān)控船舶對海洋的污染及消除風(fēng)險(xiǎn)測試評估的研究較為罕見，尤其是對PX 項(xiàng)目中載有原料、產(chǎn)品的船舶的航行管理——船舶動態(tài)監(jiān)控，國內(nèi)目前的應(yīng)用研究幾乎是空白，大多是在管理學(xué)范疇內(nèi)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的理論綜述.集對分析(Set-Pair Analysis，SPA)是我國學(xué)者趙克勤于1989年基于對立統(tǒng)一觀點(diǎn)提出的，這種新的不確定性分析方法，能從整體和局部剖析研究系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)系，目前已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)管理、決策分析以及安全評估等許多方面.［2］本文用SPA 建立一個(gè)PX項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的評估模型，運(yùn)用通信與控制工程的理論及數(shù)學(xué)模型，將運(yùn)輸PX 原料與產(chǎn)品的船舶污染風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行動態(tài)分析和預(yù)測.確立數(shù)學(xué)模型以及由它派生出的修正公式，結(jié)合福建古雷半島臺灣海峽海域的船舶運(yùn)輸PX 原料和產(chǎn)品的情況，對船舶的運(yùn)輸污染防范進(jìn)行定量關(guān)系研究，為全國的PX 原料和產(chǎn)品的航運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行動態(tài)分析及預(yù)測，提供理論依據(jù)和借鑒.

1 SPA 原理［4-5］

SPA 的基本思想是將客觀事物的確定性與不確定性作為一個(gè)確定不確定系統(tǒng)，從同、異、反三方面研究系統(tǒng)的不確定性.其基本概念是集對和聯(lián)系度.集對是由具有一定聯(lián)系的集合A和集合B 組成的對子H(A，B).稱2個(gè)集合對其共有屬性的相同、相異、相反程度為聯(lián)系度.SPA 就是研究這2個(gè)集合的聯(lián)系度.聯(lián)系度的一般形式是:

式中:μ表示聯(lián)系度，N表示集合(A，B)具有的特征總數(shù);S表示集合(A，B)中共同具有的特征個(gè)數(shù);P表示集合(A，B)中相互對立的特征個(gè)數(shù);F表示集合(A，B)中既不共同具有，也不相互對立的特征個(gè)數(shù).其中a=S/N，b=F/N，c=P/N，a表示2個(gè)集合的同一程度，稱為同一度;b表示2個(gè)集合的差異程度，稱為差異度;c表示2個(gè)集合的對立程度，稱為對立度，且有a+b+c=1.i為差異度因數(shù)，在［-1，1］中取值，j為對立度因數(shù)，運(yùn)算時(shí)恒取-1，當(dāng)i，j不取特定值時(shí)即退化為差異度和對立度的符號標(biāo)志.

上述是常用的三元聯(lián)系度，可以根據(jù)式(1)作進(jìn)一步擴(kuò)展，即可得到多元聯(lián)系度:

式中:b1，b2，…，bk為差異度分量，可用來反映指標(biāo)的不同差異程度;i1，i2，…，ik為差異不確定分量因數(shù)，且有a+b1+b2+…+bk+c=1.

2 PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的SPA 綜合評估模型

PX 項(xiàng)目中涉及的海上運(yùn)輸十分復(fù)雜，影響PX項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的因素很多，具有不確定性.本文將這些風(fēng)險(xiǎn)因素作為評估指標(biāo)，并與評估標(biāo)準(zhǔn)作為兩個(gè)集合構(gòu)成一個(gè)集對，在此基礎(chǔ)上建立PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的評估模型.

2.1 PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的評估標(biāo)準(zhǔn)

假設(shè)選擇m 種因素指標(biāo)，將風(fēng)險(xiǎn)評估分為k個(gè)等級［6］，文中k 取5.將PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的評估樣本某指標(biāo)值xl(l=1，2，…，m)看成一個(gè)集合Al，把評估標(biāo)準(zhǔn)看成另一個(gè)集合Bk(k=1，2，…，5)，則它們可構(gòu)成一個(gè)集對H(Al，Bk).用5 元聯(lián)系度μl來描述它們之間的關(guān)系:

考慮到各因素指標(biāo)對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的影響程度不同，式(3)可定義為

則集合A 屬于t 級［7］.

2.2 聯(lián)系度的計(jì)算

根據(jù)上文，PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的評估標(biāo)準(zhǔn)分為5 級，當(dāng)評估指標(biāo)為越大越優(yōu)型時(shí)，評估樣本指標(biāo)值xl(l=1，2，…，m)與評估指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

當(dāng)評估指標(biāo)為越小越優(yōu)型時(shí)，評價(jià)樣本指標(biāo)值xl(l=1，2，…，m)與評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

式中:s1，s2，s3，s4，s5分別為評估標(biāo)準(zhǔn)I，II，III，IV和V 級的標(biāo)準(zhǔn)值.xl(l=1，2，…，m)表示評估指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值.

3 實(shí)例分析

以運(yùn)輸PX 項(xiàng)目原料、產(chǎn)品的某散裝化學(xué)品船為例，進(jìn)行分析.該船于1997 年1 月建成，總載質(zhì)量為11 600 t，船長117 m，船型寬20 m，船型深11.2 m.船體結(jié)構(gòu)狀況良好，船舶設(shè)備狀況一般，船舶設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)良好，公司預(yù)防性維修次數(shù)少，但船公司對安全管理比較重視，定期組織船員進(jìn)行教育培訓(xùn)、防污染演習(xí).古雷半島周邊海域船舶交通管理系統(tǒng)比較完善，通航水域?qū)掗?，過往船只較多，氣象海況條件良好，多云，東北風(fēng)7 級，中到大浪，能見度約5 n mile，海流流向030，流速0.8 kn.

3.1 PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系的建立

PX 項(xiàng)目中涉及的海上運(yùn)輸十分復(fù)雜，影響PX項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的因素眾多，提取影響PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的主要因素(即評估指標(biāo))，從船舶、船員、外部環(huán)境和管理這4個(gè)因素出發(fā)，將評估指標(biāo)劃分為4個(gè)一級指標(biāo)和15個(gè)二級指標(biāo)，并建立相應(yīng)的指標(biāo)體系，見圖1.

圖1 PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的評估指標(biāo)體系

3.2 權(quán)重的分配

文獻(xiàn)［8］運(yùn)用熵值法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合LNG船舶操縱特點(diǎn)，構(gòu)建針對方案安全性、經(jīng)濟(jì)性、可操作性等管理因素的LNG 船舶進(jìn)出港組織方案比選的評價(jià)指標(biāo)體系.文獻(xiàn)［9］應(yīng)用模糊變權(quán)法對船舶綜合安全進(jìn)行評估，權(quán)重與因素的單因素評估值相關(guān)聯(lián)，突出不完善因素.文獻(xiàn)［10］利用熵得到多指標(biāo)決策問題指標(biāo)的客觀權(quán)重，再將其與層次分析法中準(zhǔn)則層指標(biāo)的主觀權(quán)重相結(jié)合，得到熵權(quán)，作為在組合權(quán)重計(jì)算中的準(zhǔn)則層權(quán)重.權(quán)重是衡量指標(biāo)體系中某一具體指標(biāo)對海域污染風(fēng)險(xiǎn)等級影響程度相對大小的量，權(quán)重越大，意味著該因素對海運(yùn)安全的影響越大，反之則小.為了客觀給出權(quán)值因數(shù)，可以采用兩階段法確定權(quán)重:第1 階段請專家學(xué)者對評價(jià)指標(biāo)的重要性進(jìn)行排序;第2 階段建立模糊標(biāo)度二元對比有序矩陣，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行歸一化處理，即得指標(biāo)權(quán)重因數(shù).本文所確定的各個(gè)因素權(quán)重見圖1.

3.3 指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)劃分

將PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)評估標(biāo)準(zhǔn)分為5個(gè)等級，用I，II，III，IV和V表示，分別代表風(fēng)險(xiǎn)評估等級:很安全，安全，一般，不安全和很不安全.定量指標(biāo)按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給出相應(yīng)安全等級的標(biāo)準(zhǔn)值，非定量指標(biāo)按滿分100 分，給出相應(yīng)安全等級的標(biāo)準(zhǔn)值，評估指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值見表1.

表1 分級標(biāo)準(zhǔn)

3.4 計(jì)算聯(lián)系度

根據(jù)評估標(biāo)準(zhǔn)，對某化學(xué)品船進(jìn)行打分，其中定量指標(biāo)根據(jù)實(shí)際值給出，非定量指標(biāo)由3 位評估專家按滿分100 分，根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)對該船評估指標(biāo)進(jìn)行打分，將所得數(shù)據(jù)采用德爾菲法處理后，列出各二級指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)值，見表2.

由表2可知，船型固有危險(xiǎn)度的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值為0.35，根據(jù)式(7)得其與評估標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

同理可得，船舶設(shè)備故障率狀況與評估標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

船舶設(shè)備保養(yǎng)狀況與評估標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

預(yù)防維修狀況與評估標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

船型固有危險(xiǎn)度、船舶設(shè)備故障率、船舶設(shè)備保養(yǎng)狀況與預(yù)防維修狀況在船舶因素中占的權(quán)重分別為0.15，0.30，0.30，0.25，根據(jù)μ11，μ12，μ13，μ14，由式(4)得船舶因素與評估標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

表2 二級指標(biāo)的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值

同理可得，船員因素與評估標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

環(huán)境因素與評估標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

船舶公司安全管理與評估標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

由μ1，μ2，μ3，μ4，根據(jù)式(4)得該船PX 項(xiàng)目海運(yùn)安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)與評估標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系度

根據(jù)式(5)，取R1=0.399 25，R2=0.434 50，R3=0.128 75，R4=0.037 50，R5=0，由最大平均聯(lián)系度準(zhǔn)則得R2最大，可知該船對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的評估屬于II 級，為“安全”.而在實(shí)際情況中，通過監(jiān)控該化學(xué)品船的航行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)該船運(yùn)行良好、航行安全，說明所建立的風(fēng)險(xiǎn)評估模型是可信、合理的.根據(jù)式(5)可知，該船與“很安全”等級的聯(lián)系度為0.399 25，與“一般”等級的聯(lián)系度為0.128 75，與“不安全”等級的聯(lián)系度為0.037 50，模型所得結(jié)論不僅能得到評估結(jié)果，也在一定程度上反映出該船安全風(fēng)險(xiǎn)的趨勢，為防范事故、查找安全漏洞提供一定的依據(jù).

4 結(jié)束語

基于集對分析的PX 項(xiàng)目對海域風(fēng)險(xiǎn)評估分析方法原理直觀，計(jì)算公式和步驟簡便，結(jié)果合理、客觀，具有很好的應(yīng)用價(jià)值.PX 項(xiàng)目涉及的船舶運(yùn)輸十分復(fù)雜，影響其海域污染風(fēng)險(xiǎn)的因素諸多，本文主要分析船舶、船員、環(huán)境、管理這4 大因素對海域污染所造成的影響，運(yùn)用集對分析理論，以某運(yùn)輸PX項(xiàng)目中原料和產(chǎn)品的船舶為實(shí)例，結(jié)合專家的觀點(diǎn)和數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行海域污染風(fēng)險(xiǎn)的評估，最終評估結(jié)果表明此方法可行、切合實(shí)際情況，從而為PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)的綜合評判提供一個(gè)新的科學(xué)評估方法和手段，為下一步進(jìn)行PX 項(xiàng)目對海域污染風(fēng)險(xiǎn)評估測試預(yù)警系統(tǒng)提供一個(gè)可行的模型.

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