多層次灰色理論在內(nèi)河高樁碼頭風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

唐 彬，覃露興，林 東

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074)

碼頭作為船舶系靠的重要水工建筑物，如何控制其安全事故的發(fā)生，對碼頭正常運(yùn)行至關(guān)重要。對碼頭進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以提前了解其風(fēng)險(xiǎn)水平，保障其運(yùn)營期間的安全穩(wěn)定。在碼頭風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方面很多學(xué)者從不同的角度以及方法展開了研究，在樁基工程方面，洪寧寧等[1]以沉樁工程為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對象，建立了沉樁工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)模型；朱琳[2]使用了蒙特卡洛有限元方法，并結(jié)合了可靠度理論和模糊數(shù)學(xué)理論，對在施工期內(nèi)的深水枯基工程項(xiàng)目進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。在港口施工方面，張治敏[3]在分析沉箱碼頭施工工藝流程和特性的基礎(chǔ)上，建立了沉箱碼頭施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并運(yùn)用層次分析法對沉箱碼頭施工工程的進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；侯志強(qiáng)等[4]結(jié)合水運(yùn)工程的施工特性，制定了風(fēng)險(xiǎn)事故后果和可能性衡量指標(biāo)的定值評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。在港口管理方面，屠洪珍[5]對港口建設(shè)中可能面臨的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了辨識(shí)，然后采用模糊層次法對溫州樂清港進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，建立了港口項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)管理體系；秦進(jìn)[6]從港口碼頭可持續(xù)發(fā)展水平的角度出發(fā)，以層次分析法和灰色系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，建立了多層次灰色評(píng)價(jià)模型，對港口碼頭項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展水平進(jìn)行了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

結(jié)合內(nèi)河高樁碼頭的自身特點(diǎn)，本文在灰色理論的基礎(chǔ)上，基于多層次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，建立了內(nèi)河高樁碼頭風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。以重慶港忠縣新生作用區(qū)一期工程為例，根據(jù)建立的內(nèi)河高樁碼頭多層次灰色評(píng)價(jià)模型，計(jì)算確定了各層次風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重和綜合評(píng)價(jià)值。

1 內(nèi)河高樁碼頭風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的建立

1.1 多層次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

本文根據(jù)層次分析法的基本原理[7-9]把內(nèi)河高樁碼頭的風(fēng)險(xiǎn)定為評(píng)價(jià)目標(biāo)A，依次確定B為一級(jí)指標(biāo)Bi(i=1，2，3，…)；C為二級(jí)指標(biāo)Ci(i=1，2，3，…)；D為三級(jí)指標(biāo)Di(i=1，2，3，…)。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)之前，首先確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。根據(jù)影響內(nèi)河高樁碼頭風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行綜合分析，將碼頭建設(shè)規(guī)劃期(B1)，碼頭建設(shè)設(shè)計(jì)期(B2)，碼頭建設(shè)施工期(B3)，碼頭建設(shè)運(yùn)營期(B4)作為影響碼頭風(fēng)險(xiǎn)的一級(jí)指標(biāo)，同時(shí)選擇了13個(gè)二級(jí)指標(biāo)和17個(gè)三級(jí)指標(biāo)。具體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1所示。

表1 內(nèi)河高樁碼頭風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.3 評(píng)價(jià)等級(jí)的確定

由于評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于定性指標(biāo)，可以通過制定評(píng)價(jià)指標(biāo)的相應(yīng)評(píng)分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的方法將原本是定性的指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)[10]。即采用低風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)幾個(gè)評(píng)分等級(jí)表示評(píng)價(jià)指標(biāo)U的風(fēng)險(xiǎn)大小，并相應(yīng)的給5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)賦值分別為1、2、3、4、5，兩風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間賦值為1.5、2.5、3.5、4.5。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

在內(nèi)河高樁碼頭風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中，各級(jí)指標(biāo)對目標(biāo)的影響程度具有不同的效應(yīng)。在專家打分和實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上構(gòu)造判斷矩陣，具有滿足一致性的判斷矩陣對應(yīng)的特征向量各分量即為指標(biāo)層的權(quán)重[11-13]。在本文中，各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重是由層次分析法(AHP)確定的。首先通過構(gòu)件矩陣計(jì)算求解各級(jí)指標(biāo)均滿足一致性檢驗(yàn)。其中，一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ui的權(quán)重集為W=(W1，W2，W3，W4)，其中W≥0，∑Wi=1。相應(yīng)的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Uij的權(quán)重集為Wi=(Wi1，Wi2，Wi3，Wi4)，其中Wi≥0，∑Wij=1。

1.5 評(píng)價(jià)樣本矩陣的建立

在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，需要有大量的樣本數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)需要服從一種典型的分布，然而在灰類評(píng)價(jià)中只需要少量的數(shù)據(jù)就可以建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)模型，對數(shù)據(jù)沒有特殊要求。設(shè)有m位學(xué)科領(lǐng)域的評(píng)價(jià)專家，每位領(lǐng)域內(nèi)的評(píng)價(jià)專家都有相應(yīng)的序號(hào)為k，k=1，2，3…，m。組織這些學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)的評(píng)價(jià)專家，按照評(píng)價(jià)指標(biāo)U的評(píng)分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對第x個(gè)評(píng)價(jià)對象進(jìn)行評(píng)分。根據(jù)評(píng)價(jià)專家的評(píng)分，即可根據(jù)第k個(gè)評(píng)價(jià)專家，對第x個(gè)評(píng)價(jià)對象給出的分?jǐn)?shù)d，得到對第x個(gè)評(píng)價(jià)對象的評(píng)價(jià)樣本矩陣Dx。具體矩陣見式(1)。

(1)

1.6 評(píng)價(jià)灰類的確定：

由于專家評(píng)分之間的差異性，為了能更準(zhǔn)確地反映出第x個(gè)評(píng)價(jià)對象屬于某風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的程度，因此需要確定相應(yīng)的評(píng)價(jià)灰類，即需要確定評(píng)價(jià)灰類的等級(jí)、灰類的灰數(shù)以及相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)。假設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)灰類，用h來表示評(píng)價(jià)灰類的等級(jí)數(shù)，h=1，2，3…n。白化權(quán)函數(shù)主要分為典型、上限測度、適中測度、下限測度白化權(quán)函數(shù)。本文采用低風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、極高風(fēng)險(xiǎn)5個(gè)等級(jí)來表示評(píng)價(jià)的灰類，通過綜合分析比較確定選用典型白化權(quán)函數(shù)作為評(píng)價(jià)的白化權(quán)函數(shù)。

灰類評(píng)價(jià)的白化權(quán)函數(shù)見圖1所示。

a)第1灰類

1.7 灰色評(píng)價(jià)系數(shù)的計(jì)算

(2)

(3)

1.8 灰色評(píng)價(jià)權(quán)向量及權(quán)矩陣的計(jì)算

(4)

(5)

1.9 綜合評(píng)價(jià)

對碼頭風(fēng)險(xiǎn)做綜合評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果記為B(x)，表示為：

(6)

1.10 綜合評(píng)價(jià)值的計(jì)算及排序

根據(jù)灰類等級(jí)按“灰色水平”賦值，則得到評(píng)價(jià)灰類轉(zhuǎn)化向量C=(1，2，3，4，5)。則碼頭風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)值記為：

R(x)=B(x)×CT

(7)

計(jì)算得出綜合評(píng)價(jià)值R(x)后，就可以根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值的大小給出x個(gè)評(píng)價(jià)對象風(fēng)險(xiǎn)的高低。

2 應(yīng)用實(shí)例

本文以重慶港忠縣港區(qū)新生作業(yè)區(qū)一期工程為例，運(yùn)用建立的內(nèi)河高樁碼頭多層次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對其進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，以檢驗(yàn)評(píng)價(jià)模型的合理性和實(shí)用性。

2.1 工程項(xiàng)目概況

擬建的重慶港忠縣港區(qū)新生作業(yè)區(qū)一期工程位于長江左岸的重慶市忠縣新生鎮(zhèn)旁。擬建工程共布置了8個(gè)泊位，從上游至下游依次布置1#滾裝泊位和2#～8#多用途泊位，碼頭前沿線布置在135.0 m等高線附近。本工程后方陸域縱深約1 260 m，分為兩塊，一塊位于泊位的正后方，主要布置堆場、倉庫和生產(chǎn)輔助區(qū)；另一塊臨近進(jìn)港道路進(jìn)口，主要布置倉儲(chǔ)和加工區(qū)。碼頭區(qū)地貌總體上屬于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌，地形變化起伏大，地形坡角一般為0～30°，局部達(dá)45°。在三峽水庫蓄水時(shí)會(huì)形成香水溪和秀水溪，走向東北。鐘壩河岸坡地形平緩處地形坡角約5°～8°，該地段上覆為坡殘積層粉質(zhì)粘土，土層厚度約一般1～2 m；該段岸坡地形較陡處多為基巖出露，地形為15°～30°，局部為50°。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

為了獲得評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過在學(xué)校和設(shè)計(jì)院邀請港口領(lǐng)域的5位相關(guān)專家，對本工程的風(fēng)險(xiǎn)分別進(jìn)行打分。經(jīng)專家打分結(jié)果分析，由式(1)(2)得到樣本矩陣，將風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度用數(shù)值的形式表示，得到評(píng)分分值，根據(jù)評(píng)分分值構(gòu)建評(píng)價(jià)樣本矩陣D。

D=(D1，D2，D3，D4)T。

2.3 灰色評(píng)價(jià)系數(shù)的確定

對于評(píng)價(jià)指標(biāo)C1環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，以專家評(píng)價(jià)矩陣D為基礎(chǔ)，由公式(3)計(jì)算得：

可以求得，評(píng)價(jià)指標(biāo)C1環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的總灰色評(píng)價(jià)數(shù)為：

2.5 一級(jí)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)

2.6 目標(biāo)A綜合評(píng)價(jià)

求得重慶港新生港區(qū)一期工程的總灰色評(píng)價(jià)矩陣為：

對于碼頭風(fēng)險(xiǎn)A進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，由公式(6)計(jì)算其評(píng)價(jià)結(jié)果為：

=[0.130 8 0.367 2 0.286 9 0.215 1]。

2.7 計(jì)算碼頭風(fēng)險(xiǎn)綜合值，判定碼頭風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

可由公式(7)得到新生港區(qū)一期工程的單值化綜合評(píng)價(jià)值為：

R(1)=B(1)×CT=[0.130 8 0.367 2 0.286 9 0.215 1]·[1 2 3 4]T=2.586 3。

同理得到第二層各類風(fēng)險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)值分別為：

2.8 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

由上述計(jì)算結(jié)果可知：該碼頭的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)處于一般風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)之間，也就是說該碼頭建設(shè)項(xiàng)目全過程的風(fēng)險(xiǎn)水平一般偏上水平。各階段風(fēng)險(xiǎn)也在一般風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)之間，且施工期的風(fēng)險(xiǎn)最大。

3 結(jié)語

1) 根據(jù)內(nèi)河高樁碼頭的自身特點(diǎn)，確定了影響碼頭風(fēng)險(xiǎn)的4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)(施工期、運(yùn)營期、設(shè)計(jì)期和規(guī)劃期)以及13個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和17個(gè)三級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2) 本文以“少信息—簡單化—數(shù)字化”為總體思路，基于層次分析法和灰色理論建立了內(nèi)河高樁碼頭多層次灰色評(píng)價(jià)模型。

3) 結(jié)合重慶港忠縣港區(qū)新生作業(yè)區(qū)一期工程，采用提出的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系和多層次灰色評(píng)價(jià)模型對碼頭項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得出了該碼頭項(xiàng)目的整體風(fēng)險(xiǎn)處于一般風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)之間；四個(gè)階段風(fēng)險(xiǎn)從大到小排列為施工期>運(yùn)營期>設(shè)計(jì)期>規(guī)劃期。

4) 內(nèi)河高樁碼頭建設(shè)項(xiàng)目是一個(gè)龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，每一個(gè)周期內(nèi)環(huán)節(jié)復(fù)雜，不確定性因素眾多，還需要進(jìn)行更多的資料收集以及對更多的實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)進(jìn)行分析。