基于多評價方法的港口危險貨物集裝箱堆場動態風險評估

何淼 李亞軍 唐榮堅 楊寒冰

摘 要：在我國石油、化工、新能源等產業高速發展的背景下，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，難以實現具有針對性的動態風險評估。本研究綜合評比多種風險評估方法，選用AHP、灰色系統理論和模糊綜合評價方法構建了針對危貨集裝箱堆場的動態風險評估模型。結合堆場實際環境參數監測設備，搭建完成港口危險貨物集裝箱堆場動態風險信息化系統，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。

關鍵詞：危險貨物;AHP;灰色系統理論;信息化系統

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

近年來，在我國經濟高速發展的背景下，石油、化工、新能源等產業規模不斷擴張，危險貨物在交通運輸體系研究中也備受關注。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形式、機械設備和堆放貨種繁復多樣，且鑒于堆場實時變化的動態特性，實現對于港口危險貨物集裝箱堆場風險的動態評估極為困難。

在此之前，諸多學者已經開展了港口危險貨物集裝箱動態風險評估的相關研究。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的事故，從而提出危險控制建議。Trbojevic[2]等在風險辨識和定量評估的基礎上構建安全屏障，并將其集成于安全管理系統中（SMS）。Greenberg[3]提出了想要實現港口安全的三個步驟，并以此對實際場景開展風險評估，進而提出建議。

在90年代末期，危化品港口的風險也在國內引起了廣泛的重視，柴田[4]和林觀炎[5]等人面向危化品碼頭，進行風險辨識、定量風險評估、風險分級，最終提出降低和控制風險的辦法。曹鑫[6]將油碼頭作為研究對象，構建出了安全評價指標體系。王紀東[7]通過對碼頭設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險因素進行了分析，并針針對性地選擇16個評價指標構建風險評價體系。

在港口的風險評估方法上，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險開展了綜合評價。黃劍明[9]以寧波港區化學品碼頭的環境風險為對象，使用AHP和模糊綜合評價方法進行研究。吳偉龍[10]系統研究了港口危險貨物的致險源和影響因素，在指標評價體系的基礎上，使用層次分析法量化評價危險貨物應急方案。

1 風險評估方法

當前針對危險貨物集裝箱堆場的風險評估方法繁復多樣，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。當下面向港口危險貨物集裝箱堆場的風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行系統、全面的分析，根據分析結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值形式，以數值的差異劃分和確定各個危險事件的風險等級。半定量方法相對于定性評估有著更具象化的表征，其可以得到風險事件的發生頻率和后果。

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

研究模型選擇在層次分析方法的基礎上，結合港口危險貨物集裝箱多層次、多因素及動態風險評估要求的特征，將灰色系統理論和模糊數學的計算方法融入，構建出完整的動態風險評估模型。該方法是在風險管控清單的基礎上，以專家打分表收集到的數據為依據，從“人-物-環-管”四個角度出發，確立各個風險事件的發生概率和事故后果的嚴重程度，進而計算出堆場的風險等級大小。通過在模型中加入實時的動態數據接口，完成對堆場風險的全時段監控，以滿足動態風險評估的要求。

2 動態評估模型

2.1模型整體結構

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

風險事件發生的可能性劃分為四個方面，分別為管理因素、人的因素、物的因素和環境因素，每個致險因素細分為各個二級指標，如表 1所示。

根據到為危險貨物集裝箱堆場可能存在的實際動態數據接口，將可能性參數的主體構架分為兩個方面，涉及到動態指標的物的因素和環境因素為可能性參數提供主要的計算依據，管理因素和人的因素在專家打分和權重計算后為可能性參數提供調整系數。可能性參數的結構組成如下所示：

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整參數，LW和LE分別表示物的因素和環境因素的可能性取值，wW'和wE'分別表示物的因素和環境因素的權重，計算方法將結合評價指標體系和專家打分結果，綜合層次分析法和灰色系統理論共同計算。

后果嚴重度計算主要參考兩方面因素，分別對應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，引入動態接口數據后，實時測算堆場的R值，進而確定港口重大危險源等級對應的后果嚴重程度。而在堆場事故后果評估中，主要參考堆場可能的人員、財產、敏感目標、環境污染和社會影響度等參量，采用線性內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重程度。

2.2動態指標參數

對于港口危險貨物集裝箱堆場事故發生可能性的一級指標和二級指標分別構成了指標體系中的準則層和方案層，如表 2所示。

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

同理，再根據每個一級指標（準則層）下，二級指標的個數n，分別構建方案層的比較矩陣A（M， P， W， E）=（aij）n×n。準則層和方案層比較矩陣中的aij均按表 3中的說明對標度進行賦值。

準則層、方案層構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。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CI

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

w1， w2， w3 ... w11， w12， w13， ...即準則層、方案層的權重值，由此可以計算出物的因素和環境因素的權重，及其各自下級指標的權重值。結合專家打分結果，按照最大值的方式分別計算各個二級指標的可能性取值，將可能性取值與權重加權累計可以計算出動態指標參數取值，如下式所示。

2.3調整參數

對于調整參數的計算，主要考慮使用灰色系統理論進行計算。對于管理因素和人的因素的基礎指標，其可能性取值區間為[0，10]，同級指標中的權重通過在區間[0，1]上賦值，各三級指標的權重和影響因素均由專家打分決定，根據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重：

式中m1、m2、m3、m4、m5分別對應各個三級指標的專家權重賦值，由此可以得到n個專家打出的影響因數矩陣：

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理論的計算模式進行處理。定義K類的白化函數fk，樣本di在k類白化函數上的白化值為fk （di）。本研究中fk一共設計了5類白化函數，yk為fk的值，x為樣本值，白化函數分別表示為：

隨后，以專家樣本評價矩陣為基礎，分析評價指標M1，得出該指標在各評價標準下的灰統計值。如下：

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

在此基礎上，確定灰類評估矩陣和權重矩陣，先計算評估指標M1中每種灰類統計值的權重：

同理可計算出M2、M3、M4、M5的中每種灰類統計值的權重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進行模糊計算：

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

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

2.4后果嚴重度計算方法

港口危險貨物集裝箱堆場事故后果嚴重程度的計算主要參考兩個方面：集裝箱區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 表征每種設計最大存儲量（單位：噸），Q1、Q2…Qn 表示與各危險貨物相對應的臨界量（單位：噸），β1、β2…βn為各危險貨物相對應的校正系數，具體取值根據單元內危險貨物種類不同分別設定，α為該重大危險源庫區外暴露人員的校正系數。因此，港口重大危險源等級對應的后果影響因素，通過多段函數形式引入后果嚴重度計算。

根據嚴重度指標體系，對于可能的事故后果主要從人員、財產、敏感目標、環境影響和社會關注度五個方面考慮。

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

3 信息化系統

以港口危險貨物集裝箱堆場風險評估模型為基礎，結合堆場生產現狀及相關的管理系統，搭建面向危險貨物集裝箱堆場的動態風險評估信息化系統。該信息化系統實現了從風險事件探測、預警、報警的全過程覆蓋，在達到一定風險等級時，會在系統首頁實現彈窗預警。系統頁面顯示和交互部分基本實現預期功能設計，系統主頁面實現了可調整、移動的頁面分類型（窗口）展示、集裝箱堆場模型及平面圖、數據選擇性展示、窗口報表輪播以及控制措施顯示功能。

此外，該系統主要涵蓋了風險評估、監控平臺、預警報警、堆場管控和堆場基礎信息管理等模塊。其中風險評估模塊依托于前文所構建的危險貨物堆場動態風險評估模型，結合堆場可監測的動態數據端口，實時計算危險貨物堆場的動態風險值。

為進一步提升信息化系統的可推廣性，在風險評估模塊中額外添加了模塊編輯功能，集成了動態數據接口開關功能，以方便其與動態數據的函數銜接，如圖 2所示。

如圖 3所示，在針對具體指標進行模塊編輯時，主要可編輯菜單包括指標名稱、指標位置、是否涉及動態數據及指標的具體描述。如該指標涉及動態數據，可在動態函數編輯模塊中設計函數實現不同數據類型的轉換。

至此信息化系統構建基本完成。隨后將信息化系統與堆場實際使用的環境監控系統和生產管理系統進一步對接，實現系統應用。

4 結論

本研究針對港口危險貨物集裝箱堆場的動態風險，綜合多種風險評估方法，構建動態風險評估模型，并在此基礎上開發針對港口危險貨物集裝箱堆場的信息化系統，本研究主要結論如下：

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

（2）動態風險評估模型整體結構采用DLC方法，針對風險事件發生的可能性從管理、人、物、環境等多個因素，展開分析和計算，使用層次分析法灰色系統理論，綜合計算事故發生的可能性。

（3）港口危險貨物集裝箱堆場事故后果嚴重程度的計算主要參考集裝箱區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、財產等方面綜合考慮。

（4）信息化系統的搭建，系統主要涵蓋了風險評估、監控平臺、預警報警、堆場管控和堆場基礎信息管理等模塊，結合堆場可監測的動態數據端口，可實時計算危險貨物堆場的動態風險值。

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