基于AHP-TOPSIS 的港口機械設備安全風險評價研究

付景浩，王浩楠

（煙臺市煙臺港股份有限公司礦石碼頭分公司，山東煙臺 264000）

0 引言

港口機械設備是港口貨物裝運的重要組成部分，其運行的可靠性決定了港口貨物裝運的穩定性和效率[1]。近年來，隨著機械行業的快速發展，港口機械設備運行的可靠性明顯上升，但受貨物噸位、體積等影響，港口機械設備運行中的穩定性問題是一個動態的復雜過程，機械設備發生故障問題具有不確定性和動態性[2]。因此，為了提高港口貨物裝卸作業的安全水平，開展港口機械設備運行穩定性研究具有重要意義。

基于模糊數學理論，構建一種基于AHP-TOPSIS 的機械設備運行穩定性評價模型，以山東煙臺港機械設備運行狀況為背景，分析設備運行穩定性，并結合分析結果查明設備的薄弱環節，降低設備故障率，以期為港口機械設備運行穩定性分析提供理論支撐。

1 港口機械安全風險指標體系構建

港口機械設備的運行穩定性評價，是對機械設備全生命周期內的本質安全、資源合理利用和運行質量的綜合評價，需要科學合理的選取評級指標。綜合考慮各評價指標的實用價值，優選了16 個具有代表性的影響港口機械設備的運行穩定性的因素作為評價指標，并基于因果交叉理論和事故致因理論，按照人、機、環和管4 個維度將其分為人為因素、機械設備因素、環境因素和管理組織因素4 個方面，構建層次結構指標體系，港口機械設備的運行穩定性評價分為目標層、準則層和單因素指標（圖1）。

圖1 層次結構指標體系

2 AHP-TOPSIS 綜合評判模型構建

2.1 基于AHP 指標綜合權重分析

AHP（Analytic Hierarchy Process，層次分析法）在指標權重確定過程中主要由人為因素進行定性分析，以大數定理為基礎，構建期望回歸的數值模擬方法，以實現對指標權重的確定。

（1）決策矩陣同一化。針對指標體系中指標類型不同及量綱不同，對指標按照不同標準進行同一化處理和無量綱化處理。

（2）加權決策矩陣的建立。加權決策矩陣是決策矩陣與指標體系權重矩陣的對應性乘積。其中，Wj為第j 指標的權重。

（3）樣本貼近度計算：正理想解和負理想解求取見式（3）；樣本指標與理想解的距離可以通過空間歐氏距離進行衡量，樣本指標與理想解距離計算見式（4）。

2.2 AHP-TOPSIS 模型

AHP-TOPSIS 綜合評判模型中，以AHP 確定安全評價指標體系的綜合權重，進而結合TOPSIS 模型確定的相對貼近度評判矩陣，以獲得最優的安全評價結果。其數學表達可描述為：F=εE。

3 實例分析

煙臺港地處山東半島東端，扼渤海灣入海口，靠近國際主航道，處東北亞國際經濟圈的核心地帶，與日本、韓國隔海相望，是中國大陸沿海主樞紐港之一。煙臺港具有礦石、油品、液化、LNG、化肥等穩定大宗貨源現代綜合物流體系平臺，成為東北亞地區極少數同時擁有礦石、油品、煤炭、集裝箱4 大貨類深水大型碼頭的港口之一。因此，整個碼頭具有極為復雜的機械設備系統，包括裝載機、轉載機、吊裝設備、運輸設備、門座起重機、裝船機等。大宗貨物到港后由于裝卸時間的限制，常需要多種設備聯合使用，存在較多的交叉作業現象，這增大了各機械設備事故的發生率，因此需要對港口機械設備的運行安全性進行評判。

3.1 指標權重的確定

在建立得港口機械風險評價指標體系之上，以1-9 標度值分別對4 類一級指標以及24 項二級指標以進行重要度標度，進而對評判矩陣進行特征向量和特征值求解，從而進行一致性檢驗，檢驗通過則進行權重記錄。將權值進行均一化處理，作為港口機械安全風險評價指標的最終權重（表1）。其中，“三違”是指生產作業中違章指揮、違章作業、違反勞動紀律這三種現象。

表1 機械設備安全風險評價指標權重值

3.2 TOPSIS 指標綜合評價

根據港口機械設備安全系統的特點，將港口機械設備風險評價體系中的各類指標對港口機械設備安全風險的影響劃分為4 個等級，分別記為Ⅰ級（輕微影響）、Ⅱ級（一般影響）、Ⅲ級（較大影響）和Ⅳ級（嚴重影響）。同時結合相關研究成果，對各指標因素的量化進行分級。定性指標中的部分危險性存在指標以0和1 進行劃分，而能夠進行分級的指標，分別按照影響等級從小到大以0.2、0.4、0.6、0.8 進行標注，則港口機械設備風險評價指標對港口機械設備安全風險的影響程度如表2 所示。

表2 機械安全風險影響因素等級劃分

同時，基于收集的山東煙臺港2020 年7 月份的相關指標信息建立人員因素初始評判矩陣，對煙臺港的安全狀況進行判定：

由于安全風險評價指標的人員因素中，“三違”次數屬于損耗性指標，值越小越好；而其他的4 個指標，均屬于效益性指標，值越大越好，因此結合式（2）、式（3）構建加權決策矩陣：

根據式（4）計算人員因素正理想解為A+={0.125，0.158，0，0.132，0.164}，負理想解為A-={0，0，0.281，0，0}，則基于人員因素的各安全風險等級的貼近度為Eh={0.215，0.222，0.584，1，0.358}。

同理，計算可得基于設備因素的各安全風險等級的貼近度為Ed={0.235，0.362，0.423，1，0.268}，基于環境因素的各安全風險等級的貼近度為Ee={0.264，0.285，0.379，1，0.306}，基于管理因素的各安全風險等級的貼近度為Em={0.284，0.265，0.408，1，0.322}。

3.3 機械設備安全風險評價

根據TOPSIS 模型計算的指標綜合評價貼近度，可得出安全風險等級綜合評判矩陣：

結合已計算的機械安全風險評價指標體系中的準則層權重，則可得綜合評價矩陣的結果為：

則港口機械設備安全風險等級可按照表3 劃分級別。

表3 港口機械設備安全風險等級量化

綜上分析，結合表3 的分級結果可知，山東煙臺港在2020年7 月份的煤港口機械設備安全風險評價的結果為0.289，表明該階段設備安全風險量化分級屬于Ⅲ級風險。由表1 可知，人為因素對機械設備運行穩定性影響最大，其權重為0.286。由此可見，人為因素是影響港口機械設備運行穩定性的關鍵因素，其中人員的“三違”率、應急機制的完善率等因素在權重總排序中占比較大，因此港口機械作業時需要加強對這些因素的管理。

4 結束語

（1）挖掘了港口機械安全事故致因，結合指標體系構建原則，從人為因素、機械設備因素、環境因素和管理組織因素4 個方面，構建層次結構指標體系。

（2）構建了AHP-TOPSIS 的港口機械設備安全風險評價模型。以2020 年7 月份山東煙臺港機械吊裝設備的數據為例，利用AHP-TOPSIS 模型對山東煙臺港機械吊裝設備當月的安全風險等級進行評價，結果表明安全風險等級為Ⅲ級，對設備的安全管理具有一定指導意義。