基于集对分析的PX 项目海域污染风险评估模型

李绍平，黄加亮，，谢敢，黄朝霞

(集美大学a.海事管理与海事法律科学研究中心;b.轮机工程学院;c.理学院，福建 厦门 361021)

0 引言

PX 项目，指的是二甲苯化工项目.PX 能与乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂混溶.外观与性状为无色透明液体，可燃、有毒、有刺激性、具有芳香气味，对眼及上呼吸道有刺激作用，高浓度时，对中枢系统有麻醉作用，吸入较高浓度的二甲苯可能出现急性中毒;并可使胎儿畸形，对人和环境影响非常大.据不完全统计，国内目前已建成的PX 项目有10 余家，主要分布于经济发达的沿海地区.抗风险的安全距离并非决定性的关键因素，PX 原材料运输与原料、产品在港口泊位上的输入输出所导致的污染风险很难预料.

为研究综合安全评估法在船舶安全规则制定中的应用，文献［1］借鉴核工业、化工及海上石油开发等行业在风险管理方面的经验，寻找出适用于控制船舶运输风险管理的捷径.文献［2］针对港口水域交通环境风险评估过程中信息的不确定性、多样性及评估指标客观权重难以确定的问题，引入信息熵权法，获得各种不确定信息熵的客观权重，建立基于熵权证据推理的评估模型.文献［3］以不同港口水域风险评价方法的评价结果为基础，分析港口航行风险评价方法的一致性，建立国际海事组织(IMO)推荐的一致性分析模型，得出影响因素之间的关联和评价方法的一致性程度.为给液化天然气(LNG)船舶进出港组织方案选择提供决策依据，将多目标格序决策理论运用到组织方案评价比选中.而应用计算机软件程序动态监控船舶对海洋的污染及消除风险测试评估的研究较为罕见，尤其是对PX 项目中载有原料、产品的船舶的航行管理——船舶动态监控，国内目前的应用研究几乎是空白，大多是在管理学范畴内进行风险评估的理论综述.集对分析(Set-Pair Analysis，SPA)是我国学者赵克勤于1989年基于对立统一观点提出的，这种新的不确定性分析方法，能从整体和局部剖析研究系统的内在关系，目前已被广泛应用于现代科学管理、决策分析以及安全评估等许多方面.［2］本文用SPA 建立一个PX项目对海域污染风险的评估模型，运用通信与控制工程的理论及数学模型，将运输PX 原料与产品的船舶污染风险的关系有机结合，进行动态分析和预测.确立数学模型以及由它派生出的修正公式，结合福建古雷半岛台湾海峡海域的船舶运输PX 原料和产品的情况，对船舶的运输污染防范进行定量关系研究，为全国的PX 原料和产品的航运风险进行动态分析及预测，提供理论依据和借鉴.

1 SPA 原理［4-5］

SPA 的基本思想是将客观事物的确定性与不确定性作为一个确定不确定系统，从同、异、反三方面研究系统的不确定性.其基本概念是集对和联系度.集对是由具有一定联系的集合A和集合B 组成的对子H(A，B).称2个集合对其共有属性的相同、相异、相反程度为联系度.SPA 就是研究这2个集合的联系度.联系度的一般形式是:

式中:μ表示联系度，N表示集合(A，B)具有的特征总数;S表示集合(A，B)中共同具有的特征个数;P表示集合(A，B)中相互对立的特征个数;F表示集合(A，B)中既不共同具有，也不相互对立的特征个数.其中a=S/N，b=F/N，c=P/N，a表示2个集合的同一程度，称为同一度;b表示2个集合的差异程度，称为差异度;c表示2个集合的对立程度，称为对立度，且有a+b+c=1.i为差异度因数，在［-1，1］中取值，j为对立度因数，运算时恒取-1，当i，j不取特定值时即退化为差异度和对立度的符号标志.

上述是常用的三元联系度，可以根据式(1)作进一步扩展，即可得到多元联系度:

式中:b1，b2，…，bk为差异度分量，可用来反映指标的不同差异程度;i1，i2，…，ik为差异不确定分量因数，且有a+b1+b2+…+bk+c=1.

2 PX 项目对海域污染风险的SPA 综合评估模型

PX 项目中涉及的海上运输十分复杂，影响PX项目对海域污染风险的因素很多，具有不确定性.本文将这些风险因素作为评估指标，并与评估标准作为两个集合构成一个集对，在此基础上建立PX 项目对海域污染风险的评估模型.

2.1 PX 项目对海域污染风险的评估标准

假设选择m 种因素指标，将风险评估分为k个等级［6］，文中k 取5.将PX 项目对海域污染风险的评估样本某指标值xl(l=1，2，…，m)看成一个集合Al，把评估标准看成另一个集合Bk(k=1，2，…，5)，则它们可构成一个集对H(Al，Bk).用5 元联系度μl来描述它们之间的关系:

考虑到各因素指标对海域污染风险的影响程度不同，式(3)可定义为

则集合A 属于t 级［7］.

2.2 联系度的计算

根据上文，PX 项目对海域污染风险的评估标准分为5 级，当评估指标为越大越优型时，评估样本指标值xl(l=1，2，…，m)与评估指标标准的联系度

当评估指标为越小越优型时，评价样本指标值xl(l=1，2，…，m)与评价指标标准的联系度

式中:s1，s2，s3，s4，s5分别为评估标准I，II，III，IV和V 级的标准值.xl(l=1，2，…，m)表示评估指标统计值.

3 实例分析

以运输PX 项目原料、产品的某散装化学品船为例，进行分析.该船于1997 年1 月建成，总载质量为11 600 t，船长117 m，船型宽20 m，船型深11.2 m.船体结构状况良好，船舶设备状况一般，船舶设备维护、保养良好，公司预防性维修次数少，但船公司对安全管理比较重视，定期组织船员进行教育培训、防污染演习.古雷半岛周边海域船舶交通管理系统比较完善，通航水域宽阔，过往船只较多，气象海况条件良好，多云，东北风7 级，中到大浪，能见度约5 n mile，海流流向030，流速0.8 kn.

3.1 PX 项目对海域污染风险评估指标体系的建立

PX 项目中涉及的海上运输十分复杂，影响PX项目对海域污染风险的因素众多，提取影响PX 项目对海域污染风险的主要因素(即评估指标)，从船舶、船员、外部环境和管理这4个因素出发，将评估指标划分为4个一级指标和15个二级指标，并建立相应的指标体系，见图1.

图1 PX 项目对海域污染风险的评估指标体系

3.2 权重的分配

文献［8］运用熵值法计算指标权重，结合LNG船舶操纵特点，构建针对方案安全性、经济性、可操作性等管理因素的LNG 船舶进出港组织方案比选的评价指标体系.文献［9］应用模糊变权法对船舶综合安全进行评估，权重与因素的单因素评估值相关联，突出不完善因素.文献［10］利用熵得到多指标决策问题指标的客观权重，再将其与层次分析法中准则层指标的主观权重相结合，得到熵权，作为在组合权重计算中的准则层权重.权重是衡量指标体系中某一具体指标对海域污染风险等级影响程度相对大小的量，权重越大，意味着该因素对海运安全的影响越大，反之则小.为了客观给出权值因数，可以采用两阶段法确定权重:第1 阶段请专家学者对评价指标的重要性进行排序;第2 阶段建立模糊标度二元对比有序矩阵，在此基础上进行归一化处理，即得指标权重因数.本文所确定的各个因素权重见图1.

3.3 指标等级标准划分

将PX 项目对海域污染风险评估标准分为5个等级，用I，II，III，IV和V表示，分别代表风险评估等级:很安全，安全，一般，不安全和很不安全.定量指标按行业标准给出相应安全等级的标准值，非定量指标按满分100 分，给出相应安全等级的标准值，评估指标的标准值见表1.

表1 分级标准

3.4 计算联系度

根据评估标准，对某化学品船进行打分，其中定量指标根据实际值给出，非定量指标由3 位评估专家按满分100 分，根据分级标准对该船评估指标进行打分，将所得数据采用德尔菲法处理后，列出各二级指标的统计值，见表2.

由表2可知，船型固有危险度的指标统计值为0.35，根据式(7)得其与评估标准的联系度

同理可得，船舶设备故障率状况与评估标准的联系度

船舶设备保养状况与评估标准的联系度

预防维修状况与评估标准的联系度

船型固有危险度、船舶设备故障率、船舶设备保养状况与预防维修状况在船舶因素中占的权重分别为0.15，0.30，0.30，0.25，根据μ11，μ12，μ13，μ14，由式(4)得船舶因素与评估标准的联系度

表2 二级指标的指标统计值

同理可得，船员因素与评估标准的联系度

环境因素与评估标准的联系度

船舶公司安全管理与评估标准的联系度

由μ1，μ2，μ3，μ4，根据式(4)得该船PX 项目海运安全风险评估指标与评估标准的联系度

根据式(5)，取R1=0.399 25，R2=0.434 50，R3=0.128 75，R4=0.037 50，R5=0，由最大平均联系度准则得R2最大，可知该船对海域污染风险的评估属于II 级，为“安全”.而在实际情况中，通过监控该化学品船的航行状态，发现该船运行良好、航行安全，说明所建立的风险评估模型是可信、合理的.根据式(5)可知，该船与“很安全”等级的联系度为0.399 25，与“一般”等级的联系度为0.128 75，与“不安全”等级的联系度为0.037 50，模型所得结论不仅能得到评估结果，也在一定程度上反映出该船安全风险的趋势，为防范事故、查找安全漏洞提供一定的依据.

4 结束语

基于集对分析的PX 项目对海域风险评估分析方法原理直观，计算公式和步骤简便，结果合理、客观，具有很好的应用价值.PX 项目涉及的船舶运输十分复杂，影响其海域污染风险的因素诸多，本文主要分析船舶、船员、环境、管理这4 大因素对海域污染所造成的影响，运用集对分析理论，以某运输PX项目中原料和产品的船舶为实例，结合专家的观点和数据，对其进行海域污染风险的评估，最终评估结果表明此方法可行、切合实际情况，从而为PX 项目对海域污染风险的综合评判提供一个新的科学评估方法和手段，为下一步进行PX 项目对海域污染风险评估测试预警系统提供一个可行的模型.

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