水上危险货物运输管理系统动力学仿真

席永涛，陈杰，胡甚平，郭云龙，许玲

(1.上海海事大学商船学院，上海 201306;2.华东理工大学商学院，上海 200237)

0 引言

据统计，通过船舶运输的危险货物种类达3 000多种，占海运总量一半以上.为保障船舶运载的危险货物安全和航运人员的人身安全，防止海洋污染，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)制定国际海运危险货物规则(International Maritime Dangerous Goods Code，IMDG Code)，详细说明船舶运输危险货物的定义、分类、包装、检验及托运程序等.许多国家也以立法形式制定本国的危险货物运输规则.［1]由于管理、人员素质等问题，危险货物水上运输的安全性仍值得关注，制定系统且行之有效的管理政策应引起海事、航运、港口、环保、海洋等各有关方面的高度重视.［2]

目前，对水上危险货物运输风险的研究多采用定性的方法，定量研究相对较少.现有的定量研究一般应用层次分析法［3]、灰色评价法以及模糊评判法［4]建立危险货物运输评价模型，借助系统因素层次划分方法，对危险货物运输安全进行系统的定量或半定量分析.此类研究方法多从静态角度出发，具有一定的片面性.

危险货物运输安全管理是一个动态控制过程，具有动态性和非线性特点.系统动力学(System Dynamics，SD)针对这些特点，从宏观角度出发，动态、全面地分析危险货物运输管理系统内部各个要素的变化规律，以及单个要素的变化对系统整体安全行为的影响和作用，以确定系统对其本身结构、环境或假设的改变会作何反应，即建立一套与真实系统相似的逻辑模式，通过运作过程了解系统行为，进而评估各种不同系统决策参数下的管理政策，再由管理者调整决策参数求得最优决策.［5]本文运用SD建模软件Vensim，从人、设备、环境、管理、货物等5个方面分析影响危险货物运输的风险因素，建立水上危险货物运输系统动力学模型，进而进行政策模拟［6].

1 水上危险货物运输系统风险

水上危险货物运输系统风险，指的是系统内部及与其关系密切的各种因素在特定的条件下造成不安全事件发生的可能性及造成损失的程度.水上危险货物运输系统包含人、设备、环境、管理、货物等5大基本风险因素，每个风险因素又有相应的子因素.［7-8]其中:①人的风险因素包括疲劳上岗，心理素质不稳定，船员责任心差，船员安全意识低，应急能力差，相关知识缺乏等方面.［9-10]②设备风险因素主要包括船体及结构老化，设备维护不到位，设备故障等.③环境风险因素主要包括自然条件差，通航环境差.自然条件主要为能见度，风、流，温度;通航环境包括助航标志、交通密度和航道因素.④管理风险因素除涉及人、设备、环境、货物因素的管理外，还包括海事、航运、港口等相关部门对危险货物运输的监督管理，其子因素主要包括安全投入少，教育培训力度小和安全监管制度不合理，其中安全监管制度不合理又包括货物检验、申报不严，违法不究和部门信息化设备落后等.⑤货物风险因素主要包括货物监管不当，货载、隔离不当以及货舱环境不适等.

2 水上危险货物运输系统风险SD模型

危险货物运输事故的发生极少是由单一因素引起的，引发事故的因素之间也是相互影响、相互依赖、互为因果的.要想建立水上危险货物运输风险模型，首先需要明确各风险因素间的因果关系.同样，为防止事故的发生，要同时兼管人、设备、环境、管理、货物等5个风险因素中的子因素构成的因果回路，只有弱化或切断某个环节才能避免风险的相互作用和影响.［11]

2.1 水上危险货物运输风险因果反馈模型

依据各风险因素之间的因果关系，采用SD软件建立水上危险货物运输风险模型，见图1.由于系统较为复杂，涉及的子因素繁多，下面以人的风险因素为例进行说明.(1)人的风险因素→心理素质不稳定→决策失误→管理风险因素→设备风险因素→人的风险因素.(2)人的风险因素→心理素质不稳定→应急能力差→管理风险因素→相关知识缺乏→船舶环境不适→环境风险因素→疲劳上岗→人的风险因素.(3)人的风险因素→心理素质不稳定→船员安全意识低→船舶环境不适→货物风险因素→人的风险因素.(4)人的风险因素→心理素质不稳定→操作失误→设备故障→设备风险因素→人的风险因素.

图1 水上危险货物运输风险SD因果反馈模型

2.2 水上危险货物运输风险结构流图

该模型中涉及因素繁多，其中:H=(H1，H2，…，Hn1)代表人的风险因素;S=(S1，S2，…，Sn2)代表设备风险因素;E=(E1，E2，…，En3)代表环境风险因素;M=(M1，M2，…，Mn4)代表管理风险因素;G=(G1，G2，…，Gn5)代表货物风险因素.选取人的风险因素及其子因素、环境风险因素及其子因素加以说明，具体参数见表1.由所构建的水上危险货物运输风险SD模型及参数说明，应用Vensim软件绘制结构流图，见图2.

表1 部分参数说明

图2 水上危险货物运输风险SD结构流图

3 算例

以某港口2001—2012年危险货物运输事故为例.根据所建的结构流图找出模型中的边界风险子因素(此类子因素不受系统内部的影响)，如温度、湿度、能见度、安全投入少、安全监督不合理等.部分边界风险子因素的具体值可以通过历史资料查阅得到，如历年月平均温度、湿度等，其他边界风险子因素的值通过专家打分获得.为使结果具有一致性，分值均在［0，1]范围内，其中:0表示风险子因素发生的概率为0;1表示此风险子因素发生的概率为1，且造成的损失极为严重.

对边界风险子因素赋值完毕后，对其他边界风险子因素进行赋值计算.使用Vensim软件，运行危险货物运输风险原因树.根据图1所建立的评价指标体系，以专家调查问卷的方式对各指标进行评价，通过分析各风险子因素重要性进行评分.评分规则［12]见表2.采用变异系数法获取各级风险子因素权重.

表2 评分规则

3.1 参数及方程的确定

通过查阅相关历史统计数据确立危险货物运输事故数量与运输风险之间的关系.例如，从2001年到2012年的12年间，某港口发生危险货物事故174起，平均每年发生14.5起［13]，则可确定危险货物运输事故数量与运输风险之间的关系，即L=14.5V.温度与时间的表函数见表3.人的风险因素中的疲劳上岗的值，应用Vensim软件中的函数表达式［14]计算，即:H2=0.7 ×ABS(SIN(3.14/6) ×Time)+0.3×Env.航道宽度、弯曲度、深度、助航标志完善度等的值，可根据某港口实际情况设定，也可采取Vensim软件中的函数表达式选取，即:E7=RANDOM UNIFORM(0，1，0.5)，其 中 RANDOM UNIFORM为均匀分布随机数.

表3 历年各月份平均温度

3.2 权重的确定

向航运公司50名危险货物运输安全管理人员发放针对38个风险子因素的调查问卷，共收回问卷38份，有效问卷30份.S1，…，S30等30名专家对H1，…，E12等38个风险子因素的评分结果见表4.对调查结果进行分析、整理，利用变异系数法对数据进行统计分析和集成处理，获得各级权重.［15]

表4 专家对38个风险因子的评分

采用变异系数法确定指标权重.先假设有m个专家构成专家组，每个专家负责评价n个指标，则可构成m×n阶的评价指标矩阵X=(Xji)m×n，其中Xji为第j个专家对第i项评价指标的评分.首先，计算第i项评价指标的均值为

其次，计算第i项指标的方差为

再次，计算第i项评价指标的变异系数为

最后，对各指标进行归一化处理，计算第i项评价指标的权重为

以评价体系中人的风险因素为例进行实例分析，运行Vensim软件中人的风险因素原因树，建立专家风险因素评分体系，见图 3.根据 S1，…，S30等30 名专家对 G1，H2，H4和S1的打分，建立30×4阶评价矩阵为

图3 人的风险因素原因树

根据式(1)～(4)计算得各项指标权重(wG1，wH2，wH4，wS1)=(w11，w12，w13，w14)=(0.327，0.426，0.128，0.119)，以此类推，计算各级权重.

3.3 模型模拟与分析

为比较和探讨在不同的管理政策下危险货物运输事故的变化趋势，结合本模型的结构特点，设置参数的初始值与变量之间的函数关系，随后模拟2001—2012年12年的危险货物运输事故的变化趋势.下文中用 1，2，…，12分别代表 2001年，2002年，…，2012 年.

3.3.1 方案 1

采用当前事故数量曲线描述现有管理政策下危险货物运输事故数量在12年中的变化.图4中4个子图模拟的是12年中危险货物运输事故数量在不同管理政策下的变化趋势.如船员的心理素质经专家打分确定其初始值为0.8，通过加大教育培训力度等措施提高船员综合素质，可以使人的风险值随着时间的推移而降低.同样可采取一些措施使设备风险值、环境风险值和货物风险值降低.表5为心理素质风险值与时间的表函数.

图4 各风险值的降低对危险货物运输事故数量的影响

表5 心理素质风险值与时间的表函数

3.3.2 方案 2

在方案1的前提下完善管理政策，同时分别降低人、设备、环境和货物因素的风险值，对各因素中可调节边界风险因素的风险值进行调节，模拟对事故数量波动影响最大的风险因素.模拟结果见图5.由图5可知，人的风险因素对运输事故数量的影响最大，其次是货物风险因素，最后是环境风险因素和设备风险因素.

图5 风险值的降低对运输事故数量的影响

3.4 对策建议

政府与相关部门协调完善危险货物运输的安全监督管理制度，使海事、航运、港口等相关部门严格按照申报要求申报，严禁瞒报、谎报.［16]对违规违法运输行为给予严厉处罚，同时大力宣传危险货物安全运输的重要性;加大安全投入，尤其是船员教育培训的投入，以提高船员综合素质，特别是提高船员心理素质和应急能力，从而使船员在事故发生时能及时采取有效措施减少人员伤亡、财产损失和环境污染;培养船员责任心，提高安全意识，这是保证危险货物安全运输和设备规范使用与维护的有效途径.

4 结束语

采用SD模型对危险货物运输风险因素之间的相互影响关系和风险动态特性进行模拟.针对水上危险货物运输风险成因的复杂性、动态性，通过分析人、设备、环境、货物、管理等5个方面的风险因素，并结合我国水上危险货物运输管理的现状，建立水上危险货物运输SD模型.通过收集资料和历史数据确立参数变量和参数方程，应用Vensim软件对现有管理政策进行动态仿真，模拟不同管理政策下单一风险因素值的改变对降低危险货物运输事故风险的影响.结果显示，人、设备、环境和管理的风险值的降低都能降低危险货物运输风险，其中，人的风险值对危险货物运输事故的影响程度最大，这说明人的安全管理政策较其他安全管理制度更加重要.

采用SD模型分析的优点:可描述影响因素之间相互影响关系;可实现对风险的动态描述，弥补静态评估不能描述风险动态特性的不足.由于本文案例数据的限制，不管是指标体系的建立还是模拟结果的精确性都有进一步提升的空间.今后的研究需进一步收集数据，根据不同管理决策对参数进行调整，对管理决策的实施效果进行模拟.

［1]邱文昌，施纪昌.海上货物运输［M].北京:人民交通出版社，2005:82-100.

［2]缪克银.基于灰色理论的危险货物运输风险研究［J].物流技术，2012，31(6):66-68，82.

［3]张树奎，鲁子爱.基于AHP的港口安全风险模糊评判方法［J].江苏科技大学学报:自然科学版，2011，25(1):14-16，59.

［4]缪克银.危险货物海上安全运输风险模糊评判［J].中国航海，2012，35(4):76-79.

［5]刘业娇，曹庆贵，王文才，等.煤矿安全管理的系统动力学模型［J].煤炭工程，2011(8):126-127，130.

［6]缪克银.危险货物运输安全策略的分析与研究［J].中国安全生产科学技术，2011，7(12):103-107.

［7]李伟，胡甚平，尤庆华，等.港口水域通航风险评价的未确知测度模型［J].上海海事大学学报，2009，30(3):13-17，21.

［8]赵素平，江福才.江阴港危险货物运输安全性分析［J].中国化工贸易，2012，4(3):252-253.

［9]席永涛，胡甚平.海运人因可靠性分析中行为形成因子模型［J].中国航海，2012，35(1):66-70.

［10]何刚，张国枢，陈清华，等.煤矿安全生产中人的行为影响因子系统动力学(SD)仿真分析［J].中国安全科学学报，2008，18(9):43-47.

［11]刘堂卿.空中交通管制安全风险耦合机理研究［D].武汉:武汉理工大学，2011.

［12]陈勇，胡甚平，轩少永，等.航运公司安全管理有效性组合赋权评价模型［J].中国安全科学学报，2012，22(8):78-84.

［13]ZHANG Jianghua，ZHAO Laijun.Risk analysis of dangerous chemicals transportation，systems engineering［J].Theory ＆ Practice，2007，27(12):117-122.

［14]唐丽敏，唐磊，于越，等.道路危险货物运输的系统动力学模型［J].上海海事大学学报，2011，32(2):61-66，71.

［15]胡甚平.海上交通系统风险蒙特卡洛仿真［J].上海海事大学学报，2011，32(4):7-11，16.

［16]沈欣中.危险货物集装箱的积载与管理［J].航海技术，2007(5):26-27.