基于灰色网络分析法的海上浮动核电站项目风险评价研究

邹树梁，姜 艳，黄 燕

(南华大学 核设施应急安全技术与装备湖南省重点实验室，湖南 衡阳 421001)

海上浮动核电站是船舶工程和核工程有机结合的产物，指在海洋浮动平台上安装核电装置和发电装置。因其机动性，它可以灵活地部署在不同的海域并实现能源供应[1-2]。同时，它还可以利用核能实现供电、供热、海水淡化等功能，有利于海洋油气与矿藏资源的开发，可为沿海地区实现应急供电，方便了偏远岛礁军民的生产和生活[3]。俄罗斯国家原子能公司声称，由俄罗斯自主建造的世界上第一座海上浮动核电站“罗蒙诺索夫院士”(Ukademik Lomonosov)号，于2020年5月22日在俄罗斯远东地区楚科奇自治区佩维克市正式投入商业运营[4]。目前，国内海上浮动核电站项目、小型核反应堆等的研发已成为各核电企业的热点，我国浮动式核电站正处于初始建设阶段[5]。值得注意的是，积极发展海上浮动核电站对于维护我国的海洋权益、实现海洋强国梦具有重大和深远的战略意义。

海上浮动核电站由于其搭载平台的特殊性，加之作业所面临的特殊海洋环境，其项目建设过程中所面临的风险具有诱发事故因素多、事故突发性强、发展进程快、影响范围广等特征，因为建设过程中面临的风险较陆上核电站大有不同，所以更易发生核事故。目前，国内外虽然对海上浮动核电站的事故特点、类型、预防有一定的研究，但是鲜见对项目所面临的风险与不确定性进行系统的评价与分析[6-9]。充分认识浮动核电站项目在建设过程中所存在的各方面风险，通过适宜的方法对风险进行评价，制定相应可行的风险控制与规避政策，对项目的建设以及后续成功运营具有重要的意义。

现有的项目评价风险方法主要集中于：事故树法、层析分析法(AHP)与模糊综合评价法、模糊多准则决策法(VIKOR)等[10-12]。由于浮动核电站项目的风险评价经验较少，以往的风险评价方法要考虑定性风险因素与定量分析的问题而不能很好地处理匮乏信息状态下各元素之间非独立情况。基于此，本文提出灰色网络分析法(G-ANP)，在利用网络分析法确定各项风险指标权重的基础上，引入灰色系统学理论，这可以弱化评价过程中的主观性，提高评价结果的科学准确性，最后结合实例验证该方法的有效性。

一 灰色网络分析法(G-ANP)基本原理

灰色网络分析法是将网络分析法(ANP)与灰色系统理论进行有机结合，以此建立风险评价模型的方法。

网络分析法是对层次分析法(AHP)的延续与发展，1996年T.L.Satty教授首次系统地对网络分析法的理论与方法进行了介绍[13]。与传统的层次分析法相比，网络分析方法引入了超级矩阵算法，并率先考虑了不同元素组和元素之间的互相依赖性和互相支配性，克服了层次分析法的应用缺陷。层次分析法面对的是独立的递阶层次结构，假设每个元素组和每个元素互相独立且不相关，限制了其在处理复杂决策问题中的应用。网络分析法将系统元素划分为两个部分，第一部分是控制因素层，第二部分为网络层。控制因素层包含用于解决问题的目标与决策准则，并且认为所有的决策准则彼此独立，且仅由目标元素控制。控制因素层中不一定具有决策准则，但它至少要有一个目标。控制层中每个决策准则的权重可以通过层次分析法进行计算获得。网络层是由控制层元素控制的元素组成，其内部是互相影响的网络结构，网络层之间没有从属关系[14]。典型的ANP结构如图1所示。

灰色系统理论属于系统理论的范畴，灰色是指信息不完整，灰色系统是指信息不完整的系统[15]。定量与定性的结合能够运用到信息不足并且难以量化和难以统计的大型项目的实际问题解决当中，它可以弱化专家评估的主观性，在风险评价与分析中具有一定的客观性。

因此，本文以海上浮动核电站为背景，提出基于G-ANP方法的海上浮动核电站建设项目风险评价方法，并通过某一实例来说明该方法的有效性。

二 设置海上浮动核电站建设项目的风险评价指标体系

海上浮动核电站建设项目风险评价过程复杂，各种风险因素之间互相影响。为了开展核安全风险评价并确保评价结果的科学性、准确性和客观性，首要任务就是建立科学合适的核安全风险评价指标体系。根据风险来源，通过阅读大量相关文献并结合风险评价原则，将技术风险U1、经济风险U2、自然环境风险U3、社会环境风险U4、管理风险U5和系泊安保风险U6作为6个1级指标。对10名具有5年以上核安全风险评价经验的专家进行调查并分析相关案例资料，并根据6个1级指标遴选出21个2级指标，构建出海上浮动核电站建设项目在可行性研究阶段风险评价的指标体系，如图2所示。

1.技术风险

技术风险是指由于技术上的不足或滞后以及未能科学合理地设计项目等原因导致项目不能按预期目标实现的可能性。船舶核动力技术经过多年发展，核心技术大都趋向成熟，对于拥有核动力潜艇或核动力舰船的国家来说，在发展浮动核电站方面不存在大的技术障碍[16]，但是要注重现有技术被新技术替代所带来的风险。目前主要的技术风险集中于项目设计的风险，设计的时效性和安全合理性对载体平台的性能及安全性至关重要。施工质量和设备的制造维护也会对整个工程的建设工期和整体投资费用产生影响。所以，浮动核电站在实际应用与推广过程中，技术风险主要集中于技术的先进性、项目设计的合理准确性、施工质量和设备采购与维护。技术的先进性制约着整个项目方案的可操作性。项目设计的合理准确性是后期项目管理的依据，对项目实际的管理效果起着直接影响。如果出现施工质量不合格，则会直接制约着项目的进程。如果采购的设备材料不符合项目要求或者设备的维护不能及时跟上项目进度，就会产生设备采购与维护风险。

2.经济风险

经济风险主要涉及市场竞争风险、投融资风险和盈利能力风险等方面。市场竞争风险就是指海上浮动核电站必须与市场上的其他发电方式的电站进行竞争而产生的风险。由于我国目前核能发电尚处于前期发展阶段，在市场竞争中处于备选位置，怎样在目前以火力发电为主、发电方式多样化的中国发电市场中占据优势是海上浮动核电站所面临的一大难题。盈利能力风险的存在是由于海上浮动核电站作为新能源供电行业，商业模式尚不够成熟，当前的浮动核电站项目是采取政府的补贴来维持的，因此存在盈利能力风险。海上浮动核电站作为新兴的大型项目，具有资金投入多、投入持续时间长等特点。如若出现资金短缺和投融资不合理等现象，将会对项目进程产生不利的影响。利率和汇率的波动，也会对项目后期的贷款偿还能力和收益的确定性造成一定的影响。

3.自然环境风险

因为海上浮动核电站多采用小型核反应堆，系泊海洋，远离陆地，所以海啸与地震对海上浮动核电站的影响不大。但是需要注意其作业的极端海洋环境(如台风、冰等)。海上浮动核电站远离陆地，无须考虑地质地况、人口分布等因素，所以地理选址余地大，灵活机动性较强。但相对于陆地核电站来说，在处理放射性泄漏物质方面，海上浮动核电站面临着更大的生态保护挑战。

4.社会环境风险

社会环境风险与自然环境风险相对应。由于这类风险的不可预见性和社会舆论的不确定性，给项目的确立以及后续项目的发展建设带来诸多不确定性因素。在我国，海上浮动核电站的建设大多是社会效益大于经济效益。因此海上浮动核电站项目在建设过程中，离不开国家调控和政府的扶持与协调。其中战争、动乱、国际关系紧张等都会影响着浮动核电站的建设进程。由于之前核泄漏事件给社会各界造成恐慌，公众的态度与支持也成为社会因素之一。随着我国海上浮动核电站自主研发工作的稳步开展，与其有关的核安全法律和政策标准成为了亟须解决的重要课题。

5.管理风险

管理风险是指由海上浮动核电站项目的完备性、设立核安全监督机构、项目合同风险、核安全人员的培训和安全问题等所引起的不确定性因素。因为海上浮动核电站建设项目工期长、投资与工程规模大，而且需与船舶系统接轨，所以需要各个部门和项目之间的系统协作。为了保证海上浮动核电站项目的顺利进行，有必要设置独立的核安全监管机构对项目的建设实施全面的监管。除此之外，对核安全人员进行技能培训和保证他们的安全问题，也会影响项目的顺利进行。

6.系泊安保风险

因为我国浮动式核电站主要考虑为中远海供电，所以多系泊在深水海域。浮动式核电站项目从建设到后期的运营，都要在海上运输及系泊，深海供电作业必须保障海上运输安全。此外，还需考虑一些外部事件对浮动核电站建设项目的影响，比如碰撞、搁浅、空中大体积物体坠落以及外部蓄意破坏事件等所带来的不可抗力风险。

三 基于G-ANP方法的海上浮动核电站风险评价过程

(一)设置评价指标集合及评价等级准则

根据上文构建的海上浮动核电站建设项目风险评价指标体系，我们可以确定风险评价指标集U={U1，U2，…U6},其中U的第i个子集为Ui={Ui1,Ui2,…,Uini}，(i=1,2,…,N;N=6)。在此同时还可以确定风险的评价等级向量V=(v1,v2,…,vt)，其中t表示评价等级的个数，vt表示第t个评价级别。

(二)构建风险评价ANP模型

根据建设项目风险评价实际情况，结合图2海上浮动核电站建设项目风险评价指标体系中所设置的评价指标与评价指标集，在充分考虑各个风险评价指标相互依赖和相互作用的关系情形下，构建海上浮动核电站建设项目风险评价ANP网络层次模型图[17]，如图3所示。

(三)计算风险指标权重

1.无权重超矩阵的构建

依据1～9刻度法，采用层次分析法中两两优势度比对的方法，判断元素组中的元素，构建无权重超矩阵。以控制层中的元素Ps(s=1,2,…,m)为主准则，以网络层中的元素组Uj中的元素Ujl(l=1,2,…,nj)为次准则，nj为Uj中元素的个数。依据元素组Ui中的元素对元素Ujl的影响力度大小来进行间接的优势度对比，从而构建判断矩阵[18]，如表1所示。

表1 判断矩阵(1)

(1)

2.加权超矩阵的构建

矩阵Wij中的列向量表示元素组Ui中的元素Ui1,…,Uini对元素组Uj中的元素Uj1,…,Ujnj的影响程度排序向量，它是通过元素组Ui中每个元素以元素组Uj中一元素为次准则，进行比较判断得到判断矩阵的特征向量。如若元素组Uj中的元素不受元素组Ui中的元素影响，则Wij=0。最终可得到在准则Ps下的超级矩阵W。

(2)

由于超级矩阵W不是归一化的矩阵(其子块Wij是列归一化的子矩阵)，所以要对其进行归一化处理。在准则Ps下，将各元素组Ui(i=1,2,…N；N=6)对准则Uj的重要性进行比较，可以得到如表2的判断矩阵。

表2 判断矩阵(2)

同理可得，与准则Uj没有关系的元素组其对应的排序向量为零，并且通过上述步骤可以得到加权矩阵。

(3)

(4)

(四)构建样本评价矩阵

(5)

(p=1,2,…,m;i=1,2,…,N;l=1,2,…,ni)

(五)确定评价灰类及计算灰色评价矩阵

确定海上浮动核电站建设项目的评价灰类，就是要确定灰类等级数、灰类的灰数以及白化权函数。根据项目风险评价的实际需要，本文采用3种常用的白化权函数[19]，来确定灰色统计法中的灰色评价矩阵。

1.第一灰类，上类形态灰数，灰数⊗∈[c1，+∞]，其白化权函数定义如下：

(6)

2.第二灰类，中类形态灰数，灰数⊗∈[0，c1，2c1]，其白化权函数定义如下：

(7)

3.第三灰类，下类形态灰数，灰数⊗∈[0，c1,c2]，其白化权函数定义如下：

(8)

(9)

(10)

由公式(9)和公式(10)可以计算出灰色评价权。

(11)

zil(k)表示m位专家认为二级风险评价指标uil属于第k个灰类的强烈程度，由zil构成的灰色评价矩阵，记为Z。

(12)

其中(i=1,2,…,N;l=1,2,…,ni;k=1,2,…,k)。

(六)综合评价

1.计算二级指标风险评价向量与一级指标风险评价值

根据网络分析法求出的各项风险指标的稳定加权矩阵W*以及通过灰色统计理论计算出来的灰色评价矩阵Z，可以计算出各个二级风险评价指标的权重，该权重即各二级指标的风险评价向量，记做Bi。

(13)

利用求得的评价权重Bi，乘以风险等级向量V，可得各类因素的风险状况评价值，即一级指标的评价值：

Y=Bi·VT

(14)

这样可以了解到哪类因素风险出现的概率比较大，结合现实状况提出合理的建议和防范措施，降低海上浮动核电站建设项目的风险水平。

2.计算项目最终安全风险等级值

若对海上浮动核电站系统的风险因素进行综合评价，要通过综合评价向量B计算出来。

B=W*·Z

(15)

将综合评级向量B和风险评价等级向量V结合，得出项目最终的风险等级R，即

R=B·VT

(16)

在实际的核电站风险分析评价中，最直观的评价方法是给出最终的安全风险等级值，这里的R就是最终的等级值，它与之前给出的评价等级向量V相对照，得出项目的安全等级，从而为海上浮动核电站建设项目的安全风险决策提供科学有效的依据。

四 可行性建设评估过程

(一)风险评价网络模型的建立与各级评价指标权重的计算

根据实际情况，本文以中国核工业集团公司正在开发的ACP100S模块式小型堆为例，进行该评估过程。根据海上浮动核电站安全指标体系和以调查问卷形式搜集的原始数据，利用超级决策软件Super Decision，输入专家给出的各个判断矩阵数据，计算出极限矩阵，得到海上浮动核电站建设项目基于网络分析法的风险评价指标的权重。图4为因素间的网络结构图，图5是极限超级矩阵。

(二)确定评价灰类

根据海上浮动核电站建设项目风险的特点，将风险评价等级划分为5个类别：低风险；较低风险；一般风险；较高风险；高风险。对应的风险评价分值为V={1,3,5,7,9}。对于介于两个等级之间的风险因素，对应的风险评价分值为2,4,6,8分。邀请10位核安全评价方面的专家根据评价指标对海上浮动核电站建设项目各风险因素评分。评分结果如表3所示。

表3 风险指标评价表

根据风险评价等级，将白化权函数定义为5个，分别为f1(x),f2(x),f3(x),f4(x),f5(x)

其函数表达式如下：

根据灰色统计法的灰色评价矩阵中介绍的步骤，可以得到所有二级指标的总灰色统计数和各个指标的灰色统计数。

表4

(三)综合评述

由公式(13)可求得各个二级指标的风险评价向量：

B1=(0.0925,0.1160,0.0831,0.0210,0.0000)

B2=(0.0434,0.0434,0.0465,0.0375,0.0013)

B3=(0.0172,0.0202,0.0141,0.0011,0.0002)

B4=(0.0333,0.0387,0.0301,0.0087,0.0010)

B5=(0.1029,0.1175,0.0788,0.1096,0.0017)

B6=(0.0112,0.0135,0.0109,0.0012,0.00001)

利用公式(14)，可得各一级指标的风险状况评价值，Y=(1.003,0.6803,0.1578,0.3698,1.6319,0.1147)T。同理，由公式(15)可以求出综合评价向量B=(0.3005,0.3493，0.2635,0.1791,0.0037)。最后，再利用公式(16)进行综合运算，得到海上浮动核电站建设项目的风险综合评价值为3.9529。

根据最终风险评价值3

五 结 论

本文根据海上浮动核电站建设项目的风险特点，结合风险评价研究的经验，在此基础上建立了基于灰色网络分析法的风险评价模型。该模型一方面运用网络分析法克服了传统层次分析法的弊端，考虑各元素组和元素之间互相依赖、互相影响的关系，使得各项风险指标的权重分配得更加合理；另一方面，灰色系统理论的引入弱化了评价过程中的主观性，规避了评价过程中风险信息不对称的问题，使评估结果更加真实可靠。该模型最终可将风险评价结果转化为具体的数值，使结果更具说服力。通过实例验证了灰色网络分析法在风险评价上能够给出正确的判断，为相关项目提供了重要的风险评价参考信息，有助于决策者把握项目的风险状况，并能够根据各项风险等级值制定合理的风险预防措施。后续可以考虑将网络分析法与灰色系统理论中的其他方法相结合，优化并对比海上浮动核电站的风险评价方法。