基于多评价方法的港口危险货物集装箱堆场动态风险评估

何淼 李亚军 唐荣坚 杨寒冰

摘 要：在我国石油、化工、新能源等产业高速发展的背景下，港口危险货物集装箱堆场的重要性不言而喻。但由于其流动性大、货种繁多的特性，难以实现具有针对性的动态风险评估。本研究综合评比多种风险评估方法，选用AHP、灰色系统理论和模糊综合评价方法构建了针对危货集装箱堆场的动态风险评估模型。结合堆场实际环境参数监测设备，搭建完成港口危险货物集装箱堆场动态风险信息化系统，在一定程度上为危货集装箱堆场的长效安全管理提供有力支撑。

关键词：危险货物;AHP;灰色系统理论;信息化系统

中图分类号：698             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）06-0029-05

近年来，在我国经济高速发展的背景下，石油、化工、新能源等产业规模不断扩张，危险货物在交通运输体系研究中也备受关注。于港口而言，集装箱运输是水运中最主要的运输方式之一，集装箱堆场涉及到的作业形式、机械设备和堆放货种繁复多样，且鉴于堆场实时变化的动态特性，实现对于港口危险货物集装箱堆场风险的动态评估极为困难。

在此之前，诸多学者已经开展了港口危险货物集装箱动态风险评估的相关研究。早在1995年，Rao等[1]从港口危险品入手，通过原因-后果分析，确定与危险货物可能引发的事故，从而提出危险控制建议。Trbojevic[2]等在风险辨识和定量评估的基础上构建安全屏障，并将其集成于安全管理系统中（SMS）。Greenberg[3]提出了想要实现港口安全的三个步骤，并以此对实际场景开展风险评估，进而提出建议。

在90年代末期，危化品港口的风险也在国内引起了广泛的重视，柴田[4]和林观炎[5]等人面向危化品码头，进行风险辨识、定量风险评估、风险分级，最终提出降低和控制风险的办法。曹鑫[6]将油码头作为研究对象，构建出了安全评价指标体系。王纪东[7]通过对码头设施及码头事故案例的分析，从人-机-管理的角度，对码头危化品的安全风险因素进行了分析，并针针对性地选择16个评价指标构建风险评价体系。

在港口的风险评估方法上，陈虹[8]使用了ANP方法和灰色综合评价方法对危险品码头的风险开展了综合评价。黄剑明[9]以宁波港区化学品码头的环境风险为对象，使用AHP和模糊综合评价方法进行研究。吴伟龙[10]系统研究了港口危险货物的致险源和影响因素，在指标评价体系的基础上，使用层次分析法量化评价危险货物应急方案。

1 风险评估方法

当前针对危险货物集装箱堆场的风险评估方法繁复多样，总体上可划分为定性评估方法、半定量评估方法和定量评估方法。当下面向港口危险货物集装箱堆场的风险评估仍多以定性或半定量的评估方法为主，其中定性评估方法主要是对评估对象进行系统、全面的分析，根据分析结果对事件的危险性做出大致的评价。半定量评估方法则将评估对象的危险状况表示为某种数值形式，以数值的差异划分和确定各个危险事件的风险等级。半定量方法相对于定性评估有着更具象化的表征，其可以得到风险事件的发生频率和后果。

在本研究中，为了综合结果的准确性和现场的可操作性，使用了多种定量（半定量）评估和定性评估相结合的方式。

研究模型选擇在层次分析方法的基础上，结合港口危险货物集装箱多层次、多因素及动态风险评估要求的特征，将灰色系统理论和模糊数学的计算方法融入，构建出完整的动态风险评估模型。该方法是在风险管控清单的基础上，以专家打分表收集到的数据为依据，从“人-物-环-管”四个角度出发，确立各个风险事件的发生概率和事故后果的严重程度，进而计算出堆场的风险等级大小。通过在模型中加入实时的动态数据接口，完成对堆场风险的全时段监控，以满足动态风险评估的要求。

2 动态评估模型

2.1模型整体结构

模型整体考虑将堆场风险（D）归因为风险事件发生的可能性（L）和后果严重程度（C）的乘积。

风险事件发生的可能性划分为四个方面，分别为管理因素、人的因素、物的因素和环境因素，每个致险因素细分为各个二级指标，如表 1所示。

根据到为危险货物集装箱堆场可能存在的实际动态数据接口，将可能性参数的主体构架分为两个方面，涉及到动态指标的物的因素和环境因素为可能性参数提供主要的计算依据，管理因素和人的因素在专家打分和权重计算后为可能性参数提供调整系数。可能性参数的结构组成如下所示：

其中，χL，M和χL，P分别表示管理因素和人的因素的可能性调整参数，LW和LE分别表示物的因素和环境因素的可能性取值，wW'和wE'分别表示物的因素和环境因素的权重，计算方法将结合评价指标体系和专家打分结果，综合层次分析法和灰色系统理论共同计算。

后果严重度计算主要参考两方面因素，分别对应港口重大危险源与可能的事故后果，总体计算方式如下式所示。

其中，港口重大危险源主要由港口中危险货物的存量计算，引入动态接口数据后，实时测算堆场的R值，进而确定港口重大危险源等级对应的后果严重程度。而在堆场事故后果评估中，主要参考堆场可能的人员、财产、敏感目标、环境污染和社会影响度等参量，采用线性内插的方法实时计算港口危险货物集装箱堆场可能的后果严重程度。

2.2动态指标参数

对于港口危险货物集装箱堆场事故发生可能性的一级指标和二级指标分别构成了指标体系中的准则层和方案层，如表 2所示。

以U为最终目的，以U1、U2、U3....Uk为准则层，U11、U12、U13...，U21、U22、U23......，Uij.为方案层，根据准则层、方案层一一构成秩为i/j的准则层比较矩阵和方案层比较矩阵。

同理，再根据每个一级指标（准则层）下，二级指标的个数n，分别构建方案层的比较矩阵A（M， P， W， E）=（aij）n×n。准则层和方案层比较矩阵中的aij均按表 3中的说明对标度进行赋值。

准则层、方案层构造的矩阵均如下形式：

若式比较矩阵是完全一致矩阵，则有aij? ajk = aik。但实际上在构造成对比较矩阵时要求满足上述众多等式是不可能的。因此，可以允许成对比较矩阵存在一定程度的不一致性，对完全一致的成对比较矩阵，其绝对值最大的特征值等于该矩阵的维数。对成对比较矩阵的一致性要求，要求矩阵最大的特征值和该矩阵的维数相差不大。检验成对比较矩阵一致性的步骤如下：

计算比较矩阵不一致程度的指标CI

由于aij取值满足表 3，由下表取平均随机一致性指标RI，该值只与矩阵阶数 n有关。

w1， w2， w3 ... w11， w12， w13， ...即准则层、方案层的权重值，由此可以计算出物的因素和环境因素的权重，及其各自下级指标的权重值。结合专家打分结果，按照最大值的方式分别计算各个二级指标的可能性取值，将可能性取值与权重加权累计可以计算出动态指标参数取值，如下式所示。

2.3调整参数

对于调整参数的计算，主要考虑使用灰色系统理论进行计算。对于管理因素和人的因素的基础指标，其可能性取值区间为[0，10]，同级指标中的权重通过在区间[0，1]上赋值，各三级指标的权重和影响因素均由专家打分决定，根据n个专家的打分情况，通过对各个专家赋分求平均值的方式确定各三级因素的权重：

式中m1、m2、m3、m4、m5分别对应各个三级指标的专家权重赋值，由此可以得到n个专家打出的影响因数矩阵：

参考测度理论，各二级因素取值可分为5个等级。将每个等级取值为该区间的平均值，即W=（9.5，7.5，4.5，2，0.5）。

将专家打分样本评价矩阵按照灰色系统理论的计算模式进行处理。定义K类的白化函数fk，样本di在k类白化函数上的白化值为fk （di）。本研究中fk一共设计了5类白化函数，yk为fk的值，x为样本值，白化函数分别表示为：

随后，以专家样本评价矩阵为基础，分析评价指标M1，得出该指标在各评价标准下的灰统计值。如下：

同理可以计算得到M2、M3、M4、M5、…的白化函数统計值nij（其中i=2，3，4，5;j=1，2，3，4，5），确定出整体的灰类统计函数nM2、nM3、nM4、nM5。

在此基础上，确定灰类评估矩阵和权重矩阵，先计算评估指标M1中每种灰类统计值的权重：

同理可计算出M2、M3、M4、M5的中每种灰类统计值的权重vij （其中i=2，3，4，5;j=1，2，3，4，5）。从而得到致险因素M1的模糊评价矩阵：

对于致险因素M进行模糊计算：

将计算结果中与风险等级对比，按照最大隶属度原则确定为M可能性指标的取值WM。根据上述计算方法，可分别计算出其余各个二级指标的可能性参数取值，并将计算结果对照表即可得到风险发生等级。

因此，通过灰色系统理论计算出的风险可能性计算值，可以分别得到管理因素和人的因素的风险值。随后，将各个区段的可能性与系数取值范围形成一一映射，采用线性内插的方式引入[0.8， 1.2]的取值区间中，确定管理因素和人的因素的对应的调整参数，即为χL，M和χL，P的取值。

2.4后果严重度计算方法

港口危险货物集装箱堆场事故后果严重程度的计算主要参考两个方面：集装箱区的重大危险源等级和可能的事故后果。针对重大危险源等级R值的计算方法，见下式。

其中，q1、q2…qn 表征每种设计最大存储量（单位：吨），Q1、Q2…Qn 表示与各危险货物相对应的临界量（单位：吨），β1、β2…βn为各危险货物相对应的校正系数，具体取值根据单元内危险货物种类不同分别设定，α为该重大危险源库区外暴露人员的校正系数。因此，港口重大危险源等级对应的后果影响因素，通过多段函数形式引入后果严重度计算。

根据严重度指标体系，对于可能的事故后果主要从人员、财产、敏感目标、环境影响和社会关注度五个方面考虑。

对于堆场后果严重度影响最大的指标为评价单元内的人员数量，由于该研究主要面向火灾爆炸事故，鉴于其本身所具备的瞬时性和多米诺效应，极易造成群死群伤事故。参考事故等级划分标准，将评价单元内人员数量与后果严重程度取值（CP）构建多段函数，函数计算结果为后果严重程度值。

3 信息化系统

以港口危险货物集装箱堆场风险评估模型为基础，结合堆场生产现状及相关的管理系统，搭建面向危险货物集装箱堆场的动态风险评估信息化系统。该信息化系统实现了从风险事件探测、预警、报警的全过程覆盖，在达到一定风险等级时，会在系统首页实现弹窗预警。系统页面显示和交互部分基本实现预期功能设计，系统主页面实现了可调整、移动的页面分类型（窗口）展示、集装箱堆场模型及平面图、数据选择性展示、窗口报表轮播以及控制措施显示功能。

此外，该系统主要涵盖了风险评估、监控平台、预警报警、堆场管控和堆场基础信息管理等模块。其中风险评估模块依托于前文所构建的危险货物堆场动态风险评估模型，结合堆场可监测的动态数据端口，实时计算危险货物堆场的动态风险值。

为进一步提升信息化系统的可推广性，在风险评估模块中额外添加了模块编辑功能，集成了动态数据接口开关功能，以方便其与动态数据的函数衔接，如图 2所示。

如图 3所示，在针对具体指标进行模块编辑时，主要可编辑菜单包括指标名称、指标位置、是否涉及动态数据及指标的具体描述。如该指标涉及动态数据，可在动态函数编辑模块中设计函数实现不同数据类型的转换。

至此信息化系统构建基本完成。随后将信息化系统与堆场实际使用的环境监控系统和生产管理系统进一步对接，实现系统应用。

4 结论

本研究针对港口危险货物集装箱堆场的动态风险，综合多种风险评估方法，构建动态风险评估模型，并在此基础上开发针对港口危险货物集装箱堆场的信息化系统，本研究主要结论如下：

（1）综合评比多种风险评估方法，从适用性的角度对层次分析法、灰色系统理论、模糊综合评价法等多个评价方法分析比较，根据港口危险货物集装箱多层次、多因素及动态风险评估要求的特征，确定动态风险模型计算方法。

（2）动态风险评估模型整体结构采用DLC方法，针对风险事件发生的可能性从管理、人、物、环境等多个因素，展开分析和计算，使用层次分析法灰色系统理论，综合计算事故发生的可能性。

（3）港口危险货物集装箱堆场事故后果严重程度的计算主要参考集装箱区的重大危险源等级和可能的事故后果。对于可能的事故后果主要从人员、财产等方面综合考虑。

（4）信息化系统的搭建，系统主要涵盖了风险评估、监控平台、预警报警、堆场管控和堆场基础信息管理等模块，结合堆场可监测的动态数据端口，可实时计算危险货物堆场的动态风险值。

参考文献：

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