基于集對分析的PX 項目海域污染風險評估模型

李紹平，黃加亮，，謝敢，黃朝霞

(集美大學a.海事管理與海事法律科學研究中心;b.輪機工程學院;c.理學院，福建 廈門 361021)

0 引言

PX 項目，指的是二甲苯化工項目.PX 能與乙醇、乙醚、丙酮等有機溶劑混溶.外觀與性狀為無色透明液體，可燃、有毒、有刺激性、具有芳香氣味，對眼及上呼吸道有刺激作用，高濃度時，對中樞系統有麻醉作用，吸入較高濃度的二甲苯可能出現急性中毒;并可使胎兒畸形，對人和環境影響非常大.據不完全統計，國內目前已建成的PX 項目有10 余家，主要分布于經濟發達的沿海地區.抗風險的安全距離并非決定性的關鍵因素，PX 原材料運輸與原料、產品在港口泊位上的輸入輸出所導致的污染風險很難預料.

為研究綜合安全評估法在船舶安全規則制定中的應用，文獻［1］借鑒核工業、化工及海上石油開發等行業在風險管理方面的經驗，尋找出適用于控制船舶運輸風險管理的捷徑.文獻［2］針對港口水域交通環境風險評估過程中信息的不確定性、多樣性及評估指標客觀權重難以確定的問題，引入信息熵權法，獲得各種不確定信息熵的客觀權重，建立基于熵權證據推理的評估模型.文獻［3］以不同港口水域風險評價方法的評價結果為基礎，分析港口航行風險評價方法的一致性，建立國際海事組織(IMO)推薦的一致性分析模型，得出影響因素之間的關聯和評價方法的一致性程度.為給液化天然氣(LNG)船舶進出港組織方案選擇提供決策依據，將多目標格序決策理論運用到組織方案評價比選中.而應用計算機軟件程序動態監控船舶對海洋的污染及消除風險測試評估的研究較為罕見，尤其是對PX 項目中載有原料、產品的船舶的航行管理——船舶動態監控，國內目前的應用研究幾乎是空白，大多是在管理學范疇內進行風險評估的理論綜述.集對分析(Set-Pair Analysis，SPA)是我國學者趙克勤于1989年基于對立統一觀點提出的，這種新的不確定性分析方法，能從整體和局部剖析研究系統的內在關系，目前已被廣泛應用于現代科學管理、決策分析以及安全評估等許多方面.［2］本文用SPA 建立一個PX項目對海域污染風險的評估模型，運用通信與控制工程的理論及數學模型，將運輸PX 原料與產品的船舶污染風險的關系有機結合，進行動態分析和預測.確立數學模型以及由它派生出的修正公式，結合福建古雷半島臺灣海峽海域的船舶運輸PX 原料和產品的情況，對船舶的運輸污染防范進行定量關系研究，為全國的PX 原料和產品的航運風險進行動態分析及預測，提供理論依據和借鑒.

1 SPA 原理［4-5］

SPA 的基本思想是將客觀事物的確定性與不確定性作為一個確定不確定系統，從同、異、反三方面研究系統的不確定性.其基本概念是集對和聯系度.集對是由具有一定聯系的集合A和集合B 組成的對子H(A，B).稱2個集合對其共有屬性的相同、相異、相反程度為聯系度.SPA 就是研究這2個集合的聯系度.聯系度的一般形式是:

式中:μ表示聯系度，N表示集合(A，B)具有的特征總數;S表示集合(A，B)中共同具有的特征個數;P表示集合(A，B)中相互對立的特征個數;F表示集合(A，B)中既不共同具有，也不相互對立的特征個數.其中a=S/N，b=F/N，c=P/N，a表示2個集合的同一程度，稱為同一度;b表示2個集合的差異程度，稱為差異度;c表示2個集合的對立程度，稱為對立度，且有a+b+c=1.i為差異度因數，在［-1，1］中取值，j為對立度因數，運算時恒取-1，當i，j不取特定值時即退化為差異度和對立度的符號標志.

上述是常用的三元聯系度，可以根據式(1)作進一步擴展，即可得到多元聯系度:

式中:b1，b2，…，bk為差異度分量，可用來反映指標的不同差異程度;i1，i2，…，ik為差異不確定分量因數，且有a+b1+b2+…+bk+c=1.

2 PX 項目對海域污染風險的SPA 綜合評估模型

PX 項目中涉及的海上運輸十分復雜，影響PX項目對海域污染風險的因素很多，具有不確定性.本文將這些風險因素作為評估指標，并與評估標準作為兩個集合構成一個集對，在此基礎上建立PX 項目對海域污染風險的評估模型.

2.1 PX 項目對海域污染風險的評估標準

假設選擇m 種因素指標，將風險評估分為k個等級［6］，文中k 取5.將PX 項目對海域污染風險的評估樣本某指標值xl(l=1，2，…，m)看成一個集合Al，把評估標準看成另一個集合Bk(k=1，2，…，5)，則它們可構成一個集對H(Al，Bk).用5 元聯系度μl來描述它們之間的關系:

考慮到各因素指標對海域污染風險的影響程度不同，式(3)可定義為

則集合A 屬于t 級［7］.

2.2 聯系度的計算

根據上文，PX 項目對海域污染風險的評估標準分為5 級，當評估指標為越大越優型時，評估樣本指標值xl(l=1，2，…，m)與評估指標標準的聯系度

當評估指標為越小越優型時，評價樣本指標值xl(l=1，2，…，m)與評價指標標準的聯系度

式中:s1，s2，s3，s4，s5分別為評估標準I，II，III，IV和V 級的標準值.xl(l=1，2，…，m)表示評估指標統計值.

3 實例分析

以運輸PX 項目原料、產品的某散裝化學品船為例，進行分析.該船于1997 年1 月建成，總載質量為11 600 t，船長117 m，船型寬20 m，船型深11.2 m.船體結構狀況良好，船舶設備狀況一般，船舶設備維護、保養良好，公司預防性維修次數少，但船公司對安全管理比較重視，定期組織船員進行教育培訓、防污染演習.古雷半島周邊海域船舶交通管理系統比較完善，通航水域寬闊，過往船只較多，氣象海況條件良好，多云，東北風7 級，中到大浪，能見度約5 n mile，海流流向030，流速0.8 kn.

3.1 PX 項目對海域污染風險評估指標體系的建立

PX 項目中涉及的海上運輸十分復雜，影響PX項目對海域污染風險的因素眾多，提取影響PX 項目對海域污染風險的主要因素(即評估指標)，從船舶、船員、外部環境和管理這4個因素出發，將評估指標劃分為4個一級指標和15個二級指標，并建立相應的指標體系，見圖1.

圖1 PX 項目對海域污染風險的評估指標體系

3.2 權重的分配

文獻［8］運用熵值法計算指標權重，結合LNG船舶操縱特點，構建針對方案安全性、經濟性、可操作性等管理因素的LNG 船舶進出港組織方案比選的評價指標體系.文獻［9］應用模糊變權法對船舶綜合安全進行評估，權重與因素的單因素評估值相關聯，突出不完善因素.文獻［10］利用熵得到多指標決策問題指標的客觀權重，再將其與層次分析法中準則層指標的主觀權重相結合，得到熵權，作為在組合權重計算中的準則層權重.權重是衡量指標體系中某一具體指標對海域污染風險等級影響程度相對大小的量，權重越大，意味著該因素對海運安全的影響越大，反之則小.為了客觀給出權值因數，可以采用兩階段法確定權重:第1 階段請專家學者對評價指標的重要性進行排序;第2 階段建立模糊標度二元對比有序矩陣，在此基礎上進行歸一化處理，即得指標權重因數.本文所確定的各個因素權重見圖1.

3.3 指標等級標準劃分

將PX 項目對海域污染風險評估標準分為5個等級，用I，II，III，IV和V表示，分別代表風險評估等級:很安全，安全，一般，不安全和很不安全.定量指標按行業標準給出相應安全等級的標準值，非定量指標按滿分100 分，給出相應安全等級的標準值，評估指標的標準值見表1.

表1 分級標準

3.4 計算聯系度

根據評估標準，對某化學品船進行打分，其中定量指標根據實際值給出，非定量指標由3 位評估專家按滿分100 分，根據分級標準對該船評估指標進行打分，將所得數據采用德爾菲法處理后，列出各二級指標的統計值，見表2.

由表2可知，船型固有危險度的指標統計值為0.35，根據式(7)得其與評估標準的聯系度

同理可得，船舶設備故障率狀況與評估標準的聯系度

船舶設備保養狀況與評估標準的聯系度

預防維修狀況與評估標準的聯系度

船型固有危險度、船舶設備故障率、船舶設備保養狀況與預防維修狀況在船舶因素中占的權重分別為0.15，0.30，0.30，0.25，根據μ11，μ12，μ13，μ14，由式(4)得船舶因素與評估標準的聯系度

表2 二級指標的指標統計值

同理可得，船員因素與評估標準的聯系度

環境因素與評估標準的聯系度

船舶公司安全管理與評估標準的聯系度

由μ1，μ2，μ3，μ4，根據式(4)得該船PX 項目海運安全風險評估指標與評估標準的聯系度

根據式(5)，取R1=0.399 25，R2=0.434 50，R3=0.128 75，R4=0.037 50，R5=0，由最大平均聯系度準則得R2最大，可知該船對海域污染風險的評估屬于II 級，為“安全”.而在實際情況中，通過監控該化學品船的航行狀態，發現該船運行良好、航行安全，說明所建立的風險評估模型是可信、合理的.根據式(5)可知，該船與“很安全”等級的聯系度為0.399 25，與“一般”等級的聯系度為0.128 75，與“不安全”等級的聯系度為0.037 50，模型所得結論不僅能得到評估結果，也在一定程度上反映出該船安全風險的趨勢，為防范事故、查找安全漏洞提供一定的依據.

4 結束語

基于集對分析的PX 項目對海域風險評估分析方法原理直觀，計算公式和步驟簡便，結果合理、客觀，具有很好的應用價值.PX 項目涉及的船舶運輸十分復雜，影響其海域污染風險的因素諸多，本文主要分析船舶、船員、環境、管理這4 大因素對海域污染所造成的影響，運用集對分析理論，以某運輸PX項目中原料和產品的船舶為實例，結合專家的觀點和數據，對其進行海域污染風險的評估，最終評估結果表明此方法可行、切合實際情況，從而為PX 項目對海域污染風險的綜合評判提供一個新的科學評估方法和手段，為下一步進行PX 項目對海域污染風險評估測試預警系統提供一個可行的模型.

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