水上危險貨物運輸管理系統動力學仿真

席永濤，陳杰，胡甚平，郭云龍，許玲

(1.上海海事大學商船學院，上海 201306;2.華東理工大學商學院，上海 200237)

0 引言

據統計，通過船舶運輸的危險貨物種類達3 000多種，占海運總量一半以上.為保障船舶運載的危險貨物安全和航運人員的人身安全，防止海洋污染，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)制定國際海運危險貨物規則(International Maritime Dangerous Goods Code，IMDG Code)，詳細說明船舶運輸危險貨物的定義、分類、包裝、檢驗及托運程序等.許多國家也以立法形式制定本國的危險貨物運輸規則.［1]由于管理、人員素質等問題，危險貨物水上運輸的安全性仍值得關注，制定系統且行之有效的管理政策應引起海事、航運、港口、環保、海洋等各有關方面的高度重視.［2]

目前，對水上危險貨物運輸風險的研究多采用定性的方法，定量研究相對較少.現有的定量研究一般應用層次分析法［3]、灰色評價法以及模糊評判法［4]建立危險貨物運輸評價模型，借助系統因素層次劃分方法，對危險貨物運輸安全進行系統的定量或半定量分析.此類研究方法多從靜態角度出發，具有一定的片面性.

危險貨物運輸安全管理是一個動態控制過程，具有動態性和非線性特點.系統動力學(System Dynamics，SD)針對這些特點，從宏觀角度出發，動態、全面地分析危險貨物運輸管理系統內部各個要素的變化規律，以及單個要素的變化對系統整體安全行為的影響和作用，以確定系統對其本身結構、環境或假設的改變會作何反應，即建立一套與真實系統相似的邏輯模式，通過運作過程了解系統行為，進而評估各種不同系統決策參數下的管理政策，再由管理者調整決策參數求得最優決策.［5]本文運用SD建模軟件Vensim，從人、設備、環境、管理、貨物等5個方面分析影響危險貨物運輸的風險因素，建立水上危險貨物運輸系統動力學模型，進而進行政策模擬［6].

1 水上危險貨物運輸系統風險

水上危險貨物運輸系統風險，指的是系統內部及與其關系密切的各種因素在特定的條件下造成不安全事件發生的可能性及造成損失的程度.水上危險貨物運輸系統包含人、設備、環境、管理、貨物等5大基本風險因素，每個風險因素又有相應的子因素.［7-8]其中:①人的風險因素包括疲勞上崗，心理素質不穩定，船員責任心差，船員安全意識低，應急能力差，相關知識缺乏等方面.［9-10]②設備風險因素主要包括船體及結構老化，設備維護不到位，設備故障等.③環境風險因素主要包括自然條件差，通航環境差.自然條件主要為能見度，風、流，溫度;通航環境包括助航標志、交通密度和航道因素.④管理風險因素除涉及人、設備、環境、貨物因素的管理外，還包括海事、航運、港口等相關部門對危險貨物運輸的監督管理，其子因素主要包括安全投入少，教育培訓力度小和安全監管制度不合理，其中安全監管制度不合理又包括貨物檢驗、申報不嚴，違法不究和部門信息化設備落后等.⑤貨物風險因素主要包括貨物監管不當，貨載、隔離不當以及貨艙環境不適等.

2 水上危險貨物運輸系統風險SD模型

危險貨物運輸事故的發生極少是由單一因素引起的，引發事故的因素之間也是相互影響、相互依賴、互為因果的.要想建立水上危險貨物運輸風險模型，首先需要明確各風險因素間的因果關系.同樣，為防止事故的發生，要同時兼管人、設備、環境、管理、貨物等5個風險因素中的子因素構成的因果回路，只有弱化或切斷某個環節才能避免風險的相互作用和影響.［11]

2.1 水上危險貨物運輸風險因果反饋模型

依據各風險因素之間的因果關系，采用SD軟件建立水上危險貨物運輸風險模型，見圖1.由于系統較為復雜，涉及的子因素繁多，下面以人的風險因素為例進行說明.(1)人的風險因素→心理素質不穩定→決策失誤→管理風險因素→設備風險因素→人的風險因素.(2)人的風險因素→心理素質不穩定→應急能力差→管理風險因素→相關知識缺乏→船舶環境不適→環境風險因素→疲勞上崗→人的風險因素.(3)人的風險因素→心理素質不穩定→船員安全意識低→船舶環境不適→貨物風險因素→人的風險因素.(4)人的風險因素→心理素質不穩定→操作失誤→設備故障→設備風險因素→人的風險因素.

圖1 水上危險貨物運輸風險SD因果反饋模型

2.2 水上危險貨物運輸風險結構流圖

該模型中涉及因素繁多，其中:H=(H1，H2，…，Hn1)代表人的風險因素;S=(S1，S2，…，Sn2)代表設備風險因素;E=(E1，E2，…，En3)代表環境風險因素;M=(M1，M2，…，Mn4)代表管理風險因素;G=(G1，G2，…，Gn5)代表貨物風險因素.選取人的風險因素及其子因素、環境風險因素及其子因素加以說明，具體參數見表1.由所構建的水上危險貨物運輸風險SD模型及參數說明，應用Vensim軟件繪制結構流圖，見圖2.

表1 部分參數說明

圖2 水上危險貨物運輸風險SD結構流圖

3 算例

以某港口2001—2012年危險貨物運輸事故為例.根據所建的結構流圖找出模型中的邊界風險子因素(此類子因素不受系統內部的影響)，如溫度、濕度、能見度、安全投入少、安全監督不合理等.部分邊界風險子因素的具體值可以通過歷史資料查閱得到，如歷年月平均溫度、濕度等，其他邊界風險子因素的值通過專家打分獲得.為使結果具有一致性，分值均在［0，1]范圍內，其中:0表示風險子因素發生的概率為0;1表示此風險子因素發生的概率為1，且造成的損失極為嚴重.

對邊界風險子因素賦值完畢后，對其他邊界風險子因素進行賦值計算.使用Vensim軟件，運行危險貨物運輸風險原因樹.根據圖1所建立的評價指標體系，以專家調查問卷的方式對各指標進行評價，通過分析各風險子因素重要性進行評分.評分規則［12]見表2.采用變異系數法獲取各級風險子因素權重.

表2 評分規則

3.1 參數及方程的確定

通過查閱相關歷史統計數據確立危險貨物運輸事故數量與運輸風險之間的關系.例如，從2001年到2012年的12年間，某港口發生危險貨物事故174起，平均每年發生14.5起［13]，則可確定危險貨物運輸事故數量與運輸風險之間的關系，即L=14.5V.溫度與時間的表函數見表3.人的風險因素中的疲勞上崗的值，應用Vensim軟件中的函數表達式［14]計算，即:H2=0.7 ×ABS(SIN(3.14/6) ×Time)+0.3×Env.航道寬度、彎曲度、深度、助航標志完善度等的值，可根據某港口實際情況設定，也可采取Vensim軟件中的函數表達式選取，即:E7=RANDOM UNIFORM(0，1，0.5)，其 中 RANDOM UNIFORM為均勻分布隨機數.

表3 歷年各月份平均溫度

3.2 權重的確定

向航運公司50名危險貨物運輸安全管理人員發放針對38個風險子因素的調查問卷，共收回問卷38份，有效問卷30份.S1，…，S30等30名專家對H1，…，E12等38個風險子因素的評分結果見表4.對調查結果進行分析、整理，利用變異系數法對數據進行統計分析和集成處理，獲得各級權重.［15]

表4 專家對38個風險因子的評分

采用變異系數法確定指標權重.先假設有m個專家構成專家組，每個專家負責評價n個指標，則可構成m×n階的評價指標矩陣X=(Xji)m×n，其中Xji為第j個專家對第i項評價指標的評分.首先，計算第i項評價指標的均值為

其次，計算第i項指標的方差為

再次，計算第i項評價指標的變異系數為

最后，對各指標進行歸一化處理，計算第i項評價指標的權重為

以評價體系中人的風險因素為例進行實例分析，運行Vensim軟件中人的風險因素原因樹，建立專家風險因素評分體系，見圖 3.根據 S1，…，S30等30 名專家對 G1，H2，H4和S1的打分，建立30×4階評價矩陣為

圖3 人的風險因素原因樹

根據式(1)～(4)計算得各項指標權重(wG1，wH2，wH4，wS1)=(w11，w12，w13，w14)=(0.327，0.426，0.128，0.119)，以此類推，計算各級權重.

3.3 模型模擬與分析

為比較和探討在不同的管理政策下危險貨物運輸事故的變化趨勢，結合本模型的結構特點，設置參數的初始值與變量之間的函數關系，隨后模擬2001—2012年12年的危險貨物運輸事故的變化趨勢.下文中用 1，2，…，12分別代表 2001年，2002年，…，2012 年.

3.3.1 方案 1

采用當前事故數量曲線描述現有管理政策下危險貨物運輸事故數量在12年中的變化.圖4中4個子圖模擬的是12年中危險貨物運輸事故數量在不同管理政策下的變化趨勢.如船員的心理素質經專家打分確定其初始值為0.8，通過加大教育培訓力度等措施提高船員綜合素質，可以使人的風險值隨著時間的推移而降低.同樣可采取一些措施使設備風險值、環境風險值和貨物風險值降低.表5為心理素質風險值與時間的表函數.

圖4 各風險值的降低對危險貨物運輸事故數量的影響

表5 心理素質風險值與時間的表函數

3.3.2 方案 2

在方案1的前提下完善管理政策，同時分別降低人、設備、環境和貨物因素的風險值，對各因素中可調節邊界風險因素的風險值進行調節，模擬對事故數量波動影響最大的風險因素.模擬結果見圖5.由圖5可知，人的風險因素對運輸事故數量的影響最大，其次是貨物風險因素，最后是環境風險因素和設備風險因素.

圖5 風險值的降低對運輸事故數量的影響

3.4 對策建議

政府與相關部門協調完善危險貨物運輸的安全監督管理制度，使海事、航運、港口等相關部門嚴格按照申報要求申報，嚴禁瞞報、謊報.［16]對違規違法運輸行為給予嚴厲處罰，同時大力宣傳危險貨物安全運輸的重要性;加大安全投入，尤其是船員教育培訓的投入，以提高船員綜合素質，特別是提高船員心理素質和應急能力，從而使船員在事故發生時能及時采取有效措施減少人員傷亡、財產損失和環境污染;培養船員責任心，提高安全意識，這是保證危險貨物安全運輸和設備規范使用與維護的有效途徑.

4 結束語

采用SD模型對危險貨物運輸風險因素之間的相互影響關系和風險動態特性進行模擬.針對水上危險貨物運輸風險成因的復雜性、動態性，通過分析人、設備、環境、貨物、管理等5個方面的風險因素，并結合我國水上危險貨物運輸管理的現狀，建立水上危險貨物運輸SD模型.通過收集資料和歷史數據確立參數變量和參數方程，應用Vensim軟件對現有管理政策進行動態仿真，模擬不同管理政策下單一風險因素值的改變對降低危險貨物運輸事故風險的影響.結果顯示，人、設備、環境和管理的風險值的降低都能降低危險貨物運輸風險，其中，人的風險值對危險貨物運輸事故的影響程度最大，這說明人的安全管理政策較其他安全管理制度更加重要.

采用SD模型分析的優點:可描述影響因素之間相互影響關系;可實現對風險的動態描述，彌補靜態評估不能描述風險動態特性的不足.由于本文案例數據的限制，不管是指標體系的建立還是模擬結果的精確性都有進一步提升的空間.今后的研究需進一步收集數據，根據不同管理決策對參數進行調整，對管理決策的實施效果進行模擬.

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