基于改进熵权物元可拓模型的港口作业风险评价研究.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期123文章编号：2095-6835（2023）20-0123-03基于改进熵权物元可拓模型的港口作业风险评价研究杨教育1，段晓瑞2，王天明1（1.沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁 沈阳 110136；2.北京晓瑞安全科技有限公司，北京 100055）摘要：为给企业落实“双重预防机制”、做好“风险分级管控”提供好的、新的方法和手段，研究了“改进熵权物元可拓模型”，分析其在港口企业作业安全、安全生产中的应用的可行性，从人为因素、设备因素、环境因素、货物因素、管理因素 5 个方面构建了由 5 个一级指标、16 个二级指标组成的港口作业风险评估体系，并结合熵权法和可拓学理论，建立了基于改进熵权物元可拓的港口作业风险评价模型。应用该指标体系和理论模型对港口作业进行实例研究，得出安全等级为一级，评级结果和实际一致，验证了该评估指标体系和评估理论模型的正确性、可靠性和实用性。在面对大量评估对象的情况下可准确评判各评估对象风险高低排序，以便明确优先等级、区别化管理。关键词：港口作业；熵权法；物元可拓；风险评价中图分类号：U698文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.20.037近些年，港口安全事故频发，对社会和环境造成了难以估量的损失。安委办 2016 3 号文件明确要求，必须坚决遏制重特大事故频发势头，对易发重特大事故的行业领域采取风险分级管控、隐患排查治理双重预防工作机制1。目前，国内外学者对风险评价进行了大量研究与分析，2002 年，张吉广等2针对港口安全建立层次结构模型，首先将层次分析法（AHP）运用到港口安全评价中，综合评判港口安全体系。2006 年，褚家成等3对港口安全体系进行了定量评估，能够及时和有效预防安全事故的发生。2010 年，孙颖等4分析研究了港口危货运输的危险因素，利用预先危险分析法和安全检查表法对危险货物作业进行风险评估，得出评估结果。2016 年，唐巾评等5结合系统安全工程评价方法，研讨安全检查表法、模糊评价法、预先危险性分析法和灰色理论法4种评价方法在不同码头评价的适用性。2015 年，李航等6在港口安全评价中指出目前用于港口安全评价方法的优点和局限性。例如：层次分析法（AHP）在确定评级指标权重时，容易受人为因素干扰，存在主观性较强的缺陷，模糊综合方法指标集数较大时隶属关系和模糊矩阵不易被确定，容易造成评价失效。1999 年，蔡文教授7第一次提出了物元可拓理论，物元可拓理论能够准确反映出待评价物元变化规律，用来解决各指标间存在不相容的问题。同时克服了层次分析法（AHP）中判断矩阵确定的主观性，得到的指标权重更加科学客观。本文将港口生产安全作为风险评价研究对象，建立港口生产作业风险评价指标体系，并将客观赋权的熵权法和改进物元可拓理论模型应用于港口作业风险评价之中，能够科学地评定安全风险等级，为企业做好风险分级管控提供了一种新的参考方法。1改进的物元可拓评价模型传统物元可拓评价模型存在着物元评价指标实际取值超出物元节域取值范围的问题，各物元指标之间也可能存在相互制约和牵连的问题，导致关联函数难以确定。对此，对传统物元可拓模型进行规格化处理8。对一般经典域量值进行改进，使一般经典域量值两端同时除以节域 Vp右端的极大值 bnp，得到改进的经典物元矩阵 RN：），（），（），（npinininnpiiipiiiiNbbbaCbbbaCbbbaCNR/2222211111式中：Ni为港口作业风险所划分的 i 个评价等级；C1，C2，Cn为评价指标；（ain/bin，bin/bnp）为评价指标Cn对第 i 个评价等级的取值范围经处理后所得到的新的经典域。用上述方法对一般待评物元矩阵进行改进，使一般待评物元矩阵中的两端量值同时除以 Vp右端极大值bnp，得到一个全新的待评物元矩阵 R0：npnnppbVCbVCbVCNR/22211100（1）式中：N0为待评物元区域；V1，V2，Vn为待评物元 n 个评价指标的实际取值。科技与创新Science and Technology&Innovation1242023 年 第 20 期由公式（1）得到新的待评物元 R0，可以计算出新的经典域量值范围的距离 Dij，即：Dij=Vi（aij+bij）/2（bijaij）/2（2）综合关联度 Kj（P）由 Dij代替关联度函数 Kj（Vi），根据式（2）计算得到：niijijjDPK11）（3）式中：j=1，2，p；ij为评价指标权重的数值。评价等级的确定，如果 Kj=maxKj（P），那么待评物元 P 属于等级 j。2熵权法确定指标的权重系数熵是系统的混乱程度，熵权则反映了系统中各指标所携带的可利用信息的大小。熵权重越高，意味着重视程度越高，反之越低。熵权法确定指标的权重系数，具体步骤如下。第一，建立归一化矩阵，计算公式如下：R=（rij）mn第二，定义评价指标的熵，计算公式如下：mjjijiiffmH1lnln1-（4）mjjijijirrf1（5）式中：rji为归一化矩阵 R 中的第 j 行第 i 列的元素。第三，确定港口作业各评价指标熵的权重 wi，计算公式如下：niiiiHnHw11（6）11niiw（7）3实例分析本文以位于广东省某一港口 A 为例，港口 A 各种证件齐全、所处区位优势较好、作业货种固有风险较低、作业方式相对简单、管理水平较高，为一级达标企业，属于当地生产安全标杆企业。本文采用改进熵权物元可拓法对该港口作业进行风险评价。通过实地调研，并咨询 5 位安全生产专家和该港口作业安全管理人员，对其作业风险各项指标进行评分，运用改进熵权物元可拓模型确定该港口作业风险的隶属等级。3.1港口作业安全指标体系的构建及等级划分在风险评价中，根据全面客观性、系统性、可操作性等原则，结合港口作业的实际情况和特点，听取专家意见，同时参考 JT 3972009危险化物集装箱港口作业安全规程、GB 500162014建筑设计防火规范、HG 205712014化工企业安全卫生设计规范、JST 1652013海港总体设计规范等相关标准规范，并在以往的研究基础上9建立港口作业安全评级体系，将影响港口作业事故的因素进行总结和划分，最后从人员、机械设备、货物、作业环境、管理 5 个因素选取16个二级指标构建港口作业安全影响因素指标体系，如表 1 所示。表 1某港口作业安全风险评价指标和相关计算值一级指标一级权重二级指标二级权重总分得分人员因素0.243 5心生理因素 C10.063 710092技术水平 C20.085 210095安全意识缺陷 C30.094 610096机械设备因素0.192 7本质不安全 C40.031 910088正常损耗发生故障 C50.063 510091船、车组成系统失衡 C60.097 310094货物因素0.152 8货物本身具有不安全性质 C70.042 810085货物包装存在缺陷 C80.032 910078货种变化引起安全事故 C90.054 310092货物损坏引起安全事故 C100.022 810069作业环境因素0.175 9港口人工环境 C110.073 810077自然环境 C120.040 710082社会环境 C130.061 410084管理因素0.235 1安全管理失效 C140.083 210097安全管理波动 C150.056 810094管理者重视程度 C160.095 1100933.2港口作业安全风险等级的判定3.2.1确定经典域和节域基于 2016 年 1 月安委办201611 号文件要求，又结合港口 A 作业的实际情况，将红、橙、黄、蓝4 种安全风险等级颜色与评价体系中的安全等级相对应，将表 1 确定的港口作业风险评价指标体系划分为Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 20 期1254 个等级10，一级为低风险，二级为一般风险，三级为较大风险，四级为重大风险。为了准确辨识作业风险评价等级，需要确定各风险评价等级的阈值。针对港口作业事故特性，查阅相关文献，并综合专家意见，将港口作业风险级别划分为 4 个等级，分别为90，100、80，90）、70，80）、0，70），节域为0，100。港口 A 作业安全等级域如表 2 所示。表 2港口 A 作业安全等级域安全等级等级阈值风险等级解决方案一级90，100低风险针对性检查二级80，90）一般风险采取有效的防范措施三级70，80）较大风险局域性整改四级0，70）重大风险关闭港口全面整改3.2.2确定待评价物元专家进行匿名打分，为了细分评分差异、增加数据敏感性，同时参照一级至四级的经典域，各项指标均以百分制进行打分，得分越高说明对应指标安全性高，反之则低。对专家给出的结果进行算术平均值处理，即该港口作业风险评价指标体系中各指标的实际分值，由此确定待评价物元。根据表 2 及传统经典矩阵公式分别构造 4 个评价等级分级标准的新经典域矩阵 R1、R2、R3、R4：），（），（），（100901009010090162111CCCNR，），（），（），（908090809080162122CCCNR），（），（），（807080708070162133CCCNR，），（），（），（700700700162144CCCNR规格化后得到新的经典域矩阵 R为：），（），（），（），（），（），（），（），（），（），（），（），（7.008.07.09.08.00.19.07.008.07.09.08.00.19.07.008.07.09.08.00.19.016214321CCCNNNNCR根据表 2 给出的不同指标的节域量值范围来确定节域矩阵 Rp为：），（），（），（1000100010001621CCCVCNRpp3.2.3确定待评物元矩阵依据表 2 计算待评物元矩阵 R0为：939592162110CCCNR根据公式（1）计算新的待评物元矩阵0R为：93.095.092.0192100CCCNR0.2300.1300.0300.030-0.2400.1400.0400.040-0.2500.1500.0500.050-0.2200.1200.0200.020-ijD3.2.4评价指标权重计算利用熵权理论进行港口作业风险评价指标的权重的确定。邀请 5 位安全生产领域专家对港口作业风险评价指标给定分数。将指标分数代入公式（4）（7）中，可以得出各评价指标的熵值 H 和熵权 W。3.2.5风险等级判定根据公式（3）求得港口作业安全风险等级关联度Kj（P）=（0.995，0.973，0.898，0.800），Kj=maxKj（P）=0.995，具体结果如表 3 所示。表 3某港口作业安全风险综合关联度评价对象综合关联度 K安全等级一级二级三级四级A 港口0.9950.9730.8980.800一级由计算结果可以确定该港口作业安全等级属于第一级，即属于“低风险安全”状态。所得评价结果与实际安全评估结果一致，表明该方法可靠性高，同时能够克服模糊综合评价和层次分析法的缺点，有效地解决了主观性过强影响最终评价结果的问题，从而对港口作业安全等级进行更为科学、合理的评价。4结论利用熵权法以及物元可拓理论模型，提出了基于改进熵权物元可拓评级模型的港口作业风险评价方法。该方法可靠性高，能够消除主观因素影响，且评价结果更加科学合理，有助于港口管理人员分析和解决安全管理中的重点问题。应用建立的港口作业风险评价指标体系和安全等级评价模型对某港口作业安全进行实例分析。结果表明：该港口作业安全评级等级为一级，属于“低风险安全”状态。其评价等级与实际情况相符合，表明该方法具有准确性和实用性，量化评估出港口作业的安全等级，能够确定影响安全（下转第 128 页）科技与创新Science and Technology&Innovation1282023 年 第 20 期出，点源污染负荷入河量如表 5 所示。表 520152020 年流域点源污染负荷入河量单位：t/年年份化学需氧量氨氮总磷2015 年97 028.9115 302.592 431.502016 年31 619.3211 434.961 524.632017 年16 667.025 494.87614.742018 年7 683.771 709.08292.002019 年5 347.26808.76108.332020 年4 892.84221.1856.845结论将理论法和实测水质水量法相结合计算点源污染负荷入河量，并对相关计算参数进行合理修正，力图计算结果真实符合流域实际情况。因人口统计抽样误差，利用 20152020 年年均增长率对各年流域总人口进行修正；随着流域污水收集、传输和处理能力的提高，对生活污染产生系数和大截排系统的截留率进行了修正。工业污染负荷计算也需考虑流域经济转型升级，设置合理的衰减系数进行修正。参考文献：1李婧慧，吕赢，花卫华，等.江苏灌河口污染源调查J.水产养殖，2014，35（7）：25-29.2崔秀平，侯思琰，姚文良，等.南水北调东线后续工程河道污染源调查研究J.海河水利，2023（1）：51-54.3赵亮，马常仁，肖晨光.江淮丘陵区马槽河流域污染源调查分析及治理建议J.江淮水利科技，2022（4）：44-48.4麦叶鹏，解河海，曾碧球，等.城市面源污染定量化研究进展C/2022中国水利学术大会.2022中国水利学术大会论文集（第七分册）.北京：中国水利学会，2022.5李连文，代张路，李昂，等.基于 SWMM 的 LID 措施对城市面源污染削减效果研究J.城市道桥与防洪，2022（12）：203-207，232，25-26.6胡智华.城市面源污染过程监测与污染负荷估算研究D.重庆：重庆交通大学，2022.7蒋艳，马巍，彭期冬，等.雁栖河流域点源氮磷污染负荷量的计算与分析J.中国水利水电科学研究院学报，2013，11（2）：117-124.8曹倩，王敏，秦柳.金沙河水库污染负荷与水环境容量分析J.湖北大学学报（自然科学版），2023，45（1）：47-52.9刘琼琼，邵晓龙，刘红磊，等.天津市工业污染负荷输出与经济增长的关系J.天津师范大学学报（自然科学版），2013，33（4）：39-43.10李启蓝，杜明虹，唐韬，等.工业污染源评价方法比较J.化工管理，2022（19）：74-77，104.11陈兴涛.福建省工业主要废水污染物特征研究J.湖南生态科学学报，2022，9（3）：71-78.12卢雯.抚顺市大伙房水库水源地工业污染负荷与预测J.绿色科技，2016（16）：130-131.13杨水化，王永桂.流域污染入河负荷的精细化解析研究C/2020 中国环境科学学会科学技术年会.2020 中国环境科学学会科学技术年会论文集（第二卷）.南京：中国环境科学学会，2020.作者简介：姚俊（1990），男，硕士研究生，工程师，研究方向为水环境治理。（编辑：张超）（上接第 125 页）生产的因素和影响程度，对港口生产作业过程风险管控具有重要意义，为港口作业管理提供新方法和新视角。参考文献：1国务院安委会办公室印发 标本兼治遏制重特大事故工作指南J.中国应急管理，2016（4）：50-51.2张吉广，蒙培奇.港口安全评价的 AHP模糊综合评判方法J.港口装卸，2002（5）：24-27.3褚家成，俞维纫，许义.港口安全管理评估量化研究J.中国安全科学学报，2006（6）：71-78.4孙颖，王晓.港口危险品货物作业的安全评估实例J.工业安全与环保，2010，36（5）：55-56.5唐巾评，扈世龙，张建球，等.浅谈可用于码头评估的安全评价方法J.西部交通科技，2016（6）：84-87.6李航，刘英学.港口安全评价方法探讨J.科技资讯，2015，13（11）：94，96.7蔡文.可拓论及其应用J.科学通报，1999（7）：673-682.8刘英杰，孙丽云，杨凯.基于改进物元可拓模型的综合管廊绩效评价研究J.人民长江，2017，48（19）：106-109.9葛继超，贾辉.浅谈危化品港口装卸作业安全J.广州化工，2021，49（8）：222-224.10国务院安委会办公室印发实施遏制重特大事故工作指南构建双重预防机制的意见J.中国应急管理，2016（10）：33-35.作者简介：杨教育（1996），男，硕士，研究方向为港口安全评价及风险分析管控。（编辑：王霞）