海上危化品运输系统安全突变评价
李建民++刁亚琳++宋绍珍++王倩++关巍
摘要：为弥补以往评价方法中过分依赖权重的不足，研究海上危化品运输系统（Maritime DangerousChemical Transportation System，MDCTS）安全状态的突变原因及特点，基于突变理论开展系统安全评价.研究突变理论特点，基于突变级数法构建MDCTS安全评价模型，绘制基于突变级数法的系统安全等级表.运用模型对MDCTS进行安全评价，通过与模糊综合评价法相比较，验证评价模型的客观性和合理性.研究结果表明，基于突变级数法的MDCTS安全评价可降低主观因素的影响，实现对MDCTS安全状态的预测.
关键词：突变理论；突变级数法；海上危化品运输系统；评价模型
中图分类号：U695.292；U698.3
文献标志码：A
0 引 言
交通运输部《公路水路交通运输行业发展统计公报》和《国内沿海货运船舶运力情况分析报告》显示：自2005年以来我国油化类货物装卸泊位数、吞吐量上升明显；运输船舶呈现出单船吨位大、船龄新的特点，危化品的特殊属性使其运输事故更易对环境、生命造成严重危害，导致沿海居民恐慌.基于此，学术界、航运业不断对海运危化品进行安全评价研究，以保证运输的安全性.
CELIK采用模糊公理设计法和层次分析法从人的适任能力和化学品特性上评价化学品船舶和油船的安全性；缪克银采用模糊综合评价法通过建立模糊隶属函数评价海上危化品运输风险；SUN等采用层次聚类和指数平滑法预测危化品运输事故的发生.上述海上危化品运输安全评价方法中因权重的存在造成评价结果具有一定的主观性，突变级数法忽略权重的影响，只考虑指标的相对重要性，侧重于定量评价，被广泛应用于安全评价领域.在海上领域研究中，齐迹等基于突变理论建立海上交通风险预控机制，通过建立尖点突变模型提出海上交通风险预控模型，考虑海上危化品运输系统（Maritime Dangerous Chemical TransportationSystem，MDCTS）的开放性、突变性特点，采用突变级数法评价MDCTS的安全性，可以弥补以往评价方法中过分依赖权重的不足一引.
1 MDCTS突变研究
根据“人一机一环境”工程学原理，海上交通安全系统可分为人一船一环境等3个子系统.考虑到危化品的危险属性，引入货物和管理因素，以“人一船一环境一货物一管理”5个子系统构成MDCTS.MDCTS突变特征见图1.
1.1 人的突变
在海上危化品运输过程中，人因素的突变主要体现在人员整体素质的不平衡、心理和生理状况、航海技能以及疲劳程度等.这些因素的改变，导致系统的不确定性增加，使得系统状态产生突变的可能性变大.
1.2 管理的不确定性
MDCTS具有动态性特征，其中管理活动是一种动态过程，具有时效性和不稳定性.海上危化品运输过程中，船员是管理的主体，人的不确定性使得管理具有不确定性，在实施管理的过程中，船员管理不当会导致系统状态发生改变.
1.3 货物属性不稳定性
（l）易燃易爆性.大多数液体散装化学品易挥发，产生易燃货物蒸气，当蒸气浓度处于爆炸极限内时，遇明火高温可导致蒸气燃烧甚至爆炸，此过程为运输系统状态突变过程.
（2）毒害性，货物蒸气同时具有毒害性，有毒气体达到一定浓度时可通过呼吸、消化、皮肤接触对船员造成明显的伤害，符合量变产生质变的原理.此时，有毒气体致死浓度为系统状态突变点.
（3）腐蚀性.腐蚀性化学品可对货舱舱壁、管系、甲板设备造成侵蚀，导致运输事故，是典型的作用力渐变导致的状态突变.
（4）吸附性.吸附性导致系统状态突变分为两点：其一，货物吸收杂质、尘埃或水分至一定程度时导致货损；其二，具有遇水反应特性的货物吸水发生反应，导致货损甚至船损.
1.4 环境因素不确定性
环境因素对系统安全状态的影响包括航行水域的交通条件和自然条件，
交通条件包括船舶离岸距离、船舶密度、导助航设施的可靠程度和航道条件.船舶离岸距离与富余水深、船舶密度关联较大，一般而言，离岸距离近，船舶搁浅、碰撞概率大，符合因素渐变导致状态突变原理.船舶密度与船舶碰撞、搁浅密切相关，船舶密度大，避让操作困难大，失误率增大，导致运输事故概率增加，航行水域中导助航设施越完善，覆盖率越大，船舶航行安全程度越高，发生突发事件的可能性越低.航道条件包括航道长度、主航道与次航道交叉点和转向点的个数、船舶宽度与航道宽度之比、航道长度与航道宽度之比、船舶吃水与航道深度之比等，这些因素中不利于航行的个数越多，系统安全状态发生突变的概率越大.
自然条件包括能见度、风力、流速、温度.在以上影响因素中，世界多数港口都有能见度过低时禁止船舶进出港的规定.据统计，海上交通危险程度与能见度距离成正比，能见度可作为系统状态突变的重要因素，风一方面影响船舶操控性，另一方面影响货物有害蒸气的消散速度，风力过大和过小都会对MDCTS安全产生影响.流速影响船舶操纵性，当相对流速达到一定程度时，会产生岸壁效应、船吸效应以及船舶下坐，造成船舶碰撞、搁浅，系统状态发生突变.《IBC规则》第7章“货物温度控制”指出：温度高，货物易蒸发；温度低，货物易凝固且不可逆；温度高或低都导致货损.
1.5 船舶突变
船舶的突变与船龄联系紧密，一般而言，若船龄大，船舶老化程度大，则设备出现故障的概率变大，因此系统状态突变的可能性增大.
2 基于突变的MDCTS安全评价模型
2.1 基本突变模型
突变理论主要研究动态系统在连续发展过程中出现突然变化的现象，以此为理论依据解释现实中不连续的、非光滑的突变过程.突变级数法是突变理论衍生出的评价方法，可对评价目标进行多层次矛盾分解，从而完成综合评价.突变理论中将基本突变类型分为7类，其突变模型见表1.
突变级数法涉及求隶属函数的问题，某个评价对象的指标值以突变模型的归一化函数形式给出，即通过分解形式的分叉集方程求得，整理前4种突变模型的归一化函数如下.
2.2 MDCTS安全评价模型
2.2.1 安全评价指标体系
构建安全评价指标体系时首先需要对评价指标进行聚类，将具有共性的指标归人一个子系统中，安全评价时，根据MDCTS安全评价指标的数量选择突变归一化公式，指标体系的层次分为目标层、准则层、最底层.
指标排序时按照重要指标在前、次要指标在后的原则，其排序主要参考近年来国内外海上危化品运输事故的统计资料中各致因权重及专家调查表.
2.2.2 最底层原始数据处理
最底层指标隶属于不同子系统，由于量纲不同不能直接比较，对最底层指标的原始数据进行无量纲化处理，转化为[O，1]区间越大越好型的无量纲值，消除量纲不同造成的影响.
2.2.3 计算总突变隶属函数值
根据突变模型的归一化公式求出评价体系中各层指标的突变级数值，并逐级向上计算，最后获得系统总突变隶属函数值.在计算时要遵循“互补”和“非互补”两个原则.
2.2.4 评价模型
MDCTS的安全状态的评价需要考虑系统组成要素，考虑5个子系统之间存在明显的互补性和关联性，建立评价模型如下，式中：Fi表示MDCTS的安全状态；Hi表示人的因素；Mi表示管理因素；Ci表示危化品货物因素；Ei表示环境因素；Si表示船因素，由印第安人茅舍突变模型可知，h，j，k，m，n分别为2，3，4，5，6.
2.2.5 获得安全等级
依据已有研究成果，对不同评价对象的总突变隶属函数值进行安全等级换算，得到最终的海上交通安全等级，见表2.
3 算例
基于两艘危化品船01和02对模型开展验证.
3.1 数据获取
基于“人-船-环境-货物-管理”，采用德尔菲法并结合已有研究成果建立具有重要程度排序的MDCTS安全评价体系，见表3.由于上述5个因素间存在明显的非线性关系，各因素对系统安全的影响需基于大量事故数据，当获得大量事故数据时，还可利用数据挖掘和神经网络技术开展深入研究.为论述方便，基于德尔菲法确定其间关系.
向危化品船船员、化学品专家、船务公司发放问卷100份，回收有效问卷81份.采用离差标准化方法处理所获数据，处理公式为
3.2 数据分析——突变级数评价
基于式（5），结合突变函数中的控制变量和状态变量，可以计算两艘船的结果.
3.3 数据检验
为进一步检验突变级数法的可行性和正确性，采用模糊综合评价法对两艘船的安全状态进行评价，相关评价指标的权重已有研究成果，其安全评价等级见表5.
根据模糊综合评价的相关步骤，采用加权平均型模型进行安全评价.评价模型为其中：P为安全隶属度向量；ω为权重向量，
采用模糊综合评价法对各指标数值进行处理，获得船O1和02的安全隶属度，其对应的隶属度向量为
P1=（0.667，0.642，0.598，0.512，0.647）
P2=（0.422，0.436，0.501，0.532，0.447）权重向量为
ω=（0.382，0.082，0.142，0.201，0.193）T
经计算可知
Y1=P1·ω=0.620
Y2= P2·ω=0.461
由上可知，对船01和02，采用突变级数法求得的安全区间为“预警”和“较危险”，采用模糊综合评价法求得的安全区间为“临界”和“较危险”.
由此可见，采用突变级数法获得的船舶安全状态与采用模糊综合评价法获得的船舶安全状态基本一致，评价结果在一定程度上的偏差表现在采用突变级数法更偏向于安全，采用模糊综合评价法更偏向于危险，这也是采用突变级数法降低人为因素干扰后出现的评价结果.因此，采用突变级数法不仅能弱化指标权重的影响，降低人的主观因素带来的评价偏差，而且可对不同船舶的安全状态进行状态预测，实现对船舶安全的预判，在事例中，这两艘船运输危险品的安全突变可能性都较大，在运输过程中需要持续关注安全管理的同时，应谨防复杂系统的不确定性因素引发的突变情况.
4 结束语
突变使得海上危化品运输系统（MDCTS）由安全状态转变为事故状态.从突变理论的视角研究MDCTS的特点，为海上危化品运输安全研究提供理论依据；通过建立海上危化品突变级数评价模型，对评价指标取值进行处理，采用突变级数法的评价步骤，提高计算效率；基于突变理论获得海上危化品运输安全等级，为海上运输安全状态的评定奠定基础；通过对船舶安全状态的评价，实现船舶的安全状态预测，为船长、船务公司、海事主管部门实施安全监管提供理论支撑.
摘要：为弥补以往评价方法中过分依赖权重的不足，研究海上危化品运输系统（Maritime DangerousChemical Transportation System，MDCTS）安全状态的突变原因及特点，基于突变理论开展系统安全评价.研究突变理论特点，基于突变级数法构建MDCTS安全评价模型，绘制基于突变级数法的系统安全等级表.运用模型对MDCTS进行安全评价，通过与模糊综合评价法相比较，验证评价模型的客观性和合理性.研究结果表明，基于突变级数法的MDCTS安全评价可降低主观因素的影响，实现对MDCTS安全状态的预测.
关键词：突变理论；突变级数法；海上危化品运输系统；评价模型
中图分类号：U695.292；U698.3
文献标志码：A
0 引 言
交通运输部《公路水路交通运输行业发展统计公报》和《国内沿海货运船舶运力情况分析报告》显示：自2005年以来我国油化类货物装卸泊位数、吞吐量上升明显；运输船舶呈现出单船吨位大、船龄新的特点，危化品的特殊属性使其运输事故更易对环境、生命造成严重危害，导致沿海居民恐慌.基于此，学术界、航运业不断对海运危化品进行安全评价研究，以保证运输的安全性.
CELIK采用模糊公理设计法和层次分析法从人的适任能力和化学品特性上评价化学品船舶和油船的安全性；缪克银采用模糊综合评价法通过建立模糊隶属函数评价海上危化品运输风险；SUN等采用层次聚类和指数平滑法预测危化品运输事故的发生.上述海上危化品运输安全评价方法中因权重的存在造成评价结果具有一定的主观性，突变级数法忽略权重的影响，只考虑指标的相对重要性，侧重于定量评价，被广泛应用于安全评价领域.在海上领域研究中，齐迹等基于突变理论建立海上交通风险预控机制，通过建立尖点突变模型提出海上交通风险预控模型，考虑海上危化品运输系统（Maritime Dangerous Chemical TransportationSystem，MDCTS）的开放性、突变性特点，采用突变级数法评价MDCTS的安全性，可以弥补以往评价方法中过分依赖权重的不足一引.
1 MDCTS突变研究
根据“人一机一环境”工程学原理，海上交通安全系统可分为人一船一环境等3个子系统.考虑到危化品的危险属性，引入货物和管理因素，以“人一船一环境一货物一管理”5个子系统构成MDCTS.MDCTS突变特征见图1.
1.1 人的突变
在海上危化品运输过程中，人因素的突变主要体现在人员整体素质的不平衡、心理和生理状况、航海技能以及疲劳程度等.这些因素的改变，导致系统的不确定性增加，使得系统状态产生突变的可能性变大.
1.2 管理的不确定性
MDCTS具有动态性特征，其中管理活动是一种动态过程，具有时效性和不稳定性.海上危化品运输过程中，船员是管理的主体，人的不确定性使得管理具有不确定性，在实施管理的过程中，船员管理不当会导致系统状态发生改变.
1.3 货物属性不稳定性
（l）易燃易爆性.大多数液体散装化学品易挥发，产生易燃货物蒸气，当蒸气浓度处于爆炸极限内时，遇明火高温可导致蒸气燃烧甚至爆炸，此过程为运输系统状态突变过程.
（2）毒害性，货物蒸气同时具有毒害性，有毒气体达到一定浓度时可通过呼吸、消化、皮肤接触对船员造成明显的伤害，符合量变产生质变的原理.此时，有毒气体致死浓度为系统状态突变点.
（3）腐蚀性.腐蚀性化学品可对货舱舱壁、管系、甲板设备造成侵蚀，导致运输事故，是典型的作用力渐变导致的状态突变.
（4）吸附性.吸附性导致系统状态突变分为两点：其一，货物吸收杂质、尘埃或水分至一定程度时导致货损；其二，具有遇水反应特性的货物吸水发生反应，导致货损甚至船损.
1.4 环境因素不确定性
环境因素对系统安全状态的影响包括航行水域的交通条件和自然条件，
交通条件包括船舶离岸距离、船舶密度、导助航设施的可靠程度和航道条件.船舶离岸距离与富余水深、船舶密度关联较大，一般而言，离岸距离近，船舶搁浅、碰撞概率大，符合因素渐变导致状态突变原理.船舶密度与船舶碰撞、搁浅密切相关，船舶密度大，避让操作困难大，失误率增大，导致运输事故概率增加，航行水域中导助航设施越完善，覆盖率越大，船舶航行安全程度越高，发生突发事件的可能性越低.航道条件包括航道长度、主航道与次航道交叉点和转向点的个数、船舶宽度与航道宽度之比、航道长度与航道宽度之比、船舶吃水与航道深度之比等，这些因素中不利于航行的个数越多，系统安全状态发生突变的概率越大.
自然条件包括能见度、风力、流速、温度.在以上影响因素中，世界多数港口都有能见度过低时禁止船舶进出港的规定.据统计，海上交通危险程度与能见度距离成正比，能见度可作为系统状态突变的重要因素，风一方面影响船舶操控性，另一方面影响货物有害蒸气的消散速度，风力过大和过小都会对MDCTS安全产生影响.流速影响船舶操纵性，当相对流速达到一定程度时，会产生岸壁效应、船吸效应以及船舶下坐，造成船舶碰撞、搁浅，系统状态发生突变.《IBC规则》第7章“货物温度控制”指出：温度高，货物易蒸发；温度低，货物易凝固且不可逆；温度高或低都导致货损.
1.5 船舶突变
船舶的突变与船龄联系紧密，一般而言，若船龄大，船舶老化程度大，则设备出现故障的概率变大，因此系统状态突变的可能性增大.
2 基于突变的MDCTS安全评价模型
2.1 基本突变模型
突变理论主要研究动态系统在连续发展过程中出现突然变化的现象，以此为理论依据解释现实中不连续的、非光滑的突变过程.突变级数法是突变理论衍生出的评价方法，可对评价目标进行多层次矛盾分解，从而完成综合评价.突变理论中将基本突变类型分为7类，其突变模型见表1.
突变级数法涉及求隶属函数的问题，某个评价对象的指标值以突变模型的归一化函数形式给出，即通过分解形式的分叉集方程求得，整理前4种突变模型的归一化函数如下.
2.2 MDCTS安全评价模型
2.2.1 安全评价指标体系
构建安全评价指标体系时首先需要对评价指标进行聚类，将具有共性的指标归人一个子系统中，安全评价时，根据MDCTS安全评价指标的数量选择突变归一化公式，指标体系的层次分为目标层、准则层、最底层.
指标排序时按照重要指标在前、次要指标在后的原则，其排序主要参考近年来国内外海上危化品运输事故的统计资料中各致因权重及专家调查表.
2.2.2 最底层原始数据处理
最底层指标隶属于不同子系统，由于量纲不同不能直接比较，对最底层指标的原始数据进行无量纲化处理，转化为[O，1]区间越大越好型的无量纲值，消除量纲不同造成的影响.
2.2.3 计算总突变隶属函数值
根据突变模型的归一化公式求出评价体系中各层指标的突变级数值，并逐级向上计算，最后获得系统总突变隶属函数值.在计算时要遵循“互补”和“非互补”两个原则.
2.2.4 评价模型
MDCTS的安全状态的评价需要考虑系统组成要素，考虑5个子系统之间存在明显的互补性和关联性，建立评价模型如下，式中：Fi表示MDCTS的安全状态；Hi表示人的因素；Mi表示管理因素；Ci表示危化品货物因素；Ei表示环境因素；Si表示船因素，由印第安人茅舍突变模型可知，h，j，k，m，n分别为2，3，4，5，6.
2.2.5 获得安全等级
依据已有研究成果，对不同评价对象的总突变隶属函数值进行安全等级换算，得到最终的海上交通安全等级，见表2.
3 算例
基于两艘危化品船01和02对模型开展验证.
3.1 数据获取
基于“人-船-环境-货物-管理”，采用德尔菲法并结合已有研究成果建立具有重要程度排序的MDCTS安全评价体系，见表3.由于上述5个因素间存在明显的非线性关系，各因素对系统安全的影响需基于大量事故数据，当获得大量事故数据时，还可利用数据挖掘和神经网络技术开展深入研究.为论述方便，基于德尔菲法确定其间关系.
向危化品船船员、化学品专家、船务公司发放问卷100份，回收有效问卷81份.采用离差标准化方法处理所获数据，处理公式为
3.2 数据分析——突变级数评价
基于式（5），结合突变函数中的控制变量和状态变量，可以计算两艘船的结果.
3.3 数据检验
为进一步检验突变级数法的可行性和正确性，采用模糊综合评价法对两艘船的安全状态进行评价，相关评价指标的权重已有研究成果，其安全评价等级见表5.
根据模糊综合评价的相关步骤，采用加权平均型模型进行安全评价.评价模型为其中：P为安全隶属度向量；ω为权重向量，
采用模糊综合评价法对各指标数值进行处理，获得船O1和02的安全隶属度，其对应的隶属度向量为
P1=（0.667，0.642，0.598，0.512，0.647）
P2=（0.422，0.436，0.501，0.532，0.447）权重向量为
ω=（0.382，0.082，0.142，0.201，0.193）T
经计算可知
Y1=P1·ω=0.620
Y2= P2·ω=0.461
由上可知，对船01和02，采用突变级数法求得的安全区间为“预警”和“较危险”，采用模糊综合评价法求得的安全区间为“临界”和“较危险”.
由此可见，采用突变级数法获得的船舶安全状态与采用模糊综合评价法获得的船舶安全状态基本一致，评价结果在一定程度上的偏差表现在采用突变级数法更偏向于安全，采用模糊综合评价法更偏向于危险，这也是采用突变级数法降低人为因素干扰后出现的评价结果.因此，采用突变级数法不仅能弱化指标权重的影响，降低人的主观因素带来的评价偏差，而且可对不同船舶的安全状态进行状态预测，实现对船舶安全的预判，在事例中，这两艘船运输危险品的安全突变可能性都较大，在运输过程中需要持续关注安全管理的同时，应谨防复杂系统的不确定性因素引发的突变情况.
4 结束语
突变使得海上危化品运输系统（MDCTS）由安全状态转变为事故状态.从突变理论的视角研究MDCTS的特点，为海上危化品运输安全研究提供理论依据；通过建立海上危化品突变级数评价模型，对评价指标取值进行处理，采用突变级数法的评价步骤，提高计算效率；基于突变理论获得海上危化品运输安全等级，为海上运输安全状态的评定奠定基础；通过对船舶安全状态的评价，实现船舶的安全状态预测，为船长、船务公司、海事主管部门实施安全监管提供理论支撑.
