基于模糊联系度的危化品公路运输安全风险评估

韦相宇，田世祥，代张音，范芮雯

(贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025)

随着中国公路建设的跨越式发展，危险化学品公路运输呈快速发展态势，给道路监管带来巨大威胁与挑战[1]。因危险化学品自身具有易燃、易爆、剧毒等特点[2]，若在运输途中发生泄露事故，不仅会造成人员伤亡，还会对公共财产和周围环境造成一定程度的破坏和影响[3]，因此，对危化品公路运输进行合理的安全风险评估具有重要的现实意义。

近年来，危化品运输风险研究逐渐成为热点问题，国内外学者对于危化品运输安全风险评估方法的研究已取得大量成果。目前，常见的风险评估方法可大致分为2种：一种是采用定量评估方法进行度量，其中包括事件树分析法[4-5]、故障树分析法[6-7]等风险概率评估法以及通过泄露扩散模型[8]求取伤害范围的风险后果评估法；另一种是以系统风险辨识为基础，建立多级风险评估指标体系，结合事故定性或定量评估模型，确定系统安全风险等级，如层次分析法[9-10]、模糊综合评估法[11]、贝叶斯网络[12]、逼近理想解排序法[13]等。然而，危化品种类繁多，运输过程较为复杂且风险因素随机性较强，系统内部不确定性因素随运输状态变化呈动态发展，可控风险因素划分受限，会大大增加危化品运输安全风险管控难度。现有评估方法虽在评估对象模糊性上进行了一定程度的分析，但未能很好地解决系统中存在的一些不确定性问题。此外，这些常规评估方法结果具有单一静态性，缺乏对评估对象动态性变化的深入探讨，不能充分体现系统发展趋势的动态随机性及变化规律。针对上述情况，可利用集对分析理论(set pair analysis，SPA)在处理模糊随机性、不确定性等问题上的显著优势和特点，解决部分系统中因不确定性带来的一些问题；不仅可通过模糊联系度对这些不确定性问题进行同异反深入刻画，同时，还可借助集对势观测风险因素动态发展趋势，以便更好地掌握系统变化规律。

基于此，本文构建包含人因失误、车流量、道路线形、技术管理等8个新指标的危化品公路运输安全风险指标体系，采用组合权重的方式解决主观性过强的问题，在SPA理论基础上，引入综合差异度系数概念，确定模糊联系度，结合静态风险等级与集对势中的动态风险趋势，得到风险评估结果，提出危化品公路运输安全风险评估方法，在实现安全风险等级评定的同时，还可动态描述系统中的风险发展态势，更清晰直观地反映风险因素的变化情况，有效弥补静态评估方法的不足。最后用实例验证该方法的可行性，以期为危化品公路运输风险评估提供新手段。

1 危化品公路运输安全风险评估指标体系

危化品自身状态的不稳定，极易导致爆炸、泄漏、毒物扩散等事故发生，其性质活泼、易燃等特点决定了运输过程中对作业人员和运输车辆的特殊要求。危化品运输不仅受道路环境、路侧人口密度、通行条件、自然气候等外部因素的影响，其内部因素如驾驶员行车状态、危化品储存情况、车辆防护设备等均与事故的发生有密切联系。且危化品往往跨省、跨地区运输，运输路线较长，一旦发生事故，极易造成重大损失与人员伤亡。因此，本文整理了8个在危化品公路运输风险因素辨识中易忽略的评估指标及其特征，较全面地考虑了危化品运输的薄弱环节，具体内容如表1所示。

表1 评估指标及其特征

危化品公路运输是一个复杂的系统工程，涉及诸多影响因素。查阅GB 18218—2018《危险化学品重大危险源辨识》[15]等相关政策和条例后，借鉴前人选取的指标[16]，按照全面客观、准确合理的原则，从人、车、路、货、环、管6个方面对危化品公路运输安全风险评估指标体系进行构建。考虑到危化品公路运输的不确定性和波动性，以危化品运输过程中的运动状态为视角，分别从动态和静态两方面建立出6个一级指标，23个评估指标的危化品公路运输安全风险评估指标体系，其中，根据危化品运输的特殊性，本文新引入人因失误、车流量、道路线形、季节情况、恶劣天气、导静电设备、危化品包装与储存、技术管理8个评估指标，具体内容如图1所示。

图1 危化品公路运输安全风险评估指标体系

2 危化品公路运输安全风险评估方法

集对分析理论是一种为了定量描述确定性与不确定性关系的系统分析方法，针对某一特性上的联系进行分类定量刻画[17]。模糊联系度在集对分析的信息意义上以对立刻画为特征，进行了关于确定性与不确定性、同一性与对立性的对立双方2次独立刻画，避免了片面性带来的影响[18]。

常规求取模糊联系度的方法往往以某一评估指标为侧重点[19]，对该评估指标在不同等级中的状态进行同异反模糊刻画，着重对比一个评估指标处于不同等级的模糊联系度大小，以此确定该指标等级。但这较适用于评估指标数相对较少的系统，若应用于评估指标数较多的系统，将会使步骤更为繁琐，降低工作效率。考虑到危化品公路运输安全风险评估的复杂性，可引入综合差异度系数i′进一步确定系统中的稳定因素，得到模糊联系度μ′，实现对危化品公路运输的安全风险评估。

2.1 评估流程

危化品公路运输安全风险评估主要分为4个步骤进行，如图2所示。

图2 危化品公路运输安全风险评估流程图

1)通过搜集大量危化品运输事故案例，基于真实数据并结合中国危化品公路运输现状和国家现行规范，以及目前研究成果，确定指标范围，构建评估指标体系。

2)通过层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和熵权法(entropy weight method，EWM)对各项指标进行主客观权重赋值，确定组合权重。

3)通过综合差异度系数i′求取模糊联系度μ′的表达式。

4)通过风险等级与集对势，确定风险评估结果。

2.2 指标权重确定

由于AHP法人为主观因素较为强烈，EWM法的客观片面性对权重值也有一定影响，因此采取主客观权重结合的形式，可综合系统主观因素的显性特质和客观模糊的隐性映射，既考虑了打分专家积累的评估经验，又有效地利用客观实际数据，降低因主观判断性过强而导致的结果偏差。组合权重ws公式如下：

ws=αws′+(1-α)ws″ ， 0≤α≤1，

(1)

式中：ws′为指标主观权重；ws″为指标客观权重；α的取值由主客观权重偏差值间的平方和最小的原则确定。

2.3 综合差异度系数确定

由集对分析理论可知，差异度系数i的取值是集对分析中衡量确定性与不确定性的重要因素，差异度系数i在[-1，1]上的取值会直接影响系统风险评估结果，因此差异度系数i的确定是集对分析法研究的关键，前人求取差异度系数的研究中[20]，研究对象主要包含固有指标数值的定量元素，通常直接取某一定量元素在特定状态下的常规固有指标数值作为区间定量值x进行计算，从而确定差异度系数。但差异度系数在风险评估的应用中相对较少，且评估指标的分数同样也存在区间定量值。基于此，为了将系统中可确定的部分进一步分离出来，引入综合差异度系数i′，对专家打分分值与组合权重ws进行深入分析。

(2)

(3)

将综合分值xs当作区间定量值，以此确定评分区间具体数值，进而求出综合差异度系数i′，i′表达式为

(4)

式中：i为差异度系数，且i∈[-1，1]；j为对立度系数，j=-1；r1，r2表示评分区间。

2.4 模糊联系度及风险等级确定

设危化品公路运输安全风险评估指标体系组成集合A，指标等级构成集合B，这样就形成了集对H(A，B)，则集合A和集合B的模糊联系度μ′表达式为

(5)

式中：S/N表示为集合A，B的同一度，记为a；F/N为差异度，记为b；P/N为对立度，记为c，这里a，b，c∈[0，1]。由于集合A包含有n项指标，且各指标的权重为wn(n=1，2，…，n)，则危化品公路运输安全风险评估模型模糊联系度μ′可表示为

(6)

根据均分原则，将危化品公路运输风险在区间[-1，1]上均分为3个安全风险等级：[-1，-0.3]，[-0.3，0.3]，[0.3，1]，分别对应危险、基本安全、安全3个等级。模糊联系度μ′值越大，表示系统风险等级越低，安全系数越高。当i=0，j=-1时，说明系统处于不确定度最小和情形最不利状态，此时的模糊联系度μ′可直接反映评估对象的最高风险等级。因此，将i=0，j=-1代入式(6)，可得到模糊联系度μ′的值。

2.5 集对势确定

确定风险等级后，可得模糊联系度集对势，表达式为

(7)

根据态势排序表[21]对模糊联系度表达式中a，b，c分量进行大小比较，通过各评估指标呈现的同、均、反势风险发展状态及所对应的态势等级，可明显观察到评估对象风险趋势强弱程度，动态观测风险趋势变化状态，同时，还可预测评估对象风险发展趋势。集对势3种态势如表2所示。

表2 集对势的分类

2.6 方法特点

在以往研究中，危化品公路运输的评估指标研究相对宏观宽泛，选取某些指标时考虑不够全面。因此，本文在构建危化品公路运输安全风险评估指标体系时，考虑到风险因素辨识中易忽略的评估指标及其特征，引入8个新的评估指标，客观全面地包含了人因失误、车流量、技术管理等系统薄弱环节。

传统安全风险评估方法常以静态评估结果判定系统风险的安全程度，对于系统中不稳定的动态风险因素描述较少，不能充分体现系统发展趋势的动态随机性及变化规律。基于SPA理论，通过讨论综合差异度系数的概念，深入刻画系统中部分可确定因素，根据模糊联系度确定系统静态风险等级，并结合集对势观察评估对象风险趋势强弱程度，不仅能动态观测风险趋势变化状态，还可预测评估对象风险发展趋势。

该方法利用SPA理论中模糊联系度和集对势的优势，解决危化品公路运输系统中的不确定性问题，在获得静态风险评估等级的同时，还能以动态视角观测系统风险的变化情况，具有较强的实用性，可为危化品公路运输安全风险评估提供新途径。然而，本文在划分风险等级的过程中，仅将风险分为安全、基本安全、危险3个等级，划分层次较少，可在后期的研究中持续丰富并优化评估等级的划分标准，增强该方法的科学性。

3 实例应用

3.1 实例简介

以西安某公司至上海的运输任务为例，将危化品公路运输安全风险评估方法应用于该案例。前人在该案例中采用直觉模糊层次分析法与模糊综合评价法构建了危化品道路运输风险评价模型[22]，将评价指标分为19个范畴，对其进行安全风险评价，最后评价结果表示该案例整体运输风险较大，一级指标风险排序为人员因素>组织管理因素>运输环境因素>车辆设备因素>危化品因素。

3.2 指标权重确定

用AHP法和EWM法分别求出各级指标主观权重和客观权重，依据式(1)确定组合权重值。由表3可知，一级指标权重大小排序为A>F>D>B>C>E，其中C为新引入指标，其余一级指标排序与原评价权重排序基本一致。

表3 危化品公路运输安全风险评估指标权重

3.3 综合差异度系数确定

邀请从事危化品运输研究15年以上的10位资深专家，其中6名为正高级职称，4名为副高级职称，依据专家个人知识背景、工作经验对案例中各项评估指标打分，得到30份专家打分表；参考管理人员、从业人员填写的25份有效调查问卷，以及实地调研收集的资料，结合实际情况与国家现行规范DB12/T 771—2018《危险化学品重大危险源安全评估导则》[23]，在相关研究基础上，将评分区间设置为[0，90]，评估等级为危险[0，30]、基本安全[30，60]、安全[60，90]，以专家综合分值作为评判标准，N位相关专家进行等级评价，根据公式uij=Nj/N(N为专家总人数，Nj为评价指标i归为某一安全评价等级的专家人数)，最终得到评判矩阵，见表4。

表4 危化品公路运输安全风险评估指标评判矩阵

再根据式(2)—式(4)计算出综合差异度系数i′，如表5所示。

表5 综合差异度系数

3.4 模糊联系度及风险等级确定

根据式(5)和式(6)计算出模糊联系度的μ′值，确定风险等级，如表6所示。

表6 模糊联系度与风险等级

由表6可知，危化品公路运输整体风险等级为基本安全，所有一级指标风险等级均为基本安全。其中，各一级指标的μ′值大小排序为E>F>D>C>B>A，μ′值越大越安全，μ′值越小越危险，其中危化品因素E最安全，人员因素A最危险。由于危化品按照正常程序完成包装与储存工作，其自身状态不易发生改变，但仍易受到外界因素干扰，故需注意不利因素影响；在人员因素中，安全意识和专业技能为直接影响因素，人因失误、生理素质、心理素质为间接影响因素，而此次任务执行人员工龄相对较短，缺乏工作经验，在运输过程中可能由于执行人员专业技能不足、工作经验缺乏等问题导致事故发生。当前人员因素A的μ′值为-0.29，接近临界值-0.3，极易从基本安全状态转为危险状态，因此，需密切注意执行人员工作状态，降低人员因素A的影响，否则风险等级可能转为危险，致使风险趋势进一步增大。

3.5 集对势确定

由表6的模糊联系度表达式可知各指标a，c的值，则集对势shi(H)见表7。

表7 集对势情况

由表7可知，集对势shi(H)大小排序为E>F>D>C>B>A，危化品因素E风险最低，人员因素A风险最高，与μ′值的结论一致。危化品因素E的shi(H)>1，且a>c>b，处于强同势3级，表明危化品因素在基本安全的风险等级内具有较强稳定性，说明该公司对危化品的包装、储存和运载等工作相当重视，可继续保持和推广；但其余一级指标shi(H)<1，且c>a>b，均处于微反势9级，反映出人员因素A、道路因素B、自然环境因素C、车辆因素D、组织管理因素F在基本安全的风险等级内的同一性较弱，虽然上述5个一级指标的风险等级目前均属于基本安全，但在不利因素影响后，其风险等级可能会转为危险，因此，需加强对执行人员和运输车辆的管理，严格按照组织管理制度进行问题筛查和系统培训，密切关注并监测运输当天途径路段道路环境与自然环境情况，采取措施预防和改善运输条件，降低运输风险。

危化品公路运输整体模糊联系度表达式为μ′=0.393+0.021i+0.586j，c>a>b，属于微反势9级，表明安全发展态势处于反势区间，其危化品运输过程安全状态和理想安全状态相反，即系统朝着风险增大的方向发展。其中，一级指标危化品因素为同势，其余一级指标均为反势。说明系统整体即使处于基本安全的状态，仍存在较大风险上升趋势。

3.6 对比分析

综上所述，本文对该案例的静态整体评估结果为基本安全，动态结果为存在较大风险上升趋势，一级指标风险排序为人员因素>道路因素>自然环境因素>车辆因素>组织管理因素>危化品因素。原评价中整体评估结果为较大风险，一级指标风险排序为人员因素>组织管理因素>运输环境因素>车辆设备因素>危化品因素。通过对比可知，2种方法对系统整体的风险评估结果基本一致，均表示系统存在较大风险；一级指标风险排序中道路因素、自然环境因素是原评价中未出现的指标，可将其视为原评价中的运输环境因素，而2种方法对组织管理因素、运输环境因素、车辆因素三者排序略有不同，可能是由于本文新引入了8个二级指标，风险评估的指标体系不同，不同专家对指标的考量也不相同，故二者评估结果稍有出入，但人员因素与危化品因素排序相同，结合整体结果来看，2种方法的评价结果大体一致。

原评价通过直觉模糊层次分析法和模糊综合法实现了安全风险等级评定，但缺乏对系统风险动态性变化的描述。本文利用SPA中的模糊联系度确定静态风险等级，再结合集对势预测系统动态风险趋势，重点突出动态风险变化过程。当系统安全状态为基本安全，集对势shi(H)=a/c为同势时，若式中c值不变，a值不断增加，那么shi(H)的值会由同势转变为反势，则系统安全状态也会由基本安全转变为危险，可通过管控影响a值增加的风险因素来达到降低系统风险水平的目的。该方法有效弥补了原评价方法的不足，能更全面地反映动、静态风险因素的情况。

4 结 语

1)构建了危化品公路运输安全风险评估指标体系，分别从动态和静态2个方面划分23个评估指标，其中8个为新指标，较为全面地覆盖了危化品公路运输各项指标及影响因素。

2)针对危化品运输的不确定性，基于SPA理论，引入综合差异度系数概念，确定模糊联系度，求得风险等级及集对势动、静态结果，提出一种危化品公路运输安全风险评估方法。

3)危化品公路运输整体状态处于微反势9级，风险较大，与实际情况基本一致。一级指标中，人员因素、道路因素、自然环境因素、车辆因素态势级均呈反势，即风险等级为基本安全的状态下，这些指标动态风险仍存在增大的趋势，需密切监测与管控。

4)在风险等级划分过程中，本文仅将风险分为安全、基本安全、危险3个等级，层次较少，略微简易。在后期的研究中可结合实践，持续优化评估等级的划分标准，增强风险管理决策的科学性。