多层次灰色理论在内河高桩码头风险评价中的应用

唐 彬，覃露兴，林 东

(重庆交通大学河海学院，重庆 400074)

码头作为船舶系靠的重要水工建筑物，如何控制其安全事故的发生，对码头正常运行至关重要。对码头进行风险评价可以提前了解其风险水平，保障其运营期间的安全稳定。在码头风险评价方面很多学者从不同的角度以及方法展开了研究，在桩基工程方面，洪宁宁等[1]以沉桩工程为风险评价对象，建立了沉桩工程风险评价指标的层次结构模型；朱琳[2]使用了蒙特卡洛有限元方法，并结合了可靠度理论和模糊数学理论，对在施工期内的深水枯基工程项目进行了风险评价。在港口施工方面，张治敏[3]在分析沉箱码头施工工艺流程和特性的基础上，建立了沉箱码头施工风险评价模型，并运用层次分析法对沉箱码头施工工程的进行了风险评价；侯志强等[4]结合水运工程的施工特性，制定了风险事故后果和可能性衡量指标的定值评定标准。在港口管理方面，屠洪珍[5]对港口建设中可能面临的各种风险进行了辨识，然后采用模糊层次法对温州乐清港进行了风险评价，建立了港口项目的风险管理体系；秦进[6]从港口码头可持续发展水平的角度出发，以层次分析法和灰色系统理论为基础，建立了多层次灰色评价模型，对港口码头项目的可持续发展水平进行了相关风险评价。

结合内河高桩码头的自身特点，本文在灰色理论的基础上，基于多层次风险评价方法，建立了内河高桩码头风险评价体系。以重庆港忠县新生作用区一期工程为例，根据建立的内河高桩码头多层次灰色评价模型，计算确定了各层次风险因素的权重和综合评价值。

1 内河高桩码头风险评价模型的建立

1.1 多层次风险评价方法

本文根据层次分析法的基本原理[7-9]把内河高桩码头的风险定为评价目标A，依次确定B为一级指标Bi(i=1，2，3，…)；C为二级指标Ci(i=1，2，3，…)；D为三级指标Di(i=1，2，3，…)。

1.2 风险评价指标体系

在进行风险评价之前，首先确定风险评价的指标体系。根据影响内河高桩码头风险因素进行综合分析，将码头建设规划期(B1)，码头建设设计期(B2)，码头建设施工期(B3)，码头建设运营期(B4)作为影响码头风险的一级指标，同时选择了13个二级指标和17个三级指标。具体评价指标体系见表1所示。

表1 内河高桩码头风险评价指标体系

1.3 评价等级的确定

由于评价指标属于定性指标，可以通过制定评价指标的相应评分等级标准的方法将原本是定性的指标转化为定量指标[10]。即采用低风险、一般风险、较高风险、高风险和极高风险几个评分等级表示评价指标U的风险大小，并相应的给5个风险等级赋值分别为1、2、3、4、5，两风险等级之间赋值为1.5、2.5、3.5、4.5。

1.4 评价指标权重的确定

在内河高桩码头风险评价过程中，各级指标对目标的影响程度具有不同的效应。在专家打分和实地调查的基础上构造判断矩阵，具有满足一致性的判断矩阵对应的特征向量各分量即为指标层的权重[11-13]。在本文中，各个风险评价指标相应的权重是由层次分析法(AHP)确定的。首先通过构件矩阵计算求解各级指标均满足一致性检验。其中，一级评价指标Ui的权重集为W=(W1，W2，W3，W4)，其中W≥0，∑Wi=1。相应的二级评价指标Uij的权重集为Wi=(Wi1，Wi2，Wi3，Wi4)，其中Wi≥0，∑Wij=1。

1.5 评价样本矩阵的建立

在数理统计中，需要有大量的样本数据且数据需要服从一种典型的分布，然而在灰类评价中只需要少量的数据就可以建立相应的评价模型，对数据没有特殊要求。设有m位学科领域的评价专家，每位领域内的评价专家都有相应的序号为k，k=1，2，3…，m。组织这些学科领域内的评价专家，按照评价指标U的评分等级标准对第x个评价对象进行评分。根据评价专家的评分，即可根据第k个评价专家，对第x个评价对象给出的分数d，得到对第x个评价对象的评价样本矩阵Dx。具体矩阵见式(1)。

(1)

1.6 评价灰类的确定：

由于专家评分之间的差异性，为了能更准确地反映出第x个评价对象属于某风险等级的程度，因此需要确定相应的评价灰类，即需要确定评价灰类的等级、灰类的灰数以及相应的白化权函数。假设有n个评价灰类，用h来表示评价灰类的等级数，h=1，2，3…n。白化权函数主要分为典型、上限测度、适中测度、下限测度白化权函数。本文采用低风险、一般风险、较高风险、高风险、极高风险5个等级来表示评价的灰类，通过综合分析比较确定选用典型白化权函数作为评价的白化权函数。

灰类评价的白化权函数见图1所示。

a)第1灰类

1.7 灰色评价系数的计算

(2)

(3)

1.8 灰色评价权向量及权矩阵的计算

(4)

(5)

1.9 综合评价

对码头风险做综合评价，其评价结果记为B(x)，表示为：

(6)

1.10 综合评价值的计算及排序

根据灰类等级按“灰色水平”赋值，则得到评价灰类转化向量C=(1，2，3，4，5)。则码头风险综合评价值记为：

R(x)=B(x)×CT

(7)

计算得出综合评价值R(x)后，就可以根据综合评价值的大小给出x个评价对象风险的高低。

2 应用实例

本文以重庆港忠县港区新生作业区一期工程为例，运用建立的内河高桩码头多层次风险评价模型，对其进行相应的风险评价，以检验评价模型的合理性和实用性。

2.1 工程项目概况

拟建的重庆港忠县港区新生作业区一期工程位于长江左岸的重庆市忠县新生镇旁。拟建工程共布置了8个泊位，从上游至下游依次布置1#滚装泊位和2#～8#多用途泊位，码头前沿线布置在135.0 m等高线附近。本工程后方陆域纵深约1 260 m，分为两块，一块位于泊位的正后方，主要布置堆场、仓库和生产辅助区；另一块临近进港道路进口，主要布置仓储和加工区。码头区地貌总体上属于构造剥蚀丘陵地貌，地形变化起伏大，地形坡角一般为0～30°，局部达45°。在三峡水库蓄水时会形成香水溪和秀水溪，走向东北。钟坝河岸坡地形平缓处地形坡角约5°～8°，该地段上覆为坡残积层粉质粘土，土层厚度约一般1～2 m；该段岸坡地形较陡处多为基岩出露，地形为15°～30°，局部为50°。

2.2 风险评价指标权重的确定

为了获得评价指标，通过在学校和设计院邀请港口领域的5位相关专家，对本工程的风险分别进行打分。经专家打分结果分析，由式(1)(2)得到样本矩阵，将风险因素的重要程度用数值的形式表示，得到评分分值，根据评分分值构建评价样本矩阵D。

D=(D1，D2，D3，D4)T。

2.3 灰色评价系数的确定

对于评价指标C1环境风险，以专家评价矩阵D为基础，由公式(3)计算得：

可以求得，评价指标C1环境风险的总灰色评价数为：

2.5 一级指标综合评价

2.6 目标A综合评价

求得重庆港新生港区一期工程的总灰色评价矩阵为：

对于码头风险A进行综合评价，由公式(6)计算其评价结果为：

=[0.130 8 0.367 2 0.286 9 0.215 1]。

2.7 计算码头风险综合值，判定码头风险等级

可由公式(7)得到新生港区一期工程的单值化综合评价值为：

R(1)=B(1)×CT=[0.130 8 0.367 2 0.286 9 0.215 1]·[1 2 3 4]T=2.586 3。

同理得到第二层各类风险的综合评价值分别为：

2.8 评价结果分析

由上述计算结果可知：该码头的建设风险处于一般风险和高风险之间，也就是说该码头建设项目全过程的风险水平一般偏上水平。各阶段风险也在一般风险和高风险之间，且施工期的风险最大。

3 结语

1) 根据内河高桩码头的自身特点，确定了影响码头风险的4个一级评价指标(施工期、运营期、设计期和规划期)以及13个二级评价指标和17个三级评价指标。

2) 本文以“少信息—简单化—数字化”为总体思路，基于层次分析法和灰色理论建立了内河高桩码头多层次灰色评价模型。

3) 结合重庆港忠县港区新生作业区一期工程，采用提出的风险指标体系和多层次灰色评价模型对码头项目进行风险评价，得出了该码头项目的整体风险处于一般风险和高风险之间；四个阶段风险从大到小排列为施工期>运营期>设计期>规划期。

4) 内河高桩码头建设项目是一个庞大且复杂的系统性工程，每一个周期内环节复杂，不确定性因素众多，还需要进行更多的资料收集以及对更多的实际项目进行实践检验进行分析。