唐欣文，陳海群，高崇陽，邵 輝

(常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

隨著“21世紀(jì)海上絲綢之路”的快速發(fā)展，我國與其他國家間的貿(mào)易往來越來越頻繁，其中大約有80%以上的貿(mào)易由海運(yùn)來承擔(dān)[1]，隨著貨物吞吐量的增長，我國港口規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，但航道通航事故的頻發(fā)也給港口的可持續(xù)發(fā)展和海運(yùn)安全帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因此，如何通過對港口航道通航的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)來減少航道通航事故的發(fā)生已成為許多學(xué)者關(guān)注的問題。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對港口航道通航安全進(jìn)行了多方面的研究，如賈明明等[2]結(jié)合集值統(tǒng)計(jì)法和灰色模糊理論，建立了航道通航環(huán)境安全評價(jià)模型;王晨等[3]利用熵權(quán)法和Topsis模型建立了航道引航環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，并以長江江蘇段4段航道為實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證；王杰等[4]通過粗糙集消除冗余指標(biāo)，利用集對分析方法評價(jià)了我國沿海主要集裝箱港口航道通航安全；Trucco等[5]以海上交通為例，提出了基于貝葉斯置信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜社會技術(shù)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型；Ahmad等[6]以Pisang島航道為例，驗(yàn)證了通航過程中島上的船舶交管系統(tǒng)(VTS)雷達(dá)作用明顯優(yōu)于岸上雷達(dá)。

綜上可見，上述評價(jià)方法和評價(jià)模型側(cè)重點(diǎn)各不相同，大都是以定性的方式來評價(jià)航道通航安全狀況的，且所考慮的影響因素基本是固定的，僅側(cè)重于影響航道通航安全的某一方面進(jìn)行研究，但航道通航安全狀況的影響因素復(fù)雜多變，雖然其安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究取得了一定的效果，但仍然有待完善和發(fā)展?？赏貎?yōu)度[7-9]是可拓學(xué)中一種能高效處理矛盾相容、定性和定量相結(jié)合的新型風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法，而將層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合，運(yùn)用距離函數(shù)可確定更加合理的指標(biāo)權(quán)重比例。因此，本文嘗試將可拓優(yōu)度與綜合權(quán)重相結(jié)合應(yīng)用于港口航道通航的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，進(jìn)而綜合評價(jià)港口航道通航的安全性。

1 構(gòu)建港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型

1.1 構(gòu)建港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系

港口航道通航安全主要包括水面、水下、水上、沿岸等對水上交通安全的影響[10]，涉及人、船、環(huán)境和管理四大方面，在研究水域船舶通航安全時(shí)，通常不考慮人的因素和船舶自身的因素。本次研究首先調(diào)查了國內(nèi)航運(yùn)事故統(tǒng)計(jì)中典型的52起港口航道事故[11]，確定了17個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)；然后對某港口航道進(jìn)行實(shí)地考察，結(jié)合其運(yùn)行狀況和運(yùn)行特點(diǎn)，對17個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了提取，保留了對港口航道通航安全影響比較大的因素；最終確定了港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系，包括3個(gè)一級指標(biāo)和12個(gè)二級指標(biāo)，詳見圖1。

圖1 港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Risk evaluation index system of harbor channel navigation

1. 2 港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)因素表征

在上述二級指標(biāo)中，航道水深對船舶舵效和操縱性能產(chǎn)生很大的影響，航道水深較淺時(shí)，反而會發(fā)生“淺水現(xiàn)象”。航道水深用設(shè)計(jì)最低通航水位至航道底最淺處的水深表示，單位為m；船寬用船寬與航道最窄寬度比來表示；航道彎曲轉(zhuǎn)向點(diǎn)和障礙物對船舶進(jìn)出港安全影響明顯，兩者均用個(gè)數(shù)表示；能見度越高，航行危險(xiǎn)度越低，平均霧天數(shù)取能見度不超過2 km的霧日數(shù)；風(fēng)況越惡劣，越容易偏離航線，航行越危險(xiǎn)，風(fēng)況取年標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)天數(shù)[4]；通航水域流速用航道中水流在單位時(shí)間內(nèi)所經(jīng)過的距離表示，單位為m/s；潮汐會增加船舶擱淺和碰撞的危險(xiǎn)，潮汐用潮差表示,單位為m；航道交通流密度越大，需要避讓的次數(shù)越多，航行危險(xiǎn)度越高，航道交通流密度取日均通過船舶量，單位為艘/d；導(dǎo)助航設(shè)施、船舶交管系統(tǒng)(VTS)和靠泊條件越完善、性能越好，越有利于航行安全，對這三者采用1～9模糊評價(jià)，1表示最好，程度隨數(shù)字遞減，9表示最差。

2 港口航道通航可拓優(yōu)度風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法

可拓優(yōu)度風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法的基礎(chǔ)是可拓集合理論，包括可拓集合、關(guān)聯(lián)函數(shù)和可拓關(guān)系。港口航道通航可拓優(yōu)度風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法的具體流程如下。

2. 1 確定評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)圖1列出的影響港口航道通航的風(fēng)險(xiǎn)因素，建立了風(fēng)險(xiǎn)因素的指標(biāo)層B={B1,B2,B3}和因素層C={C1,C2,…,C12}。

2. 2 確定經(jīng)典域和節(jié)域

以上述因素層C為例，設(shè)定的經(jīng)典域?yàn)?/p>

(1)

式中：N0j表示航道通航風(fēng)險(xiǎn)等級；V0j表示等級j在第k個(gè)指標(biāo)的值域；(a0jk，b0jk)表示Ck取值范圍的上限和下限；j=1,2,…,m；k=1,2,…,n。

節(jié)域表示為

(2)

式中：Np表示物元系統(tǒng)中航道通航風(fēng)險(xiǎn)等級的全體；Vpk表示指標(biāo)Ck的值域；(apk，bpk)表示指標(biāo)Ck取值范圍的上限和下限；j=1,2,…,m；k=1,2,…,n。

2. 3 確定待評價(jià)物元

待評價(jià)物元為

(3)

式中：N表示航道通航風(fēng)險(xiǎn)等級；Vk表示N所能得到的評價(jià)特征Ck的量值，其中k=1,2,…,n。

2. 4 計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)

評價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為

(4)

其中:

|V0jk|=|b0jk-a0jk|

式中：Djk表示評價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)；δ(Vk，V0jk)表示量值Vk與V0jk區(qū)間的距離;δ(Vk，Vpk)表示量值Vk與Vpk區(qū)間的距離;j=1,2,…,m；k=1,2,…,n。

2. 5 確定指標(biāo)的綜合權(quán)重

2.5.1 三標(biāo)度層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

層次分析法(AHP)主要是利用專家評價(jià)信息，通過逐層比較其關(guān)聯(lián)因素來分析和預(yù)測事故的發(fā)展。傳統(tǒng)AHP需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，本次構(gòu)造了最優(yōu)傳遞矩陣，省略了一致性檢驗(yàn)的步驟，并簡化了計(jì)算過程，其標(biāo)度參見表1。

表1 三標(biāo)度賦值表Table 1 Scale of zero to two

利用三標(biāo)度層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重的具體步驟如下：

(1) 構(gòu)造判斷矩陣R:

R=(rxy)n×n(x=1,2,…,n；y=1,2,…,n)

2.5.2 熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

假設(shè)有m個(gè)航道，n個(gè)評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣R=(rak)m×n(a=1,2,…,m；k=1,2,…,n),利用熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的具體步驟如下：

(1) 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后,得出第k個(gè)評價(jià)指標(biāo)下的第a個(gè)航道的比重：

(5)

(2) 計(jì)算指標(biāo)的信息熵：

(6)

其中，當(dāng)Pak=0時(shí)，令PaklnPak=0。各評價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)wk為

(7)

2.5.3 采用距離函數(shù)計(jì)算指標(biāo)的綜合權(quán)重

為了使層次分析法與熵權(quán)法得到的權(quán)重及其相應(yīng)的分配系數(shù)差異程度一致，本次研究采用距離函數(shù)計(jì)算指標(biāo)的綜合權(quán)重。設(shè)層次分析法與熵權(quán)法的研究距離為d(ωe，we)(e=1,2,…,n)，兩者的權(quán)重分配系數(shù)為β和α，專家建議約定α>β，則有

(8)

d(ωe,we)2=(β-α)2

(9)

對于評價(jià)指標(biāo)e的綜合權(quán)重λe，其值為上述兩者權(quán)重的線性加權(quán)，即λe=βωe+αwe。

2. 6 確定港口航道通航的風(fēng)險(xiǎn)等級

計(jì)算港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)物元N關(guān)于等級j的加權(quán)關(guān)聯(lián)度Kj(N)：

(10)

(j=1,2,…,m;k=1,2,…,n)

式中：Kj為關(guān)聯(lián)度Kj(N)中的最大值，即Kj=max{Kj(N)}，據(jù)此可判定港口航道通航物元N所屬的風(fēng)險(xiǎn)等級。

3 實(shí)例應(yīng)用與分析

本文將上述可拓優(yōu)度風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法應(yīng)用于某港口航道通航的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中。

首先，設(shè)計(jì)了“港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)因素AHP評價(jià)表”，聯(lián)系了3名安全專業(yè)教授、2名港口航道安全專家進(jìn)行打分；然后，通過專家咨詢和參考航道風(fēng)險(xiǎn)研究的相關(guān)文獻(xiàn)[4]后，選取5個(gè)航道建立港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)影響因素?cái)?shù)據(jù)表，詳見表2。港口航道通航的安全受氣候、洋流的影響較大，為了能在相對統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算，此次選取的5個(gè)航道均受亞熱帶季風(fēng)氣候控制。

表2 港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)影響因素?cái)?shù)據(jù)表Table 2 Influence factors of the navigation risk of harbor channel

3. 1 確定港口航道通航的風(fēng)險(xiǎn)等級

參照港口航道的相關(guān)規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)，并參照已有研究成果[12-13]和港口航道通航安全分類標(biāo)準(zhǔn)[14-15]，將港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)等級分為5個(gè)等級：M1表示低危險(xiǎn)度；M2表示較低危險(xiǎn)度；M3表示中等危險(xiǎn)度；M4表示較高危險(xiǎn)度；M5表示高危險(xiǎn)度，并確定單因素風(fēng)險(xiǎn)等級的量值范圍，詳見表3。

表3 單因素風(fēng)險(xiǎn)等級的量值范圍Table 3 Ranges of the single factor risk levels

由于評價(jià)指標(biāo)具有不同的量綱單位，為了根除由此產(chǎn)生的指標(biāo)的不可公度性，采用極差法對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，其計(jì)算公式如下[9]：

(11)

(12)

式中：bij為指標(biāo)原始數(shù)據(jù)經(jīng)無量綱化后的結(jié)果；Xij為指標(biāo)原始數(shù)據(jù)；max(Xij)和min(Xij)分別為指標(biāo)數(shù)據(jù)最大值和最小值。

指標(biāo)數(shù)據(jù)利用公式(11)、(12)經(jīng)無量綱化處理后的結(jié)果，詳見表4。

表4 無量綱化處理后各因素風(fēng)險(xiǎn)等級的量值范圍Table 4 Ranges of the risk levels of the factors after dimensionless processing

3. 2 港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)的可拓優(yōu)度評價(jià)

以連云港某航道為例，為統(tǒng)一量綱進(jìn)行比較，將該航道各因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，經(jīng)處理后的結(jié)果見表5。

表5 連云港某航道各因素經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的結(jié)果Table 5 Values of standardized influence factors of a channel of Lianyungang port

(1) 由表4可知，將5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級的量值范圍作為經(jīng)典域，以航道條件B1為例進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)公式(1)、(2)、(3)分別確定經(jīng)典域R0j、節(jié)域Rp、待測評物元R如下：

R0j=

(2) 根據(jù)公式(4),計(jì)算C1～C4因素層的關(guān)聯(lián)系數(shù)，其計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 不同等級上C1～C4因素層的關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 6 Correlation coefficient of C1～C4 index layer factors at different levels

(3) 通過對“港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)因素AHP評價(jià)表”進(jìn)行分析計(jì)算后，得到港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)因素的AHP權(quán)重，再采用熵權(quán)法利用公式(5)至(7)結(jié)合表1確定指標(biāo)的熵權(quán)重，最后利用公式(8)、(9)確定指標(biāo)的綜合權(quán)重，其結(jié)果見表7。

(4) 根據(jù)公式(10)，可計(jì)算得到航道條件B1風(fēng)險(xiǎn)因素的加權(quán)關(guān)聯(lián)度；同理，可計(jì)算得到航行環(huán)境B2和助航條件B3風(fēng)險(xiǎn)因素的加權(quán)關(guān)聯(lián)度，其計(jì)算結(jié)果見表8。

表7 指標(biāo)的權(quán)重表Table 7 Weight of Indexes

表8 指標(biāo)層的加權(quán)關(guān)聯(lián)度Table 8 Weighted correlation coefficient of the criterion layer factors

(5) 最后利用公式(4)至(10)，計(jì)算得到該港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)因素的綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度，并確定風(fēng)險(xiǎn)等級，詳見表9。

表9 連云港某港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)因素的綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度Table 9 Comprehensive weighted correlation coefficient of the risk factors of a channel of Lianyungang port

由表9可知，該港口航道通航風(fēng)險(xiǎn)因素的綜合加權(quán)關(guān)聯(lián)度為1.52，故通航風(fēng)險(xiǎn)等級處于較低危險(xiǎn)度；但由表8可知，該港口航道條件和助航條件處于中等危險(xiǎn)度，建議重視其航道條件和助航條件的改善。

4 結(jié) 論

(1) 利用層次分析法和熵權(quán)法共同確定指標(biāo)的綜合權(quán)重，有利于克服權(quán)重系數(shù)確定方法單一的局限性，使權(quán)重系數(shù)更加客觀和準(zhǔn)確。

(2) 將可拓優(yōu)度風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法引入到港口航道通航的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，不僅可以確定最終的風(fēng)險(xiǎn)等級，還可以根據(jù)計(jì)算過程確定因素層指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級，有助于從事故發(fā)生根源去提高港口航道通航的本質(zhì)安全。

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