潘 濤，張 帆，陳明生，熊 偉*

(1.大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，大連 116026；2.中航通飛研究院有限公司，珠海 519040)

目前，中國在南海的救助基地只能覆蓋到西沙海區(qū)，對于廣闊的南海尤其是航線密集的南沙群島海域還存在很多搜救空白區(qū)，因此在遠(yuǎn)海島礁部署海上救助基地已成為亟待解決的問題。中國自主研發(fā)的大型水陸兩棲飛機(jī)AG600具備遠(yuǎn)航程、低空低速搜尋、可執(zhí)行多種救援模式等優(yōu)點。因此研究中國大型水陸兩棲飛機(jī)在中遠(yuǎn)海海上搜救的應(yīng)用，以及在中國南海海域島礁的部署具有重大的研究價值與意義[1]。

石偉等[2]基于空間配置對南沙島礁可達(dá)性進(jìn)行了研究；張荷霞等[3]運用層次分析法和熵權(quán)系數(shù)法對南沙部分島礁的戰(zhàn)略價值進(jìn)行評價；成王玉等[4]運用模糊層次綜合評價法對南沙東部島礁的戰(zhàn)略價值進(jìn)行評價；陶夏妍[5]對南海海域救助動態(tài)值班點部署進(jìn)行了研究；吳曉林[6]對南海海區(qū)專業(yè)救助力量部署進(jìn)行了研究。

分析發(fā)現(xiàn)，前人研究僅針對南海島礁或救助力量單方面進(jìn)行分析研究，而在進(jìn)行救助力量在南海島礁部署規(guī)劃時，需要考慮雙方的自身特點能否滿足各自的需求?；诖?，將傳統(tǒng)模糊綜合評價的隸屬度確定方法進(jìn)行改進(jìn)，從客觀角度理性評價了在南海島礁部署水陸兩棲飛機(jī)的合理性程度。

1 評價指標(biāo)體系

1.1 評價指標(biāo)的選取

在南海島礁部署大型水陸兩棲飛機(jī)，需要針對飛機(jī)自身的性能參數(shù)和設(shè)計指標(biāo)，考慮中國南海各島礁的自然條件和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是否滿足飛機(jī)的部署要求。尤其對于中國中遠(yuǎn)海海上搜救的發(fā)展現(xiàn)狀，要考慮將水陸兩棲飛機(jī)部署在中國南沙群島的某些島礁，未來用于執(zhí)行遠(yuǎn)海搜救任務(wù)。

圖1 南海島礁部署水陸兩棲飛機(jī)合理性評價體系Fig.1 A rational evaluation system for the deployment of amphibious aircraft on the South Island Reef

目前中國在南沙群島的永暑礁、渚碧礁和美濟(jì)礁已建設(shè)完成機(jī)場、碼頭、通信設(shè)施、氣象觀測站等基礎(chǔ)設(shè)施，若實現(xiàn)大型水陸兩棲飛機(jī)在南海島礁的部署，這樣中國可以覆蓋對南海更遠(yuǎn)端以及公海區(qū)域的救助范圍，以此明確大型水陸兩棲飛機(jī)在中國航空應(yīng)急救援體系中的定位，彌補(bǔ)中國遠(yuǎn)?？焖倬仍α康牟蛔?，最終實現(xiàn)中國海上搜救能力的大幅提升，為中國建設(shè)海洋強(qiáng)國提供保障。

針對大型水陸兩棲飛機(jī)AG600的設(shè)計指標(biāo)，以及南海島礁的自然條件和建設(shè)情況，將AG600部署在南海哪一島礁最為合理，這種合理性的說明要通過構(gòu)建一種科學(xué)評價方法進(jìn)行說明。因此結(jié)合研究南海問題的相關(guān)專家建議，以及通過咨詢水陸兩棲飛機(jī)制造方的意見，遴選出5項一級指標(biāo)，16項二級指標(biāo)構(gòu)建出南海島礁部署水陸兩棲飛機(jī)合理性的評價體系，如圖1所示。

設(shè)定部署合理性評價的目標(biāo)層為U，準(zhǔn)則層為U={U1,U2,U3,U4,U5}={自然環(huán)境，基礎(chǔ)設(shè)施，氣象條件，水文條件，安全防護(hù)}，方案層依次為U1={U11,U12,U13}={島礁面積，潟湖面積，錨地狀況}，U2={U21,U22,U23,U24}={醫(yī)療條件，機(jī)場建設(shè)，碼頭建設(shè)，通訊設(shè)施}，U3={U31,U32}={能見度，風(fēng)}，U4={U41,U42,U43,U44}={波浪，水流，潮汐，水深}，U5={U51,U52,U53}={通航航道，助航標(biāo)志，鳥擊危害}。

1.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

運用層析分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，首先構(gòu)造每一層次指標(biāo)的兩兩判斷矩陣，依據(jù)專家打分法對兩指標(biāo)間的重要性等級進(jìn)行賦值，其次借助MATLAB程序?qū)γ恳慌袛嗑仃囘M(jìn)行一致性檢驗，若通過一致性檢驗則求得各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，若不通過則修改該矩陣重新進(jìn)行檢驗，最終匯總得到的各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)如表1所示。

表1 各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)Table 1 Weighting factors of each evaluation index

2 隸屬度的確定

2.1 合理性與隸屬度的轉(zhuǎn)換

目前確定隸屬度所運用方法有二元對比排序法、模糊統(tǒng)計法等，常用的是專家打分法，即邀請若干位研究該問題的專家學(xué)者，對各評價指標(biāo)所屬的評價等級進(jìn)行打分，統(tǒng)計各指標(biāo)所屬各等級的頻數(shù)，經(jīng)過歸一化處理便可得到各指標(biāo)對應(yīng)各等級的隸屬度。這種方法的缺點是需要依靠相關(guān)專家，并且各位專家的觀點不一，得到的評價結(jié)果具有很強(qiáng)的主觀性，而且該方法工作量大，需要制作發(fā)放調(diào)查問卷，回收并統(tǒng)計大量數(shù)據(jù)。

在確定各指標(biāo)的隸屬度時，采取一種巧妙的轉(zhuǎn)化方式，首先建立各評價等級與合理性之間的函數(shù)關(guān)系，其次建立各評價指標(biāo)與合理性之間對應(yīng)的隸屬函數(shù)關(guān)系，最終通過兩次函數(shù)轉(zhuǎn)換得到各評價指標(biāo)關(guān)于各評價等級的隸屬度。該方法的好處是不用依靠專家進(jìn)行主觀評價，通過將數(shù)據(jù)代入隸屬函數(shù)得到隸屬度，而且對應(yīng)各評價等級的隸屬度比較集中，使得到的評價結(jié)果客觀準(zhǔn)確。

設(shè)定評語集V={V1,V2,V3,V4,V5}={很不當(dāng)，較不當(dāng)，一般，較合適，很合適}={-2,-1,0,+1,+2}，則建立合理性與評價等級之間的隸屬度轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示，五條曲線對應(yīng)上述五個評價等級的隸屬度對于給定某一合理性值a，屬于“很不當(dāng)”(-2)的隸屬函數(shù)如式(1)所示。

圖2 合理性與評價等級之間的隸屬度轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.2 Membership relationship between rationality and evaluation level

(1)

屬于“較不當(dāng)”(-1)的隸屬函數(shù)如式(2)所示：

(2)

屬于“一般”(0)的隸屬函數(shù)如式(3)所示：

(3)

屬于“較合適”(+1)的隸屬函數(shù)如式(4)所示：

(4)

屬于“很合適”(+2)的隸屬函數(shù)如(5)所示：

(5)

2.2 各指標(biāo)隸屬度的確定

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對以上16項二級指標(biāo)的基本含義進(jìn)行解釋，并依次確定各指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。

2.2.1 自然環(huán)境

(1)島礁面積:在南海島礁部署水陸兩棲飛機(jī)，需要為其建設(shè)機(jī)場跑道、助航標(biāo)志等設(shè)施，因此對所部署的島礁面積有一定的要求，島礁面積最低不得小于1 km2，若島礁面積大于2 km2建設(shè)陸上機(jī)場跑道非常合適。該指標(biāo)滿足偏大型的梯形分布，對應(yīng)的隸屬度函數(shù)如式(6)所示：

(6)

(2)潟湖面積:南海島礁以珊瑚礁為主，珊瑚礁所形成的壩體將海水分割，在壩體的內(nèi)側(cè)便形成半封閉或封閉式潟湖，潟湖內(nèi)部不易受到臺風(fēng)和風(fēng)暴潮的影響，最適宜進(jìn)行水上飛機(jī)機(jī)場的建設(shè)。根據(jù)水上機(jī)場飛行場地指標(biāo)規(guī)定，水上跑道長度不宜小于2 500 m，最小跑道寬度為200 m，水上起降水域面積不得小于0.5 km2。該指標(biāo)滿足偏大型的矩形分布，對應(yīng)的隸屬度函數(shù)如式(7)所示。

(7)

(3)錨地狀況:南海島礁現(xiàn)有的錨地可作為水陸兩棲飛機(jī)的天然避風(fēng)之地，考慮當(dāng)?shù)貙嶋H錨地數(shù)量與船舶錨地計算需求量之間的比值[7]，若比值小于0.5則視為不合適，若大于0.9則視為很合適，則得到該指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如式(8)所示。

(8)

2.2.2 基礎(chǔ)設(shè)施

(1)醫(yī)療條件:將水陸兩棲飛機(jī)部署到南海某島礁后，該島礁上需具備完善的醫(yī)療設(shè)施，可對被救人員的各種傷情進(jìn)行進(jìn)一步醫(yī)療處置，如低溫癥、出血、燒傷等病情。通過列舉出了人員常見的突發(fā)狀況，考慮某島礁上的醫(yī)院針對這些病情是否具備初步醫(yī)療處置能力，進(jìn)行賦值累加，若處置項大于23項視為合理性為1，小于5項則視為不合適。則該指標(biāo)對應(yīng)的隸屬度函數(shù)如式(9)所示:

(9)

(2)機(jī)場建設(shè):水陸兩棲飛機(jī)陸上跑道長度不宜小于2 000 m，寬度不小于35 m，陸上機(jī)場跑道總面積不得小于0.07 km2。則得到該指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如式(10)所示:

(10)

(3)碼頭建設(shè):水陸兩棲飛機(jī)靠泊碼頭的系泊水域?qū)挾扔嬎闳缡?11)所示[8]:

W=0.5B+0.5M+d

(11)

式(11)中:W為系泊水域?qū)挾龋籅為船身寬度；M為飛機(jī)翼展；d為系泊水域的富裕寬度，根據(jù)飛機(jī)機(jī)身長度取值為2 m。

對于單個順岸停泊的飛機(jī)，系泊水域長度可按式(12)確定：

L=l+2da

(12)

式(12)中:L為系泊水域長度；l為飛機(jī)機(jī)身長度；da為前后富裕間距，一般取6 m。

代入飛機(jī)尺寸參數(shù)可得碼頭系泊水域長度不得小于50 m，寬度不得小于25 m，總面積不得小于1 250 m2。則該指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如式(13)所示：

(13)

(4)通訊設(shè)施:通訊設(shè)施是進(jìn)行海上搜索救援的關(guān)鍵保障，海上通信通常要求達(dá)到100%的覆蓋率，當(dāng)覆蓋率小于80%時，此時應(yīng)急通信不足以滿足海上搜救的要求，將給海上搜救工作帶來困難。通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋率越高，越能滿足海上搜救的要求，因此采用偏大型半梯形分布來構(gòu)造通訊設(shè)施隸屬度函數(shù)如式(14)所示:

(14)

2.2.3 氣象條件

(1)能見度：能見度不良是干擾飛行員駕駛的致命因素，影響能見度的主要因素有霧、降水、低云等氣象，將能見距離作為能見度的評價標(biāo)準(zhǔn)，若能見度小于2 km視為能見度低劣，能見度大于10 km視為良好。則能見度指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如式(15)所示:

(15)

(2)風(fēng):南海海區(qū)5—9月為西南季風(fēng)期，10月—次年4月為東北季風(fēng)期，水陸兩棲飛機(jī)起飛前首先要確定好風(fēng)向，正常著陸就是逆風(fēng)著陸，飛機(jī)側(cè)風(fēng)起飛時需要抵消側(cè)力的影響，如果不作修正，側(cè)力可以導(dǎo)致飛機(jī)傾覆，AG600水上起降所受橫向風(fēng)速要求不大于10.3 m/s。因此根據(jù)風(fēng)力等級表確定島礁的常年盛行風(fēng)力不得大于5級。該指標(biāo)采用偏小型的矩形分布，得到隸屬度函數(shù)如式(16)所示:

(16)

2.2.4 水文條件

(1)波浪:水上機(jī)場的選址要避開大型涌浪區(qū)域，避開吃水很深的船只經(jīng)過而頻繁產(chǎn)生涌浪的地點。波動水面對飛機(jī)的起飛安全有很大影響，著陸時飛機(jī)要以更小的仰角著陸。過于平靜的水面對水上飛機(jī)運行也不利，最適宜水上飛機(jī)運行的是有適當(dāng)擾動的水面。對于較大的船身式水上飛機(jī)，浪高不宜超過60 cm。AG600最大抗浪能力可達(dá)2 m。則該指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如式(17)所示:

(17)

(2)水流：飛行員要根據(jù)風(fēng)、水流速度和附近的河岸或其他障礙情況來決定是順著水流還是逆著水流起飛和著陸，一般水上機(jī)場選址區(qū)域要避免水流速過大的區(qū)域，一般應(yīng)小于3 m/s，建議小于1.5 m/s。則該指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如式(18)所示：

(18)

(3)潮汐：考慮南海島礁附近海域潮汐作用造成潮差引起的水位變化，水位變化過大的島礁，不適合建設(shè)水上機(jī)場，水位變化超過0.45 m，一般需考慮建設(shè)浮動式碼頭和聯(lián)系橋；水位變化超過1.8 m，需要根據(jù)岸邊坡度進(jìn)行特殊處理。則該指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如式(19)所示：

(19)

(4)水深：水陸兩棲飛機(jī)的水上運行區(qū)、碼頭停泊區(qū)和錨泊區(qū)應(yīng)當(dāng)滿足設(shè)計最小水深要求，建議最小水深滿足最大機(jī)型滿載吃水、最小安全富裕深度與備淤深度之和。由此可得AG600要求最低水深為2.6 m，建議最小水深為4.6 m。該指標(biāo)適合偏大型梯形分布，得到的隸屬度函數(shù)如式(20)所示。

(20)

2.2.5 安全防護(hù)

(1)通航航道：通航航道指島礁區(qū)周圍船舶的交通量，交通量越大導(dǎo)致水陸兩棲飛機(jī)水面起降時，與船舶會遇的概率越大，飛機(jī)操縱的余量減少，雙方發(fā)生事故的概率越大。因此島礁周圍船舶的交通量也間接影響著水陸兩棲飛機(jī)部署的合理性，對于島礁周圍水域每日船舶平均艘次小于10艘視為安全，大于70艘視為危險。則該指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如式(21)所示:

(21)

(2)助航標(biāo)志:水面障礙物是指島礁周圍設(shè)置的供船舶安全航行的燈光信號標(biāo)志，包括浮標(biāo)、燈塔等，這些助航標(biāo)志越完善，水陸兩棲飛機(jī)的水面操縱挑戰(zhàn)性越大。對于島礁周圍水域助航標(biāo)志完善率小于0.5視為安全，大于0.9視為危險。則該指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如式(22)所示:

(22)

(3)鳥擊危害:根據(jù)《民用機(jī)場常見鳥類防范指南》，考慮到鳥撞風(fēng)險發(fā)生的可能性P和后果的嚴(yán)重度S，建立了威脅程度和風(fēng)險可接受的判定標(biāo)準(zhǔn)R=P×S。R小于6為可接受，大于15為危險，6～15之間為觀察階段[9]。則該指標(biāo)的隸屬度函數(shù)如式(23)所示:

(23)

3 實例分析

3.1 南海某島礁情況描述

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，中國南海某島礁面積為14.08 km2，潟湖面積33.86 km2，錨地狀況需求量為0.7。目前該島礁已建成一所二級甲等醫(yī)院，擁有一條長3 000 m、寬60 m的跑道，擁有一個5 000 t級的運輸補(bǔ)給碼頭，島上已建成通信基站，周圍280 km2的海域?qū)崿F(xiàn)通信全覆蓋。該島礁終年少霧，降水較多，全年降水日平均約為170 d，雷暴極少出現(xiàn)，年平均風(fēng)力以2～3級最多。年平均波高大多在1.5～2 m，水流流速基本不超過0.3 m/s，平均潮差為0.6～1.5 m，水深為14.6～40 m。該島礁周圍航道大型商船較少，漁船居多，日船舶平均艘次在20艘左右，周圍有2座燈塔，浮標(biāo)若干，助航標(biāo)志完善率為70%，該島上鳥類種類較多，風(fēng)險程度為10左右。

3.2 部署合理性的模糊綜合評價

通過整理上述實例所描述的數(shù)據(jù)，代入各指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，確定各評價指標(biāo)對應(yīng)各評價等級的隸屬度矩陣如下所示。

自然環(huán)境的隸屬度評判矩陣R1為

(24)

基礎(chǔ)設(shè)施的隸屬度評判矩陣R2為

(25)

氣象條件的隸屬度評判矩陣R3為

(26)

水文條件的隸屬度評判矩陣R4為

(27)

安全防護(hù)的隸屬度評判矩陣R5為：

(28)

由1.2節(jié)可知已求得各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，進(jìn)行一級模糊綜合評判：

B1=W1°R1=[0.258 3 0.637 0 0.1047]°

[0 0.052 4 0.104 7 0.052 4 0.895 3]

(29)

同理可得：

B2=W2°R2=

[0.412 7 0.412 7 0.137 6 0 0.449 9]

(30)

B3=W3°R3=[0 0 0 0 1]

(31)

B4=W4°R4=

[0.045 9 0.037 1 0.009 4 0 0.944 7]

(32)

B5=W5°R5=

[0 0.156 7 0.366 0 0.552 6 0.634 1]

(33)

進(jìn)行二級模糊綜合評判：

B=W°R=[W1,W2,W3,W4,W5]

(34)

[B1,B2,B3,B4,B5]T=

[0.069 9 0.076 8 0.042 2 0.004 6 0.887 8]

(35)

最終對南海島礁部署水陸兩棲飛機(jī)合理性評價的模糊綜合評價進(jìn)行加權(quán)平均處理可得評價結(jié)果為

(36)

式(36)中：P表示評價結(jié)果；Bi表示模糊綜合評判結(jié)果；Vi表示前文定義的評價等級，可得最終合理性評級結(jié)果介于“較合適”和“很合適”兩個等級之間，可以考慮將水陸兩棲飛機(jī)部署在該島礁。

4 結(jié)論

提出了將中國自主研制的救援型大型水陸兩棲飛機(jī)AG600部署在中國南海島礁合理性評價系統(tǒng)的科學(xué)研究方法。首先從飛機(jī)設(shè)計的適用性出發(fā)，結(jié)合南海島礁的地理環(huán)境、氣象水文條件以及安全性等特點，篩選出評價指標(biāo)，其次采用改進(jìn)的模糊綜合評判方法，避免了借助專家打分法確定評價指標(biāo)隸屬度的環(huán)節(jié)，最終通過實例案例得到的合理性評價結(jié)果與實際情況基本一致。

與前人研究相比，首次將中國的大型救援裝備納入到海上救援體系中，并構(gòu)建出科學(xué)客觀的評價方法，對中國南海島礁部署新型的救助力量進(jìn)行合理性評價，為中國未來在南海進(jìn)行救助力量的統(tǒng)一規(guī)劃部署提供參考。