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        三峽壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險演化的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

        2021-08-17 11:39:14李龍浩嚴(yán)慶新翁建軍關(guān)宏旭
        船海工程 2021年4期
        關(guān)鍵詞:壩區(qū)魯棒性三峽

        李龍浩,嚴(yán)慶新,翁建軍,關(guān)宏旭

        (武漢理工大學(xué) a.航運(yùn)學(xué)院;b.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)

        自從三峽大壩落成以來,該地區(qū)通航環(huán)境和航道條件得到了極大的改善,加之長江水道航運(yùn)需求增加,三峽壩區(qū)船舶種類和數(shù)量不斷增多,壩區(qū)碼頭、錨地、沖灘區(qū)和定線制航道也有逐年增長的趨勢,使得三峽壩區(qū)的船舶通航環(huán)境越來越復(fù)雜。但是,三峽壩區(qū)水位常年變化明顯,導(dǎo)致壩上和壩下的船舶通航環(huán)境隨之發(fā)生變化,壩區(qū)通航安全事故發(fā)生的風(fēng)險增加。目前許多國內(nèi)外研究人員對船舶通航安全風(fēng)險的研究,主要是從靜態(tài)風(fēng)險因子(Static Risk Factors,SRF)的角度分析構(gòu)成船舶通航安全風(fēng)險的因素[1-3],缺少基于動態(tài)角度(Dynamic Risk Factors,DRF)的研究。三峽壩區(qū)的船舶通航安全是一個復(fù)雜的動態(tài)變化過程,船舶航行安全受多種因素的影響,各種因素間又會相互作用,因此形成了一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此,考慮基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論,結(jié)合三峽壩區(qū)船舶通航安全現(xiàn)狀及演化特征,構(gòu)建壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險演化的網(wǎng)絡(luò)模型,借助Pajek和Matlab對風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)模型的度中心性、介數(shù)中心性、接近度中心性、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性進(jìn)行分析,并獲得風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)的魯棒性效果,在此基礎(chǔ)上分析網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵風(fēng)險因素,提出防控策略。

        1 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建

        1.1 壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠P?/h3>

        從人為-船舶-環(huán)境-管理4個方面對影響壩區(qū)船舶通航安全的風(fēng)險因素進(jìn)行分析,參考文獻(xiàn)[4]劃定各風(fēng)險因素間的作用關(guān)系(見表1),將評價指標(biāo)的加權(quán)系數(shù)作為連邊權(quán)重系數(shù),從而構(gòu)建壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

        表1 壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險影響因素編號

        借助Pajek軟件繪制壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險因素演化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型,見圖1。

        圖1 三峽壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型

        其中節(jié)點(diǎn)表示各風(fēng)險因素(共36個),連邊表示兩風(fēng)險因素之間的關(guān)系(共128條),連邊長度表示兩因素的作用強(qiáng)度。其中,各因素之間相互作用強(qiáng)度由問卷調(diào)查得到,向長江航道局、宜昌航道局、三峽通航管理局等多個三峽船舶通航安全的相關(guān)部門工作人員發(fā)放問卷,共計30份,實(shí)際收回26份,借助EpiData 3.0軟件錄入問卷數(shù)據(jù)并導(dǎo)出后再用SPSS 25軟件進(jìn)行一致性分析。

        1.2 模型分析

        1.2.1 節(jié)點(diǎn)度值中心性

        節(jié)點(diǎn)度值中心性(degree centrality)是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中衡量節(jié)點(diǎn)重要性最直觀的指標(biāo),復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的重要性不但和自身的信息有一定聯(lián)系,而且與該節(jié)點(diǎn)的度值中心性也有一定的關(guān)聯(lián),即該節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)的度值中心性越大,節(jié)點(diǎn)就越重要[5]。借助Pajek軟件對壩區(qū)船舶通航安全的所有風(fēng)險因素的度、入度、出度和度中心性進(jìn)行分析,結(jié)果見表2。

        由表2可見,在壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)中,人為因素(a33)的入度最高,表明在導(dǎo)致壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險因素中能對人為因素產(chǎn)生影響的途徑較多,且人為因素是導(dǎo)致安全事故的直接原因,在整個風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)中最為關(guān)鍵。船員履職能力(a6)出度最高,這表明船員履職能力對后續(xù)各種因素事件的影響較多。此外,還應(yīng)該對度值較高的其他因素(如環(huán)境因素和船舶因素等)給予足夠的重視。

        表2 節(jié)點(diǎn)度值及度中心性分析

        1.2.2 節(jié)點(diǎn)中介中心性

        節(jié)點(diǎn)的中介中心性(betweenness centrality)是指一個節(jié)點(diǎn)擔(dān)任其他兩個節(jié)點(diǎn)之間最短路徑的橋梁次數(shù),一個節(jié)點(diǎn)充當(dāng)“橋梁”的次數(shù)越多,其中介中心度也就越大。分析壩區(qū)船舶通航安全的所有風(fēng)險因素的中介中心性,結(jié)果見圖2。

        圖2 節(jié)點(diǎn)中介中心性分析結(jié)果

        由圖2可見,船閘因素(a19)、交通流(a26)和船舶因素(a35)的介數(shù)最大,對整個復(fù)雜系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險傳導(dǎo)起著重要作用。在實(shí)際中,環(huán)境的風(fēng)流(環(huán)境因素)、船閘內(nèi)船舶操縱不當(dāng)(人為因素)以及主機(jī)故障、舵機(jī)失靈(船舶因素)都可能導(dǎo)致與船閘和船舶相關(guān)事故的發(fā)生;雖然壩區(qū)船舶受到定線制及船閘的約束,交通流較為規(guī)律,但多種環(huán)境因素和管理因素會導(dǎo)致交通流發(fā)生紊亂,從而影響船舶通航安全。

        1.2.3 節(jié)點(diǎn)接近中心性

        節(jié)點(diǎn)接近中心性(closeness centrality)需要考慮到每個節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)最短路徑的平均長度,即一個節(jié)點(diǎn)距離其他節(jié)點(diǎn)距離越近,則該節(jié)點(diǎn)的接近中心度也越大。分析壩區(qū)船舶通航安全的所有風(fēng)險因素的接近中心性,結(jié)果見圖3。

        圖3 節(jié)點(diǎn)接近中心性分析結(jié)果

        由圖3可見,人為因素(a33)和船舶因素(a35)的接近中心性最大,在風(fēng)險演化網(wǎng)絡(luò)中最重要。在實(shí)際中壩區(qū)船舶通航的過程需要借助人員-船舶共同完成,人為因素和船舶因素對船舶通航安全起著決定性的作用。

        1.2.4 特征向量中心性

        特征向量中心性(eigenvector centrality)認(rèn)為一個節(jié)點(diǎn)的重要性既取決于該節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)量(度值中心性),也取決于相鄰節(jié)點(diǎn)重要性,其本質(zhì)是相鄰節(jié)點(diǎn)的分值之和。分析壩區(qū)船舶通航安全的所有風(fēng)險因素的特征向量中心性,結(jié)果見圖4。

        圖4 節(jié)點(diǎn)特征向量中心性分析結(jié)果

        由圖4可見,人為因素(a33)的特征向量值最大,其次是環(huán)境因素(a34),表明人為因素和環(huán)境因素是決定三峽壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險模型中最重要的節(jié)點(diǎn),人為因素和環(huán)境因素分別可以控制和決定周圍各種其他因素的風(fēng)險數(shù)值和分布,因此在實(shí)際中應(yīng)特別注意人為因素和環(huán)境因素(自然環(huán)境和通航環(huán)境)對船舶通航安全風(fēng)險的作用。

        2 模型應(yīng)用實(shí)例

        魯棒性作為一種宏觀視角的研究方法[6],可以用來描述網(wǎng)絡(luò)中一個或幾個節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷隨機(jī)攻擊或蓄意攻擊后,系統(tǒng)仍保持穩(wěn)定性的能力。通常,系統(tǒng)的魯棒性可以從系統(tǒng)的最大連通子圖比例、網(wǎng)絡(luò)效率和平均距離3個指標(biāo)入手進(jìn)行分析。結(jié)合已有研究選取網(wǎng)絡(luò)效率作為研究系統(tǒng)魯棒性的指標(biāo)。

        借助Matlab軟件分析三峽壩區(qū)船舶通航安全風(fēng)險鄰接矩陣的隨機(jī)攻擊和蓄意攻擊(含度值攻擊、中介值攻擊、接近值攻擊和特征向量攻擊),考慮到一次攻擊結(jié)果隨機(jī)性較強(qiáng),因此取200次攻擊的均值作為輸出,分析結(jié)果見圖5。

        圖5 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)魯棒性分析結(jié)果

        由圖5可見,系統(tǒng)在隨機(jī)攻擊中節(jié)點(diǎn)全部失效時魯棒性才會下降到0,這表明風(fēng)險演化網(wǎng)絡(luò)在隨機(jī)攻擊下有較好的魯棒性,現(xiàn)實(shí)中只有網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)風(fēng)險因素同時發(fā)生,船舶才會存在安全風(fēng)險。蓄意攻擊中度值時,風(fēng)險演化網(wǎng)絡(luò)魯棒性最差,在所有蓄意攻擊模式中,當(dāng)失效節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到28時,風(fēng)險演化網(wǎng)絡(luò)的魯棒性將為0,因此這28個節(jié)點(diǎn)是控制安全風(fēng)險的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),現(xiàn)實(shí)中如果這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)遭受攻擊,會使整個風(fēng)險網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此,風(fēng)險演化網(wǎng)絡(luò)的魯棒性整體隨著失效節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多而降低,蓄意攻擊產(chǎn)生的影響強(qiáng)于隨機(jī)攻擊。

        3 關(guān)鍵風(fēng)險因素分析及防控措施

        3.1 關(guān)鍵風(fēng)險因素

        為綜合考慮系統(tǒng)在各種模式攻擊下的魯棒性,對基于蓄意攻擊四種模式排名的綜合值進(jìn)行排序,作為該復(fù)雜系統(tǒng)的風(fēng)險識別依據(jù)。

        綜合排序后,排名第一的風(fēng)險因素為人為因素(a33),也印證了系統(tǒng)的無標(biāo)度性。船員作為事故責(zé)任主體,受到其他多種因素的影響,在風(fēng)險演化網(wǎng)絡(luò)中起到重要的作用。

        環(huán)境因素(a34)排名第二,環(huán)境因素包含通航環(huán)境因素和自然環(huán)境因素。通航環(huán)境中兩壩間水域河勢復(fù)雜多變,航道彎曲,受水位影響較大,礙行特征明顯;船舶過閘時交通流量大,較為擁堵,船舶間距減??;葛洲壩附近碼頭類型混雜,干支汊河口航道交叉,易發(fā)生船舶碰撞事故。自然環(huán)境常見大風(fēng)大霧天氣,對船舶通航安全影響較大,水位變化頻繁,影響船舶、航道及導(dǎo)助航設(shè)施安全。

        管理因素和船舶因素也是很重要的因素,長江水道多個體船舶、地方船舶和“五小船舶”,經(jīng)營管理不規(guī)范,容易發(fā)生船舶安全事故;配員不足或不適任及年齡結(jié)構(gòu)不合理都容易造成船員履職能力降低,從而影響船舶通航安全。目前壩區(qū)船閘建筑及過閘業(yè)務(wù)由長江三峽通航管理局負(fù)責(zé),而待閘設(shè)施及錨泊業(yè)務(wù)則由三峽通航管理局、宜昌港務(wù)集團(tuán)有限責(zé)任公司和地方過閘管理處分別管理,因此容易造成管理上的諸多問題,如安全規(guī)章不完善、監(jiān)管責(zé)任劃分不明確和相關(guān)裝備配備不充足等。

        3.2 防控措施

        1)切斷風(fēng)險演化模型中關(guān)鍵因素與根源因素的連接,從而在根源掐斷風(fēng)險在網(wǎng)絡(luò)中的演化,如采取控制風(fēng)險演變的關(guān)鍵是人為因素,應(yīng)加強(qiáng)內(nèi)核船員適任培訓(xùn),調(diào)整船員年齡結(jié)構(gòu),配備充足船員等措施,以從根源解決人為因素對風(fēng)險演變的作用。

        2)縮短風(fēng)險因素節(jié)點(diǎn)間的連邊長度,降低各因素間的作用強(qiáng)度,控制風(fēng)險演化的影響,如采取加大對違章船只的監(jiān)管、處罰力度,加強(qiáng)對船員履職能力的考核、檢查,加強(qiáng)對船舶航行安全的監(jiān)督執(zhí)法力度等措施。

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