北極海上救助應急響應復雜網絡

范厚明， 趙琪琦， 劉益迎

(大連海事大學 a. 交通運輸管理學院; b. 戰略管理與系統規劃研究所， 遼寧 大連 116026)

FAN Houminga,b， ZHAO Qiqia,b， LIU Yiyinga

北極海上救助應急響應復雜網絡

范厚明a,b， 趙琪琦a,b， 劉益迎a

(大連海事大學 a. 交通運輸管理學院; b. 戰略管理與系統規劃研究所， 遼寧 大連 116026)

北極區域內的航運、資源勘探和游船旅游等經濟活動的逐年增多使得該區域內各類海上突發事件不斷增多，若不能對其進行及時、有效的處理，將產生巨大危害。對此，在分析北極海上救助現狀和應急響應網絡特征的基礎上，引入復雜網絡理論，構建加權復雜網絡，并對其拓撲性質進行研究，得到各國的北極海上救助響應強度及網絡的關鍵節點。通過研究得出，該復雜網絡具有明顯的小世界特性，各國只有密切合作才能合理利用救助資源，高效開展救助工作。研究結果可為我國未來參與北極海上救助的相關決策提供參考。

水路運輸； 北極； 海上救助； 應急響應； 加權復雜網絡

FANHouminga,b，ZHAOQiqia,b，LIUYiyinga

Abstract: With the increase in Arctic commercial activities, such as shipping, resource exploitation and cruise tourism, the sea emergencies increases accordingly. On the basis of analyzing the condition of the Arctic maritime rescue arrangement and the characteristics of the complex network, a complex network is proposed to set up to ensure timely and effective Arctic maritime rescue activities. A weighted complex network for Arctic maritime rescue emergency response is conceptually devised and its topological properties are analyzed. The allocation of key nodes and service intensities of related countries are calculated. The study concludes that the complex network has an obvious small world feature, and the cooperation among involved countries is indispensable for effective rescue operation in the Arctic waters.

Keywords: waterway transportation; Arctic; maritime rescue; emergence response; weighted complex network

近年來，隨著全球氣候變暖，北極區域內的航運、資源勘探和游船旅游等經濟活動逐年增多。但是，北極生態環境脆弱、通航環境惡劣，高風險的能源開發和大量商船的進入勢必會使各類海上突發事件增多，給沿岸救助部門帶來巨大壓力。雖然環北極國家已簽署北極搜救協議，但在面對復雜多樣的突發事件時，具有不同救助力量和救助意愿的國家所提供救助的效果千差萬別。因此，探索對北極海上突發事件進行合理有效救助的方式是北極資源開發利用和商業性通航的前提。

目前，國外學者[1-3]已從通航環境、地理歷史和經濟政治等角度對北極進行深入研究，但主要集中于北極航線開發利用的前景分析；國內學者[4-6]對北極的研究則主要集中在通航環境、通航意義、戰略地位和法律法規等方面，對海上救助應急響應的研究較少。現有的針對北極的復雜網絡研究以各利益相關國為節點，通過構成無向、無權的網絡來分析各國的權益和政治格局，忽略連邊權重的異質性，未能全面、客觀地反映復雜系統的特征。

因此，在分析北極海上救助現狀和應急響應網絡特征的基礎上，構建有向、含權的救助應急響應復雜網絡，研究其拓撲性質，找出復雜網絡的關鍵節點，并針對我國國情提出相應建議。

1 北極海上救助現狀及應急響應復雜網絡特征

1.1北極海上救助現狀分析

1.1.1北極理事會成員國的海上救助現狀

由于海上突發事件具有突發性強、危害性大的特點[7]，若不及時采取救助措施極易導致航道和港口阻塞及海上大面積污染等更為嚴重的后果，因此對海上突發事件的應急響應必須快速、高效。然而，面對北極廣闊的海域面積和惡劣的通航環境，僅憑一國之力保障船舶安全航行難以實現。對此，北極理事會成員國于2011年5月簽署《北極搜救協定》，對各成員國負責的搜救區域和應承擔的責任進行劃分。

在北極理事會成員國中，俄羅斯對其所管轄海域的救助投資力度最大，目前其共擁有34艘破冰船，包括8艘核動力重型破冰船和2艘常規動力重型破冰船。美國擁有2艘世界上最強的常規動力破冰船“北極星”號和“北極海”號，但其救助責任面積較大，且因大部分救助設施位于阿拉斯加南部而無法迅速對北極突發事件做出反應。加拿大擁有2艘重型破冰船和4艘中型破冰船，其主要救助設施位于南方，難以快速應對北部海區的海上事故；芬蘭的海軍均聚集在波羅的海，僅負責北極地區的內陸搜救和救助物資運送；瑞典只負責向北極運送破冰船等搜救設備；挪威的搜救體系相對完善，但對破冰船的研發較為落后；丹麥的搜救基礎設施較為缺乏；冰島海岸警衛隊有4個雷達監測站，但北極海域未被雷達完全覆蓋，需與其他國家合作完成搜救工作。[8]

目前，隨著北極區域經濟活動不斷增加，沿岸海域的危險系數將相應增大，環北極國家的救助機構面臨著巨大挑戰。北極海上救助應急響應仍存在搜救責任面積廣闊、技術落后、裝備短缺、資源分布不盡合理及各國間溝通協調不足等問題。因此，大力建設北極基礎設施、提高搜救能力、加強海軍力量、增進國際合作已成為各國北極戰略中的首要任務。

1.1.2非北極理事會成員國的海上救助參與現狀

單從技術的角度考慮，任何一個有救助實力且符合救助時效條件的國家都可參與到北極海上救助活動中，但因北極理事會的排他性限制，目前沒有非成員國參與北極海上救助的案例。然而，當前許多國家為維護自身利益都在積極爭取其對北極事務的參與權，參與北極海上救助活動對非理事會成員國來說是一個很好的突破口，也是未來北極海上救助體系發展的必然趨勢。

對我國而言，參與北極海上救助活動很有必要。

(1) 北極航線對我國的海運貿易和經濟安全影響巨大，以后會有越來越多的我國船舶通過北極航線到達歐洲和美洲，參與北極海上救助活動可積累通航經驗，為冰區船舶的研發提供幫助；

(2) 我國是國際海事組織A類理事國和《搜救公約》締約國，參與北極海上救助活動不僅是我國應有的權利，更是作為大國應盡的責任。

1.2北極海上救助應急響應復雜網絡特征

北極海上救助應急響應網絡與規則網絡和隨機網絡有很大差別,其事故發生區域和事件類型均有差異；不同救助國的救助力量、救助意愿、所得利益和救助效果不盡相同，且需要互助合作完成救助任務，具有其獨有的特征。北極海上救助應急響應的復雜網絡特征主要體現在節點的復雜性、結構的復雜性和各種復雜性因素的相互影響等3個方面。

1) 節點的復雜性是指一個網絡中存在多種類型的節點，且節點大多具有復雜的時間演化行為。在北極海上救助應急響應網絡中，救助點和事故點可能會隨著時間的推移而有所增減。

2) 結構的復雜性是指網絡的結構可隨條件的變化而變化，表現為連接各節點的邊的產生和刪除。在該網絡中，節點變化使得網絡的邊也隨之產生演化現象，且相同節點間的連接也有可能因各國政策、戰略及實力等因素的改變而發生變化。

3) 各種復雜性因素的相互影響是指網絡會受到多種因素的影響，而這些因素間又相互作用，一個因素的改變將影響到其他因素，進而影響整個網絡，產生聯動效應。

因此，北極海上救助應急響應網絡具有很強的復雜網絡特征，可應用復雜網絡理論，通過構建有向含權的復雜網絡來分析各國參與北極海上救助活動的情況。

2 北極海上救助應急響應復雜網絡模型構建

2.1北極海上救助應急響應復雜網絡的構成

按圖論的方法將北極海上救助應急響應的復雜網絡定義為一個三元組G=(U,E,W)，其中：點集U主要由“救助點”和“事故點”構成，用Vi=(V1,V2,…,Vn)表示救助點的集合，用Aj=(A1,A2,…,An)表示事故點的集合；邊集E由集合U中元素的有序對構成，表示救助點與事故點之間的海上通道；W為邊集E到點集U上的映射，wij為各邊權值。此外，D=(lij)為鄰接矩陣，若2個節點間有關聯，則lij=1，否則lij=0。具體的拓撲簡化原則如下：

1) 北極海上救助應急響應復雜網絡主要指對財產和環境救助的響應網絡。

2) 救助點Vi由環北極國家及其他有經濟實力和遠洋救助能力的國家組成，即Vi=(V1,V2,…,V21)=(美國，加拿大，英國，愛爾蘭，法國，西班牙，葡萄牙，意大利，希臘，荷蘭，比利時，德國，丹麥，芬蘭，挪威，瑞典，冰島，俄羅斯，日本，中國，韓國)。

3) 事故點Aj在北極西北航線部分取海上事故發生密集區的中心位置；而在北極東北航線部分，由于目前需要破冰船協助且無準確的統計數據，因此僅選航線所經海域的中心位置，即Aj=(A1,A2,…,A11)=(巴倫支海，喀拉海，拉普捷夫海，東西伯利亞海，白令海峽，挪威海，斯瓦爾巴群島，冰島，哈得遜海峽，巴芬灣，波弗特海)，其中斯瓦爾巴群島和冰島分別為巴倫支海與挪威海的交匯處及冰島周邊海域。

4) 取該事故點到該國家沿岸區域最近的航線作為邊。現階段我國專業救助船的平均航速約為20 kn，而具備破冰功能的救助船的最大航速約為15 kn，因此假設一艘救助船以15 kn航速不間斷地航行，按照海路的連通性測算出各事故點Aj與救助點Vi間的航行距離，將其作為邊的距離。

5) 目前我國專業遠洋救助船的續航力約為30 d，受救助船的續航力及遇難船所受海底吸附力的影響，考慮無補給狀態下的往返油耗及救助的時效性，假定若抵達事故點所需航行時間>14 d，則舍去該連接。若救助點與事故點之間有邊相連，則表示該救助點可前往相應事故點實施救援。

6) 雖然美國等國家擁有由志愿者組成的救助力量，但其船舶和救助裝備并不專業，無法適應北極通航環境，因此不將志愿者組織考慮在內。

根據以上原則可得網絡的鄰接矩陣D，利用Ucinet軟件得到一個由32個節點(21個救助點Vi，11個事故點Aj)和198條邊構成的有向無權救助響應網絡(見圖1)。

2.2北極海上救助應急響應復雜網絡結構測度

復雜網絡是由節點與節點間錯綜復雜的關系共同構成的網絡結構，加權復雜網絡主要有點強度和權重分布的差異性、加權平均距離及加權集聚系數等3個拓撲性質。

2.2.1點強度和權重分布的差異性

圖1 北極海上救助應急響應網絡

(1) 點強度Si是無權網絡中節點度的自然推廣，節點Vi的點強度等于與其關聯的邊權之和，即

(1)

(2) 權重分布的差異性Yi表示與節點Vi相連的邊權分布的離散程度，即

(2)

2.2.2加權平均距離

無權網絡的平均距離指經歷的平均邊數量;而對于加權網絡，平均距離還要考慮每條邊的權重，其描述網絡中節點的平均分離程度。當權值為相似權時，邊的長度(加權距離)為

dij=1/wij

(3)

加權平均距離為

(4)

2.2.3加權集聚系數

加權集聚系數反映節點的各鄰點之間聯系的程度，集聚系數越大，說明該點的鄰點之間聯系越頻繁。采用文獻[9]中的定義，其表達式為

(5)

式(5)中：Vi和Vk通過2條權重分別為wij和wjk的邊相連。

3 北極海上救助應急響應復雜網絡實證分析

3.1加權網絡的權值指標分析

考慮到海上突發事件的反應緊迫性特點、各國不同的救助實力及北極惡劣的氣候，選取救助時效、救助實力和氣象水文環境作為救助應急響應網絡權值測定的關鍵指標。對各指標的描述如下。

3.1.1救助時效指標

救助時效是指在海上突發事件發生時實施救助行動的效果僅在一段時間內有價值，且該時間與效果呈反比。將救助方從本國出發抵達事故發生區的時間作為救助時效進行衡量，由于各國的救助執行力量均在其陸地沿岸分布，且有些國家實行不間斷巡邏制度，因此在距離的測算上按航線的連通性測算該國距事故發生點的最近路徑作為邊的距離。視各國至其領海的距離為0。運用Google Earth軟件測算統計，即可得到各國到事故點的航行時間。

3.1.2救助實力指標

海上救助實力是指各國在應對各類海上突發事件時所具有的救助能力。由于多數國家的專業救助力量主要來自于其國內海軍，且一國的經濟狀況將直接影響其救助裝備的購買力和科技研發水平，因此主要參考因素為各國的海軍軍事實力及經濟實力。國家海軍軍事實力主要由海軍作戰裝備的種類和數目決定，可用海軍級別來描述；而經濟實力的最好表征為GDP(Gross Domestic Product)總值。2013年各國海軍級別和GDP總值統計見表1，其中海軍級別是根據國際戰略研究所公布的2013年全球軍力統計結果[10]，應用全球海軍力量九級劃分法對救助國進行的級別劃分。

3.1.3氣象水文指標

在北極的氣象水文環境中，溫度和海冰是影響北極救助活動的主要因素。因此，通過氣候、可通航期、冰況和平均水深來衡量氣象水文指標。經過調查分析，得到各海域的氣象水文條件見表2。

表1 救助國海軍級別和GDP總值統計

表2 各海域氣象水文條件

3.2權值指標測度

對描述上述3項指標的數據進行標準化處理，應用功效系數法將數據通過線性變換映射到區間[1,10]中，以實現數據的可比性和合理性。標準化公式為

(6)

式(6)中：xi為第i項的指標實際值；xi*為第i項的功效系數值；i=1,2,3,…。

對于救助時效，因其與救助時間呈反比關系，計算前先對救助時間進行預處理，改變其逆指標性質。

xi=M-ti

(7)

式(7)中：M為航行時間上限，取M=15；ti為實際航行時間；xi為第i個救助點的航行富余時間；i=1,2,…,21。對于冰況和氣候條件，由于難以獲得準確的數據資料，因此采用專家打分法，定性地按照極差、差、較好、良好和極好依次從1～5打分。經咨詢專家，得到海軍實力和經濟實力占救助實力的權重分別為0.7和0.3。

為體現出節點間相互作用的強度差異，運用兩兩比較法，每邊按照航行距離的長短、各國的救助實力及海上氣象水文條件的影響程度賦予不同的權值。矩陣中元素aij的確定采用九標度判斷尺度，所構建的正互反矩陣見表3。

表3 正互反矩陣

對表3中的矩陣進行求解，得到其特征值為3，特征向量為x=(0.912,0.403,0.076)，對x進行歸一化處理得w=(0.66,0.29,0.05)，w向量中的各分量即為相應指標的權重。對經過標準化的各項數據進行加權平均之后得出的各邊權值見表4。

表4 各邊權值

各邊權值wij為相似權，權值越大，兩點間距離越小，關系越緊密，從而將網絡變為賦權圖(見圖2)。

圖2 北極海上救助應急響應加權復雜網絡

圖2中，節點的大小與其所有權值的大小有關，權值越大，節點越大，意味著該救助國在北極海上救助響應網絡中的地位越重要。由該圖可知，韓國、中國、希臘和意大利的權值較小，說明其在救助響應網絡中處于邊緣位置，作用較小；喀拉海、挪威海、冰島沿岸海域和白令海峽的權值比其他事故點小，說明這些海域的救助條件較差，在海域內實施的救助效果不佳，亟待增強改善，應注重通航管理和基礎設施的建設，從源頭上避免海難事故發生。

3.3網絡拓撲性質分析

由于所構建的加權復雜網絡的邊具有方向性，因此應從出和入2個角度分別對其進行探討。但這里網絡中邊的方向均是從救助點指向事故點，因此下述分析中僅以救助點Vi為研究對象，所描述的點強度均指出強度，集聚系數則是針對經過轉化后只含節點Vi的1-模網絡的計算。通過計算得到網絡的點強度和權重分布差異性見表5。

表5 點強度和權重分布差異性計算結果

由于所賦予的權值為相似權，因此點強度越大表示該救助點實際的救助響應強度越大，在北極救助網絡中的地位越重要。由表5可知：俄羅斯在北極救助應急響應復雜網絡中的救助響應強度最大，除了因為其在北極大力投資和地理位置優越之外，還有部分原因是其早期對東北航線的探索開發使其對北極的研究一直處于世界領先地位。美國的響應強度為91.61，與俄羅斯相差較小，因此美國和俄羅斯是整個網絡的中心節點。我國因距離北極略遠且救助實力不高而在響應強度上僅高于韓國，與環北極國家相差甚遠。因此，目前我國在北極海上救助領域還存在諸多不足，除地理條件等客觀因素之外，我國的海軍軍事實力還相對落后，海上救助設施仍有很大欠缺。

利用Ucinet軟件將表4中的數據轉化為“行模式”的1-模數據，計算得到該網絡的集聚系數為0.964，平均距離為0.04，集聚系數較大，平均距離很小，具有典型的小世界特性，各救助國之間聯系緊密、合作性強。其不同加權距離的概率分布見圖3。

由圖3可看出，加權距離的概率分布p(L)近似服從泊松分布p(L)～π(0.192)，符合小世界網絡特征。

圖3 不同加權距離的概率分布

4 結束語

應用加權復雜網絡理論分析北極海上救助應急響應復雜網絡的結構特征，保留邊權的異質性；通過實證研究得到各國的北極海上救助響應強度，得出該復雜網絡具有明顯的小世界特性的結論。就我國現階段參與北極海上救助而言：

(1) 應集中于對時效性要求較低的環境救助(如船舶溢油事故、鉆井平臺事故等)的后期參與，著力研發新型遠洋救助船舶、裝備，全面提升專業海上救助水平；

(2) 應繼續加強海軍建設、完善相關制度，貫徹落實海洋強國戰略，為我國的航運安全和正當利益保駕護航。

當前，我國對北極海上救助的相關研究較少，缺乏經驗，通過積極參與北極海上救助活動，可增進我國與相關技術較為成熟的國家之間的交流合作，積累北極救助和航行經驗，增加我國在北極事務中的話語權，為我國船舶進入北極航線打下良好基礎。

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ComplexNetworkforArcticMaritimeRescueEmergencyResponse

(a. College of Transportation Management; b. Institute of Transportation Strategy Management and Systematic Planning, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

U676.8

A

2016-02-05

國家自然科學基金(61473053)

范厚明(1962—)，男，山東蓬萊人，教授，博士生導師，研究方向為交通運輸系統規劃與設計、戰略管理與系統規劃。 E-mail: fhm468@163.com 趙琪琦(1992—)，女，吉林白山人，碩士生，研究方向為交通運輸規劃。E-mail: annanaqq@163.com

1000-4653(2016)02-0076-06