可拓優度在港口航道通航風險評價中的應用

唐欣文，陳海群，高崇陽，邵 輝

(常州大學環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164)

隨著“21世紀海上絲綢之路”的快速發展，我國與其他國家間的貿易往來越來越頻繁，其中大約有80%以上的貿易由海運來承擔[1]，隨著貨物吞吐量的增長，我國港口規模正在不斷擴大，但航道通航事故的頻發也給港口的可持續發展和海運安全帶來了嚴峻的挑戰。因此，如何通過對港口航道通航的風險評價來減少航道通航事故的發生已成為許多學者關注的問題。

國內外學者已經對港口航道通航安全進行了多方面的研究，如賈明明等[2]結合集值統計法和灰色模糊理論，建立了航道通航環境安全評價模型;王晨等[3]利用熵權法和Topsis模型建立了航道引航環境風險評價模型，并以長江江蘇段4段航道為實例進行了驗證；王杰等[4]通過粗糙集消除冗余指標，利用集對分析方法評價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絡的復雜社會技術系統的風險評價模型；Ahmad等[6]以Pisang島航道為例，驗證了通航過程中島上的船舶交管系統(VTS)雷達作用明顯優于岸上雷達。

綜上可見，上述評價方法和評價模型側重點各不相同，大都是以定性的方式來評價航道通航安全狀況的，且所考慮的影響因素基本是固定的，僅側重于影響航道通航安全的某一方面進行研究，但航道通航安全狀況的影響因素復雜多變，雖然其安全風險評價研究取得了一定的效果，但仍然有待完善和發展。可拓優度[7-9]是可拓學中一種能高效處理矛盾相容、定性和定量相結合的新型風險評價方法，而將層次分析法與熵權法相結合，運用距離函數可確定更加合理的指標權重比例。因此，本文嘗試將可拓優度與綜合權重相結合應用于港口航道通航的風險評價中，進而綜合評價港口航道通航的安全性。

1 構建港口航道通航風險評價模型

1.1 構建港口航道通航風險評價指標體系

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、環境和管理四大方面，在研究水域船舶通航安全時，通常不考慮人的因素和船舶自身的因素。本次研究首先調查了國內航運事故統計中典型的52起港口航道事故[11]，確定了17個風險評價指標；然后對某港口航道進行實地考察，結合其運行狀況和運行特點，對17個評價指標進行了提取，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險評價指標體系，包括3個一級指標和12個二級指標，詳見圖1。

圖1 港口航道通航風險評價指標體系Fig.1 Risk evaluation index system of harbor channel navigation

1. 2 港口航道通航風險因素表征

在上述二級指標中，航道水深對船舶舵效和操縱性能產生很大的影響，航道水深較淺時，反而會發生“淺水現象”。航道水深用設計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；航道彎曲轉向點和障礙物對船舶進出港安全影響明顯，兩者均用個數表示；能見度越高，航行危險度越低，平均霧天數取能見度不超過2 km的霧日數；風況越惡劣，越容易偏離航線，航行越危險，風況取年標準風天數[4]；通航水域流速用航道中水流在單位時間內所經過的距離表示，單位為m/s；潮汐會增加船舶擱淺和碰撞的危險，潮汐用潮差表示,單位為m；航道交通流密度越大，需要避讓的次數越多，航行危險度越高，航道交通流密度取日均通過船舶量，單位為艘/d；導助航設施、船舶交管系統(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，1表示最好，程度隨數字遞減，9表示最差。

2 港口航道通航可拓優度風險評價方法

可拓優度風險評價方法的基礎是可拓集合理論，包括可拓集合、關聯函數和可拓關系。港口航道通航可拓優度風險評價方法的具體流程如下。

2. 1 確定評價指標

根據圖1列出的影響港口航道通航的風險因素，建立了風險因素的指標層B={B1,B2,B3}和因素層C={C1,C2,…,C12}。

2. 2 確定經典域和節域

以上述因素層C為例，設定的經典域為

(1)

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

節域表示為

(2)

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

2. 3 確定待評價物元

待評價物元為

(3)

式中：N表示航道通航風險等級；Vk表示N所能得到的評價特征Ck的量值，其中k=1,2,…,n。

2. 4 計算評價指標的關聯系數

評價指標的關聯系數為

(4)

其中:

|V0jk|=|b0jk-a0jk|

式中：Djk表示評價指標的關聯系數；δ(Vk，V0jk)表示量值Vk與V0jk區間的距離;δ(Vk，Vpk)表示量值Vk與Vpk區間的距離;j=1,2,…,m；k=1,2,…,n。

2. 5 確定指標的綜合權重

2.5.1 三標度層次分析法確定指標權重

層次分析法(AHP)主要是利用專家評價信息，通過逐層比較其關聯因素來分析和預測事故的發展。傳統AHP需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，本次構造了最優傳遞矩陣，省略了一致性檢驗的步驟，并簡化了計算過程，其標度參見表1。

表1 三標度賦值表Table 1 Scale of zero to two

利用三標度層次分析法確定指標權重的具體步驟如下：

(1) 構造判斷矩陣R:

R=(rxy)n×n(x=1,2,…,n；y=1,2,…,n)

2.5.2 熵權法確定指標權重

假設有m個航道，n個評價指標，構造原始數據矩陣R=(rak)m×n(a=1,2,…,m；k=1,2,…,n),利用熵權法計算指標權重的具體步驟如下：

(1) 指標標準化后,得出第k個評價指標下的第a個航道的比重：

(5)

(2) 計算指標的信息熵：

(6)

其中，當Pak=0時，令PaklnPak=0。各評價指標的熵權wk為

(7)

2.5.3 采用距離函數計算指標的綜合權重

為了使層次分析法與熵權法得到的權重及其相應的分配系數差異程度一致，本次研究采用距離函數計算指標的綜合權重。設層次分析法與熵權法的研究距離為d(ωe，we)(e=1,2,…,n)，兩者的權重分配系數為β和α，專家建議約定α>β，則有

(8)

d(ωe,we)2=(β-α)2

(9)

對于評價指標e的綜合權重λe，其值為上述兩者權重的線性加權，即λe=βωe+αwe。

2. 6 確定港口航道通航的風險等級

計算港口航道通航風險物元N關于等級j的加權關聯度Kj(N)：

(10)

(j=1,2,…,m;k=1,2,…,n)

式中：Kj為關聯度Kj(N)中的最大值，即Kj=max{Kj(N)}，據此可判定港口航道通航物元N所屬的風險等級。

3 實例應用與分析

本文將上述可拓優度風險評價方法應用于某港口航道通航的風險評價中。

首先，設計了“港口航道通航風險因素AHP評價表”，聯系了3名安全專業教授、2名港口航道安全專家進行打分；然后，通過專家咨詢和參考航道風險研究的相關文獻[4]后，選取5個航道建立港口航道通航風險影響因素數據表，詳見表2。港口航道通航的安全受氣候、洋流的影響較大，為了能在相對統一的標準下進行指標權重的計算，此次選取的5個航道均受亞熱帶季風氣候控制。

表2 港口航道通航風險影響因素數據表Table 2 Influence factors of the navigation risk of harbor channel

3. 1 確定港口航道通航的風險等級

參照港口航道的相關規范和國家標準，并參照已有研究成果[12-13]和港口航道通航安全分類標準[14-15]，將港口航道通航風險等級分為5個等級：M1表示低危險度；M2表示較低危險度；M3表示中等危險度；M4表示較高危險度；M5表示高危險度，并確定單因素風險等級的量值范圍，詳見表3。

表3 單因素風險等級的量值范圍Table 3 Ranges of the single factor risk levels

由于評價指標具有不同的量綱單位，為了根除由此產生的指標的不可公度性，采用極差法對指標數據進行無量綱化處理，其計算公式如下[9]：

(11)

(12)

式中：bij為指標原始數據經無量綱化后的結果；Xij為指標原始數據；max(Xij)和min(Xij)分別為指標數據最大值和最小值。

指標數據利用公式(11)、(12)經無量綱化處理后的結果，詳見表4。

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

3. 2 港口航道通航風險的可拓優度評價

以連云港某航道為例，為統一量綱進行比較，將該航道各因素數據進行標準化處理，經處理后的結果見表5。

表5 連云港某航道各因素經標準化處理后的結果Table 5 Values of standardized influence factors of a channel of Lianyungang port

(1) 由表4可知，將5個風險等級的量值范圍作為經典域，以航道條件B1為例進行計算，根據公式(1)、(2)、(3)分別確定經典域R0j、節域Rp、待測評物元R如下：

R0j=

(2) 根據公式(4),計算C1～C4因素層的關聯系數，其計算結果見表6。

表6 不同等級上C1～C4因素層的關聯系數Table 6 Correlation coefficient of C1～C4 index layer factors at different levels

(3) 通過對“港口航道通航風險因素AHP評價表”進行分析計算后，得到港口航道通航風險因素的AHP權重，再采用熵權法利用公式(5)至(7)結合表1確定指標的熵權重，最后利用公式(8)、(9)確定指標的綜合權重，其結果見表7。

(4) 根據公式(10)，可計算得到航道條件B1風險因素的加權關聯度；同理，可計算得到航行環境B2和助航條件B3風險因素的加權關聯度，其計算結果見表8。

表7 指標的權重表Table 7 Weight of Indexes

表8 指標層的加權關聯度Table 8 Weighted correlation coefficient of the criterion layer factors

(5) 最后利用公式(4)至(10)，計算得到該港口航道通航風險因素的綜合加權關聯度，并確定風險等級，詳見表9。

表9 連云港某港口航道通航風險因素的綜合加權關聯度Table 9 Comprehensive weighted correlation coefficient of the risk factors of a channel of Lianyungang port

由表9可知，該港口航道通航風險因素的綜合加權關聯度為1.52，故通航風險等級處于較低危險度；但由表8可知，該港口航道條件和助航條件處于中等危險度，建議重視其航道條件和助航條件的改善。

4 結 論

(1) 利用層次分析法和熵權法共同確定指標的綜合權重，有利于克服權重系數確定方法單一的局限性，使權重系數更加客觀和準確。

(2) 將可拓優度風險評價方法引入到港口航道通航的風險評價中，不僅可以確定最終的風險等級，還可以根據計算過程確定因素層指標的風險等級，有助于從事故發生根源去提高港口航道通航的本質安全。

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