南海島礁部署水陸兩棲飛機合理性評價

潘 濤，張 帆，陳明生，熊 偉*

(1.大連海事大學船舶與海洋工程學院，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，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，因此在遠海島礁部署海上救助基地已成為亟待解決的問題。中國自主研發的大型水陸兩棲飛機AG600具備遠航程、低空低速搜尋、可執行多種救援模式等優點。因此研究中國大型水陸兩棲飛機在中遠海海上搜救的應用，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性進行了研究；張荷霞等[3]運用層次分析法和熵權系數法對南沙部分島礁的戰略價值進行評價；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略價值進行評價；陶夏妍[5]對南海海域救助動態值班點部署進行了研究；吳曉林[6]對南海海區專業救助力量部署進行了研究。

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

1 評價指標體系

1.1 評價指標的選取

在南海島礁部署大型水陸兩棲飛機，需要針對飛機自身的性能參數和設計指標，考慮中國南海各島礁的自然條件和基礎設施建設是否滿足飛機的部署要求。尤其對于中國中遠海海上搜救的發展現狀，要考慮將水陸兩棲飛機部署在中國南沙群島的某些島礁，未來用于執行遠海搜救任務。

圖1 南海島礁部署水陸兩棲飛機合理性評價體系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、渚碧礁和美濟礁已建設完成機場、碼頭、通信設施、氣象觀測站等基礎設施，若實現大型水陸兩棲飛機在南海島礁的部署，這樣中國可以覆蓋對南海更遠端以及公海區域的救助范圍，以此明確大型水陸兩棲飛機在中國航空應急救援體系中的定位，彌補中國遠海快速救援力量的不足，最終實現中國海上搜救能力的大幅提升，為中國建設海洋強國提供保障。

針對大型水陸兩棲飛機AG600的設計指標，以及南海島礁的自然條件和建設情況，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建一種科學評價方法進行說明。因此結合研究南海問題的相關專家建議，以及通過咨詢水陸兩棲飛機制造方的意見，遴選出5項一級指標，16項二級指標構建出南海島礁部署水陸兩棲飛機合理性的評價體系，如圖1所示。

設定部署合理性評價的目標層為U，準則層為U={U1,U2,U3,U4,U5}={自然環境，基礎設施，氣象條件，水文條件，安全防護}，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}={醫療條件，機場建設，碼頭建設，通訊設施}，U3={U31,U32}={能見度，風}，U4={U41,U42,U43,U44}={波浪，水流，潮汐，水深}，U5={U51,U52,U53}={通航航道，助航標志，鳥擊危害}。

1.2 指標權重的確定

運用層析分析法確定各評價指標的權重系數，首先構造每一層次指標的兩兩判斷矩陣，依據專家打分法對兩指標間的重要性等級進行賦值，其次借助MATLAB程序對每一判斷矩陣進行一致性檢驗，若通過一致性檢驗則求得各指標的權重系數，若不通過則修改該矩陣重新進行檢驗，最終匯總得到的各指標的權重系數如表1所示。

表1 各評價指標的權重系數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換

目前確定隸屬度所運用方法有二元對比排序法、模糊統計法等，常用的是專家打分法，即邀請若干位研究該問題的專家學者，對各評價指標所屬的評價等級進行打分，統計各指標所屬各等級的頻數，經過歸一化處理便可得到各指標對應各等級的隸屬度。這種方法的缺點是需要依靠相關專家，并且各位專家的觀點不一，得到的評價結果具有很強的主觀性，而且該方法工作量大，需要制作發放調查問卷，回收并統計大量數據。

在確定各指標的隸屬度時，采取一種巧妙的轉化方式，首先建立各評價等級與合理性之間的函數關系，其次建立各評價指標與合理性之間對應的隸屬函數關系，最終通過兩次函數轉換得到各評價指標關于各評價等級的隸屬度。該方法的好處是不用依靠專家進行主觀評價，通過將數據代入隸屬函數得到隸屬度，而且對應各評價等級的隸屬度比較集中，使得到的評價結果客觀準確。

設定評語集V={V1,V2,V3,V4,V5}={很不當，較不當，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換關系如圖2所示，五條曲線對應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”(-2)的隸屬函數如式(1)所示。

圖2 合理性與評價等級之間的隸屬度轉換關系Fig.2 Membership relationship between rationality and evaluation level

(1)

屬于“較不當”(-1)的隸屬函數如式(2)所示：

(2)

屬于“一般”(0)的隸屬函數如式(3)所示：

(3)

屬于“較合適”(+1)的隸屬函數如式(4)所示：

(4)

屬于“很合適”(+2)的隸屬函數如(5)所示：

(5)

2.2 各指標隸屬度的確定

通過查閱相關文獻，對以上16項二級指標的基本含義進行解釋，并依次確定各指標的隸屬度函數。

2.2.1 自然環境

(1)島礁面積:在南海島礁部署水陸兩棲飛機，需要為其建設機場跑道、助航標志等設施，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建設陸上機場跑道非常合適。該指標滿足偏大型的梯形分布，對應的隸屬度函數如式(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，在壩體的內側便形成半封閉或封閉式潟湖，潟湖內部不易受到臺風和風暴潮的影響，最適宜進行水上飛機機場的建設。根據水上機場飛行場地指標規定，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。該指標滿足偏大型的矩形分布，對應的隸屬度函數如式(7)所示。

(7)

(3)錨地狀況:南海島礁現有的錨地可作為水陸兩棲飛機的天然避風之地，考慮當地實際錨地數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，則得到該指標的隸屬度函數如式(8)所示。

(8)

2.2.2 基礎設施

(1)醫療條件:將水陸兩棲飛機部署到南海某島礁后，該島礁上需具備完善的醫療設施，可對被救人員的各種傷情進行進一步醫療處置，如低溫癥、出血、燒傷等病情。通過列舉出了人員常見的突發狀況，考慮某島礁上的醫院針對這些病情是否具備初步醫療處置能力，進行賦值累加，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。則該指標對應的隸屬度函數如式(9)所示:

(9)

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

(10)

(3)碼頭建設:水陸兩棲飛機靠泊碼頭的系泊水域寬度計算如式(11)所示[8]:

W=0.5B+0.5M+d

(11)

式(11)中:W為系泊水域寬度；B為船身寬度；M為飛機翼展；d為系泊水域的富裕寬度，根據飛機機身長度取值為2 m。

對于單個順岸停泊的飛機，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為飛機機身長度；da為前后富裕間距，一般取6 m。

代入飛機尺寸參數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。則該指標的隸屬度函數如式(13)所示：

(13)

(4)通訊設施:通訊設施是進行海上搜索救援的關鍵保障，海上通信通常要求達到100%的覆蓋率，當覆蓋率小于80%時，此時應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。通信網絡覆蓋率越高，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造通訊設施隸屬度函數如式(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準，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。則能見度指標的隸屬度函數如式(15)所示:

(15)

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

(16)

2.2.4 水文條件

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

(17)

(2)水流：飛行員要根據風、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場選址區域要避免水流速過大的區域，一般應小于3 m/s，建議小于1.5 m/s。則該指標的隸屬度函數如式(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，不適合建設水上機場，水位變化超過0.45 m，一般需考慮建設浮動式碼頭和聯系橋；水位變化超過1.8 m，需要根據岸邊坡度進行特殊處理。則該指標的隸屬度函數如式(19)所示：

(19)

(4)水深：水陸兩棲飛機的水上運行區、碼頭停泊區和錨泊區應當滿足設計最小水深要求，建議最小水深滿足最大機型滿載吃水、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。該指標適合偏大型梯形分布，得到的隸屬度函數如式(20)所示。

(20)

2.2.5 安全防護

(1)通航航道：通航航道指島礁區周圍船舶的交通量，交通量越大導致水陸兩棲飛機水面起降時，與船舶會遇的概率越大，飛機操縱的余量減少，雙方發生事故的概率越大。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。則該指標的隸屬度函數如式(21)所示:

(21)

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

(22)

(3)鳥擊危害:根據《民用機場常見鳥類防范指南》，考慮到鳥撞風險發生的可能性P和后果的嚴重度S，建立了威脅程度和風險可接受的判定標準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]。則該指標的隸屬度函數如式(23)所示:

(23)

3 實例分析

3.1 南海某島礁情況描述

通過查閱相關文獻，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級的運輸補給碼頭，島上已建成通信基站，周圍280 km2的海域實現通信全覆蓋。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，年平均風力以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，浮標若干，助航標志完善率為70%，該島上鳥類種類較多，風險程度為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據，代入各指標的隸屬度函數，確定各評價指標對應各評價等級的隸屬度矩陣如下所示。

自然環境的隸屬度評判矩陣R1為

(24)

基礎設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)

安全防護的隸屬度評判矩陣R5為：

(28)

由1.2節可知已求得各評價指標的權重系數，進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合理性評價的模糊綜合評價進行加權平均處理可得評價結果為

(36)

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

4 結論

提出了將中國自主研制的救援型大型水陸兩棲飛機AG600部署在中國南海島礁合理性評價系統的科學研究方法。首先從飛機設計的適用性出發，結合南海島礁的地理環境、氣象水文條件以及安全性等特點，篩選出評價指標，其次采用改進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隸屬度的環節，最終通過實例案例得到的合理性評價結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，并構建出科學客觀的評價方法，對中國南海島礁部署新型的救助力量進行合理性評價，為中國未來在南海進行救助力量的統一規劃部署提供參考。