基于系統動力學方法的江漢運河通航風險管理策略模擬及其效果分析

鄭義彬 楊慧慧 倪榮

【摘 要】 為提高江漢運河船舶的通航安全水平，從人工渠化運河的特殊性和人、船舶、環境和管理等4個方面分析得出影響江漢運河船舶通航風險的主要因素。運用系統動力學（Systems Dynamics）方法建立江漢運河通航風險管理模型，借助Vensim軟件模擬江漢運河通航風險管理系統中各個因素間的相互作用關系，針對系統各個子系統中的部分人為可控變量及人為不可控變量提出有效的管理策略以達到抑制通航風險的目的。仿真結果表明，江漢運河船舶通航風險可通過調節船舶設備運行正常率、信息化水平、助航設施完備率、船員專業素養水平及交通密度等可控變量來降低。

【關鍵詞】 江漢運河;通航風險;人工渠化運河;限制性航道;系統動力學（SD）

0 引 言

江漢運河自開通以來，依托其獨特的區位優勢及長江和漢江腹地經濟的不斷發展，其貨運量不斷增加，船舶通過量逐年增長。截至2018年6月，江漢運河累計通航船舶艘次，貨運量999.24萬t，船舶通航量增長明顯。此外，隨著漢江航道整治工作的完成，江漢運河貨運量將進一步增長。江漢運河通航船舶數量的增加及船舶大型化趨勢，導致運河通航風險日益凸顯。

國內外許多學者都非常重視通航風險研究。劉清等[1]應用系統動力學（Systems Dynamics， SD）方法，借助Vensim軟件模擬船舶在各因素影響下的通航風險演變過程;張笛等[2]從長江干線枯水期容易發生擱淺等事故出發，利用模糊層次分析法（FAHP）從人、船、環境和管理等4個方面分析影響船舶通航風險的因素;覃盼等[3]應用結構方程模型（SEM）方法探討船舶在三峽壩區航行時影響船舶通航安全的主要因素，研究結果表明環境、航道，管理行為、船舶和船員是影響船舶通航安全的主要因素。在內河船舶通航風險研究方面，現有研究主要集中在長江干線及支流上，較少涉及人工挖掘的限制性航道;因此，筆者考慮江漢運河航道及船舶航行環境的特殊性，基于SD方法分析影響江漢運河船舶通航風險的主要影響因素，建立江漢運河通航風險管理模型，并借助Vensim軟件模擬其演化過程，揭示江漢運河通航風險變化規律，提出相關對策建議以達到降低江漢運河船舶通航風險的目的。

1 影響江漢運河通航安全的風險因素

內河船舶的航行安全通常受航行環境、船舶性能、船員、航道等因素的影響。江漢運河是當代最大的人工運河，連通長江與漢江。江漢運河通航系統有其特殊性，主要體現在以下4個方面：

（1）江漢運河通航凈空受各種公路橋、生產橋、線纜等跨河建筑物高程和運河水位的雙重影響;

（2）江漢運河航道水位與運河外部水位存在一定的落差;

（3）江漢運河水體流速慢而平穩，泥沙較易沉降形成淤積，對航道富余水深有一定影響;

（4）江漢運河未設置錨地，但設有引航道、回旋水域等供船舶等待、停泊、轉向等的特定水域。

依據SD理論，結合江漢運河通航現狀，將影響江漢運河通航安全的風險分為4類：

（1）人員，包括管理人員專業素質水平、管理人員安全意識、船員素質水平、船員安全意識、船員工作負荷等因素;

（2）船舶，包括船舶超載率、船舶危險品運輸比例、船舶標準化水平、船舶設備運行正常率等因素;

（3）環境，包括自然環境的能見度、風力等因素和通航環境的凈空、航道水深、助航設施完備率、交通密度、航道淤積程度、交匯水域交通流復雜程度等因素;

（4）管理，包括安全管理制度、安全培訓教育、協同交流水平、日常安全管理、應急管理機制及裝備、信息化水平、船舶設施設備維護水平及船閘設施設備維護水平等因素。

2 通航風險SD模型的構建

首先將江漢運河通航風險管理系統劃分為人員系統、船舶系統、管理系統及環境系統等4個子系統，然后分析各個子系統內變量間的因果關系，并基于各變量間的因果關系分析系統中數據的流動關系確定系統流，最后根據因果關系及系統流確定各因素間的數學關系式。

2.1 通航風險因果關系圖

分析江漢運河船舶通航風險成因，應用Vensim軟件繪制江漢運河通航風險管理模型因果關系圖（圖1）。

2.2 江漢運河通航風險演化流程

由于圖1只能描述系統內各因素之間的相互作用關系，因此為更全面清晰地表示系統中各因素數據量的動態積累過程，應用Vensim軟件繪制江漢運河通航風險管理系統流圖（圖2）。

2.3 SD模型參數和權重的確定

2.3.1 確定參數

SD模型中參數值可通過實地調研獲得，考慮到參數值的定性和隨機性，對助航設施完備率、安全培訓教育率等參數用常數表示，另一些參數則需要借助Vensim軟件中的函數表示。表1為部分參數的數學表達式，表2為異常天氣與時間（月份）的表函數關系。

2.3.2 確定權重

由于本文模型中因素之間的相互作用關系難以直接量化為具體數值，因此為確定模型中各因素間的比例關系，筆者向從事內河運輸領域研究的專家及江漢運河航道管理處工作人員、船員等進行問卷調查，總計回收答卷69份，有效答卷62份，回收率達90%。為驗證此次調查問卷及調查結果的有效性，本文借助SPSS軟件對整理后的調查結果數據進行信度檢驗，得問卷的Cronbach's系數為0.696，即此次問卷調查結果數據有效。

再用SPSS軟件對問卷數據進行處理（為減小問卷調查結果中的極值問題，本文采用幾何平均數法），最后對用SPSS軟件處理后的幾何平均值進行標準化處理。

由于江漢運河通航風險管理系統中通航風險、人員風險、船舶風險等參數受到多個參數的相互作用，因而需對多參數相互作用的影響系數作歸一化處理，使其值滿足要求。

3 通航風險管理策略模擬及其效果分析

3.1 通航風險管理策略的提出

分析模型中可調控的參數變量，提出調節人員保障、船舶性能、環境控制及風險管理等方面的參數值，模擬江漢運河通航風險變化趨勢，尋找合理的管理策略。

3.1.1 方案1

分析4個子系統中對江漢運河通航風險影響較大的可控變量，通過調整其參數值觀察對通航風險的影響程度。

（1）人員保障方面：分析人員系統中的可控變量后可知，船員的專業素養水平對江漢運河船舶的通航安全影響較大，筆者提出將船員專業素養水平提高10%來觀察江漢運河通航風險趨勢的變化。

（2）船舶安全方面：筆者提出將船舶設備運行正常率提高10%，觀察其對江漢運河通航風險的影響程度。

（3）風險管控方面：由于保障船舶安全航行、確保江漢運河管理部門的風險管理策略是通過監測船舶、船閘以及航道等動態信息來實現的，因此筆者提出將信息化水平提高10%，觀察其對江漢運河通航風險的影響。

（4）環境控制方面：由于目前江漢運河沿線助航設施布設情況還可進一步加強，因此筆者提出將助航設施完備率提高10%，觀察其對江漢運河通航風險的影響。

3.1.2 方案2

由于異常天氣等不可控因素對通航安全也有較大的影響，因此筆者提出將能見度降低10%，以及在能見度降低10%的情況下將交通密度降低20%來抑制由能見度降低時所帶來的影響。

3.2 通航風險管理策略仿真效果分析

3.2.1 方案1

考慮江漢運河通航風險管理模型中的可控變量，對上述所提出的方案1進行模擬仿真，模擬結果見圖3。

從圖3中可以看出，實施方案1后，江漢運河船舶通航風險值較當前均有明顯下降，各個影響因素對江漢運河通航風險管理的影響程度從大到小為：船舶設備運行正常率>信息化水平>助航設施完備率>船員專業素養水平，表明船舶設備運行正常率對船舶通航安全影響較大。

3.2.2 方案2

考慮江漢運河通航風險管理模型中的不可控變量，對上述所提出的方案2進行模擬仿真，模擬結果見圖4。

從圖4可以看出，當能見度降低10%時，通航風險值明顯上升，冬季尤為明顯。為抑制能見度引起的通航風險值升高，本文提出將交通密度降低20%，在降低交通密度后通航風險值明顯下降，說明該方案對于抑制通航風險有效。

4 結 論

在人為可控的風險管控層面，由方案1得出江漢運河管理部門的工作重點，即應重點加強對船舶性能的監控，其次是管理水平、航道環境和人員的管控。可采取以下措施降低江漢運河船舶通航風險：①增強對船舶設施設備的安全檢測以提高船舶設備運行正常率;②加大信息化設備投入以提高江漢運河航道的信息化水平;③加強助航設施布設以保證通航船舶的安全航行;④增加安全培訓次數以提高船員的專業素養水平。

在人為不可控的風險管控層面，由方案2得出在能見度不良時，可通過控制交通密度來降低船舶的通航風險。仿真結果說明此方案具有可行性。

由于篇幅所限，本研究在進行江漢運河船舶通航風險模型仿真時，只選取了通航風險管理系統中的部分因素，因而仿真內容不夠全面，研究結論也會存在欠缺。本研究中的部分難以量化的數據采用專家打分法確定，因而這些數據存在一定的主觀性，使得研究結果可能與現實情況存在一定偏差，需進一步改進。

參考文獻：

[1] 劉清，韓丹丹，陳艷清，等.基于系統動力學的三峽大壩通航風險演化研究[J].中國安全科學學報，2016（4）：19-23.

[2] 張笛，嚴新平，張金奮，等.基于模糊層次分析法的枯水期長江通航風險評價研究[J].交通信息與安全，2013（3）：82-86.

[3] 覃盼，馮志濤，張杰，等.三峽壩區船舶通航安全風險演化研究[J].中國安全科學學報，2018（12）：136-143.