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

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(xiǎn)增加。目前許多國內(nèi)外研究人員對船舶通航安全風(fēng)險(xiǎn)的研究，主要是從靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子(Static Risk Factors,SRF)的角度分析構(gòu)成船舶通航安全風(fēng)險(xiǎn)的因素[1-3]，缺少基于動(dòng)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(gè)復(fù)雜的動(dòng)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(huì)相互作用，因此形成了一個(gè)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(xiǎn)演化的網(wǎng)絡(luò)模型，借助Pajek和Matlab對風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/h3>

從人為-船舶-環(huán)境-管理4個(gè)方面對影響壩區(qū)船舶通航安全的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，參考文獻(xiàn)[4]劃定各風(fēng)險(xiǎn)因素間的作用關(guān)系(見表1)，將評價(jià)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)因素(共36個(gè))，連邊表示兩風(fēng)險(xiǎn)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(gè)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(jì)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(gè)風(fēng)險(xiǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)擔(dān)任其他兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間最短路徑的橋梁次數(shù)，一個(gè)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(xiǎn)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(gè)復(fù)雜系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)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(huì)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(gè)節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)最短路徑的平均長度，即一個(gè)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(xiǎn)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(xiǎn)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(gè)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(gè)或幾個(gè)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(gè)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(xiǎn)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(shí)魯棒性才會(huì)下降到0，這表明風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)因素同時(shí)發(fā)生，船舶才會(huì)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。蓄意攻擊中度值時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)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(shí)，風(fēng)險(xiǎn)演化網(wǎng)絡(luò)的魯棒性將為0，因此這28個(gè)節(jié)點(diǎn)是控制安全風(fēng)險(xiǎn)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(huì)使整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)因素分析及防控措施

3.1 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)識(shí)別依據(jù)。

綜合排序后，排名第一的風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(shí)交通流量大，較為擁堵，船舶間距減小；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(gè)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(xiǎn)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(xiǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的演化，如采取控制風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)演變的作用。

2)縮短風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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。