基于AHP 法的橋區水域通航環境風險評價

郝浩HAO Hao；李夫仲LI Fu-zhong

（安徽省交通勘察設計院有限公司，合肥 230011）

0 引言

經濟社會的快速發展為交通基礎設施建設創造了更好的條件，屬于工程建設規模越來越大，其中涉水工程建設是當前水域工程建設的重中之重，與之相關的建設項目越來越多。但是涉水工程建設中也面臨著很多挑戰，工程施工建設會影響周邊水域的通行環境，威脅一些船舶的通航安全，這一點在相關的研究成果當中已經得到了印證。以橋梁工程為例，橋梁工程在施工建設之前需要進行充分的可行性論證，在論證的過程中要根據收集的相關資料論證和分析，建成以后對河道水流特性的影響，通過模擬分析等方式掌握建成以后的河床演變規律等，在此基礎上科學合理的選擇橋梁的建設位置，橋墩和通航孔的布置方法，如果這些方面沒有進行科學的分析和預測，將會直接制約和影響通行環境和條件甚至會影響通行安全。進而成為航運安全暢通的“瓶頸”，如南京長江大橋[2]，受當時國民經濟現狀的制約，凈空高度偏低，導致萬噸級船舶被阻擋在南京長江大橋以下的水域，在一定程度上影響了長江中上游地區航運業的發展。因此，有必要對橋區水域的通航環境進行風險評價。由于通航環境受不同層次的多因素的影響，而且許多因素的量化信息并不完備且其邊界條件并不十分明顯。因此，采用層次分析法可以較好地解決此類問題。本文采用AHP[3]相關理論與方法，結合專家調查法，建立了橋區水域風險評價層次化的指標體系，為保證橋區水域的通航安全提供參考依據。

1 層次分析法

層次分析法（AHP）是實證研究當中經常采用的一種方法，作為一種系統方法，這種分析方法的優勢在于解決一些無法量化項目的具體評價問題，是一種以定量分析為主，同時強化定性分析能力的實證研究方法。在研究當中先要將研究對象分為若干個元素，分析元素的組成以及彼此之間的關系，在此基礎上形成一個不同等級的層次結構，同一層次的各個元素進行兩兩比較形成權重。以加強求和的方法來確定總目標，選中，從而確定不同元素，對所研究對象的實際影響。通常作為影響因素的評價以及相關元素的影響機制的分析。

1.1 判斷矩陣的構造及一致性檢驗按照層次分析法的分析判斷的標準和要求，運用的判斷矩陣構造的方法構造判斷矩陣。判斷矩陣的標度值及含義如表1 所示。

表1 判斷矩陣的標度值及含義

通過專家對通航風險影響因子之間的比較分析及權重的計算，統計的分析以后可以得出最終的判斷矩陣結果，再對各個判斷矩陣進行一致性檢驗。

根據層次分析法的矩陣理論，假設是矩陣A=（Aij）m×n的特征值，并且對于所有aij=1 則有顯然，當矩陣具有完全一致性時，λ1=λmax=n，其余特征值均為零；當矩陣A 不具有完全一致性時，則需要對判斷矩陣修正，且λ1=λmax＞n，其余特征值存在有如下關系AHP 法使用其余特征值的負平均值，評價判斷矩陣偏離一致性，具體結果如下：

式中，CI 為判斷矩陣對一致性的偏離程度；λmax為各層次判斷矩陣的最大特征值；n 為判斷矩陣的階數。

上述結果顯示符合一致性標準，此時CI=0，對于不同階數的判斷矩陣，其CI 值也不同；一般地，隨著判斷矩陣階數的增大，其CI 值也逐漸增大。為了度量不同判斷矩陣的一致性檢驗是否滿足要求，再引入判斷矩陣的平均一致性指標RI 值，RI 值是用隨機方法分別對n=1～9 階構造500 個樣本矩陣，計算其一致性指標CI 值，然后平均即得隨機一致性指標RI 如表2 所示。

表2 RI 值與判斷矩陣階數n 的關系

對于1、2 階判斷矩陣總是具有完全一致性。當n＞2時，判斷矩陣的一致性指標CI 與同階平均隨機一致性指標RI 之比稱為隨機一致性比率，記為CR。

一般地，當CR＜0.10 時，判斷矩陣具有良好的一致性，符合的研究標準和要求。

1.2 各指標相對權重的確立 目前相對權重的計算方法有求和法、方根法、特征根法和最小二乘法[4]等，本文采用求和法計算相對權重。首先將判斷矩陣的元素按列歸一化，即歸一化后的矩陣B 的各元素為：

將歸一化后的各列相加，將相加后的向量除以n 即得權重向量，即：

由上述方法求得各層指標權重，再由層次分析法求取指標層對目標層的總權重。

2 工程實例

以安徽省望東長江公路大橋建設工程[5]為例，如圖1所示。該工程位于位于長江下游東流水道進口段，左岸望江縣，右岸為東至縣。橋區河段通航代表船隊尺度為406m×64.8m×3.5m，海輪代表船型為5000 噸級海輪。擬選橋位單孔單向通航凈空寬度不小于325m，單孔雙向通航凈空寬度不小于575m[6]。根據大橋的通航環境對大橋進行通航風險評價。

圖1 安徽省望東長江公路大橋橋型布置示意圖

2.1 風險源識別 船舶在某一水域航行，影響其安全的通航環境主要分為三大類，即自然環境、港口環境以及交通環境。針對該建設工程，結合有關學者在該領域的研究成果和專家咨詢的方法識別出通航風險源為：①自然環境的風險源主要為：風力的大小、流速流態、霧及能見度、礁石及淺灘。②港口環境的風險源主要為：航道寬度、航道水深、航道的彎曲程度、航道的交叉、橋位的布置、錨地條件。③交通環境的風險源主要為：船舶航路、交通流量、水工礙航物、導助航設施、安全保障設施、管理規章。

2.2 評價指標體系的建立 根據上述層次分析法及擬建工程水域的風險源進行評價指標體系構建，得到該工程水域通航風險評價的指標體系結構圖如圖2。

圖2 工程水域通航風險評價指標體系結構圖

本文咨詢了多名專家，對準則層、指標層中的各元素的相對重要性進行了判斷，并且經過統計分析得出判斷矩陣。

2.3 權重的確定

根據層次分析法，對每個層次的判斷矩陣進行一致性檢驗并計算相對權重。

2.3.1 準則層的判斷矩陣及相對權重

判斷矩陣A-Bi（i=1，2，3）為

式中，A 為評價體系的目標層，即擬建工程水域通航風險評價指標；B1、B2、B3為評價體系的準則層，其中B1指自然環境，B2指港口環境，B3指交通環境。

用歸一法求其相對權重為

式中，W 為目標層的總權重；W1、W2、W3分別為準則層自然環境、港口環境及交通環境占目標層的權重。

根據公式（4）得：λmax=3.0858

根據公式（1）及（2）得

故判斷矩陣A 的一致性檢驗滿足要求。

2.3.2 指標層各元素的判斷矩陣及相對權重

①自然環境下各元素的判斷矩陣B1-C1j（j=1，2，3，4）為：

用歸一法求其相對權重得到：

式中，W11、W12、W13、W14分別為指標層中風、流速流態、霧及能見度、礁石及淺灘占自然環境的權重。

其中，λmax=4.1864

則判斷矩陣B1的一致性檢驗滿足要求。

②港口環境下各元素的判斷矩陣B2-C2j（j=1，…，6）為：

用歸一法求其相對權重得到：

式中，W21、W22、W23、W24、W25、W26分別為指標層中航道寬度、航道水深、彎曲程度、航道交叉、橋位布置、錨地條件占港口環境的權重。

其中λmax=6，由于判斷矩陣B2的階數為6，故λmax-n=0，即CI=0，所以判斷矩陣B2具有完全一致性。完全滿足一致性檢驗的要求。

③交通環境下各元素的判斷矩陣B3-C3j（j=1，2，…，6）為：

用歸一法求其相對權重得到：

式中，W31、W32、W33、W34、W35、W36分別為指標層中船舶航路、交通流量、水工礙航物、導助航設施、安全保障設施、管理規章占交通環境的權重。

其中λmax=6.0983

則判斷矩陣B3的一致性檢驗滿足要求。

2.3.3 計算每個指標的總權重

若Bi為A 的子指標，Cij為Bi的子指標，則Cij相對于A 的權重[7]為

式中，Vij為指標層Cij占目標層A 的權重，Wi為準則層Bi占目標層A 的權重，Wij為指標層Cij占準則層Bi的權重。由公式（5）可求得各指標的總權重如表3。

表3 各指標總權重計算表

從指標體系總權重可以看出，主要風險源中最大的風險指標為B31（船舶航路）、B32（交通流量）及B35（安全保障設施），其次為B25（橋位布置）及B26（錨地條件），然后依次為B11（風）、B34（導助航設施）、B36（管理規章）。而望東長江公路大橋的風險主要由于船舶航路變窄，交通流量過大，安全保障設施的適應能力下降及風引起的強對流天氣等原因造成的，因此評價指標模型與現實客觀情況是相符合的。根據上述分析，為保證橋區水域的通航安全，航道部門應根據航道變遷及時布設和調整航標，保證過往船舶及時調整船舶航路；加強對橋區水域的監督管理，規范橋區水域船舶航行，避免相互干擾；盡快建設VTS系統，將安全保障設施盡早投入使用；面對風引起的惡劣天氣，航行船舶應及時收聽當地的天氣及水文信息，提前采取應對措施，以策安全。

3 結論

采用AHP 法對安徽省望東長江公路大橋通航環境風險的多因素綜合評價和分析，得出以下結論：①安徽省望東長江公路大橋通航環境最大的風險來自于交通環境，其次為港口環境。主要的風險指標依次為船舶航路、交通流量、安全保障設施、橋位布置、錨地條件、風、導助航設施和管理規章等，而這些也正是橋區水域通航環境風險的主要影響因素。②本文研究表明，橋區水域通航安全對水上交通運輸和國民經濟發展起著極其重要的作用，對橋區水域通航環境風險進行評價有著非常重要的意義，基于AHP法所建立的通航環境風險評價指標體系是比較符合實際情況的。本文提出的風險評價指標體系對于其他的橋區水域通航環境風險評價具有一定的參考價值。