基于GIS的船閘故障風(fēng)險區(qū)域劃分研究

鄒俊杰

（江蘇省交通運輸廳港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210029）

江蘇省內(nèi)河水運發(fā)展條件優(yōu)越，規(guī)劃省干線航道里程4010 公里。通航環(huán)境復(fù)雜，全省干線航道網(wǎng)涉及長江、淮河、太湖和沂沭泗水系，共計建設(shè)有交通管理船閘42 座。隨著運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整的推進，江蘇內(nèi)河水運在綜合交通運輸體系中地位愈發(fā)重要。2021年，全省干線航道仍然維持較為繁忙的水平，船閘過閘總量保持高位水平，共過閘船舶291.7 萬艘次，過閘貨物22.9 億噸，開啟74.8 萬閘次。為進一步保障正常船閘運行，提升水上應(yīng)急保障能力，需對單個船閘可能出現(xiàn)故障的風(fēng)險做定量分析，并在空間上劃定故障風(fēng)險較為集中的區(qū)域，以用有限的資金提供最高效的應(yīng)急保障力量。

1 船閘故障類型及主要影響因素分析

1.1 船閘主要故障類型及特征

通過對江蘇省現(xiàn)有船閘的實地調(diào)研，目前船閘故障可大致分為水下故障、機械故障、電氣故障三大類，反映在故障現(xiàn)象上大多為閘、閥門不能正常啟閉、出現(xiàn)異響、通信與電力異常、控制系統(tǒng)失靈等情況。

（1）水下故障呈現(xiàn)“數(shù)量占比多、專業(yè)要求高”的特征，該類故障占比約55%，常見情況為閘、閥門構(gòu)件脫落、砂石混凝土、樹根形成的水下障礙物引起閘閥門啟閉異常。故障的處理較為簡單，需要清除水下礙航物，但需要專業(yè)的潛水員下水手動作業(yè)。

（2）機械故障呈現(xiàn)“數(shù)量占比中等、處理難度大”的特征，該類故障占比約30%，常見情況為閘、閥門及構(gòu)件故障，一般為閘門節(jié)桿彎曲、閥門閥件損壞以及油箱漏油等故障，以及由于水位上漲、暴雨造成的機械進水失靈。故障的處理相對復(fù)雜，處理時間長，對船閘影響較大，需要機械專業(yè)人員或者廠家技術(shù)人員進行處理。

（3）電氣故障呈現(xiàn)“數(shù)量占比少、處理難度適中”的特征，該類故障占比約15%，常見情況為電氣控制系統(tǒng)故障，PLC 構(gòu)件或模塊損壞，開關(guān)或電纜等供電系統(tǒng)燒毀。故障的處理相對簡單，大多僅需更換損壞的模塊，但部分故障較為隱蔽的情況需廠家技術(shù)人員進行處理。

1.2 船閘發(fā)生故障的主要影響因素

通過對船閘常見的水下故障、機械故障、電氣故障的分析，故障發(fā)生的影響因素主要有船閘的運行、周邊的通航環(huán)境、自身設(shè)備狀況等3 大類。

（1）船閘運行方面，具體表現(xiàn)為船閘開放閘次、船閘通過船舶大小、船閘未來年運行狀態(tài)。船閘開放閘次越多，對應(yīng)通過船舶數(shù)量越多，進而使得機械使用頻次、磨損情況、掉落礙航物的可能越大，易發(fā)生水下故障、機械故障、電氣故障。船閘通過船舶的噸位越大，使得船舶碰撞閘門等情況下發(fā)生水下故障或機械故障的概率越高，也使得修復(fù)難度、修復(fù)時間越長。此外未來年船閘位于江蘇省干線航道主通道上，會使得開發(fā)閘次、通過船舶噸級越大，對應(yīng)船閘發(fā)生故障的可能性越高。

（2）船閘通航環(huán)境方面，具體表現(xiàn)為船閘設(shè)計水頭差、船閘周邊水系情況。船閘設(shè)計水頭差越大，對應(yīng)船閘、閥門在每次啟閉中承受的外界力越大，對相關(guān)構(gòu)件磨損越大，一旦發(fā)生故障的維修難度也越大，易引發(fā)水下故障、機械故障。船閘周邊水系情況，主要是江蘇沿江、沿海口門船閘受潮汐的影響，受力情況更為復(fù)雜，更易引發(fā)相關(guān)故障。

（3）船閘設(shè)備狀況方面，具體表現(xiàn)為船閘建設(shè)（大修）的年份，船閘建設(shè)（大修）年份越近的船閘，其供電設(shè)施、電氣模塊越為先進，其自身發(fā)生故障的概率越小。

2 單個船閘故障風(fēng)險值計算模型

2.1 層次結(jié)構(gòu)模型建立

通過層次分析法，將可能造成船閘故障風(fēng)險的主要因素進行分組，每組視為1 個層級，并將各層級視為目標層、第一準則層和第二準則層，進而構(gòu)建了船閘故障風(fēng)險影響因素層級結(jié)構(gòu)模型。本文結(jié)合前文船閘發(fā)生故障的主要影響因素，從船閘運行風(fēng)險、船閘通航環(huán)境風(fēng)險、船閘設(shè)備狀況風(fēng)險3 個層次構(gòu)建了6 個指標。

表1 ：船閘故障風(fēng)險大小影響因素層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 指標權(quán)重計算

測算指標權(quán)重的確定可通過統(tǒng)計方法、成對比較方法、熵值法、AHP 方法和專家估測法等等。其中，專家估測法滲入專家主觀意識較多；運用熵值法與AHP法工作量較大，但所得結(jié)果較為客觀。結(jié)合觀測點布設(shè)方案評價指標體系，采用AHP 方法確定評價指標的權(quán)重。

在層次分析法中，判斷矩陣的權(quán)數(shù)可通過求出正規(guī)化的特征向量而得，采用算術(shù)平均法。計算步驟如下：

（1）將判斷矩陣的每一列正規(guī)化

（2）按每一行進行加總

式中：為判斷矩陣，為中各評價指標的兩兩比較值，表示向量的第i 個分量。查找相對應(yīng)的平均一致性指標進行一致性檢驗，通過一致性檢驗后，最終可獲得各層次因素權(quán)重。

表2 船閘故障風(fēng)險大小影響因素權(quán)重

2.3 指標計算方法

在上述指標的計算中，充分考慮指標與風(fēng)險之間的相關(guān)關(guān)系，并采用定量計算與定性分析的方式對各指標進行數(shù)值化計算，各類指標的數(shù)據(jù)均來自于官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)或規(guī)劃，具備一定的公正性。各項指標計算具體計算方法如下：

（1）船閘現(xiàn)狀每年開放閘次數(shù)u11 的分值：某船閘2020年開放閘次數(shù)/全省船閘2020年開放閘次數(shù)量的最大值×該指標的權(quán)重。

（2）船閘現(xiàn)狀每年通過船舶的平均噸位大小u12的分值：通過基礎(chǔ)分與增項分求和。其中基礎(chǔ)分得分為該指標權(quán)重×0.6；增項分通過所有船閘平均噸位的差值計算而得，得分為（某船閘2020年通過船舶的平均噸位－全省船閘通過船舶平均噸位的最小值）×[（該指標權(quán)重×0.4）/（全省船閘通過船舶平均噸位的最大值－全省船閘通過船舶平均噸位的最小值）]。

（3）船閘未來年船舶運行情況u13 的分值：若為二級主通道得分為該指標權(quán)重×1；若為三級主通道得分為該指標權(quán)重×0.8；若為三級次通道得分為該指標權(quán)重×0.6。

（4）船閘水頭差u21 的分值：通過基礎(chǔ)分與增項分求和。其中基礎(chǔ)分=該指標權(quán)重×0.6；增項分通過所有船閘水頭的差值計算而得，得分為（某船閘的水頭－全省所有船閘水頭的最小值）×[（該指標權(quán)重×0.4）/（全省所有船閘水頭的最大值－全省所有船閘水頭的最小值）]。

（5）船閘是否位于沿江沿海口門處u22：若為口門船閘得分為該指標權(quán)重×1；若不是口門船閘得分為該指標權(quán)重×0。

（6）建設(shè)年代u3：各線船閘建設(shè)年代對應(yīng)分值，最高分為該指標權(quán)重。其中“2000年～至今” 得分為指標權(quán)重×0.25、“1980年～1999年” 得分為指標權(quán)重×0.5、“1979年之前”得分為指標權(quán)重×0.75。

表2 各指標計算方式及數(shù)據(jù)來源

2.4 計算結(jié)果

結(jié)合上述分析，以100 分制對全省42 座船閘發(fā)生故障風(fēng)險大小進行計算，結(jié)果表明全省船閘因運行強度、地理位置等因素的不同，船閘之間的風(fēng)險值相差較大，各風(fēng)險值區(qū)間范圍內(nèi)船閘數(shù)量分布均勻。其中風(fēng)險值在40-50 之間的船閘有10 個，在51-60 之間的船閘有個10 個，在61-70 之間的船閘有8 個，在71-80 之間的船閘有8 個，在80-85 之間的船閘有6 個。

圖1 全省42 座船閘風(fēng)險值大小示意圖

3 全省船閘故障風(fēng)險區(qū)域劃分

江蘇水網(wǎng)密布，各市均有船閘分布，但近期全省應(yīng)急資金有限，需在全省范圍內(nèi)選擇船閘風(fēng)險分布較為集中區(qū)域布置應(yīng)急力量，以能快速有效地效應(yīng)對可能發(fā)生的故障。在風(fēng)險區(qū)域的劃分上，充分考慮現(xiàn)有船閘空間位置的分布，同時結(jié)合各船閘計算出的風(fēng)險值大小，利用GIS 中的核密度估計（kernel density estimation，KDE）在空間進行分析，劃定風(fēng)險區(qū)域。

3.1 分析方法

核密度估計是在概率論中用來估計未知的密度函數(shù)，屬于非參數(shù)檢驗方法之一。KDE以每個樣本點i（x，y）的位置為中心，通過核密度函數(shù)計算每個樣本點在指定范圍內(nèi)（半徑為h 的圓）各個網(wǎng)格單元的密度貢獻值，距中心處樣本點距離越近密度越大，隨著距離衰減，到范圍邊緣處密度為0。

本文研究用核密度估計法分析江蘇省船閘風(fēng)險聚集范圍，根據(jù)各區(qū)域密度數(shù)值的不同劃分船閘風(fēng)險區(qū)域，其中為各船閘的風(fēng)險計算值大小，h 為50 公里。

3.2 劃分結(jié)果

全省交通船閘風(fēng)險空間分布主要呈現(xiàn)“集聚分布、層次分明”的特征，全省形成了4 個相對集聚的區(qū)域，分別為揚州區(qū)域、南通區(qū)域、淮安－宿遷區(qū)域、連云港區(qū)域。

圖2 全省船閘風(fēng)險核密度空間分布圖

3.3 船閘風(fēng)險區(qū)域劃分

結(jié)合交通船閘風(fēng)險空間分布的特征，將揚州區(qū)域、南通區(qū)域、淮安－宿遷區(qū)域、連云港區(qū)域的4 個區(qū)域劃分為全省風(fēng)險防范重點區(qū)域，建議由省級港航部門指導(dǎo)建設(shè)，承擔(dān)自身及周邊區(qū)域較大事件的處理。

4 研究結(jié)論

（1）利用層次分析法構(gòu)建船閘故障風(fēng)險計算指標體系，更加清楚地分析了船閘不同運行指標對故障風(fēng)險的影響，從而全面、客觀、長遠地定量化表示，能夠為決策提供直觀的依據(jù)。

（2）利用GIS 模型，構(gòu)建全省航道、船閘模型，能夠使用空間數(shù)據(jù)分析風(fēng)險集中區(qū)域，進而劃分重點防范區(qū)，能夠有效地減少規(guī)劃過程中的隨意性和不準確性，具有客觀性、合理性和科學(xué)性。