李鳳鵬，崔 巍，劉振強

(大連海事大學航運經濟與管理學院，遼寧 大連 116026)

1 引言

目前北極地區總共有3條航道，分別為：東北航道、西北航道和中央航道。尤其是東北航道的開通，明顯縮短了我國到歐洲、北美的路程，為我國航運帶來巨大的效益。北極航道的開通不僅增加了我國和其他國家的貿易機會，還加快了國產資源貿易的流通速度。然而北極航道的通航問題依然是困難重重[1-3]。主要是以下2點原因：第一，由于北極地區氣溫低、海水厚度大、海水密度高等惡劣的自然環境嚴重影響到船體和船上所裝備的電子儀器設備等。第二，船員受北極海洋、氣候條件等因素影響，嚴重增加了北極通航的風險。

目前許多學者參與到北極航道環境安全的評估工作中，并對通航的可行性進行分析[4-5]。文獻[6]對北極航道的環境要素進行系統分析，確定了航道的環境風險評價體系，應用CRITIC方法對突變級數中的指標進行改進，構建航道環境風險評價模型。實驗結果表明，該方法與評價結果具有一致性，然而對于較大級別的通航風險問題需要進一步研究。文獻[7]針對航道通航的不確定性，提出動態貝葉斯網絡的北極航道通航可行性評估技術，基于數據的推理計算，建立動態貝葉斯網絡預測模型，實驗結果表明，該方法可有效降低誤差數據對實驗結果的影響，但該方法DBN模型指標的覆蓋面不夠全面。文獻[8]針對北極航道通航安全問題構建了航道自然風險評價指標體系，基于猶豫層次的分析方法確定客觀權重，并集成求出組合權重，通過構建的風險模型，對自然環境進行時空特性分析，實驗結果表明，該方法模擬的航道與實際航道比較為吻合，但該方法需要建立更加客觀的指標體系，從而提高模型的精確度。

針對以上問題，本文提出基于DSR模型的風險多維指標評估方法。首先建立影響通航安全的風險多維指標集、通航風險結果評價集，并對各個風險因子進行專家分析，求出權重集。然后基于DSR模型指標體系，對北極航道通航的安全性進行預測，并通過實驗評估，分析三個海峽的通航情況。

2 北極航道通航環境及風險評估

2.1 水文要素

海流和潮汐主要影響船員對船舶的操作性能。通常情況下，船舶在通航過程中，海域的流速越大，船員對船舶的操作越困難，會增加事故發生的頻率。尤其是在航道狹隘的海域，海流和潮汐會增加水流和船舶航行間的相對加速度，大大增加了船舶間的岸壁效應，從而導致船舶碰撞和擱淺等事故的發生。一般情況，小船必須等到海流變小才能進入海峽。通過測量發現，東北航道的海流大約為2kN，巴倫支海的海流大約3kN。

海冰對船舶通航有著致命的威脅，是最重要的因素。海冰按照發展階段分為：新冰(厚度≤10cm)、初級冰(10cm≤厚度≤30cm)、一年冰(厚度>30cm)、兩年冰(2.5m≤厚度≤3m)和多年冰(厚度>3m)，根據海冰的不同發展階段對船舶航行有不同程度的影響。

2.2 氣象要素

在北極航道通航過程中，氣溫對船舶影響很大，主要分為2方面：氣溫低，造成海面結冰，不利于船舶航行；溫度低，引起船舶積冰，影響船員操縱。隨著全球氣候變暖，北極氣溫逐漸上升，但氣溫還是很低。在考慮北極航道問題時，常對航道附近平均氣溫進行研究。

風對船舶通航有著很大影響，尤其在大風時，船舶容易偏航、擱淺。在通航過程中風還會吹動浮冰，對船舶造成二次傷害。一般6級以上的大風就會對船舶通航造成影響。

能見度會影響船員的視線，影響能見度的因素主要有海霧和吹雪。在溫暖的7、8月，正是船舶通航的最佳時期，然而經常產生的海霧嚴重威脅了船舶的安全通航。吹雪會使船員的能見降低，如果遇到大風的情況下，能見度會更低。

2.3 海域要素

航道寬度和海水深度對船舶航行也有影響，船舶在航道較狹隘的海域，容易發生岸推和岸吸現象，海水的深度影響船舶的規模，若大型船舶經過較淺的海域容易觸礁。

2.4 通航風險多維指標分析

北極航道的惡劣環境給船舶的安全航行帶來了嚴重的威脅。因此對航道進行風險分析，確定通航風險多維指標對船舶航行的影響，保證船舶的安全行駛，有著重要的意義。

本文采用模糊綜合評價方法，該方法能夠針對包含的各種風險，效地解決復雜的、模糊的系統問題。首先建立影響通航安全的風險多維指標集A；其次建立通航風險結果的評價集B；再對風險多維指標集中各個風險因子進行專家分析，求出權重集C。三個集合用公式可表示為

(1)

Ei=Ci°Di

(2)

最后依據加權平均原理，對評價集E進行反模糊的歸一化處理，求解出評價等級B，根據評價等級判斷北極航道通航的風險等級。

通過模糊綜合評價方法，可以分析出通航過程中最主要的風險指標是海冰，其次是氣溫、能見度等自然環境因素。通過對北極航道進行細致的風險評估，可以提前確定哪條航線更安全，哪些風險是影響船舶通航的最主要因素，同時可以為船員采取更全面的防護措施，保證船舶和船員的安全，為船員的培訓和認證等都提供了科學的依據。

3 DSR模型指標體系

DSR模型包含三部分，分別為驅動力(Driver)、狀態(State)和響應(Response)，可以通過分配權重研究這三部分對通航安全的影響。其中，驅動力表示通航期間所產生的動力因素；狀態表示在驅動力作用下自然風險對安全等級的影響；響應表示針對這些不利的影響所采取的應對方法和應對措施。

DSR模型的構建可以作為北極航道通航評價安全的參考。因此采用DSR模型，并結合自然風險多維指標，可以對北極航道通航的安全性進行預測。在考慮等級隨機性與不確定性對DSR模型的影響時，對船舶通航安全進行動態評價，包含三方面：建立指標體系、確定指標權重和建立評價模型。

首先，通過安裝在船舶上的安全監測儀器取得指標參數，并基于DSR指標結構構建3個層次的評價指標體系。第1個層次是評價目標層，即為船舶通航安全；第2個層次是評價準則層，即為通航驅動力、監測儀器監測的狀態和監測變量；第3個層次是評價要素層，即驅動力指標、監測儀器監測指標和相關性指標。

其次，建立船舶安全評價模型，由于船舶通航安全分級具有模糊性，需要引入物元分析理論，從而改變物元結構。同時采用主客觀綜合賦權法，降低船員主觀意識的隨意性。

最后，將研究方法應用到實際的環境中，實現對船舶通航安全的動態評價，通過分析驗證DSR模型的準確性。

對船舶通航評價指標體系進行3個層次的劃分，其中環境驅動力指標是指船舶通航自然環境對船舶造成的“驅動力”因素集合，自然環境因素改變了船舶行駛的狀態，同時也會對船舶監測參數相關性產生影響。監測狀態是指規定的時間段內船舶所處的狀態和行駛情況，它是船舶行駛是否安全的主要評價準則。監測量相關性指標是指對船舶監測狀態的反饋信息，對船舶是否處于安全行駛狀態提供決策信息。DSR框架模型的船舶通航安全評價指標體系如圖1所示。

圖1 船舶通航安全評價指標體系

準則層環境驅動力包含海冰密度、氣溫、風速和可見度四個要素；監測量狀態包含航道寬度、海水深度和航道彎曲度三個要素；監測量相關性包含導航設備完善率和監測設備覆蓋率兩個要素。

4 通航風險評估建模分析

風險指標的確定與分析對評估船舶通航的科學性、可信性具有重要的意義。在建立風險評估體系時，不僅需要考慮風險指標的重要性，還需要考慮風險指標的可獲取程度。北極地區的寒冷天氣對船員健康以及設備操作等都會產生負面影響。同時北極地區的特殊磁場，也會導致船舶電子設備異常。

4.1 標準化風險指標

由于船舶行駛過程中，各個風險指標具有不同的量綱級別，因此本文通過極值標準化的方法對各個指標進行標準化處理，達到消除不同量綱差異性的目的，保留原始的數據。首先考慮海冰對通航風險的影響，海冰標準化后用公式可表示為

(3)

其中，ρ表示海冰密度的原始值；ρmin表示海冰密度的最小值，ρmin=0；ρmax表示海冰密度的最大值，ρmax=1。溫度標準化后用公式可表示為

(4)

其中，T表示風險評估指標的原始溫度；Tmin表示所研究區域中溫度的最小值。風強度標準化后用公式可表示為

(5)

其中，W表示風險評估指標內的年平均風速；Wmin表示風強度的最低標準值，且Wmin=9.9m/s。從能量學角度考慮，風險評價指標中風強度取決于風速大小。能見度標準化后用公式可表示為

(6)

其中，S表示風險評估指標中月平均能見度；S0表示能見度最低參考值，按照國際霧級標準，S0=4000m。月平均能見度S值越小，船舶通航時風險度越高。航道寬度標準化后用公式可表示為

(7)

其中，W表示航道寬度的絕對值；K1表示航道寬度的參考值，當K1=60km，船舶航行沒有危險。航道寬度越小，船舶越容易觸礁。海水深度標準化后用公式可表示為

(8)

其中，D表示海水深度的絕對值；K2表示海水深度的參考值，K2=40m。當海水深度為40m時，船舶航行沒有危險。航道的海水越淺，船舶發生擱淺的可能性越大，越容易發生危險。船員素質標準化后用公式可表示為

(9)

其中，C1表示風險評價指標中通航次數；C表示5年內北極航道通航次數。對船員素質進行評定打分，規定5年內通航次數越多的船員經驗越豐富。

4.2 確定風險指標權重

指標權重確定的本質是通過對多位專家的經驗判斷與某一位專家判斷的最大經驗值進行量化對比，根據對比的差異性大小分析專家群經驗判斷的關聯性。關聯性越大，表明專家經驗判斷越具有一致性，該指標的重要程度越強，權重會越大。

假設有n個風險評價指標，m個專家經驗判斷，將風險評價指標與專家對各種風險指標的經驗判斷組成數據列，用矩陣可表示為

(10)

從矩陣數據列中選擇一個最大的權重值作為參考權重值，并將各位專家的參考權重值與該值做比值，重新構成數據列，用公式可表示為

X0=(x0(1)，x0(2)，x0(3)，…，x0(m))

(11)

進一步求出各個風險評估指標序列與參考數據列之間的距離，用公式可表示為

(12)

最后求出各個風險評估指標的歸一化權重，用公式可表示為

(13)

根據以上公式，可以計算出風險評價體系中各個風險指標的權重，結果如表1所示。

表1 風險指標權重

5 仿真與實驗評估

由于各個指標的獲取難易程度不一樣，本文分別對維利基茨基海峽、德朗海峽和紅軍海峽三個相對重要的海峽進行研究。采用經典投影指標求得三個海峽環境因子的投影方向。本文各個指標的合成采用加權綜合法，用公式可表示為：

(14)

其中，Rk表示因子k的計算值；Zh表示因子k的指標h標準化參數；Qh表示指標h的權重大小；n表示因子k的指標個數。結合指標特點與船舶通航環境的最低標準，船舶可否通過海峽與自然環境危險性滿足的關系如表2所示。

表2 可否通過海峽與自然環境危險性關系

通過式(14)分別計算出維利基茨基海峽、德朗海峽和紅軍海峽從2009-2019年內8-11月份的通航風險性，如圖2～圖5所示。

圖2 維利基茨基海峽風險度

圖3 德朗海峽風險度

圖4 紅軍海峽風險度

圖5 海峽月平均風險度

從圖中可以看出，3個海峽的通航風險性總體呈下降趨勢。維利基茨基海峽9、10月份的通航風險性比8、11月份低，維利基茨基海峽自然環境風險較高，通航很困難，但沒有達到無法通航的程度。德朗海峽9、10月份的通航風險比8、11月份低，有3/4的時間可以通航，通航狀況較好。紅軍海峽8-11月份通航風險性整體比較高，基本無法通航，通航狀況極差。綜合比較三個海峽，紅軍海峽的通航風險性明顯高于另外兩個海峽，維利基茨基海峽通航條件最好，比較適合通航。

6 結束語

為了研究自然環境等因素對北極航道通航安全的影響，本文分析了船舶航行時的環境風險，特別是海冰、氣溫、風速和能見度等風險因素。為了能對北極航道更細致地進行風險評估，本文結合了模糊綜合的評價方法。然后采用DSR模型對北極航道通航的安全性進行預測。最后將風險指標進行標準化處理，求出各個風險評估指標的歸一化權重。實驗結果表明影響船舶航行的主要風險因素由大到小為海冰密度、溫度、能見溫度。在每年的8-11月份間，海峽的自然環境風險呈現出下降趨勢，有利于北極航道通航，這對北極航道的全面開通提供了有力開端。