胶州湾航道通航环境危险度分析＊

于定勇，刘洪超，史大运，王昌海

（中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100）

航道作为航运资源中的重要组成部分，是连接港口与外界的纽带。航道通航安全和港口的发展关系密切。港口企业要求航道通航环境能够满足其发展的需要，即通航环境的危险度在企业可接受的范围内。

航道通航环境是指船舶移动所处的空间与条件，包括航行水域的自然条件、航道条件及交通状态［1］。如何科学、合理的确定航道通航环境体系和进行危险度评价，国内外相关学者提出了不同的方法。小林弘明［2］提出了以操船难度为指标的航行环境评价方法，操船难度则通过将自然条件（风、流、雾等）、交通管理及航行环境等因素进行定量分析确定。新井康夫［3］对影响操船操纵能力的环境因素进行了量化分析，并验证了这些选定因素与操船者主观感觉之间的关系，并以此为基础来判断这些环境因素对船舶航行安全的客观影响。井上欣三［4］通过定量计算操船环境和航行环境对船员造成的压力值，提出了基于环境压力模型的操船困难度的评价方法。郑中义［5］应用灰色系统理论中的指标定权聚类法分析了影响船舶航行安全的环境因素。赵仁余［6］提出了基于事故统计数据的水域航行危险度的多层次模糊综合评价法。吴兆麟［7］从人、船、环境的角度对船舶航行危险度进行了分析，并提出利用安全指数法来分析航道航行危险度。虽然国内外学者在航道通航环境体系和危险度评价方面提出了多种方法，但由于通航环境和评价目标的相关因素变化和差异较大，这些方法对具体海域通航环境危险度评价的适用性仍需进一步研究。

随着胶州湾港口经济的发展，胶州湾海运业愈加繁荣，胶州湾水域通航环境也出现了新的形势，如货物运输船舶数量迅速增加、进出港口船舶大型化、渡轮航线和班次增加、港区扩大和航道分支增多等。为进一步分析新形势下胶州湾航道通航环境的安全性，本研究利用AHP－模糊综合评价法对胶州湾的航道通航环境危险度进行研究，分析影响其航道通航安全的主要环境因素，并给出了胶州湾通航环境的危险程度。

1 航道通航环境危险度

航道通航环境危险度是指由于自然环境与航行环境等因素的影响，使船舶在航道航行时发生事故的一种度量［8］。本研究将通航环境下船舶发生事故的危险度评价论域定义在｛－2，－1，0，1，2｝区间，分别表示危险度｛高，较高，一般，低，较低｝。

2 AHP方法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是美国运筹学家Saaty等人在20世纪70年代提出的一种定性与定量分析相结合的多准则决策方法，适用于分析多属性、多目标和多准则系统的决策问题［9］，主要步骤如下［9－10］：

1）建立层次结构

在应用层次分析法之前，需要根据具体情况建立评价系统的层次结构，便于对所评判的对象进行层次分析，确立清晰的分级指标体系。

2）构造判断矩阵

AHP的信息来源于人们对每一层次各因素的相对重要性的判断，这些判断用数值表示出来，组成判断矩阵。为使各元素之间进行两两比较得到量化的判别矩阵，参照有关研究成果引入下列标度及含义（表1）。

表1 判断矩阵标度及其含义Table 1 Symbols and meanings of judge matrix

3）重要性排序

由判断矩阵P，求出最大根λmax及所对应的特征向量W，将特征向量W单位化后即为评价因素的权重。具体步骤如下：

（1）将判断矩阵每一列归一化

（2）每一列经归一化后的判断矩阵按行相加

所得到的：W＝［W1，W2，…，Wn］Γ即为所求特征向量。

（4）计算判断矩阵最大特征根λmax

式中（AW）i表示向量AW 的第i个分向量。

4）一致性检验

对判断矩阵进行一致性检验，使用以下公式：

式中，CR为判断矩阵的随机一致性比率；CI为判断矩阵的一般一致性指标；RI为判断矩阵的一致性指标，对于11阶以内的判断矩阵，RI的值列于表2。

表2 一致性指标Table 2 Consistency index

3 模糊综合评价法

航行环境危险度分析过程中涉及到许多模糊概念，征求的专家意见也带有一定的模糊性。模糊评价是一种应用模糊数学的“模糊综合评价”原理进行安全评价的方法，属于定性评价的一种方法［11］。模糊综合评价一般涉及3个要素：因素集、评价集、单因素评价。在单因素评价的基础上，再进行多因素的模糊综合评价。

对第i个因素的单因素模糊评价为V上的模糊子集：Ri＝（r1，r2，…，rn）。

由此，单因素评判矩阵R为：

4 胶州湾航道通航环境危险度分析

本文通过以下步骤来对胶州湾航道通航环境危险度进行分析。

4.1 建立评价指标体系

评价因素采用专家调查法（Delphi）来确定，采用的调查表27份，其中船员6份，青岛港工作人员9份，青岛海事局7份，引航员5份。根据调查结果确定了指标体系，其由二级指标构成（图1）。

图1 胶州湾航道通航环境因素Fig.1 The navigation environmental factors in the channels of the Jiaozhou Bay

4.2 构造并求解判断矩阵

以危险度为参量，分析各评价因素对航道通航安全影响程度，按影响分为危险度低、危险度较低、危险度一般、危险度较高和危险度高5个等级，分别给出了9个评价因素的危险度评价标准如表3所示［13－14］。在危险度评价标准的基础上，得到9个评价指标的隶属函数。

采取专家调查法对层次中各评价因素对“航道通航环境危险度”的相对重要程度进行打分获取权重系数，通过AHP中的层次单排序法确定层次中各评价因素的权重，得到航道通航环境危险度各因素的权重，判断矩阵如下：

第一层航道航行环境因素判断矩阵：

得到相应评价指标：λmax＝4.004，CI＝0.0013，RI＝0.89，CR＝0.0015＜0.1。

第二层水文气象因素指标判断矩阵：

得到相应评价指标：λmax＝3.002，CI＝0.001，RI＝0.52，CR＝0.002＜0.1。

第二层航道状况因素指标判断矩阵：

得到相应评价指标：λmax＝4.012，CI＝0.004，RI＝0.89，CR＝0.005＜0.1。

表3 评价因素危险度评价标准Table 3 Risk criteria of evaluation factors

4.3 航道航行环境安全模糊综合评价

胶州湾航道通航环境各影响因素的代表值如表4所示。

表4 胶州湾通航环境各因素代表值Table 4 Representative values of navigation environmental factors in the channels of the Jiaozhou Bay

将各评价因素调查数据代入相应的隶属函数中，得到模糊评判矩阵R：

评判集的危险度从高到低分为5个等级，V＝｛高，较高，一般，较低，低 ｝，将评价集的危险度进行量化，高危险度由－2表示，低危险度由＋2表示，V＝｛－2，－1，0，1，2｝。由自然条件U1下的3个因素U11、U12和U13可以得出自然条件的综合评价向量B1，由航道状况U2下的4个因素U21、U22、U23及U24可以得出航道状况综合评价向量B2，交通量及助航设施无次级评价因素，其综合评价向量分别为B3、B4。单因素综合评价向量如下：

总的模糊综合评价向量为B＝W（1）·R＝［0.056 0.271 0.341 0.095 0.064］。

运用加权平均法对水文气象、航道状况、交通量及助航设施及最终的综合评价向量进行处理。得到结果如下：

1）水文气象单因素分析：

结果位于［－1，0］，处于“危险度较高”与“危险度一般”之间，倾向“危险度较高”。

2）航道状况单因素分析：

结果位于［－1，0］，处于“危险度较高”与“危险度一般”之间，倾向“危险度一般”。

3）交通量单因素分析：

处于“危险度一般”与“危险度较低”之间，倾向“危险度一般”。

4）助航设施单因素分析：

危险度等级为“危险度较低”。

5）综合评价向量分析：

结果位于［－1，0］，处于“危险度较高”与“危险度一般”之间，倾向“危险度一般”。

从水文气象、航道状况、交通量、助航设施及综合评价向量的评判结果来看，水文气象是对胶州湾航道通航环境安全影响最大的因素，其危险度指标最高，其次是交通量、航道状况和助航设施。

5 结 论

随着胶州湾两岸经济的发展，胶州湾通航环境发生了较大变化。本研究调查了影响胶州湾航道通航安全的各环境因素，并运用AHP－模糊综合评价法分析了胶州湾通航环境危险度状况，结果表明，胶州湾航道通航环境的危险度为“一般”；在影响胶州湾通航环境安全的因素中影响最大的是水文气象因素，其次分别为交通量、航道状况和助航设施。本研究结果为进一步提高胶州湾通航环境安全性判定提供了参考。

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