基于PCA的航道通航风险评价指标研究*

王艳锋

(武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

基于PCA的航道通航风险评价指标研究*

王艳锋

(武汉交通职业学院，湖北 武汉 430065)

航道的通航安全是船舶安全航行和沿岸港口可持续发展的重要保障。在航道通航安全的研究中，影响航道通航风险的相关影响因子较多。为了避免出现信息重叠，本文通过分析航道通航风险评价指标，运用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)进行筛选，结合评价指标体系构建的原则，建立全面、科学的航道通航风险评价指标体系。

航道通航安全；风险评价；PCA；指标体系

近年来，随着航运业的发展和人员安全意识的提高，航道通航安全直接影响着船舶的航行安全和沿岸港口的可持续发展，同时也制约着沿江和沿海城市经济的发展。

航道工程是一个复杂的工程，涉及许多方面，航道工程由于地理位置的原因，其通航安全受到多种因素的影响，如自然环境、航道环境、交通环境等，航道内通航风险大。目前，国内外学者对航道通航安全进行了诸多研究，并得到了相当丰富的研究成果。徐国裕[1]根据安全指数法，结合具体统计资料，对高雄港通航安全状况进行了定量化的研究，给航道风险研究提供一种定量化的研究方法。谢宝峰[2]通过对关门海峡的通航特征分析，建立了关门海峡航道风险评价的指标体系，并用模糊数学理论构建评价模型实现对航道的综合评价。赵磊[3]基于模糊层次评价法，利用层次分析法计算天津港通航风险指标的各个权重，然后用模糊评价模型量化航道通航风险，该方法操作简单，能够较好地实现科学地评价研究对象。吴梅平等[4]在研究桥梁通航风险时，以灰色有关理论为研究方法，实现对风险的科学评价。周开君[5]采用可拓学理论，并对权重的计算进行了优化，以宁波某航道进行验证分析，得到的评价效果较为理想。王方金[6]根据研究对象的实际特征，建立证据理论评价模型，有效地处理了航道通航系统存在的未知性与模糊性，得到客观可信的结果。Kiyoshi Hara等[7]针对以东京湾的新建泊位为研究对象，分析通航安全。Park Y S等[8]通过构建潜在的风险评价模型，对韩国沿海航行的船舶进行风险预估，实现了对釜山进港航道通航风险的科学评估。Pietrzykowski Z等[9]结合电子海图系统对限制水域的通航风险进行评估，为船舶航行提供决策。Xiao X等[10]基于综合安全评价方法，对未知环境的通航风险进行评价。Zaman等[11]以事故多发的马六甲海峡为研究对象，利用综合安全评价方法，实现对通航水域的风险评价。

为了更全面地研究航道通航风险，人们尽可能多地选取指标，然而指标并非越多越好。因此，面对繁杂的指标信息时，为了避免出现信息重叠，应该对指标信息进行科学的筛选。目前常用的指标筛选理论主要包括德尔菲法、聚类分析法、PCA等，其中PCA在处理包含相关性的指标信息时效果较为显著。由于航道通航系统的复杂性，同时指标彼此之间相互影响，具有相关性，本文利用PCA对航道通航风险评价指标进行筛选，建立科学的航道通航风险指标体系。

1 主成分分析法概述

PCA通过对指标进行降维处理[12-14]，减少评价过程中人为因素的影响。它将评价系统中的多个评价指标转化为少数评价指标，删除一些包含重叠信息的评价指标，用较少的指标反映出全面的信息，可减少评价研究的复杂性。

1.1 PCA的基本原理

设X=(X1,X2,…,Xp)′是由p个标准化的评价指标所构成的p维随机向量，它的相关系数矩阵Var(X)=V≥0，p个变量的线性组合为：

(1)

则可称Z1是在X的第1主成分。即，在X的所有线性组合中，Z1是最能反映p个信息的一个特殊组合。

则可称Zi是在X的第i主成分。其中，i=1,2,…,p。

(1)数据标准化

(2)

(2)求取相关矩阵

根据标准化评价指标矩阵Y，计算出相对应的相关矩阵R=(rij)p×q，其中，相关系数rij具体计算公式为：

(3)

(3)计算特征向量

结合求出的相关系数矩阵，计算其特征值λ1,λ2,…,λp(λ1≥λ2≥…≥λp≥0)和相关特征向量e1,e2,…,ep，特征值计算公式为：

|R-λI|=0

(4)

其中，ei=(e1i,e2i,…,epi)Ti=1,2,…,p。

(4)提取主成分

(5)

(5)计算主成分载荷

在提取主成分的基础上，根据求取的特征值和特征向量，计算主成分载荷，主成分计算公式为：

(6)

根据以上对PCA的分析研究，可实现对评价指标的筛选和优化，提取有代表性的指标因子进行研究，提高研究的科学性。

1.2 PCA的特征分析

PCA可利用线性组合，将多变量信息转化为少数相对重要的变量信息，其实质是多元统计分析法。PCA实际应用意义在于简化数据，筛选重要数据。通过分析PCA，发现它在筛选指标上存在很多优点。

(1)减少指标之间的相关性

通过对原始的指标信息进行处理之后，得到标准化数据。分析标准化数据，发现可以有效减少彼此之间的相关性。

(2)提高评价过程的科学性

根据PCA计算结果，可得到主成分的贡献率。贡献率是原始指标信息在整个主成分中的权重，其确定过程是科学合理的，可以有效排除人为因素的影响，提高评价过程的科学性。

(3)减少指标处理的工作量

通过PCA筛选指标因子，剔除一部分对评价对象影响程度较小的指标因子，仅仅采用部分有代表性的指标因子进行研究，减少了指标处理的工作量。

2 航道通航风险评价指标分析

航道通航系统由许多部分组成，影响航道通航安全的指标因子复杂多变。为了准确地研究航道通航风险，有必要对影响航道通航风险的指标因子进行详细分析，挖掘内在规律。由于各个指标因子彼此之间存在相互影响，因此在研究中不能片面、孤立地分析单一指标因子，应全面地研究所有潜在影响航道通航安全的指标因子。

(1)风。通常情况下，风会给船舶的受力产生一定的影响，制约船舶的正常操纵性能，尤其对于船舶的航向和航速的影响较大。由于受风的影响致使船舶在航道内行驶时会出现一定程度上的漂移，导致船舶不能按照制定的计划航线行驶。此外，当船舶受不同风向的风力时还会导致船舶发生偏转等现象，在一定程度上将船舶的操纵性能进行消减。当风速较大的横风侵袭船舶时，特别容易出现严重的交通事故。

(2)浪。对于船舶航行安全而言，波浪较大时，船舶晃动程度也越厉害，尤其是对于船舶密集的复杂航道，当在波浪中航行时船舶通航风险将会增加。对于顺浪航行的船舶，当波浪的传播速度和船速接近时会更加危险。

(3)流。水流会对航道内船舶的受力带来一定的影响，在流压力的作用下，船舶的操纵性能会在一定程度上受到影响。同时船舶会在随流的方向产生一定的漂移量，为了保障船舶在航道内安全航行，就必须对船舶的操作提出了更高的要求，而且在很大程度上导致船舶所需的航迹带宽度会增大，增加通航风险。

(4)潮汐。潮汐对航道内通航安全的影响主要包含两个方面。一方面，潮汐来临时，会改变航道内的水流条件，容易产生一些不规则的水流，在不规则水流的影响下时常会造成船舶与临近船舶、码头、岸边发生碰撞事故，影响航道通航安全。另一方面潮汐会改变航道内的水深条件，当涨潮时，航道内水深增加，大型船舶可乘潮进出航道；当落潮时，航道内水深较少，一些大型船舶可能无法进出航道，而且容易造成航道内行驶船舶发生搁浅、触碰等事故，影响航道的通航安全。

(5)能见度。能见度是指对于视力正常的人在实际的情况下可看清楚所关注的目标的轮廓时的最远距离。资料统计表明，雾是造成能见度降低的一项重要的因素。在能见度不良的环境下会导致船舶驾驶人员对周围通航环境的状况不能及时掌控，从而在一定程度上影响其对船舶操纵决策，如若出现失误会导致船舶发生不可想象的严重后果。通过对以往事故统计研究发现，能见度与事故发生的概率存在指数关系，影响通航安全。

(6)降水。降水会影响驾驶员的了望，减少了望的距离，不利于船舶及时采取避让措施。同时降水也会制约船舶的操纵性能，当出现强降水时，航道内水流状态发生改变，可能出现不正常水流，会给船舶的航行安全带来一定的风险，影响航道的通航安全。

(7)航道长度。对于通航安全而言，航道长度越大，船舶驶出航道的时间相应就会增多，这将给通航安全带来一些可知的以及未知的危险，增加驾驶员的压力，影响其船艺的发挥。同时，航道长度越大，驾驶员往往需要消耗很多精力，容易产生疲劳，不能全神贯注地操纵船舶，在一定程度上导致航道内发生事故的概率增加。

(8)航道宽度。航道宽度的不同，其带来的危险程度也不同。航道宽度越大，航道通航越安全。航道宽度越小，航道通航越危险。尤其在航宽较小时，船舶在航行过程中时常遇到岸推岸吸、船推船吸等情况，影响通航安全。水上交通安全学理论认为，船舶航行的安全系数很大程度上受操纵空间大小的影响。目前，诸多学者针对航道宽度和通航安全的问题进行了理论分析计算，发现航道宽度对通航安全有重要影响。

(9)航道水深。航道水深会影响船舶的操纵性能和航行安全。对于水深较小的航道，船舶航行时会增加航行阻力，同时影响船舶舵效，影响船舶的正常操纵，在一定程度上影响通航安全。此外，航道水深也会对船舶的航行安全产生一定影响。例如水深较小时，航道内很容易造成船舶搁浅事故的发生。对于枯水期的航道，航道水深较小时，船舶可能无法正常行驶，各种潜在的碍航物可能显现，影响通航安全。

(10)航道弯曲度。对于航道通航而言，航道弯曲度较大时，对船舶的转向要求较高，影响着船舶的正常航行。通过对船舶的操纵特性进行分析知，航道的弯曲度较大时，船舶需要改变的角度就增加，将给船舶的操纵带来不利影响，导致航道的通航风险系数提升。除航道弯曲度的影响外，船舶在弯曲段航行的过程中也会受到风、流等外界作用力对船舶的影响。所以，在弯曲航道内，通航风险较大。对于弯曲航段，船舶要格外注意通航安全，严格恪守相关通航法规，提前做好应急准备。

(11)碍航物。碍航物是影响航道通航安全的重要因子，很容易诱发通航事故。碍航物对航道通航安全的主要影响是，它会改变航道可操作性的空间。当碍航物较多时会影响航道内的通航环境，增加危险性。同时会限制船舶的航行区域，影响船舶的安全航行，严重时会发生船舶与碍航物之间发生碰撞等事故。

(12)水工建筑物。船舶在水工建筑物附近航行时，需提前做好准备，谨慎驾驶。尤其是桥梁、电缆等对航道通航安全影响较大，航至附近水域时，会给驾驶员的操船水平提出了较高的要求，在一定程度上影响通航安全。此外，在洪水期遇到涨潮时，可能会影响船舶的净空高度，船舶航经此处时应核查净空高度，避免发生事故，影响整个航道的通航安全。

(13)转向点数。通航情况下，对于某一航道，转向点数目越多，通航相对越危险。一方面，航道转向点较多时，会增加航道的通航环境的复杂性，同时会给驾驶人员增加操船压力，影响航道通航的安全。另一方面，转向点较多时，船舶需要在航道内频繁转向，在一定程度上会限制船舶的操纵性能，尤其是在避碰等特殊情况下，影响船舶航行安全，同时由于频繁转向也会给通航安全带来未知的隐患。

(14)航道交叉点数。如果航道交叉点较多，船舶会遇的概率随之增加，导致航道内通航环境恶化，诱发事故的发生。对于交叉的两条航道，交叉区域通航风险较大，为风险区域，在该区域船舶应谨慎驾驶，避免碰撞、失控等事故发生。交叉区域内船舶比较密集，交通密度大，会导致很多复杂的交叉会遇的局面出现。同时船舶在此处航行时，往往需要频繁的进行操舵转向进行避让其他船舶。

(15)交通流量。交通流量是水上交通的一个重要指标，从正面看，它直接反映出航道的船舶数量和水道的空间利用率；从侧面看，它间接表征了航道的拥挤程度和危险。航道的时空资源有限，必然限制了航道的通航能力，甚至是影响船舶的航行安全。当航道水域的船舶交通流量较大时，意味着船舶密度也相对较高，船舶与船舶之间的空间距离必然较小，由于船舶的操纵性有限以及船舶驾驶员的操船技艺和心理素质，船舶通常会选择保持安全航速行驶，甚至采取大幅度转向避让操作，大大影响了船舶的通航效率。研究表明，高密度水域的船舶极易发生船舶碰撞事故。

(16)海事监管。海事监管是保障航道通航安全的重要因子。目前，航道通航安全的主要监管力量是海事局。根据数据统计分析，在海事部门的监管下，通过对辖区航道进行科学监管，有效地提高了航道通航安全，保障通航秩序井然有序，减少了水上交通事故的发生。

(17)导助航设施完善率。导助航设施是现代航海的重要组成部分，也是区别于传统航海的主要特征。助航标志的就如同是公路的标志，是指引船舶行驶的重要工具，在内河航道、港口水域以及沿海水域有着非常重要的应用价值。不同于公路的标识线，航道没法画出标示线，只能借助通航标志来指示航道相关信息，比如航道的界定，标示危险碍航物等。因此，导助航设施是航道的重要配套设施，有助于船舶在航道水域的航行安全和航行效率，对航道通航安全影响较大。

(18)安全管理制度。目前我国航道内的相关安全管理制度比较健全，主要的安全管理制度包括航行规定、避碰规则以及相关靠离泊制度等。对于一条航道而言，科学、完善的法规对航道通航非常重要。通过完善的制度，可以有效约束船舶航行，避免船舶无序、违章，保障通航秩序，确保航道内通航安全。

(19)VTS覆盖率VTS是船舶交通管理的一套应用系统，是海事管理人员对船舶进行监督管理的重要工具。在VTS覆盖的水域，海事管理人员可以对船舶进行实时地监控和跟踪，并能根据获取的信息为船舶提供服务，保障覆盖水域内航道的通航安全。VTS可以实时监控和管理船舶，疏导航道交通，避免事故发生。

(20)岸上救助。航道内救助力量主要包括救助队伍和救助设备，完善的救助力量能够有效地处理突发事件的能力，保障航道通航安全。对于航道通航安全而言，及时、有效的岸上救助可以大大减少通航事故造成的损失，避免损失的扩大，在一定程度上提高航道通航安全。

3 基于PCA的风险评价指标筛选

航道通航评价指标因子[15-16]分别为x1,x2,…,x20，依次代表风、浪、流、潮汐、能见度、降水、航道水深、航道宽度、航道长度、航道弯曲度、碍航物、水工建筑物、转向点数、航道交叉点数、交通流量、海事监管、导助航设施覆盖率、安全管理制度、VTS覆盖率、岸上救助。

根据上述对PCA的研究分析，借助SPSS软件对航道通航风险指标因子进行筛选，筛选出有代表性的指标因子。在筛选过程中，必须保证筛选出的指标因子具有代表性，同时又能全面反映出航道通航风险信息。结合航道通航风险评价因子信息，基于PCA具体计算步骤和SPSS软件，可得到评价指标的标准化数据和相关矩阵。其中，评价指标相关矩阵如表1所示。

从表1中可知风(x1)、流(x3)、能见度(x5)、航道水深(x7)、航道宽度(x8)、航道弯曲度(x10)、碍航物(x11)、转向点数(x13)、航道交叉点数(x14)、交通流量(x15)、导助航设施覆盖率(x17)、VTS覆盖率(x19)等12项评价指标彼此之间相关系数较大，并且都在0.8以上，相关性较强。

根据SPSS分析结果，可得到相关矩阵的特征值、主成分贡献率以及累计贡献率，具体信息如表2所示。从该表中可知，航道通航风险评价指标数据信息经过处理之后，第1主成分和第2主成分的相应特征值分别达到12.200和4.901，主成分累计贡献率可达到85.502%。该数值大于PCA中一般所规定的数值，因此可提取出第1主成分和第2主成分。

表 2 相关矩阵初始特征值及分析

(注：提取方法为主成分分析)

第1主成分和第2主成分均与对应的信息变量存在一定的联系，根据SPSS软件可分析出初始因子载荷矩阵，如表3所示。

表 3 初始因子载荷矩阵

从表3中可知风(x1)、流(x3)、能见度(x5)、航道水深(x7)、航道宽度(x8)、航道弯曲度(x10)、碍航物(x11)、转向点数(x13)、航道交叉点数(x14)、交通流量(x15)、导助航设施覆盖率(x17)、VTS覆盖率(x19)在第1主成分上有较高的载荷，说明这些指标是影响航道通航风险的主要因素；浪(x2)、潮汐(x4)、降水(x6)、航道长度(x9)、水工建筑物(x12)、海事监管(x16)、安全管理制度(x18)、岸上救助(x20)在第2主成分上有较高的载荷，说明这些指标是影响航道通航风险的次要因素。因此，可选取第1主成分内12项评价指标。

4 航道通航风险评价指标体系构建

通常情况下，评价指标体系构建过程中遵循以下四点基本原则：全面性，即所确定的评价指标体系可以完整、全面的反映出所研究对象的具体特征，包括各种与研究对象的有关的指标；科学性，即指标体系构建的过程中应以科学为依据，所有的研究应建立在科学的基础上；可比性，即指标体系中各个评价指标能够按照确定的评价标准和准则进行量化分析，保障指标在整个评价体系中能够可比；操作性，即评价指标体系构建过程中，应避免指标选取过于复杂而难以操作，要求评价指标信息便于收集、整理和研究。根据PCA基本原理，筛选出 影响航道通航风险的指标因子。基于上述研究成果，结合指标体系构建的原则，对所筛选的12项评价指标进行归纳分析，建立一个科学、合理的评价指标体系，如图1所示。

图 1 航道通航风险评价指标体系

5 结语

本文从航道通航系统的特征着手，通过查阅文献和专家咨询分析影响航道通航安全的各个指标因子，并利用SPSS软件对指标因子进行筛选，保留部分对通航安全影响较大的指标因子。结合保留下来的指标因子，根据评价指标选取的原则和基本思路，构建出一个具有科学性、综合性和可操作性的航道通航风险评价指标体系，该评价指标体系包含自然环境、航道环境和交通环境3个一级指标和12个二级指标，为航道通航风险评价研究提供了一种新思路。

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10.3969/j.issn.1672-9846.2017.03.017

U697

A

1672-9846(2017)03-0094-07

2017-07-05

中国交通教育研究会课题“应用PC模拟仿真提升航海职业教学质量的研究”(编号：交教研1602-59)。

王艳锋(1982-)，男，河南驻马店人，武汉交通职业学院讲师，主要从事交通信息工程及控制研究。