可拓优度在港口航道通航风险评价中的应用

唐欣文，陈海群，高崇阳，邵 辉

(常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164)

随着“21世纪海上丝绸之路”的快速发展，我国与其他国家间的贸易往来越来越频繁，其中大约有80%以上的贸易由海运来承担[1]，随着货物吞吐量的增长，我国港口规模正在不断扩大，但航道通航事故的频发也给港口的可持续发展和海运安全带来了严峻的挑战。因此，如何通过对港口航道通航的风险评价来减少航道通航事故的发生已成为许多学者关注的问题。

国内外学者已经对港口航道通航安全进行了多方面的研究，如贾明明等[2]结合集值统计法和灰色模糊理论，建立了航道通航环境安全评价模型;王晨等[3]利用熵权法和Topsis模型建立了航道引航环境风险评价模型，并以长江江苏段4段航道为实例进行了验证；王杰等[4]通过粗糙集消除冗余指标，利用集对分析方法评价了我国沿海主要集装箱港口航道通航安全；Trucco等[5]以海上交通为例，提出了基于贝叶斯置信网络的复杂社会技术系统的风险评价模型；Ahmad等[6]以Pisang岛航道为例，验证了通航过程中岛上的船舶交管系统(VTS)雷达作用明显优于岸上雷达。

综上可见，上述评价方法和评价模型侧重点各不相同，大都是以定性的方式来评价航道通航安全状况的，且所考虑的影响因素基本是固定的，仅侧重于影响航道通航安全的某一方面进行研究，但航道通航安全状况的影响因素复杂多变，虽然其安全风险评价研究取得了一定的效果，但仍然有待完善和发展。可拓优度[7-9]是可拓学中一种能高效处理矛盾相容、定性和定量相结合的新型风险评价方法，而将层次分析法与熵权法相结合，运用距离函数可确定更加合理的指标权重比例。因此，本文尝试将可拓优度与综合权重相结合应用于港口航道通航的风险评价中，进而综合评价港口航道通航的安全性。

1 构建港口航道通航风险评价模型

1.1 构建港口航道通航风险评价指标体系

港口航道通航安全主要包括水面、水下、水上、沿岸等对水上交通安全的影响[10]，涉及人、船、环境和管理四大方面，在研究水域船舶通航安全时，通常不考虑人的因素和船舶自身的因素。本次研究首先调查了国内航运事故统计中典型的52起港口航道事故[11]，确定了17个风险评价指标；然后对某港口航道进行实地考察，结合其运行状况和运行特点，对17个评价指标进行了提取，保留了对港口航道通航安全影响比较大的因素；最终确定了港口航道通航风险评价指标体系，包括3个一级指标和12个二级指标，详见图1。

图1 港口航道通航风险评价指标体系Fig.1 Risk evaluation index system of harbor channel navigation

1. 2 港口航道通航风险因素表征

在上述二级指标中，航道水深对船舶舵效和操纵性能产生很大的影响，航道水深较浅时，反而会发生“浅水现象”。航道水深用设计最低通航水位至航道底最浅处的水深表示，单位为m；船宽用船宽与航道最窄宽度比来表示；航道弯曲转向点和障碍物对船舶进出港安全影响明显，两者均用个数表示；能见度越高，航行危险度越低，平均雾天数取能见度不超过2 km的雾日数；风况越恶劣，越容易偏离航线，航行越危险，风况取年标准风天数[4]；通航水域流速用航道中水流在单位时间内所经过的距离表示，单位为m/s；潮汐会增加船舶搁浅和碰撞的危险，潮汐用潮差表示,单位为m；航道交通流密度越大，需要避让的次数越多，航行危险度越高，航道交通流密度取日均通过船舶量，单位为艘/d；导助航设施、船舶交管系统(VTS)和靠泊条件越完善、性能越好，越有利于航行安全，对这三者采用1～9模糊评价，1表示最好，程度随数字递减，9表示最差。

2 港口航道通航可拓优度风险评价方法

可拓优度风险评价方法的基础是可拓集合理论，包括可拓集合、关联函数和可拓关系。港口航道通航可拓优度风险评价方法的具体流程如下。

2. 1 确定评价指标

根据图1列出的影响港口航道通航的风险因素，建立了风险因素的指标层B={B1,B2,B3}和因素层C={C1,C2,…,C12}。

2. 2 确定经典域和节域

以上述因素层C为例，设定的经典域为

(1)

式中：N0j表示航道通航风险等级；V0j表示等级j在第k个指标的值域；(a0jk，b0jk)表示Ck取值范围的上限和下限；j=1,2,…,m；k=1,2,…,n。

节域表示为

(2)

式中：Np表示物元系统中航道通航风险等级的全体；Vpk表示指标Ck的值域；(apk，bpk)表示指标Ck取值范围的上限和下限；j=1,2,…,m；k=1,2,…,n。

2. 3 确定待评价物元

待评价物元为

(3)

式中：N表示航道通航风险等级；Vk表示N所能得到的评价特征Ck的量值，其中k=1,2,…,n。

2. 4 计算评价指标的关联系数

评价指标的关联系数为

(4)

其中:

|V0jk|=|b0jk-a0jk|

式中：Djk表示评价指标的关联系数；δ(Vk，V0jk)表示量值Vk与V0jk区间的距离;δ(Vk，Vpk)表示量值Vk与Vpk区间的距离;j=1,2,…,m；k=1,2,…,n。

2. 5 确定指标的综合权重

2.5.1 三标度层次分析法确定指标权重

层次分析法(AHP)主要是利用专家评价信息，通过逐层比较其关联因素来分析和预测事故的发展。传统AHP需要对判断矩阵进行一致性检验，本次构造了最优传递矩阵，省略了一致性检验的步骤，并简化了计算过程，其标度参见表1。

表1 三标度赋值表Table 1 Scale of zero to two

利用三标度层次分析法确定指标权重的具体步骤如下：

(1) 构造判断矩阵R:

R=(rxy)n×n(x=1,2,…,n；y=1,2,…,n)

2.5.2 熵权法确定指标权重

假设有m个航道，n个评价指标，构造原始数据矩阵R=(rak)m×n(a=1,2,…,m；k=1,2,…,n),利用熵权法计算指标权重的具体步骤如下：

(1) 指标标准化后,得出第k个评价指标下的第a个航道的比重：

(5)

(2) 计算指标的信息熵：

(6)

其中，当Pak=0时，令PaklnPak=0。各评价指标的熵权wk为

(7)

2.5.3 采用距离函数计算指标的综合权重

为了使层次分析法与熵权法得到的权重及其相应的分配系数差异程度一致，本次研究采用距离函数计算指标的综合权重。设层次分析法与熵权法的研究距离为d(ωe，we)(e=1,2,…,n)，两者的权重分配系数为β和α，专家建议约定α>β，则有

(8)

d(ωe,we)2=(β-α)2

(9)

对于评价指标e的综合权重λe，其值为上述两者权重的线性加权，即λe=βωe+αwe。

2. 6 确定港口航道通航的风险等级

计算港口航道通航风险物元N关于等级j的加权关联度Kj(N)：

(10)

(j=1,2,…,m;k=1,2,…,n)

式中：Kj为关联度Kj(N)中的最大值，即Kj=max{Kj(N)}，据此可判定港口航道通航物元N所属的风险等级。

3 实例应用与分析

本文将上述可拓优度风险评价方法应用于某港口航道通航的风险评价中。

首先，设计了“港口航道通航风险因素AHP评价表”，联系了3名安全专业教授、2名港口航道安全专家进行打分；然后，通过专家咨询和参考航道风险研究的相关文献[4]后，选取5个航道建立港口航道通航风险影响因素数据表，详见表2。港口航道通航的安全受气候、洋流的影响较大，为了能在相对统一的标准下进行指标权重的计算，此次选取的5个航道均受亚热带季风气候控制。

表2 港口航道通航风险影响因素数据表Table 2 Influence factors of the navigation risk of harbor channel

3. 1 确定港口航道通航的风险等级

参照港口航道的相关规范和国家标准，并参照已有研究成果[12-13]和港口航道通航安全分类标准[14-15]，将港口航道通航风险等级分为5个等级：M1表示低危险度；M2表示较低危险度；M3表示中等危险度；M4表示较高危险度；M5表示高危险度，并确定单因素风险等级的量值范围，详见表3。

表3 单因素风险等级的量值范围Table 3 Ranges of the single factor risk levels

由于评价指标具有不同的量纲单位，为了根除由此产生的指标的不可公度性，采用极差法对指标数据进行无量纲化处理，其计算公式如下[9]：

(11)

(12)

式中：bij为指标原始数据经无量纲化后的结果；Xij为指标原始数据；max(Xij)和min(Xij)分别为指标数据最大值和最小值。

指标数据利用公式(11)、(12)经无量纲化处理后的结果，详见表4。

表4 无量纲化处理后各因素风险等级的量值范围Table 4 Ranges of the risk levels of the factors after dimensionless processing

3. 2 港口航道通航风险的可拓优度评价

以连云港某航道为例，为统一量纲进行比较，将该航道各因素数据进行标准化处理，经处理后的结果见表5。

表5 连云港某航道各因素经标准化处理后的结果Table 5 Values of standardized influence factors of a channel of Lianyungang port

(1) 由表4可知，将5个风险等级的量值范围作为经典域，以航道条件B1为例进行计算，根据公式(1)、(2)、(3)分别确定经典域R0j、节域Rp、待测评物元R如下：

R0j=

(2) 根据公式(4),计算C1～C4因素层的关联系数，其计算结果见表6。

表6 不同等级上C1～C4因素层的关联系数Table 6 Correlation coefficient of C1～C4 index layer factors at different levels

(3) 通过对“港口航道通航风险因素AHP评价表”进行分析计算后，得到港口航道通航风险因素的AHP权重，再采用熵权法利用公式(5)至(7)结合表1确定指标的熵权重，最后利用公式(8)、(9)确定指标的综合权重，其结果见表7。

(4) 根据公式(10)，可计算得到航道条件B1风险因素的加权关联度；同理，可计算得到航行环境B2和助航条件B3风险因素的加权关联度，其计算结果见表8。

表7 指标的权重表Table 7 Weight of Indexes

表8 指标层的加权关联度Table 8 Weighted correlation coefficient of the criterion layer factors

(5) 最后利用公式(4)至(10)，计算得到该港口航道通航风险因素的综合加权关联度，并确定风险等级，详见表9。

表9 连云港某港口航道通航风险因素的综合加权关联度Table 9 Comprehensive weighted correlation coefficient of the risk factors of a channel of Lianyungang port

由表9可知，该港口航道通航风险因素的综合加权关联度为1.52，故通航风险等级处于较低危险度；但由表8可知，该港口航道条件和助航条件处于中等危险度，建议重视其航道条件和助航条件的改善。

4 结 论

(1) 利用层次分析法和熵权法共同确定指标的综合权重，有利于克服权重系数确定方法单一的局限性，使权重系数更加客观和准确。

(2) 将可拓优度风险评价方法引入到港口航道通航的风险评价中，不仅可以确定最终的风险等级，还可以根据计算过程确定因素层指标的风险等级，有助于从事故发生根源去提高港口航道通航的本质安全。

参考文献：

[1] 佚名.水上高速路彰显“黄金成色”[N/OL].新华日报,2015-12-01(7).

[2] 贾明明,熊锡龙,黄立文，等.基于集值统计-灰色模糊的航道通航环境安全评价[J].安全与环境学报,2017,17(1):41-45.

[3] 王晨,江福才,马全党.基于熵权TOPSIS模型的航道引航环境风险评价[J].安全与环境学报,2016,16(3):33-37.

[4] 王杰,李帆.基于RS-SPA的港口航道通航安全评价[J].大连海事大学学报,2012,38(1):37-40.

[5] Trucoo P,Cagno E,Ruggeri F.A bayesian belief network modeling of organizational factors in risk analysis:A case study in maritime transportation[J].ReliabilityEngineeringandSystemSafety,2008,93(6):845-856.

[6] Ahmad F A F,Mohd S A,Mohd N F,et al.The utilisation of Pisang Island as a platform to support the current safety and security needs of marine navigation in the Straits of Malacca[J].InternationalJournalofe-NavigationandMaritimeEconomy,2017(7):11-18.

[7] Liu F Y,Li X S,Shi Y.Scientific breakthrough study of extenics[J].ProcediaComputerScience,2016(91):526-531.

[8] 高扬,孙庆雷.基于可拓优度的公务机飞行安全风险评价[J].安全与环境工程,2017,24(2):166-171.

[9] 王新民,康虔,秦健春,等.层次分析法-可拓学模型在岩质边坡稳定性安全评价中的应用[J].中南大学学报(自然科学版),2013,44(6):2455-2462.

[10]中华人民共和国海事局.通航管理[M].北京：人民交通出版社.2006

[11]国内航运大事故汇总(2000—2015年)[EB/OL].[2015-06-02].http://news.163.com/15/0602/18/AR4I8GRF00014AEE.html.

[12]吴定勇,文元桥.航道通航风险评价的熵权物元模型[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2014,38(5):1158-1162.

[13]徐彦庆.可拓理论在航道安全评价中的应用[D].大连：大连海事大学，2015.

[14]中华人民共和国交通部.河港工程总体设计规范:JTJ212—2006[S].北京：人民交通出版社，2007.

[15]真虹.港口管理[M].北京:人民交通出版社，2009.