基于GIS的船闸故障风险区域划分研究

邹俊杰

（江苏省交通运输厅港航事业发展中心，江苏 南京 210029）

江苏省内河水运发展条件优越，规划省干线航道里程4010 公里。通航环境复杂，全省干线航道网涉及长江、淮河、太湖和沂沭泗水系，共计建设有交通管理船闸42 座。随着运输结构调整的推进，江苏内河水运在综合交通运输体系中地位愈发重要。2021年，全省干线航道仍然维持较为繁忙的水平，船闸过闸总量保持高位水平，共过闸船舶291.7 万艘次，过闸货物22.9 亿吨，开启74.8 万闸次。为进一步保障正常船闸运行，提升水上应急保障能力，需对单个船闸可能出现故障的风险做定量分析，并在空间上划定故障风险较为集中的区域，以用有限的资金提供最高效的应急保障力量。

1 船闸故障类型及主要影响因素分析

1.1 船闸主要故障类型及特征

通过对江苏省现有船闸的实地调研，目前船闸故障可大致分为水下故障、机械故障、电气故障三大类，反映在故障现象上大多为闸、阀门不能正常启闭、出现异响、通信与电力异常、控制系统失灵等情况。

（1）水下故障呈现“数量占比多、专业要求高”的特征，该类故障占比约55%，常见情况为闸、阀门构件脱落、砂石混凝土、树根形成的水下障碍物引起闸阀门启闭异常。故障的处理较为简单，需要清除水下碍航物，但需要专业的潜水员下水手动作业。

（2）机械故障呈现“数量占比中等、处理难度大”的特征，该类故障占比约30%，常见情况为闸、阀门及构件故障，一般为闸门节杆弯曲、阀门阀件损坏以及油箱漏油等故障，以及由于水位上涨、暴雨造成的机械进水失灵。故障的处理相对复杂，处理时间长，对船闸影响较大，需要机械专业人员或者厂家技术人员进行处理。

（3）电气故障呈现“数量占比少、处理难度适中”的特征，该类故障占比约15%，常见情况为电气控制系统故障，PLC 构件或模块损坏，开关或电缆等供电系统烧毁。故障的处理相对简单，大多仅需更换损坏的模块，但部分故障较为隐蔽的情况需厂家技术人员进行处理。

1.2 船闸发生故障的主要影响因素

通过对船闸常见的水下故障、机械故障、电气故障的分析，故障发生的影响因素主要有船闸的运行、周边的通航环境、自身设备状况等3 大类。

（1）船闸运行方面，具体表现为船闸开放闸次、船闸通过船舶大小、船闸未来年运行状态。船闸开放闸次越多，对应通过船舶数量越多，进而使得机械使用频次、磨损情况、掉落碍航物的可能越大，易发生水下故障、机械故障、电气故障。船闸通过船舶的吨位越大，使得船舶碰撞闸门等情况下发生水下故障或机械故障的概率越高，也使得修复难度、修复时间越长。此外未来年船闸位于江苏省干线航道主通道上，会使得开发闸次、通过船舶吨级越大，对应船闸发生故障的可能性越高。

（2）船闸通航环境方面，具体表现为船闸设计水头差、船闸周边水系情况。船闸设计水头差越大，对应船闸、阀门在每次启闭中承受的外界力越大，对相关构件磨损越大，一旦发生故障的维修难度也越大，易引发水下故障、机械故障。船闸周边水系情况，主要是江苏沿江、沿海口门船闸受潮汐的影响，受力情况更为复杂，更易引发相关故障。

（3）船闸设备状况方面，具体表现为船闸建设（大修）的年份，船闸建设（大修）年份越近的船闸，其供电设施、电气模块越为先进，其自身发生故障的概率越小。

2 单个船闸故障风险值计算模型

2.1 层次结构模型建立

通过层次分析法，将可能造成船闸故障风险的主要因素进行分组，每组视为1 个层级，并将各层级视为目标层、第一准则层和第二准则层，进而构建了船闸故障风险影响因素层级结构模型。本文结合前文船闸发生故障的主要影响因素，从船闸运行风险、船闸通航环境风险、船闸设备状况风险3 个层次构建了6 个指标。

表1 ：船闸故障风险大小影响因素层次结构模型

2.2 指标权重计算

测算指标权重的确定可通过统计方法、成对比较方法、熵值法、AHP 方法和专家估测法等等。其中，专家估测法渗入专家主观意识较多；运用熵值法与AHP法工作量较大，但所得结果较为客观。结合观测点布设方案评价指标体系，采用AHP 方法确定评价指标的权重。

在层次分析法中，判断矩阵的权数可通过求出正规化的特征向量而得，采用算术平均法。计算步骤如下：

（1）将判断矩阵的每一列正规化

（2）按每一行进行加总

式中：为判断矩阵，为中各评价指标的两两比较值，表示向量的第i 个分量。查找相对应的平均一致性指标进行一致性检验，通过一致性检验后，最终可获得各层次因素权重。

表2 船闸故障风险大小影响因素权重

2.3 指标计算方法

在上述指标的计算中，充分考虑指标与风险之间的相关关系，并采用定量计算与定性分析的方式对各指标进行数值化计算，各类指标的数据均来自于官方统计数据或规划，具备一定的公正性。各项指标计算具体计算方法如下：

（1）船闸现状每年开放闸次数u11 的分值：某船闸2020年开放闸次数/全省船闸2020年开放闸次数量的最大值×该指标的权重。

（2）船闸现状每年通过船舶的平均吨位大小u12的分值：通过基础分与增项分求和。其中基础分得分为该指标权重×0.6；增项分通过所有船闸平均吨位的差值计算而得，得分为（某船闸2020年通过船舶的平均吨位－全省船闸通过船舶平均吨位的最小值）×[（该指标权重×0.4）/（全省船闸通过船舶平均吨位的最大值－全省船闸通过船舶平均吨位的最小值）]。

（3）船闸未来年船舶运行情况u13 的分值：若为二级主通道得分为该指标权重×1；若为三级主通道得分为该指标权重×0.8；若为三级次通道得分为该指标权重×0.6。

（4）船闸水头差u21 的分值：通过基础分与增项分求和。其中基础分=该指标权重×0.6；增项分通过所有船闸水头的差值计算而得，得分为（某船闸的水头－全省所有船闸水头的最小值）×[（该指标权重×0.4）/（全省所有船闸水头的最大值－全省所有船闸水头的最小值）]。

（5）船闸是否位于沿江沿海口门处u22：若为口门船闸得分为该指标权重×1；若不是口门船闸得分为该指标权重×0。

（6）建设年代u3：各线船闸建设年代对应分值，最高分为该指标权重。其中“2000年～至今” 得分为指标权重×0.25、“1980年～1999年” 得分为指标权重×0.5、“1979年之前”得分为指标权重×0.75。

表2 各指标计算方式及数据来源

2.4 计算结果

结合上述分析，以100 分制对全省42 座船闸发生故障风险大小进行计算，结果表明全省船闸因运行强度、地理位置等因素的不同，船闸之间的风险值相差较大，各风险值区间范围内船闸数量分布均匀。其中风险值在40-50 之间的船闸有10 个，在51-60 之间的船闸有个10 个，在61-70 之间的船闸有8 个，在71-80 之间的船闸有8 个，在80-85 之间的船闸有6 个。

图1 全省42 座船闸风险值大小示意图

3 全省船闸故障风险区域划分

江苏水网密布，各市均有船闸分布，但近期全省应急资金有限，需在全省范围内选择船闸风险分布较为集中区域布置应急力量，以能快速有效地效应对可能发生的故障。在风险区域的划分上，充分考虑现有船闸空间位置的分布，同时结合各船闸计算出的风险值大小，利用GIS 中的核密度估计（kernel density estimation，KDE）在空间进行分析，划定风险区域。

3.1 分析方法

核密度估计是在概率论中用来估计未知的密度函数，属于非参数检验方法之一。KDE以每个样本点i（x，y）的位置为中心，通过核密度函数计算每个样本点在指定范围内（半径为h 的圆）各个网格单元的密度贡献值，距中心处样本点距离越近密度越大，随着距离衰减，到范围边缘处密度为0。

本文研究用核密度估计法分析江苏省船闸风险聚集范围，根据各区域密度数值的不同划分船闸风险区域，其中为各船闸的风险计算值大小，h 为50 公里。

3.2 划分结果

全省交通船闸风险空间分布主要呈现“集聚分布、层次分明”的特征，全省形成了4 个相对集聚的区域，分别为扬州区域、南通区域、淮安－宿迁区域、连云港区域。

图2 全省船闸风险核密度空间分布图

3.3 船闸风险区域划分

结合交通船闸风险空间分布的特征，将扬州区域、南通区域、淮安－宿迁区域、连云港区域的4 个区域划分为全省风险防范重点区域，建议由省级港航部门指导建设，承担自身及周边区域较大事件的处理。

4 研究结论

（1）利用层次分析法构建船闸故障风险计算指标体系，更加清楚地分析了船闸不同运行指标对故障风险的影响，从而全面、客观、长远地定量化表示，能够为决策提供直观的依据。

（2）利用GIS 模型，构建全省航道、船闸模型，能够使用空间数据分析风险集中区域，进而划分重点防范区，能够有效地减少规划过程中的随意性和不准确性，具有客观性、合理性和科学性。