中国水运航线关键航点动态安全评估

李成海 胡甚平 崔建辉 王建涛

（1.山东交通职业学院，山东 潍坊 261206；2.上海海事大学 商船学院，上海 201306；3.天津理工大学海运学院，天津 300191 ）

0 引言

2015 年我国发布和实施了“一带一路”倡议和“海上丝绸之路远景与行动”，实施的基础是水运航线的畅通，而航线畅通的关键是重要航点的安全性，因而研究重要航点随时间变化的动态过程，分析影响重要航点安全效益的主要因素，对提升重要航点安全效益具有现实意义。

目前，国内外学者对水运航线重要航点研究主要集中在：一是研究水运航线重要航点安全性影响因素，如King[1]从水运安全角度，分析影响霍尔木兹海峡安全的主要因素；史春林等[2]对马六甲海峡和霍尔木兹海峡安全影响因素研究；吕靖等[3]法律环境和海峡或运河基本状况对重要航点安全性影响研究。二是对安全效率评估模型的研究，如Cui 等[4]运用Malmquist 指数对运输业安全效益的研究和吕靖等[5]运用虚拟包络面和DEA 法，对海上航道安全保障效率的研究。这两方面研究或者重视非期望产出，没有考虑期望产出对安全效益的影响或者重视期望产出和投入及非期望产出，没有考虑非期望投入对安全效益的影响；这样无法科学全面分析水运航线重要航点安全效益的动态过程。

为此，本研究基于时间窗口，建立统筹考虑期望产出、投入和非期望产出、投入的水运航线重要航点安全效益评估体系，科学分析影响重要航点安全效益的主要因素及动态变化过程，以期为提升重要航点通行安全和安全效益保障提供理论支持。

1 评估标准

在中国水运航线重要航点安全产出和投入标准中，期望和非期望产出及期望和非期望投入同时存在，因此在动态安全评估时，需综合考虑产出和投入指标。

目前的研究将非期望产出作投入因素处理[6]，这不能反映过程也不符合非期望值特性；将非期望产出值乘以-1 后加一数（N），使其装变为大于0 的普通产出[7]，这种简单的产出转移法，受单位变量限制，不符合工作实际程序[8]。为客观反映问题，Tone 提出了SBM 评判模型，以评估非期望产出工作效能[9]。

现有水运航线安全性评估研究，普遍没有认识到非期望投入的重大影响；现实工作中，非期望投入值越大对安全越不利，忽视该标准对水运航线效能影响将导致水运航线重要航点安全效能评估出现偏差。

在文献[9]研究的基础上，考虑时间窗口作用而引进非期望投入标准，建立中国水运航线关键航点安全效能评估非期望因素EAN 模型。

1.1 建立非期望因素模型

假如有m 个决定性单元，每个决定性单元CNUi（i=1,…,m）有e1个期望产出和e2个非期望产出，n1个期望投入和n2个非期望投入。记决定性单元CNUi的第j 个期望投入为xsji(j=1,…,n1),期望投入矩阵Xs∈Vn1×m;第f 个非期望投入为xsfi(f=1,…,n2),期望投入矩阵Xs∈Vn2×m;CNUi的v个期望产出为ysvi(1,…,e1),期望产出矩阵Ys∈Ve1×m;CNUi的第t 个非期望产出为yati(t=1,…,e2),非期望产出矩阵Ya∈Ve2×m;其中，xsji>0,xafi>0,ysvi>0,yafi>0。

文献[9]研究，非期望产出是产出率和效率成反比关系的产品，只有将非产出项目值当做EAN 模型分母值，才能反映出非期望产出关键单元效益。同样，非期望投入与水运航线重要航点安全成反比关系，比如重要航点航路越长航时越长，则海上交通事故越多。参考文献[4]研究理论，对非期望投入项目值以真实反映非期望投入与产出及期望投入与产出的效益。基于反映非期望因素的EAN 模型为：

非期望值模型是在综合考虑水运航线关键航点期望投入xsji、期望产出ysvi及非期望投入xafi、非期望产出yati情况下的安全效益ρ，以最小的期望、非期望投入获取尽可能大的产出安全效益，模型不要求对投入和产出有前提，允许各因素随时增减，得到方向和非取向的效益。该模型解决了现有水运航线不重视非期望投入和期望产出带来的弊端，真实反映了水运航线重要航点安全效益。

从式（1）看出，所有产出和投入标准数据>0,这与实际不符，例如2020 年新加坡海峡没有发生海盗袭击船舶事件，即非期望值为0。当被评估关键单元的非期望产出为0时，模型（1）的第4 个限制条件变为yao=Yaλ+eo=0，因为Ya λ≥0,ea≥0，得到ea=0,所以在安全效益值函数中不考虑该关键单元的非期望产出。

1.2 运用时间窗口分析非期望因素

时间窗口分析法是美国学者Chames 等[10]提出的，优点是运用移动平均法对同一关键单元在不同时间段可看做不同的关键单元进行关键单元效益评估。对于水运航线重要航点来说，安全措施对水运航线重要航点安全效益发挥最佳作用，需要时间过程，不是随时随地能收获最大效能。通过时间窗口分析法，不仅比较同一关键单元不同时间段的效益，还可比较不同关键单元在同一时间段的效益[11]。因此，本研究采用时间窗口分析法，对水运航线重要航点上的8 个海峡在2014-2019 年的安全效益估算，探索这些重要航点安全效益随时间段变化的动态过程。

设m 为关键单元数，q 为时间窗口窗宽；如果q 个相邻时间段对应一个时间窗口，则时间窗口有m×q 个估算值。目前，为提高估算效率和时效性，大多学者采用3 年做一个时间窗口[6-7]，即q=3。本研究选取3 年做一个窗口期来研究水运航线关键航点的安全效益，时间窗口分别为2014-2016 年、2015-2017 年、2016-2019 年和2017-2019 年，从而每一水运航线重要航点建立了4 个窗口期，每一窗口期有16 个关键单元[12]。

2 案例验证

2.1 系统数据标准

本研究以水运航线重要航点8 个海峡作为关键单元，建立一个通盘考虑期望投入、产出和非期望投入、产出的中国水运航线重要航点安全效益评估标准体系。由于，重要航点安全效益受其沿岸国政治、外交、军事、经济和海盗袭击、自然条件影响，本研究选取投入变化量。投入标准中重要航点安全效益与期望投入成正比关系，即安全效益高，需要增加投入；重要航点安全效益与非期望投入成反比关系，即安全效益低，非期望投入就大。

（1）期望投入标准

水深与宽度：水运航线上的狭窄航道，水深越浅航道越复杂，频繁转向和浅水效应往往致船舶与危险境地，航道越窄通行碰撞事故越多；且水深和宽度限制了大型船舶的通行，例如巴拿马运河由于水深和航道限制只能通行巴拿马运河型船舶。

安全法律法规保障数量和保障部门数量：水运航线重要航点需要制定和完善法律、法规、公约，完善的制度是提高重要航点安全效益的前提条件。但是建立相关保障部门越多，安全保障效益越大[13]。

（2）非期望投入标准

航点长度：水运航线重要航点是狭窄的航道，航道越长船舶航时就越长，受到政治、外交、军事和海盗袭击影响的可能性越大，属于典型的非期望投入[14]。

（3）期望产出标准

船舶通行密度：水运航线重要航点船舶通行密度越大，显示此处的重要性越高经济收益越高，应作为期望产出。如承载着全球近50%石油运输的马六甲海峡历来是兵家必争之地突显出其战略地位。同理，巴拿马运河收取船舶通行费，每天通行的船舶越大，经济收入越大。

（4）非期望产出标准

船舶事故率和海盗袭击率：这两个标准是衡量水运航线重要航点安全性的最显著标准。在水运航线重要航点航行的船舶水上交通事故频发，说明该航道安全保障性差；同理，水运航线中某一重要航点时常发生海盗袭击事件，也表明此航道安全无保障。因此，本研究选取这两个标准作为非期望产出。

本研究水运航线重要航点包括马六甲海峡、巽他海峡、望加锡海峡、苏伊士运河、霍尔木兹海峡、曼德海峡、巴士海峡和台湾海峡，其水深、宽度、航点长度、船舶通行密度、安全法律法规保障数量和保障部门数量资料，通过查询各海峡和运河的官方资料及现有文献获取，船舶通行密度马六甲海峡和巴拿马运河当局网站查取，船舶事故率和海盗袭击率国际海事组织（IMO）网站查询。

表1 水运航线重要航点安全产出与投入标准

2.2 重要航点安全效益

对模型（1）通过Matlab 编程求解，可得到水运航线重要航点各自四个时间窗口的安全效益值，分别计算各时间段平均值，即为该重要航点在该时间段效益值。以巴拿马运河为例，四个时间窗口效益值如表2 所示。计算四个时间段效益平均值，可获取2014-2019 年巴拿马运河的安全效益值。同理，计算其他重要航点的安全效益，如表3 所示。表3 反映重要航点随时间变化实时动态，并分别计算四个重要航点的年均值反映各重要航点安全效益平均状况。本研究没有考虑非期望投入标准时，为了科学分析非期望投入标准影响特将8 个重要航点2014-2019 年安全效益年均值结果在表3 列明。

表2 2014-2019 年巴拿马运河安全效益

表3 水运航线重要航点安全效益值

分析表3 时间窗口可知：

随时间变化水运航线重要航点安全效益发生动态变化。台湾海峡6 年一直有效，安全效益为1；巴士海峡除2016年安全效益为0.9723 以外和马六甲海峡除2015 年安全效益为0.8660 以外，其他年安全效益都有效；霍尔木兹海峡除2019 年外安全效益都无效；巽他海峡2014 年、2015 年和2019 年有安全效益；巴拿马运河2015 年和2017 年安全效益无效；望加锡海峡2015 年、2017 年和202018 年安全效益无效；曼德海峡6 年内安全效益都无效。

我国2015 年发布和实施了“一带一路”建设“海上丝绸之路”发展目标及愿景行动，促进了水运航线重要航点安全效益的提高。表3 显示，水运航线重要航点安全效益较2014 年明显大幅提高。

表3 年平均值显示，台湾海峡、巴士海峡和马六甲海峡的安全效益最高，年均值为1.0000,0.9954 和0.9777；其次为巴拿马运河，其安全效益值为0.9377；最差的曼德海峡，安全效益值仅为0.2720。

2.3 分析水运航线重要航点安全效益结果

参照上述重要航点安全效益结果，对影响水运航线各重要航点安全效益的产出和投入标准进行分析。在计算原来安全效益对新出现安全效益变化效果时，先不考虑某一标准，以科学反映关键单元对该标准的影响情况。

从表4 分析结果可以看出:

表4 影响水运航线重要航点安全效益因素状况

我们在2015 年发布和实施了“一带一路”建设海上丝绸之路发展目标及愿景行动后，水运航线重要航点安全效益大幅提高的的原因是非期望产出锐减和船舶通行密度增大运量提高。从表4 看出船舶密度、海盗袭击和船舶事故率对水运航线重要航点安全效益最重要的因素，所以，我国实施的“一带一路”建设“海上丝绸之路”发展目标及愿景行动提升了船舶通行密度，减少了海盗袭击和船舶事故率，提高了重要航点安全效益。中国加大改革开放力度和实施海上丝绸之路战略，贸易增加的同时海上运输量增加，从而重要航点通行率提升。上海航交所统计结果显示，2019年我国对“一带一路”海上丝绸之路相关51 个国家投资增长19.3%。海上安全是沿海国的共识，包括中国在内的多国海军派出了护航编队，提高了船舶通行安全，降低了安全风险，2015 年以后趋势重要航点安全效益逐步提高，非期望产出逐步减少。另外，曼德海峡自2015 年后仅仅发生了一起未遂海盗袭击事件，安全效益大幅提升，但由于该海峡船舶通行密度大通行量高相比较安全性高，使得曼德海峡安全效益很低。

台湾海峡和巴士海峡的安全效益最高，原因是相对期望产出最高。台湾海峡是中国南北航线的大动脉，巴士海峡是西太平洋进入中国南海和印度洋的咽喉，台湾海峡的船舶通行量大于巴士海峡。从表4 看出，船舶通行密度和船舶事故率是影响台湾海峡安全效益的主要因素。与2014 年比较，2019 年巴士海峡和台湾海峡船舶通行量分别增加2000 艘次和8000 艘次，船舶事故分别增加4 艘次和6 艘次。

由于马六甲海峡的期望产出值最多，所以安全效益仅次于台湾海峡和巴士海峡。马六甲海峡是连接大西洋和印度洋的海上要道，承载着全世界近50%的石油和近30%铁矿石海上运输量，是中国海上丝绸之路的重要航点。从表4 看出，船舶通行密度、海盗袭击和船舶事故率是影响马六甲海峡安全效益低的主要因素。因此，马六甲海峡2016 年安全效益值低的原因是，非期望产出多期望产出少。马六甲海峡船舶事故频发，主要是航道狭窄且航道内暗礁、浅点星罗棋布，船舶操纵困难极易触礁和搁浅；二是狂风暴雨恶劣天气易引发船舶事故；三是马六甲海峡通航密度大，航道拥挤易引发船舶碰撞事故。据GISIS 资料库，2014-2019 年年均近8 万艘船舶进出马六甲海峡，年平均6 起海上船舶事故，从而该海峡船舶事故率很低。马六甲海峡是海盗袭击船舶的高发区，由于海峡窄的特殊地理位置，海盗常常对低速船舶发起突然袭击，这种袭击往往得手。近年来沿岸国加大了打击海盗的力度，海盗有所收敛，但年均有9 艘船舶被袭扰；因为船舶通行量大，所以海盗袭击概率低。综上，马六甲海峡安全效益较高，但是海盗袭击和船舶事故率较高，需要制定安全保障法规和措施，确保海峡通行安全。

巴拿马运河、巽他海峡和望加锡海峡安全效益较高，原因是非期望产出少，船舶通行率高。巴拿马运河是连接大西洋和太平洋的重要航点，巽他海峡和望加锡海峡是超大型和大型船舶航行于印度洋和太平洋的海上重要航道。影响巴拿马运河安全效益的主要因素是船舶通行量和船舶事故，其安全效益高得益于实行科学调度、强制引航，二是运河风浪和海流小，船舶通行速度快，年通行船舶超过14000艘次；另外，巴拿马运河管理局专职负责运河的安全和营运。从表3 安全动态看出，2015 年和2017 年都发生过船舶事故，2017 年的船舶通行艘次比2015 年少近900 艘次，所以，2015 年和2017 年的安全效益值为0.8750 和0.7510。巽他海峡的主要作用是可作为马六甲海峡的替代海峡，船舶通行率、海盗袭击和法规是影响其安全效益的主要因素。因为此海峡具有良好水深和宽阔无碍航物的水道，特别适合大型和超大型船舶通行，从而船舶事故少安全性高；但是相对马六甲海峡巽他海峡饶航增加了运营成本，所以年船舶通过率很低，安全效益极低。峡长、船舶通过率和海盗袭击是影响望加锡海峡安全效益的主要因素。望加锡海峡有良好水深和130 000 m 宽度，极少发生船舶事故，但是其峡长较长，使非期望产出较高期望产出也较高。望加锡海峡是公认的海盗袭击高发区。据国际海事组织统计，望加锡海峡在2014 年-2019 年间发生海盗袭击47 艘次，导致望加锡海峡安全效益较低。

海盗袭扰导致曼德海峡和霍尔木兹海峡安全效益较低。海盗袭扰、船舶事故和船舶通行率是影响曼德海峡安全效益的主要因素。受基地组织和索马里海盗袭扰发生海盗和船舶事故。据统计，2014-2019 年该海峡年均被海盗袭扰船舶达到25 艘次之多，因此船舶通行率很低，年安全效益均值为0.2729。霍尔木兹海峡是波斯湾通往印度洋的“生命线”，海盗袭扰、船舶通行率、船舶事故和峡深是影响该海峡安全效益的主要因素。霍尔木兹海峡是中东出口石油的必经之地，且大型油轮价值很大，成为海盗袭击的梦寐之地；2014 年-2019 年该海峡年均袭船数达5 艘次；此海峡狭窄、水浅和暗礁、浅滩多，船舶极易发生海上事故，从而该海峡安全效益较其他重要航点最低。

3 结束语

通过对水运航线重要航点安全性动态变化情况分析，突显了重要航点的动态变化规律和安全效益状况，并总结安全效益的最重要影响因素。随着中国“一带一路”“海上丝绸之路”的实施和国际合作机制的加强，水运航线重要航点通行率提升及安全意识的提高，各重要航点的安全效益普遍得以提升；水运航线重要航点安全效益不仅与海盗袭扰和船舶海上事故等非期望产出有关，且与船舶通行率关键期望产出因素紧密相关；台湾海峡、巴士海峡和马六甲海峡的安全效益达到和接近1.0000；其次是巴拿马运河，曼德海峡安全效益最差；影响水运航线各重要航点安全效益的最重要因素是船舶海上事故及海盗袭击。