氢燃料电池动力船航行环境安全指标体系研究

尚 桦，周引平，陶如豪，胡 朔

氢燃料电池动力船航行环境安全指标体系研究

尚 桦，周引平，陶如豪，胡 朔

（长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002）

氢燃料电池动力船是一种新型绿色船舶，航行安全是其成功应用的关键。本文结合水文气象、航道条件、交通管理等指标，从总体目标出发构建了氢燃料电池动力船航行环境安全指标体系，采用多级综合法建立了氢燃料电池动力船航行环境安全指数，对氢燃料电池动力船航行环境安全状况评价提供了评判依据。

氢燃料电池动力船 航行 环境 安全 指标

0 引言

氢燃料电池系统在船舶上应用可实现能源高效、零排放和船舶舒适度提升，是绿色船舶的理想动力推进装置[1]。“三峡氢舟1”是国内首艘500 kW级氢燃料电池动力船，采用氢燃料电池和锂电池动力系统，建成后由长江三峡通航管理局用于三峡库区及两坝间交通、巡查、应急等工作。其航行河段位于湖北省宜昌市境内，属于长江干流上游河段，是沟通西部和中部经济发展的重要水上通道[2]，在服务长江经济带发展中具有举足轻重的地位[3]。

考虑到氢气点火能量低、燃烧范围宽、密度低、易扩散等性质，氢燃料电池动力船的安全性是影响其能否成功应用和推广的关键，特别是研究氢燃料电池动力船航行期间的环境安全风险是非常重要的。

1 航行环境安全指标体系

三峡河段自然环境复杂，航道（通航建筑物）运行管理复杂，坝区水域特别是三峡大坝坝前不同水位期（蓄水期、水位消落期）呈现不同的特点，水位变幅大、变化快，泵船、航标、锚地系泊等通航辅助设施调整频繁，船舶搁浅、岸线滑坡等风险较大；大风大雾大流量等不利水文气象条件显著增多且呈不规律变化。两坝间航道狭窄曲折，水位条件复杂，并受三峡电站调峰运行和防洪调度影响，水位、流量变幅大，尤其两坝间“四滩一弯一关”是船舶险情事故的多发地段。同时三峡河段待闸船舶居高不下，作业频繁，船舶过坝流程复杂，交通组织较难，各种潜在风险问题比较突出。

1.1 指标体系结构

氢燃料电池动力船航行环境安全指标体系采用三级指标，即总体指标——一级指标——二级指标。

总体指标：即“氢燃料电池动力船航行环境安全指数”，用以反映氢燃料电池动力船在某一阶段的航行环境安全状况。

根据氢燃料电池动力船在三峡河段通航实际情况，一级指标采用“三加一”基本框架，即三个一级指标、一类“一票否决”指标。

1）水文气象指标（4个）：能见度、风、流量、地质灾害；

2）航道条件指标（3个）：航道维护水深保证率，航标维护正常率，船舶监管、通信主要设备完好率；

3）交通管理指标（5个）：巡航水域覆盖率，监控有效率，锚地指泊、锚泊准确率，人命救助成功率，船东满意度；

4）一票否决指标（7个）：船舶碰撞、船舶触碰、船舶搁浅、船舶触礁、船舶火灾/爆炸、船舶沉没[4]、水域环境污染事故。

1.2 航行环境安全指标具体内容

1）能见度：指船舶在航行中清晰观察到距离和物体的程度。经统计，三峡-葛洲坝的两坝间通航水域为多雾区域，主要集中在黄陵庙和石牌一带，大雾天气主要在春冬两季及初夏季节[5]。

2）风：风能够影响船舶的受力情况，制约船舶操控性能，进而影响船舶的通航方向及通航速度。经统计，三峡大风天气主要发生于三峡坝上仙人桥、太平溪水域[5]，三峡-葛洲坝的两坝间水域出现6级以上大风一般是由于夏季的雷雨大风引起。

3）流量：由于汛期流量大、流速快，极易造成三峡-葛洲坝的两坝间上行船舶动力不足，下行船舶速度不易控制，舵效变差，使得船舶操纵困难。

4）地质灾害：山体滑坡、泥石流等地质灾害，会激起的巨大涌浪和截流等，大范围的坍塌、滑落砂石杂物也会撞击船舶。

5）航道维护水深保证率：指全年通航天数与可通航期内航道水深不满足航道维护水深的天数的差值与全年实际通航天数的百分比值。

6）航标维护正常率：指在某维护期内，扣除非维护性失常的座天数后，航标的正常维护座天数（包括非维护性失常）与总维护标志的座天数的百分比值。

7）船舶监管、通信主要设备完好率：指船舶监管、通信主要设备完好数与船舶监管、通信主要设备考核基数的百分比值，反映船舶监管、通信设备技术状况。

8）巡航水域覆盖率：指以海巡艇和海事执法车作为主要交通工具，海事管理机构能够安全抵达并依法开展安全宣传、现场维护、监督检查、现场处置等工作的行为所覆盖管辖水域面积程度。

9）监控有效率：反映通航管理监控过程中，监控人员对辖区船舶跟踪监控实现情况。

10）锚地指泊、锚泊准确率：指在锚地范围内准确指泊和船舶按指令准确锚泊的船舶数与在锚地范围内指泊的船舶总数的比值，反映工作人员对锚地及靠泊船舶掌握的程度和船舶听从指令情况。

11）人命救助成功率：海事管理工作站点对遇险人员展开应急反应所取得成功效果的程度。

12）船东满意度：反应三峡通航环境的重要指标，能及时了解船东对三峡水域交通环境的客观评价。

13）一票否决指标：此类指标属于重点控制指标，是船舶航行中避免出现的情况。在氢燃料电池动力船航行环境安全指标中选取了7个指标，均按事件绝对数“0”标准控制，任何某一项指标只要一经发生，即可评定氢燃料电池动力船航行环境不安全。

2 航行环境安全指标体系的评价方法

采用多级综合法，即对航行环境安全指标体系的分级求出各类指数，通过赋予权数[6]，最终统一为综合反映氢燃料电池动力船航行环境安全指数（Y）。

2.1 指标权数确定

对各指标的重要性进行评价，指标越重要，其权重就越大。权重一般进行归一化处理，使之介于0与1之间，各指标权重之和等于1[7]。

2.1.1 一级指标权数确定

采用“德尔菲法”，专家以匿名发表意见，之间不互相讨论，通过多轮次调查专家对各部分权数的看法，经过反复征询、修改，最后形成专家基本一致的看法，作为权数的结果[6]。

2.1.2 二级指标权数确定

采用对偶比较法，将重要程度分为非常重要、很重要、重要和同等重要四个等级，把所要比较的测评指标全部配对[8]，再对指标进行比较并评分，由此得出各指标的权数。比较判断有以下四种情况：

1）当A与B比较时，A非常重要，则A=6，B=0；

2）当A与B比较时，A很重要，则A=5，B=1；

3）当A与B比较时，A重要，则A=4，B=2；

4）当A与B同等重要，则A与B分别记为3。

对某一指标层内各个指标进行一一对比，获得判断矩阵，见表1。

表1 指标判断矩阵

当i=j时，aij=aii=ajj，即为某一指标自己与自己进行比较，无意义，在计算时可取值为0；当i≠j时，满足aij+aji=6。

式中，为指标配对数，为指标个数（即为对角线以上a元素个数）。

全体指标配对对比总得分：

式中，，为1，2，3……

将指标归一化处理后即为各评价指标的权重

式中，W为第个指标的权重，∑a为第个指标与其他指标配对比较总得分。

2.2 指标值同度量处理

由于各指标的量纲不同，且指标类型不一致，不便于比较分析，需要进行同度量处理，为简单实用，采用相对化处理，所有指标实行百分制计算。

2.2.1 各指标比较标准值确定

根据指标的含义和性质分类，确定正向指标和逆向指标。正向指标为指标值越高越好，逆向指标为指标值越低越好[9]。根据船舶在三峡河段的通航实际，确定各指标标准值Xm。

1）能见度：正向指标，标准值为1 000 m。

2）风：逆向指标，标准值为6级（对应风速10.8 m/s）。

3）流量：逆向指标，标准值为25 000m³/s。

4）地质灾害：逆向指标，标准值为小型（滑坡规模小于10万m³）。

5）航道维护水深保证率：正向指标，标准值为98%。

6）航标维护正常率：正向指标，标准值为99%。

7）船舶监管、通信主要设备完好率：正向指标，标准值为97%。

8）巡航水域覆盖率：正向指标，标准值为100%。

9）监控有效率：正向指标，标准值为100%。

10）锚地指泊、锚泊准确率：正向指标，标准值为99%。

11）人命救助成功率：正向指标，标准值为90%。

12）船东满意度：正向指标，标准值为85。

2.2.2 每个指标的相对化得分确定

对“正向指标”，采用公式Xi/Xm进行处理，对“逆向指标”采用Xm/Xi公式来处理，可计算每个指标的相对化得分值，达到同度量的目的[6]。相对化得分超过100时按100计算。

对于控制标准是“0”的数量指标，只要一经发生则该指标为“0”。由于该类指标属于杜绝性重点指标，为区别发生一件与发生多件的区别，正确反映指标实际状况，按发生一起扣100分计算，最后得分可为负分。

同度量处理计算公式：

正向指标：0≤≤100

逆向指标：0≤≤100

式中，为第个一级指标中第个统计指标同度量处理结果，为第个一级指标，=1,2,3；为一级指标中第个统计指标，=1,2,3,4,5……；为指标的实际值；为该指标的标准值。

2.3 总指数计算

1）计算二级指标指数

按不同权重计算二级指标指数。

式中，为第个一级指标中第个统计指标的评价权数。

2）计算一级指标指数

用各类二级指标指数，计算出各个一级指标指数。

式中，为第个一级指标，=1,2,3；为第个统计指标的指数。

3）计算总体指数Y

式中，是第个一级指标的评价权数。

3 结语

目前，国内没有对氢燃料电池动力船的航行环境安全展开系统研究，在船舶航行以及安全监管方面尚未形成规章体系，仍处于探索阶段。本文综合考虑水文气象、航道条件、交通管理等要素，围绕氢燃料电池动力船航行环境安全情况，对现有指标进行筛选，采用“德尔菲法”和“对偶比较法”确定了各一级、二级指标权重；根据三峡通航实际，确立了各指标标准值；最后通过对正反方向指标的同度量处理，建立了氢燃料电池动力船航行环境安全指数“Y”，为氢燃料电池动力船航行环境安全指标评价提供了评判依据。

[1] 彭元亭, 徐增师. 船用氢燃料电池推进技术发展研究[J]. 中国工程科学, 2019, 21(6): 18-21.

[2] 王海滨, 张红, 余金燕. 浅析三峡—葛洲坝两坝间近坝段汛期水位流量关系[J]. 中国水运, 2017, 17(8): 254-255.

[3] 罗燕. 金融发展视角下经济增长与国民福祉的门槛效应研究——以长江经济带为例[D]. 南昌: 南昌大学, 2017.

[4] 纪昌杰. 水运交通应急管理技术研究及系统开发[D]. 武汉: 湖北工业大学, 2017.

[5] 王光平. 浅议在大风大雾天气条件下如何提高船闸运行效率[J]. 城市建设理论研究(电子版), 2014(24): 1348-1349.

[6] 励明. 构建和谐社会统计监测指标体系研究[J]. 江海纵横, 2007(2): 15-17.

[7] 沈菊琴, 张劲松, 邓东升, 等. 南水北调三潼宝工程征地移民系统和谐性研究[J]. 南水北调与水利科技, 2008, 6(1): 115-119.

[8] 尉尚宏. 成本控制项目中的供电企业顾客满意度研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2007.

[9] 崔世友, 王进, 陈柏森. 南通市农业基本现代化评价与分析[J]. 长江大学学报(自科版)农学卷, 2012, 9(11): 30-35.

Research on the navigation environment safety index system of hydrogen fuel cell powered ship

Shang Hua, Zhou Yinping, Tao Ruhao,Hu Shuo

(Three Gorges Navigation Authority, Yichang 443002, Hubei, China)

U674.92；TM911.4

A

1003-4862（2023）11-0064-04

2023-05-08

尚桦（1989-），女，工程师。研究方向：从事电气技术研究和通航设备管理。E-mail:695866728@qq.com