基于熵权模型的引航风险评价研究

2023-12-03龚小飞高志华郭颜斌

中国水运 2023年11期

龚小飞，高志华，郭颜斌

（1.长江引航中心张家港引航站，江苏苏州 215633；2.长江引航中心，江苏江阴 214400）

长江深水航道建设所形成的新通航环境，以及进出船舶快速化、专业化、大型化的趋势，长江江苏段的船舶引航风险急剧提升。在此背景下，辨识引航面临的主要风险，通过定性与定量结合的方式，计算求出引航风险大小，对引航安全管理至关重要。

目前涉及船舶引航风险的研究对象主要为沿海港口，对内河引航安全的研究较少，而采用的研究方法多为综合安全评估（FSA）[1-2]。方全根等人系统介绍了FSA 的概念及方法，并将其引入船舶引航风险的评价中[3]。集对分析法是一种联系模糊数学和系统不确定性的方法，广泛应用于工程领域[4-5]。赋权的作用是在不同级别的风险指标中赋予不同的重要性数值，常用的主观赋权有层次分析法和专家调查法等[6-7]。客观赋权方法主要有熵权法、可拓法、主成分分析方法和因子法等等。孟贝贝等利用熵权模糊模型对董家口航道的通航安全进行评价[8]。郝国柱综合了突变理论和主成分分析的多元统计，建立了长江三峡库区通航环境安全态势的辨识[9]。

1 风险辨识理论

1.1 风险辨识概述

引航安全中的风险要素通常从人员、船舶、环境和管理四方面进行归纳[10]。

（1）人员。与人员相关的风险主要涉及三大类，职业道德类主要包括引航员对于职业的责任心，自身的安全意识等等。技术素质类主要指引航员自身的专业技能、知识水平等方面的能力。第三类是身心素质类，主要包括引航员身体和心理方面的健康程度。

（2）船舶。船舶一般认为由船体、动力系统和操纵系统，以及导助航设备系统组成。本文主要考虑的是被引航船舶以及协助拖轮的船舶影响因素。

（3）环境。通航环境主要包括两方面，其中自然环境包括引航船舶所在航段的风、流、能见度等因素；交通环境一般指港口与航道的布置、船舶交通流量、航段中的导助航设施等。

（4）管理。管理因素自身涵盖的范围较广，涉及海事主管机关和船公司管理情况以及相应的运行体系。

1.2 风险评价方法

（1）头脑风暴法。头脑风暴法，主要经由与研究航段相关的航运业专家和优秀引航员进行讨论、座谈，由群体思维和决策搜寻和探索已存在或潜在的船舶引航风险源。专家小组成员一般包括海事部门、航道部门、业界高校专家和具有多年航行经验的船员，通过询问或问卷调查的形式，发现或评估已存在的引航风险。原则上专家小组成员的覆盖面和绝对数量应具有一定规模，以保证评估数据的有效质量。

（2）预先危险性分析。预先危险性分析对可能存在风险源进行分析挖掘，确定深层次影响引航安全的因素。针对引航风险评价，可以根据一线工作人员的引航经验，进行座谈口述或者纸面书写，以期全方位掌握风险源。

2 长江深水航道引航风险评价模型

2.1 引航风险指标体系

本文中建立起两级共16 个二级指标的长江深水航道引航风险评价指标体系并进行量化处理，如图1 所示。

图1 长江深水航道引航风险指标体系

2.2 熵值指标赋权

目前熵权法是应用最为广泛的客观赋权方法之一，其主要依据样本数据量和相互间的差异度来判定指标的重要程度。如果某项风险指标各样本的观测值间的差异很小，表示此项指标体现的信息量较小，其熵值也就越大，其在指标体系中所占据的比例就较小。一般基于熵权的指标赋权包括以下几个步骤：

（1）对于具有m 个指标、n 个评判等级的评价体系，构造评价指标值的判断矩阵：

（2）各项评价指标值的量纲一般不同，进行归一化处理，有标准风险判断矩阵：

（3）定义风险评价指标的熵，如果：

2.3 物元指标关联度

物元分析对事物的主要描述为“名称”“特征”和“数值”3 个要素，并将其组成事物序列的基本单位，称为物元。设N 为事物名称，C 为其特征，V 为其数值，则物元的表达式表示为：

通过物元分析进行引航风险评价模型的步骤包括：（1）若Q 为评价标准物元，对于第j 个评价指标的值域，根据以上描述，有

若评价标准有q 个等级，Qp为评价标准的第p 等级的物元，则有

对于第p 等级、第j 个评价指标的物元，有值域

（2）选取评价的对象集，对于第i 个评价对象，有其物元

（3）计算评价对象单指标等级的关联度，其计算公式为

单评价指标的等级关联程度判断标准可以参照以下标准：

2.4 综合关联风险等级

计算得到各分项指标的权重，以及单评价指标的等级关联程度后，可以得到各评价对象与各风险等级的综合风险风级：

得到各评价指标关于各评价等级的综合关联度后，可比较评价指标对于各评价等级的综合关联度数值，当数值为正时，其数值越大表示符合程度越高；当数值为负值时，表示评价指标不符合本级别的判断标准。最终某项评价指标落在某级别的判定，可参考级别变量特征值，定义为j*，定义为

3 长江深水航道典型航段引航风险评价

引航风险评价体系存在4 个一级指标，16 个二级指标，应对每个指标设置评价集，评价集中分为“较低”“低”“一般”“高”“较高”五个等级，根据长江深水航道以及相关文献的资料，对各划分指标的等级边界进行认定，得到长江深水航道引航风险评价指标等级表，如表1 所示。

表1 长江深水航道引航风险评价指标等级表

3.1 福姜沙航段引航风险评价

评价指标体系中包含危化品船比例、船舶长度及风浪流等客观评价指标，这部分数据由现场观测和相关单位调研获取，对于不易量化的船员、引航人员业务水平、助航标志完备程度等主观指标，借由专家打分以及问卷调查的方式获取统计数据。其各项指标数值见表2。

表2 福姜沙水道引航风险评价指标

根据表2 中的指标数值，建立各分项指标的综合风险关联等级，表征评价航段的各项指标隶属各个风险评价等级的程度，再经过归一化和式风险级别判定，最终得到福姜沙水域各个评价指标的级别变量特征值，如表3 所示。

表3 福姜沙水道引航风险级别变量特征值

从引航风险级别变量特征值上来看，福姜沙航段的最大流速、最大船宽与航道宽比、航段最大弯曲角度、日均船舶流量和航道交叉情况的风险特征值均超过4.0，介于较高与高风险之间，这与福姜沙水道复杂的航路交汇、较大的航道弯曲较有直接关系。引航员业务水平、VTS 人员业务水平、船舶长度和助航标志完备程度指标的风险特征值相对较低，风险等级位于较低和一般之间。

3.2 和畅洲航段引航风险评价

长江水流在和畅洲的作用下，分成两股水流，形成左右两汊河道，由于河道的复杂性，本航段内水流变化较快，在洲头、洲尾处存在较强的横流和扫弯水，其航道弯曲度和航道交叉情况是本航段的主要引航风险来源。同理，依据上述方法最终得到和畅洲水域各个评价指标的级别变量特征值，如表4 所示。

表4 和畅洲水道引航风险级别变量特征值

和畅洲航段的较高风险指标与福姜沙类似，最大流速、最大船宽与航道宽比、航段最大弯曲角度、日均船舶流量和航道交叉情况的风险特征值均超过4.0，介于较高与高风险之间。主观性指标，即引航员、被引船员、拖轮船员、VTS 人员的风险变量特征值相对平均，由于代表船型和大型海轮对吃水的要求，和畅洲水道的航道富裕水深风险特征值超过3，介于一般与较高之间。