基于AHP層次分析法的沉船風險評估模型研究

費岳軍 ，徐麗麗，2 ，鄭曉琴 ，堵盤軍 ，姚圣康，何善方

(1.國家海洋局東海預報中心,上海 200081；2.南京信息工程大學,環(huán)境科學與工程學院,江蘇南京 211800；3 國家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江寧波 315000)

1 引言

長江口海域是我國第一大河河口長江口和第一強潮河口灣杭州灣的交匯區(qū)，灘槽相間，風、浪復雜，水動力三維特征明顯，屬海損事故高發(fā)區(qū)，其中尤其以重點航線、重點港口最為嚴重。上海沿海的海浪災害主要表現(xiàn)為大風大浪引起發(fā)海難事故。據(jù)統(tǒng)計，2003—2010年，長江口海域共發(fā)生362起海難事故，由大風浪引起的海難事故213 起（見圖1），其中直接導致船舶沉沒事故189 起。目前，我國的海損實時風險評估和預警機制尚未建立[1]，實際操作中多是利用經(jīng)驗或單一指標進行粗略的評估，沒有形成科學、高效、可操作性強的海難（尤其是沉船）風險預警分級方法和指標體系。相關(guān)的研究多是針對水上交通安全的總體定性評價或是建立了水上交通安全的綜合預警指標體系，而對于沉船風險的實時預警和預報還屬空白。因此本文針對航行船只，根據(jù)各海區(qū)的災害性海浪事故分布特征，確定評價指標體系，基于“AHP”層次分析法[2]，確定各評價指標的權(quán)重系數(shù)，建立長江口海域的沉船風險評估模型，實現(xiàn)沉船風險的量化評估和動態(tài)預警，為政府相關(guān)部門能及時根據(jù)預警等級采取預防措施和應急響應提供支撐。

2 長江口海域海難事故發(fā)生概況

近年來隨著世界貿(mào)易自由化、經(jīng)濟一體化和信息全球化進程的加快，長江口海域作為全球最繁忙的港口之一，海難事故發(fā)生頻次也隨之增加（見圖2），年平均81次。2005年至今，隨著洋山港的建成以及港口吞吐量的劇增，海難事故也呈現(xiàn)跳躍式的增長，僅2007年就達113 次，之后一直維持年均120次左右的高事故發(fā)生率。因此在保持經(jīng)濟高速發(fā)展的同時，我們更要警惕海難事故，運用科學的手段在第一時間提供預警信息，將損失降到最低。

圖1 長江口海域2003—2010年海難事故發(fā)生位置分布圖

根據(jù)東海預報中心的歷史天氣圖資料庫分析引發(fā)海難事故的天氣系統(tǒng)主要分為：冷空氣、熱帶氣旋、溫帶氣旋、靜止峰、倒槽發(fā)展等5種主要天氣型，其中以冷空氣位居之首（見圖3），高達180 次，占51%。冷空氣擴散南下過程中，冷峰過境時及過境后12—24 h內(nèi)，處于冷高前緣、冷鋒后部的長江口海域出現(xiàn)了6 級以上的大風天氣，強冷空氣造時該海域甚至出現(xiàn)8—9級的偏北大風，狂風惡浪是導致海難事故頻發(fā)的主要原因。氣旋也是造成海難事故發(fā)生的重要天氣系統(tǒng)，以4—6月份影響次數(shù)為最多。氣旋較之冷空氣發(fā)生次數(shù)較少，但由于其發(fā)生發(fā)展突然，時間短，常造成短時雷雨大風天氣，且隨著氣旋東移，沿海海面風向也在不斷轉(zhuǎn)變，因而使得海上船只不能及時根據(jù)風向、風力的變化來采取相應的防范措施，從而引發(fā)海難事故。由于天氣系統(tǒng)的季節(jié)變化，海難事故的發(fā)生頻次也呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化規(guī)律（見圖4）。以秋冬季（10—12月份）冷空氣頻發(fā)，海難事故發(fā)生次數(shù)為最多，占總數(shù)35%，其中以11月份高達105次；春季（3—5月）主要受出海氣旋影響，海難事故次之，占總數(shù)33%，7月份最少。

圖2 長江口海域近10年海難發(fā)生頻次變化圖

圖3 大戢山海洋站近十年各月災害系統(tǒng)出現(xiàn)頻次圖

3 資料來源及分析方法

3.1 資料來源

本文所用海難事故資料由交通運輸部東海救助局提供，時間年限為2003—2011年，統(tǒng)計案例區(qū)域為長江口（29°—32°N，120°——125°E）及鄰近海域內(nèi)的海難事故案例，共計362起，其中由大風浪引起的海難事故213起。水文氣象數(shù)據(jù)為東海預報中心提供的2003—2011年佘山、大戢山、灘滸島、嵊山的逐時數(shù)據(jù)及歷史天氣圖資料。

圖4 長江口海域1996—2010年海難發(fā)生頻次月變化圖

3.2 模糊綜合評判方法

模糊綜合評判方法是運用模糊數(shù)學工具對多層次、多因素系統(tǒng)的特征進行總體評判的一種定性與定量相結(jié)合的方法[3-5]。其基本步驟如下：（1）確定評價對象的因素集；（2）確定各指標的權(quán)重集；（3）確定評價集；（4）進行單因素模糊評判和多因素模糊綜合評判；（5）根據(jù)最大隸屬度原則或加權(quán)平均法對綜合評判結(jié)果進行排序。

4 沉船風險預警模型的建立

4.1 確定預警因子集

通過統(tǒng)計分析歷史事故資料及查閱相關(guān)文獻[6]，以及海洋預報專家、海事局及搜救中心等管理調(diào)度人員、船長和輪機長等船只人員共40 位專家，經(jīng)過多輪調(diào)查意見征集及統(tǒng)計反饋，回收有效調(diào)查問卷35 份，堅持“客觀性、可獲取性及時效性”的原則，最終確定沉船風險預警指標體系及分級標準。基于系統(tǒng)工程，沉船風險主要是基于“人一船舶一環(huán)境”組成的風險系統(tǒng)，暫且不考慮人為主觀因素，主要考慮“船舶一環(huán)境”組成的客觀系統(tǒng)，確定沉船風險系統(tǒng)的影響因素集合：U={U1;U2}，其中環(huán)境條件狀況U1={U11;U12;U13;U14}；承載體狀況U2={U21;U22}。針對沉船風險建立3 層指標評價體系，即目標層、準則層和指標層（見圖5）。

圖5 沉船風險評估模型的分層評價指標體系

4.2 權(quán)重系數(shù)的確定

將預警指標體系建成遞階層次結(jié)構(gòu)體系后，引用T.LSaaty 標度法來反映指標間的相對重要性，根據(jù)上下層次之間的隸屬關(guān)系[7]，構(gòu)造判斷矩陣，見式（1）、（2）、（3）。

運用AHP法中的方根法，通過編制Matlab程序求解判斷矩陣，并進行層次單排序及一致性檢驗，得到沉船風險等級評估的目標層(A)與準則層(B)、準則層（B）與子準則層（C）判斷矩陣的特征向量、最大特征值max、單層次單排序及一致性檢驗結(jié)果，得到的CI、CR 均小于0.1，滿足判斷矩陣的一致性要求，計算所得特征向量可作為權(quán)向量。根據(jù)層次總排序及一致性檢驗，得到各因子的排序及權(quán)重集P={風速、波高、噸位、船型、風向、波向}={0.5153、0.3000、0.0647、0.0423、0.0286、0.0196}

表1 判斷矩陣單排序及一致性檢驗計算結(jié)果

4.3 指標因子的分級和量化

4.3.1 自然環(huán)境因子的分級和量化

本文中主要是針對不同類型的船只對應不同等級風浪的風險概率。即通過建立各致災因子危險性參數(shù)(風速、波高)與災害損失率（沉船風險）之間的關(guān)系。假設建立致災因子（風力、波高）和船損危險系數(shù)Y 之間的關(guān)系模型Y=f(X)。根據(jù)專家調(diào)查表及相關(guān)文獻記載[8-9]的全損風力上下限值（表2—3），確定風力、波高大小X 與船損危險系數(shù)Y 之間的關(guān)系模型為分段函數(shù)。根據(jù)上海沿海所在海域?qū)崪y波浪的統(tǒng)計分析可知，受特定長江口地形影響，波高變化范圍與通用的波高等級有很大的差異，因此，本項目根據(jù)海難事故的實際分結(jié)果，修正的上海沿海近岸浪波高等級。

表2 各等級船只的全損風力上下限

表3 各等級船只的全損波高上下限

根據(jù)噸位分類級別，建立船損危險系數(shù)的分段函數(shù)方程如下（見表4—5）：

4.3.2 承載體的分級和量化

根據(jù)實際數(shù)據(jù)可獲取情況，具有代表性的調(diào)查研究對象主要分為漁船、貨船、駁船、集裝箱。不同類型船舶的抗風險強度及損壞程度不同。根據(jù)吳兆麟，朱軍編輯的《海上交通工程》中的相關(guān)規(guī)定[10]，具體船舶類型及噸位的換算系數(shù)見（見表7—8）：

表4 風速的危險性評估隸屬度

表5 波高的危險性評估隸屬度

表6 風向模糊評判系數(shù)表

表7 浪向的模糊評判系數(shù)

表8 不同船舶類型對應的換算系數(shù)

表9 船舶噸位大小換算系數(shù)

4.4 模糊綜合評判

單因素模糊評判是單獨從一個因素出發(fā)進行評判Uij 出發(fā)進行評判，以確定評判對象評價集元素Ek(k=1,2,3,4)的隸屬度Rij 的過程。將各單因素模糊評判集隸屬度作為行組成單因素評判矩陣,得到總目標層(沉船風險)的綜合評價集：

同時參考國家“908”專項調(diào)查報告，定義上海沿海沉船風險概率綜合評估模型為：

評價集是對評判對象可能作出評判結(jié)果的集合。在確定評價等級時，參考各調(diào)查專家學者的意見[11-12]及根據(jù)《國家突發(fā)公共事件總體應急預案》，參考突發(fā)公共事件可能造成的危害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢，可將沉船風險等級E 定義為j=1,2,3,4個等級.即用Ej={ e1,e2,e3,e4 }={0.75—1.0，0.5—0.75（不含），0.25-0.5（不含），0—0.25（不含）}={極其危險，非常危險，危險，稍危險}。分別用4種不同的顏色表示4 級預警度：一級紅色，二級橙色，三級黃色，四級藍色。

本文根據(jù)搜救中心提供的2003—2011年共189次案例，進行沉船風險概率計算，其中達到紅色預警級別的事故121次，橙色預警級別的事故26次，黃色預警級別25次，藍色預警級別15次。紅色預警沉船風險為75%—100%，橙色預警的沉船風險50%—75%，黃色預警的沉船風險為25%—50%，藍色預警的沉船風險為0—25%。定義大于75%的事故案例通過檢驗，經(jīng)過189次后報檢驗，沉船風險評估模型的準確率（風險系數(shù)大于75%的事故次數(shù)/所有沉船事故次數(shù)*100%）為64%。

5 結(jié)論及討論

（1）沉船風險評估模型基本能反映上海沿海海域的船舶航行的實際風險情況，189 次沉船案例后報結(jié)果中達紅色預警級別的事故121 次，沉船風險評估模型的準確率到達為64%。此航線風險評估模型具有預測性和針對性特點，具有動態(tài)可預報性的特點，根據(jù)風浪要素72 h的預報時效，沉船風險評估模型也可做到72 h的預警保障，實現(xiàn)了動態(tài)預警功能，能夠?qū)崟r的為航行船只提供安全保障服務；

（2）缺乏事故發(fā)生時船舶的載重和船齡等更詳細的實際資料，在模型中并沒用考慮，以至于計算案例中危險系數(shù)的等級不是異常明顯，實際計算過程中若針對具體船只的參數(shù)進行全方位的風險評估，模型的計算結(jié)果將更準確，更能實際反映航行中船舶的實際風險情況；

（3）風險評估模型的核心之一是致災因子強度和承載體風險系數(shù)關(guān)系的建立。本研究中主要考慮了波高和風力兩個要素，由于實況數(shù)據(jù)及專家調(diào)查數(shù)據(jù)的限制，目前僅僅建立線性方程，刻畫了理想狀況的風力強度和船損風險的關(guān)系。實際中，風力和船損危險系數(shù)是非線性的，這也是在以后工作中進一步深入研究和完善的地方。

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