基于FSA（綜合安全評(píng)估）橋區(qū)水域通航環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

■芮浩強(qiáng)顏忠甲（.泉州海事局，泉州　36800；.福建省寧德市地方海事局，寧德　3500）

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基于FSA（綜合安全評(píng)估）橋區(qū)水域通航環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

■芮浩強(qiáng)1顏忠甲2
（1.泉州海事局，泉州362800；2.福建省寧德市地方海事局，寧德352100）

摘要本文對(duì)FSA（綜合安全評(píng)估）方法進(jìn)行了介紹，F(xiàn)SA方法不僅是一種系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的綜合安全評(píng)價(jià)方法,而且它應(yīng)該被認(rèn)為是一種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的思想。在港口水域、橋區(qū)水域水上交通安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作甚至其它風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)該始終貫穿FSA這種系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化并具有預(yù)見(jiàn)性、全面性的思想,使得風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作可以更加實(shí)際可用、合理可信。本文選擇FSA（綜合安全評(píng)估）作為橋區(qū)水域通航環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究工具，結(jié)合層次分析法、模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)方法，構(gòu)建了橋區(qū)水域通航環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型。

關(guān)鍵詞FSA橋區(qū)水域通航環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)層次分析法模糊數(shù)學(xué)

1　引言

橋區(qū)水域?qū)儆谙拗扑?，也是船舶事故多發(fā)水域。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)橋區(qū)水域通航安全評(píng)價(jià)研究取得了較大進(jìn)展，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一對(duì)跨江大橋橋區(qū)船舶通航實(shí)船試驗(yàn)及相關(guān)研究比較重視,取得了很多重要成果，如武漢理工大學(xué)劉明俊教授所帶領(lǐng)的學(xué)術(shù)梯隊(duì)在跨江大橋橋區(qū)船舶通航實(shí)船試驗(yàn)方面做了很多研究工作,攻克了很多亟待解決的實(shí)際問(wèn)題,完成了“蘇通長(zhǎng)江公路大橋船舶通航實(shí)船試驗(yàn)及模擬研究”、“蘇通大橋船舶失控漂移對(duì)橋梁的影響”、“宜萬(wàn)鐵路萬(wàn)州長(zhǎng)江鐵路大橋船舶通航實(shí)船試驗(yàn)及研究”、“南京長(zhǎng)江四橋工程可行性研究階段船舶通航實(shí)船與數(shù)值模擬研究”等課題的研究；另外一種是運(yùn)用現(xiàn)有通航標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算,或結(jié)合河工模型開(kāi)展分析論證；三是圍繞船橋碰撞問(wèn)題開(kāi)展研究，主要包括船舶失控撞橋概率研究、橋梁船撞安全評(píng)估、船撞橋風(fēng)險(xiǎn)分析等。

目前，橋區(qū)船舶通航安全研究主要是圍繞船橋碰撞問(wèn)題開(kāi)展的。國(guó)際上對(duì)船－橋碰撞問(wèn)題的系統(tǒng)研究始于上世紀(jì)80年代初。近10年來(lái)，隨著我國(guó)大量跨江、跨海大橋的設(shè)計(jì)、建造，我國(guó)對(duì)船橋碰撞問(wèn)題也越來(lái)越重視，就船橋碰撞相關(guān)問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究?？傮w來(lái)說(shuō)，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，船橋碰撞相關(guān)問(wèn)題的深入研究主要限于碰撞事故的發(fā)生概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、碰撞力確定方法、碰撞后橋梁的動(dòng)力特性分析以及橋墩防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。2007年，上海交通大學(xué)《橋區(qū)通航安全評(píng)估技術(shù)研究》課題組從預(yù)報(bào)船舶過(guò)往橋區(qū)的操縱運(yùn)動(dòng)和預(yù)防船－橋碰撞事故發(fā)生的角度研究船－橋避碰及其船舶橋區(qū)通航安全問(wèn)題，采用實(shí)船試驗(yàn)方法和計(jì)算機(jī)及操縱模擬器模擬的方法進(jìn)行橋區(qū)船舶通航論證方面開(kāi)展了研究，自主開(kāi)發(fā)了船舶在跨江、跨海大橋橋區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型建模方法，船舶在舵、槳等控制、推進(jìn)裝置的控制力和風(fēng)、流等環(huán)境干擾力聯(lián)合作用下的橋區(qū)通航運(yùn)動(dòng)模擬方法、船舶橋區(qū)安全通航能力預(yù)報(bào)方法以及船舶橋區(qū)安全通航避碰控制策略，研發(fā)了我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于模擬試驗(yàn)和航跡控制的船舶橋區(qū)通航安全評(píng)估軟件系統(tǒng)。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)，在橋區(qū)水域通航安全評(píng)價(jià)研究中，研究橋區(qū)水域通航環(huán)境安全評(píng)價(jià)內(nèi)容不多，環(huán)境安全是一個(gè)系統(tǒng)工程,它存在的危險(xiǎn)因素是比較廣泛的。這些危險(xiǎn)因素綜合性和專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，涉及到船員管理、船舶管理（船舶檢驗(yàn)）、通航環(huán)境管理、海事管理和運(yùn)政管理等領(lǐng)域，開(kāi)展橋區(qū)水域通航環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的研究具有十分重要意義。

2　 FSA（綜合安全評(píng)估）概述

FSA(Formal Safety Assessment,綜合安全評(píng)估)是國(guó)際海事組織(IMO)制定以提高船舶安全為目的的新的公約規(guī)則所采用的一種結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的方法。它是一種綜合性、系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)化的評(píng)價(jià)工具,用以幫助制定出合理可行的規(guī)則、盡可能提供風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防或控制方案;此外該方法既能進(jìn)行事故發(fā)生之后的事后性分析,又能用于事故發(fā)生之前的預(yù)測(cè)性分析,總之它是一種事后性加預(yù)期性的規(guī)范化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。FSA方法的運(yùn)用對(duì)促進(jìn)水上交通安全管理工作的科學(xué)性以及提高管理的整體水平將產(chǎn)生積極的影響。

船舶運(yùn)輸

FU JIAN JIAO TONG KE JI

2.1國(guó)內(nèi)外對(duì)FSA方法的研究與應(yīng)用

國(guó)外對(duì)于FSA方法的研究起步比較早,自從FSA開(kāi)始應(yīng)用在水上交通安全管理工作以來(lái),英國(guó)在這方面取得了比較好的預(yù)期效果。作為國(guó)際海事組織的A類(lèi)理事國(guó),我國(guó)交通運(yùn)輸部的海事局、船級(jí)社、專(zhuān)業(yè)的院校以及相關(guān)研究單位的研究人員已經(jīng)在FSA方法的應(yīng)用上進(jìn)行了初步的研究工作。早在1999年,通過(guò)結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況與要求并依據(jù)IMO《綜合安全評(píng)估應(yīng)用暫行指南》的規(guī)定,我國(guó)船級(jí)社專(zhuān)門(mén)制定并頒發(fā)了《中國(guó)船級(jí)社綜合安全評(píng)估應(yīng)用指南》,之后運(yùn)用FSA方法對(duì)長(zhǎng)江上的高速船舶進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和分析,對(duì)渤海灣的客滾船舶進(jìn)行了全面的FSA研究。近幾年來(lái)，我國(guó)一些專(zhuān)家學(xué)者對(duì)FSA方法在海上交通安全不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行不斷深入研究。主要在以下幾個(gè)方面：一是在通航管理方面，應(yīng)用在港口水域、船舶交通管理水域、危險(xiǎn)品碼頭通航安全評(píng)估。二是在船舶管理和船公司管理方面，應(yīng)用在危險(xiǎn)品船舶、客滾船、船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)管理、航運(yùn)公司安全管理等。三是在船舶操縱和避碰方面，在引航安全、商漁船碰撞開(kāi)展了研究。四是海事和水運(yùn)管理方面，開(kāi)展了FSA在海事風(fēng)險(xiǎn)控制、海事立法、水運(yùn)安全管理和海事監(jiān)管等領(lǐng)域應(yīng)用。

2.2 FSA方法的流程與方案

圖1　FSA流程圖

根據(jù)FSA應(yīng)用指南的要求,該評(píng)價(jià)方法主要包括以下五個(gè)步驟:（1）危險(xiǎn)因素識(shí)別;（2）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;（3）風(fēng)險(xiǎn)控制方案;（4）成本與效益評(píng)估;（5）提供決策建議。其具體流程見(jiàn)圖1所示。由FSA的流程圖我們也可以看出,FSA方法是一種系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的綜合評(píng)價(jià)方法,可以通過(guò)多種途徑來(lái)完成評(píng)價(jià)的過(guò)程,而且運(yùn)用FSA方法進(jìn)行評(píng)價(jià)還是一種反復(fù)推敲的過(guò)程。如果不考慮反復(fù)推敲,根據(jù)流程圖我們可以得到用FSA方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的三種方案:

（1）危險(xiǎn)因素識(shí)別一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一風(fēng)險(xiǎn)控制方案一成本與效益評(píng)估一提供決策建議；

（2）危險(xiǎn)因素識(shí)別-風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一風(fēng)險(xiǎn)控制方案一提供決策建議;

（3）危險(xiǎn)因素識(shí)別一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估一提供決策建議。

通常來(lái)說(shuō),對(duì)于成本與效益評(píng)估這一過(guò)程需要被評(píng)價(jià)對(duì)象所屬領(lǐng)域內(nèi)的各類(lèi)專(zhuān)業(yè)人員會(huì)同分析,否則難以計(jì)算。這也是目前實(shí)施FSA方法進(jìn)行評(píng)估的過(guò)程中省略這一步驟的原因之一。

3　基于FSA橋區(qū)水域通航環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

3.1危險(xiǎn)因素識(shí)別

對(duì)于橋區(qū)水域而言,其通航環(huán)境中潛在的危險(xiǎn)包括風(fēng)、流、能見(jiàn)度、航道的水深條件、航道的寬度及彎曲度、橋梁通航孔凈空寬度、通航孔凈空高度、橋梁的防撞能力、船舶的流量大小、助航標(biāo)志、VTS管理等等。歸納起來(lái)主要是以下四個(gè)方面的內(nèi)容:

①船舶流特征：船舶密度、船舶尺度、船舶速度、船舶種類(lèi)；

②水文條件：潮速、潮流、水位；

③氣象條件：大風(fēng)、暴雨、臺(tái)風(fēng)、霧；

④通航條件：航道彎曲度、橋軸向角。

3.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為FSA方法的第二個(gè)步驟,也是最為重要的一步,通過(guò)此階段建立相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型來(lái)量化橋梁水域通航安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果,本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法來(lái)建立橋梁水域通航安全的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。模型建立主要包括以下過(guò)程:

綜合考慮橋區(qū)通航安全風(fēng)險(xiǎn)因素，水文、氣象、船舶流特征及綜合條件，將綜合安全狀態(tài)分為三層，第一層是目標(biāo)層，第二層是主因素層，第三層為評(píng)價(jià)指標(biāo)層。按照綜合系統(tǒng)集成的方法，建立了如下指標(biāo)體系：

3.2.1因素集及評(píng)價(jià)集構(gòu)建圖（圖2）

圖2　因素集及評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

(1)一級(jí)模糊綜合評(píng)判

①評(píng)價(jià)因素集

U={U1,U2,U3,U4}={船舶流特征，水文條件，氣象條件，通航條件}；

②船舶流特征

U1={U11,U12,U13,U14}={船舶密度，船舶尺度，船舶速度，船舶種類(lèi)}；

③水文條件

U2= {U21,U22,U23}={流速，潮流，水位}；

④氣象條件

U3={U31,U32,U33,U34}={大風(fēng)，暴雨，臺(tái)風(fēng)，霧}；

⑤通航條件

U4={U41,U42}={航道彎曲程度，橋軸向角}；

⑥評(píng)價(jià)集

V={V1，V2，V3，V4，V5}={險(xiǎn)情，一般，嚴(yán)重，非常嚴(yán)重，災(zāi)難}={1,2,3,4,5}

其中1,2,3,4,5實(shí)際上就是表示模糊數(shù),用模糊數(shù)來(lái)表示一些模糊概念的目的是為了對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行量化處理。1,2,3,4,5分別對(duì)應(yīng)的各評(píng)語(yǔ)等級(jí)如表1所示：

表1　模糊評(píng)價(jià)等級(jí)表

⑦Wi={Wi1,Wi2,Wi3…,Win}

⑧一級(jí)模糊關(guān)系矩陣

⑨一級(jí)模糊判斷矩陣

Bi=Wi×Ri={bi1,bi2,bi3,bi4,bi5}

⑩歸一化后得到標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)矩陣

（2）二級(jí)模糊評(píng)判矩陣

①評(píng)級(jí)因素集

U={U1,U2,U3,U4}={船舶流特征，水文條件，氣象條件，通航條件}

②評(píng)價(jià)集

V={V1，V2，V3，V4，V5}={險(xiǎn)情，一般，嚴(yán)重，非常嚴(yán)重，災(zāi)難}

③二級(jí)權(quán)重值向量

Wi={Wi1,Wi2,…Wi5}

④二級(jí)模糊關(guān)系矩陣

R=(B1*，B2*，B3*,B4*,B5*)T

⑤二級(jí)模糊綜合評(píng)判矩陣

B=Wi×R=（b1,b2,b3,b4,b5）

⑥歸一化后得到標(biāo)準(zhǔn)模糊評(píng)判矩陣

3.2.2各種影響因素權(quán)重的確定

每個(gè)評(píng)價(jià)因素在綜合評(píng)價(jià)中占有不同的權(quán)重，可以采用系統(tǒng)工程學(xué)的兩兩比較法確定影響橋區(qū)通航安全各因素的權(quán)重。實(shí)踐證明，這種方法可靠性較高，誤差性較小。心理學(xué)家認(rèn)為，一個(gè)人同時(shí)比較判斷多個(gè)因素是困難的，而兩兩比較的重要程度是完全勝任的。因此，在n個(gè)目標(biāo)因素中，每次只對(duì)兩個(gè)因素進(jìn)行比較，并作出如下規(guī)定（見(jiàn)表2）：

表2　

①比較矩陣

進(jìn)行兩個(gè)因素之間重要程度的比較，得出如下結(jié)果：

x1x2…xnx1a11a12…a1nx2a21a22…a2n

………………………………………

xnan1an2…ann

船舶運(yùn)輸

FU JIAN JIAO TONG KE JI

令A(yù)=[aij]m×n,稱(chēng)A為比較矩陣，其中比較矩陣具有的性質(zhì)為aij＞0;aij=1,aij=1/aji

②權(quán)重系數(shù)的近似計(jì)算方法

③比較矩陣一般需要一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法如下求比較矩陣的特征值

表3　 RI取值表

④若CR＜O.1，則比較矩陣和求的權(quán)重系數(shù)可以被接受；否則對(duì)A加以調(diào)整，重新計(jì)算。

通過(guò)上述分析可以得到各因素的權(quán)重系數(shù)，準(zhǔn)則層的評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)為：

W=[w1,w2,…,wn]

指標(biāo)層各因素子集的內(nèi)部權(quán)重系數(shù)為：

Wi=[wi1,wi2,…,win] i=1,2…,n

3.2.3隸屬度的確定

隸屬度的定義為:對(duì)于論域(即研究范圍)U中的任一元素x,若都有一個(gè)數(shù)A(x)∈[0,l]與之相對(duì)應(yīng),則稱(chēng)A為U上的模糊集,A(x)稱(chēng)為x對(duì)A的隸屬度[40]。當(dāng)x在u中變動(dòng)時(shí),A(x)就是一個(gè)函數(shù),稱(chēng)其為A的隸屬函數(shù)。A(x)越接近于0表示x屬于A的程度越低,反之若A(x)越接近于1,表示x屬于A的程度越高。

從本質(zhì)上說(shuō)隸屬度函數(shù)的確定過(guò)程應(yīng)該是客觀的,但由于每個(gè)人對(duì)同一模糊概念的認(rèn)識(shí)理解有差異,不同的人對(duì)同一個(gè)模糊概念會(huì)建立不完全相同的隸屬度函數(shù),因此確定隸屬度函數(shù)又常常帶有主觀性。然而盡管確立的函數(shù)形式不同,但是只要能反映同一模糊概念,在處理和解決實(shí)際模糊信息的問(wèn)題時(shí)仍然能產(chǎn)生同樣的效果。到目前為止,隸屬度函數(shù)的確立大多還停留在經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。常用的隸屬度函數(shù)確立的方法有:專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法、例證法、模糊統(tǒng)計(jì)法和二元對(duì)比排序法等。

在構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)模型的過(guò)程中,比較常用的方法是采用專(zhuān)家調(diào)查的方式來(lái)構(gòu)造單因素評(píng)價(jià)矩陣。應(yīng)用專(zhuān)家調(diào)查法的方式如下:專(zhuān)家依據(jù)其多年的經(jīng)驗(yàn)和看法對(duì)調(diào)查表中每一具體評(píng)價(jià)對(duì)象的每一項(xiàng)具體指標(biāo)給予評(píng)價(jià)給分,然后通過(guò)對(duì)多位專(zhuān)家的打分情況進(jìn)行匯總得到各項(xiàng)因素對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)的概數(shù),再對(duì)這些數(shù)值經(jīng)過(guò)歸一化處理就可以得到各因素對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度,最后就可以得到單因素評(píng)價(jià)矩陣。根據(jù)本文評(píng)價(jià)模型所分的五個(gè)等級(jí),若運(yùn)用上述方法,專(zhuān)家隸屬度調(diào)查表可按表4進(jìn)行設(shè)計(jì)。

表4　專(zhuān)家隸屬度調(diào)查表

3.2.4模型建立

根據(jù)單因素評(píng)價(jià)的結(jié)果可以計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)在各個(gè)評(píng)語(yǔ)等級(jí)中所占的比重,從而得到評(píng)價(jià)矩陣R。

當(dāng)確定了危險(xiǎn)因素的權(quán)重集A和評(píng)價(jià)矩陣R之后,按照加權(quán)平均型的模糊算子進(jìn)行矩陣的相乘,從而得到綜合評(píng)價(jià)集B,即

由于上一層次危險(xiǎn)因素的權(quán)重系數(shù)是可知的,通過(guò)將上述評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)作為上一層次評(píng)價(jià)中的評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬度就能夠得到上一層次的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,依次計(jì)算就能得到最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。本文首先對(duì)第二層次的危險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)價(jià),接著是第一層次,從而得到一個(gè)最終評(píng)價(jià)向量B。

(下轉(zhuǎn)第107頁(yè))

3.2.5評(píng)價(jià)向量的清晰化

運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法得到的綜合評(píng)價(jià)集B是一個(gè)模糊向量,即所評(píng)價(jià)的對(duì)象隸屬于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度向量。確定評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)時(shí),需要對(duì)該模糊向量反模糊化,也稱(chēng)清晰化。

本文采用加權(quán)平均的方法來(lái)完成評(píng)價(jià)向量的清晰化過(guò)程，為了得到一個(gè)比較明確的評(píng)價(jià)結(jié)果,本文設(shè)定等級(jí)參數(shù)向量G=(1,2,3,4,5),通過(guò)M=B×G這一清晰化過(guò)程得到一個(gè)綜合評(píng)價(jià)的量化值M,根據(jù)M值的大小對(duì)照模糊評(píng)價(jià)等級(jí)表查找出相應(yīng)的等級(jí)評(píng)語(yǔ),這一評(píng)語(yǔ)即顯示出了目前多橋梁河段水上交通安全風(fēng)險(xiǎn)狀況的最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.3提供決策建議

依據(jù)實(shí)際評(píng)價(jià)的橋梁水域的情況及其險(xiǎn)評(píng)價(jià)的等級(jí)狀況,針對(duì)影響橋區(qū)水域通航安全系統(tǒng)因素，特別是重大安全風(fēng)險(xiǎn)源，制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)防范對(duì)策；也可以分別從人、機(jī)、環(huán)境、管理這四個(gè)方面提出相應(yīng)的改善措施。

參考文獻(xiàn)

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[4]馬占新,任慧龍.船舶綜合安全評(píng)估中的評(píng)價(jià)方法研究.系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2002,24(10).

物流交通

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