長江航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

佟馨+江福才+郭顏斌+張帆+馬全黨

摘要：為對長江航道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，利用物元可拓理論和熵權(quán)法，建立熵權(quán)物元可拓評價(jià)模型。以自然環(huán)境、通航條件、交通環(huán)境為一級(jí)指標(biāo)，12個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素為二級(jí)指標(biāo)組成風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系。在該模型中，對量化的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)建長江航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評估的經(jīng)典域、節(jié)域和待評物元。通過熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，利用該模型計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)值并進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，確定長江航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及其變量特征值。選取長江江蘇段某航段為實(shí)例，運(yùn)用該模型定量評價(jià)該航段航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的大小。評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符，證明了模型的準(zhǔn)確性和適用性。

關(guān)鍵詞： 物元可拓模型； 長江； 航行環(huán)境； 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

中圖分類號(hào)： U698 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： In order to evaluate the navigation environment risk of the Yangtze River， using the matter-element extension theory and the entropy weight method， the entropy-weight matter-element extension assessment model is built. The risk assessment system is established， where the primary indices include the natural environment， the navigation condition and the traffic environment， and the secondary indices contain 12 risk factors. In the model， the quantified evaluation indices are normalized. The classical domain， the joint domain， and the matter element to be evaluated about the risk level evaluation of navigation environment in the Yangtze River are constructed.The weight of each index is determined by the entropy weight method. By the model， the correlation function value is calculated and the correlation degree is analyzed so as to determine the risk level of navigation environment in the Yangtze River and its variable eigenvalue. A segment of Jiangsu section in the Yangtze River is selected as an example， and the navigation environment risk of the segment is quantitatively evaluated by the model.The evaluation result is consistent with the actual situation， which verifies the accuracy and applicability of the model.

Key words： matter-element extension model； Yangtze River； navigation environment； risk assessment

0 引 言

內(nèi)河船舶引航是一項(xiàng)具有高風(fēng)險(xiǎn)性的工程活動(dòng)。[1]對船舶引航安全影響最大的因素是航道的航行環(huán)境。航道航行環(huán)境的好壞直接影響駕駛員和引航員的配備以及保障措施的落實(shí)等。

目前對航行環(huán)境的研究主要集中在海港以及沿海航道，例如：溫清洪[2]根據(jù)湄洲灣航道的特點(diǎn)，選取10個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)組成風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，并利用模糊數(shù)學(xué)法建立了湄洲灣航道通航風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型；郭濱[3]為研究天津港的通航安全，首先通過專家打分的形式確定指標(biāo)權(quán)重，然后采用模糊綜合評價(jià)法實(shí)現(xiàn)了對天津港的航行危險(xiǎn)度評價(jià)；聶細(xì)亮等[4]基于模糊綜合評價(jià)法對青島港主航道及大橋島航道的航行環(huán)境進(jìn)行評估，最終結(jié)果與實(shí)際情況相符，證明了模型的可行性；賈明明等[5]從自然環(huán)境、航道條件、交通環(huán)境等3個(gè)方面分析了航道的通航環(huán)境特點(diǎn)，并通過灰色模糊理論建立了航道通航風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型，并以廣州坭洲頭航道為實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性。航行環(huán)境研究方法主要有模糊綜合評價(jià)法、層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）等，例如：孫雯等[6]基于AHP對長江福南水道的航行安全進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)自然環(huán)境是導(dǎo)致福南水道風(fēng)險(xiǎn)高的主要原因，并提出了相應(yīng)的防控對策；于定勇等[7]用AHP和模糊綜合評價(jià)法對膠州灣航道的通航環(huán)境進(jìn)行了分析。上述方法對指標(biāo)的評定受人為因素影響較大，因此運(yùn)用這些方法所得到的研究結(jié)果的客觀性有待進(jìn)一步考量。

目前，物元評價(jià)模型已廣泛應(yīng)用于采礦工程[8]、環(huán)境評價(jià)[9-10]等諸多領(lǐng)域。郭生茂等[11]以20座礦山的巖爆指標(biāo)為樣本數(shù)據(jù)，結(jié)合熵權(quán)法和物元可拓模型預(yù)測巖爆的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。莫崇勛等[12]綜合利用物元評價(jià)模型和博弈論法分別評價(jià)了南寧市未來5年和15年水資源承載力，并通過優(yōu)化相關(guān)節(jié)水指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對水資源的合理使用。ZHANG等[13]利用物元可拓模型對企業(yè)的創(chuàng)新能力進(jìn)行評價(jià)， 通過計(jì)算最大關(guān)聯(lián)度對創(chuàng)新能力進(jìn)行評價(jià)和分類，最終證明了模型的可行性和有效性。DANG等[14]基于熵權(quán)物元法建立了新的新能源鼓勵(lì)政策評價(jià)模型，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證后證明了熵權(quán)物元評價(jià)模型比傳統(tǒng)模型更加合理、靈活和客觀。FAN等[15]采用熵權(quán)物元法對區(qū)域物流產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行評價(jià)，并選取8省為例對模型進(jìn)行驗(yàn)證，最終認(rèn)為熵權(quán)物元法具有可行性和有效性。endprint

從上述研究結(jié)果可知，物元模型在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的應(yīng)用較廣，且評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較高。因此，采用熵權(quán)物元可拓模型客觀評價(jià)長江航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。熵權(quán)物元可拓模型通過距的概念擴(kuò)大關(guān)聯(lián)函數(shù)的值域范圍，以區(qū)間的形式劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，從而更科學(xué)、更全面地評價(jià)事物相對于某集合的隸屬度。將物元可拓理論與熵權(quán)法相結(jié)合，利用熵權(quán)法確定影響航道環(huán)境安全的風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重，利用物元可拓理論對航道引航環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，并與駕引人員的主觀判斷相比較，驗(yàn)證方法的可靠性，從而為駕引作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)判斷提供理論支撐和相關(guān)依據(jù)。

1 長江航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

1.1 長江航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

長江內(nèi)河航道受地形、水深和自然環(huán)境的影響大，航行環(huán)境復(fù)雜多變，航行風(fēng)險(xiǎn)較為突出。長江航道航行環(huán)境包括自然環(huán)境、通航條件和交通環(huán)境等3個(gè)方面。

1）自然環(huán)境。自然環(huán)境分為水文和氣象兩部分。氣象條件包括氣溫、風(fēng)、雨、霧、雷暴、寒潮等。水文條件包括潮汐、潮流等。對船舶航行影響較大的自然因素主要有風(fēng)、流、雨等。長江水域在春夏季有偏南風(fēng)，秋冬季有偏北風(fēng)，而長江干線主要為東西向，因此船舶在長江中航行遭遇橫風(fēng)的情況較多，船舶保向難度大，壓載船舶和空載船舶所受的影響更為明顯。不同于海港，長江各水道水文條件差異大。長江從上游到下游漲潮潮量和落潮潮量逐漸增加，枯水期漲潮潮量明顯大于洪水期。流壓變化較大，彎曲航段存在掃彎水。此外，長江流域雨水充足，年平均霧日約占全年的十分之一，因此由雨、霧等導(dǎo)致的能見度不良天氣較為常見。雖然現(xiàn)在船舶基本配備雷達(dá)、AIS等設(shè)備，但是受航道、船舶交通流的影響，船舶在能見度不良的情況下發(fā)生水上交通事故的概率將大大增加。

2）通航條件。通航條件主要包括航道基本尺度（長度、寬度、深度、最大轉(zhuǎn)向角等）、礙航物、轉(zhuǎn)向點(diǎn)、交叉點(diǎn)等。航道長度越長，船舶的航行時(shí)間也就越長，因此航行過程中出現(xiàn)突發(fā)情況、駕駛疲勞、操作失誤等的概率就越大，進(jìn)而航行事故的發(fā)生概率將增加。隨著長江水域船舶流量的增加以及船舶的大型化，航道寬度成為導(dǎo)致船舶發(fā)生碰撞事故的重要因素。長江內(nèi)航道多蜿蜒曲折，因此航道的彎曲度也是導(dǎo)致航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。船舶在江面上航行時(shí)，障礙物會(huì)直接影響其正常安全航行，限制其航行空間。長江干線礙航物對船舶通航安全的影響是由礙航物與航道的距離決定的，礙航物與航道的距離越近，通航的危險(xiǎn)性越大。此外，航道中的轉(zhuǎn)向點(diǎn)以及交叉點(diǎn)會(huì)增大船舶的會(huì)讓頻率，造成船舶避讓困難等。

3）交通環(huán)境。交通環(huán)境包括船舶流量、過江渡船、導(dǎo)助航設(shè)施等。近年來長江水域船舶流量不斷攀升，導(dǎo)致航道內(nèi)船舶密度增大，船舶發(fā)生碰撞事故次數(shù)明顯增多。長江水域的過江渡船在穿越航道時(shí)會(huì)大大增加船舶的航行風(fēng)險(xiǎn)。如尹功洲水道狹窄、船舶流量大、水流急，而該水道內(nèi)的長江#100-1上游有孩溪到江心洲汽渡線穿越，因此此處船舶會(huì)讓概率大，航行風(fēng)險(xiǎn)大。長江助航標(biāo)志設(shè)置的原則為在滿足水深的前提下，江面有多寬，航標(biāo)所標(biāo)示的航道就有多寬，因此造成了航道不順直，船舶駕引人員在實(shí)際航行中找標(biāo)困難等問題。

1.2 確定評價(jià)指標(biāo)體系

通過對長江航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的分析，可確定長江航道航行環(huán)境的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。為保證評價(jià)指標(biāo)不受人的主觀因素的影響，經(jīng)篩選最終選擇了12個(gè)可量化的風(fēng)險(xiǎn)因素組成長江航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系。此外，各危險(xiǎn)度影響因子對應(yīng)5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評定等級(jí)，分別為低危險(xiǎn)度、較低危險(xiǎn)度、一般危險(xiǎn)度、較高危險(xiǎn)度和高危險(xiǎn)度，見表1。

2 長江航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

2.1 建立熵權(quán)物元可拓模型

2.1.1 確定模型的經(jīng)典域、節(jié)域和待評物元

物元可拓模型綜合物元理論和可拓?cái)?shù)學(xué)[16]兩種方法，通過定性分析和定量計(jì)算的方法解決模糊問題和不確定問題，通過多指標(biāo)來評價(jià)事物，其原理如下所示。

2.2 實(shí)例應(yīng)用

2.2.1 確定待評物元

長江江蘇段是長江引航船的主要集中水域，航行環(huán)境復(fù)雜，船舶交通流密度大，水上交通事故發(fā)生率較高。因此，選取長江江蘇段某段航道作為評價(jià)對象。該段航道具有“南港北錨”的特點(diǎn)，且船舶靠離泊、橫越作業(yè)較多。通過查找文獻(xiàn)、實(shí)地調(diào)研、發(fā)放問卷以及咨詢專家意見等方式，得到該航道的指標(biāo)評價(jià)值以及對應(yīng)的歸一化值，見表2。

通過表2結(jié)果可知，該段航道航行環(huán)境主要風(fēng)險(xiǎn)有：每年6級(jí)以上風(fēng)天數(shù)較多，航道最小有效寬度較小，距航道最近礙航物距離?。ㄝ^高危險(xiǎn)度），船舶流量較大，過江渡船的艘次較多。

2.2.2 航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)物元的構(gòu)造

2.2.4 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重及待評物元的關(guān)聯(lián)度計(jì)算

根據(jù)式（5）～（8）得到各指標(biāo)的權(quán)重為w=（w1，w2，…，w12）=（0.026，0.022，0.096，0.198，0.061，0.034，0.010，0.119，0.119，0.044，0.045，0.226）。

根據(jù)式（9）求得待評航道航行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度為Kp=（-0.418 2，-0.238 3，-0.184 3，-0.530 2，-0.463 7）。

結(jié)合式（9）得到待評航道引航環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為N3級(jí)，表示該段航道的引航環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為一般風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 對評價(jià)結(jié)果的驗(yàn)證

為檢驗(yàn)評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將計(jì)算結(jié)果與具有多年駕引經(jīng)驗(yàn)的引航員和船員們的認(rèn)知進(jìn)行比對。經(jīng)過整理分析，所有船舶駕引人員均認(rèn)為待評價(jià)航道的航行環(huán)境處于“較低”或“一般”危險(xiǎn)等級(jí)，且認(rèn)為“一般”的船舶駕引人員居多。船舶駕引人員認(rèn)為在該段航道船舶交通密度較大，且航道內(nèi)的船舶易與過江渡船交叉會(huì)遇，因此駕引人員應(yīng)謹(jǐn)慎駕駛、加強(qiáng)瞭望、密切注意他船動(dòng)態(tài)。此外橫風(fēng)可能導(dǎo)致船舶偏離航線，因此遇大風(fēng)天氣時(shí)需提前配好風(fēng)流壓差，把定航線，必要時(shí)到安全地點(diǎn)避風(fēng)。大型船舶在航行過程中，應(yīng)加強(qiáng)與周圍船舶的溝通，減少追越情況的發(fā)生，并熟悉航道中的礙航物位置，提前做好避讓措施。在船舶適航、船員適任的條件下，上述風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)正確的船舶操縱后均可有效避免，因此認(rèn)為此航段的航行環(huán)境為一般危險(xiǎn)。熵權(quán)物元可拓模型評價(jià)結(jié)果表明，待評價(jià)航道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一般風(fēng)險(xiǎn)。說明評價(jià)結(jié)果與航道的航行環(huán)境客觀事實(shí)較為一致，證明了熵權(quán)物元可拓模型在評估航道環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)方面的準(zhǔn)確性和適用性。endprint

3 結(jié) 論

（1）引入熵權(quán)法與物元可拓理論，建立了熵權(quán)物元可拓評價(jià)模型，對長江內(nèi)河航道的航行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)。選取由3個(gè)一級(jí)指標(biāo)、12個(gè)二級(jí)指標(biāo)（即危險(xiǎn)度影響因子）構(gòu)成的評價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用熵權(quán)法充分利用客觀數(shù)據(jù)確定風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，可有效避免權(quán)重分配受主觀因素影響的情況發(fā)生。對評價(jià)指標(biāo)做定量化處理，并對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，使得評價(jià)指標(biāo)具有可比性，從而得到較準(zhǔn)確的航道航行環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

（2）在實(shí)例運(yùn)用中，選取長江江蘇段某段航道的航行環(huán)境進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型得到該段航道的航行風(fēng)險(xiǎn)處于“一般”風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，計(jì)算結(jié)果與駕引人員對該段航道航行風(fēng)險(xiǎn)的主觀評判結(jié)果相符，驗(yàn)證了模型的有效性和實(shí)用性。

（3）建立的熵權(quán)物元可拓模型適用于長江內(nèi)河的所有航道航行環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，可為駕駛員和引航員的安全航行提供理論參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 圣星星.危險(xiǎn)品船舶夜間引航風(fēng)險(xiǎn)研究[D].武漢： 武漢理工大學(xué)， 2012.

[2] 溫清洪.湄洲灣航道水域航行環(huán)境安全評價(jià)[J].廣州航海學(xué)院學(xué)報(bào)， 2017， 25（2）： 21-23.

[3] 郭濱.天津港航道環(huán)境安全綜合評價(jià)研究[D].大連： 大連海事大學(xué)， 2015.

[4] 聶細(xì)亮， 戴冉， 岳興旺. 基于模糊綜合評估的航道環(huán)境危險(xiǎn)度研究[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， 39（1）： 27-30， 34.

[5] 賈明明， 熊錫龍， 黃立文， 等. 基于集值統(tǒng)計(jì)-灰色模糊的航道通航環(huán)境安全評價(jià)[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)， 2017， 17（1）： 41-45.DOI： 10.13637/j.issn.1009-6094.2017.01.008.

[6] 孫雯， 張秋榮. 基于層次分析法的福南水道航行安全評價(jià)[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)， 2014， 37（4）： 28-32.

[7] 于定勇， 劉洪超， 史大運(yùn)， 等.膠州灣航道通航環(huán)境危險(xiǎn)度分析[J].海岸工程， 2011， 30（4）： 9-16.

[8] 楊卓， 戎曉力， 盧浩， 等.基于熵權(quán)物元可拓理論的隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評估[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016，16（2）： 15-19.DOI： 10.13637/j.issn.1009-6094.2016.02.003.

[9] 喬蕻強(qiáng)， 程文仕. 基于熵權(quán)物元模型的土地生態(tài)安全評價(jià)[J].土壤通報(bào)， 2016， 47（2）： 302-307.DOI： 10.19336/j.cnki.trtb.2016.02.07.

[10] 阮國鋒， 張建明， 穆彥虎， 等. 基于熵權(quán)物元可拓模型的凍土路基熱穩(wěn)定性評價(jià)[J]. 冰川凍土， 2014， 36（1）： 123-129.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0240.2014.0015.

[11] 郭生茂， 劉濤， 趙麗軍， 等.熵權(quán)物元可拓模型在巖爆危險(xiǎn)性等級(jí)評價(jià)中的應(yīng)用[J].有色金屬（礦山部分）， 2015， 67（4）： 89-93.DOI： 10.3969/j.issn.1671-4172.2015.04.020.

[12] 莫崇勛， 楊慶， 王大洋， 等.物元評價(jià)法在南寧市水資源承載力評價(jià)中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)， 2015， 33（9）： 31-35.

[13] ZHANG Xiao，YUE Junju.Measurement model and its application of enterprise innovation capability based on matter element extension theory[J].Procedia Engineering， 2017， 174： 275-280.

[14] DANG Can，WANG Xifan，DING Tao， et al.Comprehensive evaluation on incentive policy in renewable energy promotion based on improved matter-element model with entropy weight[C]//2016 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference （APPEEC）.Florida： CRC Press，2016： 1072-1076.

[15] FAN Junjie， ZHOU Lingyun， CAO Yushu， et al.Health evaluation of a regional logistics industrial ecosystem in China based on fuzzy matter-element analysis method[J].Journal of Intelligent & Fuzzy Systems， 2016， 31（4）： 2195-2202.

[16] 明平軍. 基于可拓學(xué)的新加坡海峽航行環(huán)境安全評估[D]. 大連： 大連海事大學(xué)， 2013.

[17] 黃仁東， 張小軍. 基于熵權(quán)物元可拓模型的隧道瓦斯等級(jí)評價(jià)[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)， 2012（4）： 77-82.DOI： 10.3969/j.issn.1003-3033.2012.04.014.

（編輯 趙勉）endprint