廣東坭洲頭航道改線工程通航風險研究

王夢紫　高　曦　賈明明

(1.武漢交通職業(yè)學(xué)院　湖北　武漢:430065；2.泰州海事局　江蘇　泰州：225300)

航道的通航安全是船舶安全航行和沿岸港口可持續(xù)發(fā)展的重要保障。在廣州港港口迅速發(fā)展的背景下，貿(mào)易量持續(xù)增加，進出港航道內(nèi)的船舶數(shù)量激增，同時船舶的尺度也在逐年增大，這些因素在一定程度上使得廣州港出海航道內(nèi)的通航風險不斷增加。為了保障通航安全以及港口的可持續(xù)發(fā)展，航道管理部門決定對坭洲頭航道進行改線整治。航道改線是一個復(fù)雜的工程，涉及到許多方面，改線后航道通航是否安全直接影響著船舶的安全航行和沿岸港口的可持續(xù)發(fā)展。坭洲頭航道改線工程由于地理位置的原因，其通航安全受到多種因素的影響。

廣東坭洲頭航道改線工程通航風險研究的實際應(yīng)用意義在于找出影響航道安全的一些不利因素，提前采取相應(yīng)緩解措施，減少航道內(nèi)水上交通事故的發(fā)生，保障水上安全形勢可控，使航道通航更安全的目標得以落實具有重要的意義。

1　坭洲頭航道改線工程概況

1.1　航道基本情況

廣東坭洲頭航道改線工程位于廣州港出海航道獅子洋段，改線后航道長度約為8.4千米，由MV1段、V1U1段、U1M′段三部分組成。航道上端與蓮花山航道相連，下端與大虎航道相連，同時航道東岸附近有東莞水道，西岸附近有浮蓮崗水道。此外，在航道東岸設(shè)置有西大坦、立沙島兩作業(yè)區(qū)。改線后航道邊線緊靠港口規(guī)劃泊位的回旋水域和78NZ錨地的外邊線，兩端銜接至原航道。此外，航道在V1、U1處的轉(zhuǎn)向點角度分別為20°、27°，采用切角法進行加寬處理。廣東坭洲頭航道改線工程具體平面布置如圖1所示。

圖1　坭洲頭航道改線工程平面布置圖

航道改線是一個復(fù)雜的工程，對于廣東坭洲頭航道而言，由于航道改線后，航道軸向發(fā)生變化，同時航道的平面布置也發(fā)生變化，這會導(dǎo)致各種通航參數(shù)對航道的影響狀態(tài)也發(fā)生變化。其中，一部分通航參數(shù)得到改善，另一部分通航參數(shù)卻有所惡化。改線前后航道通航參數(shù)對比如表1所示。

表1　坭洲頭航道改線前后通航參數(shù)分析表

1.2　航道通航特征

廣東坭洲頭航道改線工程作為廣州港出海航道的一部分，其通航特征比較復(fù)雜。為了全面掌握廣東坭洲頭航道改線工程的通航特征，結(jié)合相關(guān)研究成果，采用專家咨詢和實地調(diào)研兩種方法對廣東坭洲頭航道改線工程通航特征進行研究分析。通過研究分析廣東坭洲頭航道改線工程實際通航情況，總結(jié)出改線后航道的通航特征。目前，廣東坭洲頭航道改線工程實際通航特征主要包括以下四個方面：

(1)坭洲頭航道改線工程與沿岸泊位的旋回圈較近，兩者基本處于相切的位置關(guān)系。通常情況下，航道邊線與旋回圈過近時，會給航道內(nèi)正常航行的船舶以及靠離泊的船舶帶來不利影響，制約船舶操縱，影響航道通航安全。同時，航道改線后，轉(zhuǎn)向角設(shè)置有所改善，但是對于大型船舶來說改線后的轉(zhuǎn)向角度仍然較大，給航道通航帶來隱患。

(2)坭洲頭航道改線工程位于出?？诟浇?，受海洋性氣候影響，自然環(huán)境條件復(fù)雜，易受風、流和大霧的影響。船舶在航道內(nèi)航行時，受風、流影響將改變船舶受力情況，嚴重時會造成碰撞、沉沒等事故。此外，在霧季來臨時，航道內(nèi)的能見度將顯著下降，影響船舶駕駛?cè)藛T的了望和操縱，增加通航風險。

(3)目前，我國航運業(yè)發(fā)展迅速，尤其是對于廣州港這種國際性港口，船舶往返較多，導(dǎo)致進出港航道內(nèi)的船舶密集。此外，根據(jù)該航道內(nèi)的資料統(tǒng)計分析，船舶的尺度也逐年增大。因此，這一系列因素增加了航道內(nèi)通航的復(fù)雜性和危險性，影響航道通航安全。

(4)由于坭洲頭航道改線工程臨近虎門二橋及一條過江電纜，虎門二橋的布置會影響在該航道內(nèi)正常航行的船舶，增加附近水域的通航環(huán)境的復(fù)雜性和危險性，同時會對船舶的自由航行空間產(chǎn)生限制，增大操縱人員的工作壓力，很容易誘發(fā)通航事故。

2　坭洲頭航道改線前后通航風險評價研究

2.1　構(gòu)建灰色模糊評價模型

航道通航風險評價系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，對于航道通航風險研究來說，存在很多影響因素，同時各個因素之間也存在一定的相互影響，對通航風險的評價存在很大的模糊性；此外由于相關(guān)數(shù)據(jù)不充分，很難用經(jīng)典的數(shù)學(xué)統(tǒng)計進行分析航道通航風險。因此本文結(jié)合兩者的優(yōu)勢，構(gòu)建出灰色模糊評價模型，其模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　灰色模糊評價模型

結(jié)合上述灰色模糊評價模型計算流程圖，建立航道通航風險評價模型，模型構(gòu)建步驟如下：

2.1.1構(gòu)建樣本矩陣

根據(jù)確定的航道通航風險評價指標體系，構(gòu)建出航道通航風險評價模型。對于評價指標C，利用灰色模糊評價法對其進行安全評價，設(shè)一級評價指標的集合為C={C1，C2，…,Ci，…,Cs}(s為一級評價指標個數(shù))，其中i=1，2，…，s；二級評價指標的集合為Ci={Ci1，Ci2，…，Cij，…，Cit}(t為二級評價指標中屬于一級評價指標Ci的個數(shù))，其中j=1，2，…，t。

n個專家按照標準分別對二級評價指標集合Ci={Ci1,Ci2,…,Cij,…,Cit}中的各個評價指標進行評分，即dijk(k=1,2,…，n)，利用dijk建立評價樣本矩陣：

2.1.2建立白化權(quán)函數(shù)

通過綜合研究航道通航的特征，將航道通航環(huán)境風險評價灰類分為5個等級，其中各個評價灰類的等級1、2、3、4、5依次對應(yīng)危險、較危險、一般、較安全、安全。同時根據(jù)灰類確定各個灰類所對應(yīng)的閥值，見表2。

表2　各個灰類對應(yīng)的閥值

基于評價灰類和所對應(yīng)的閥值，建立的白化權(quán)函數(shù)為[57-60]

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.1.3構(gòu)建二級灰色模糊評價矩陣

根據(jù)各個專家對二級評價指標Cij的評分結(jié)果dijk，計算其在第e個評價灰類中的評價系數(shù)，記作：

(6)

二級評價指標Cij在各個評價灰類中的評價系數(shù)總和，記作：

(7)

計算各個灰類的評價系數(shù)，然后對其進行歸一化處理，可得到灰色評價權(quán)值，記作：

(8)

統(tǒng)計評價指標Ci中的各個灰色評價權(quán)值，建立二級灰色模糊評價矩陣ri：

2.1.4計算一級指標評價結(jié)果

計算一級評價指標評價結(jié)果時，可將二級評價指標的各個權(quán)重Wi=(wi1,wi2,…,wij,…,wit)分別與對應(yīng)的二級灰色模糊評價矩陣ri相乘，可得到對應(yīng)的一級指標的評價結(jié)果，即Ri=Wiri。

2.1.5計算綜合評價結(jié)果

利用一級指標Ci的評價結(jié)果的計算方法，求取總目標C的最終評價結(jié)果R，即R=Wr。根據(jù)最大隸屬度原則，取C的評價結(jié)果R中的最大值，其所對應(yīng)的灰類即為綜合評價結(jié)果。

2.2　坭洲頭航道改線工程通航風險評價

根據(jù)坭洲頭航道改線工程通航風險評價指標體系，確定各級評價指標的集合(詳見表3)，分別為：C={C1，C2，C3}，C1={C11，C12，C13}，C2={C21，C22，C23，C24，C25，C26},C3={C31，C32，C33}。

表3　坭洲頭航道改線工程通航風險評價指標體系

針對坭洲頭航道改線工程通航環(huán)境的特征，為了獲得準確的評價結(jié)果，邀請相關(guān)通航安全領(lǐng)域的專家對各個評價指標進行打分。為了保障打分的精確性，規(guī)定評判區(qū)間為[0,10]，以方便各位專家根據(jù)自身的認知更加精確地評判各個評價指標的權(quán)重。同時根據(jù)每個專家的客觀情況確定出每個專家的具體權(quán)重，進一步減少主觀因素的影響。本文利用層次分析法對專家的權(quán)重進行設(shè)定，確定出各類專家權(quán)重分別為Q=(0.20,0.15,0.25,0.30,0.10)。根據(jù)每類專家的權(quán)重，對其進行均值處理，得到具體某一專家的權(quán)重。

根據(jù)集值統(tǒng)計法[5-8]計算出自然環(huán)境、航道條件、交通環(huán)境3個一級指標的相對權(quán)重:

并對相對權(quán)重進行歸一化處理，確定出3個一級指標的最終權(quán)重:

W=(0.277,0.521,0.202)。

同理，可求出指標體系中各類二級指標的權(quán)重。各類二級指標權(quán)重計算結(jié)果分別為：

W1=(0.242,0.468,0.290)；

W2=(0.167,0.202,0.151,0.130,0.182,0.168)；

W3=(0.280,0.404,0.316)。

為了判斷確定的權(quán)重是否合理，需對所求取的指標權(quán)重進行檢驗。根據(jù)區(qū)間方差法對指標權(quán)重進行可靠性性檢驗，其中F=(0.263,0.132,0.127)。檢驗結(jié)果表明，交通環(huán)境指標權(quán)重的可靠性相對較高，自然環(huán)境指標相對較低。

在計算出指標權(quán)重的基礎(chǔ)上，利用評價模型對航道通航風險進行計算分析。邀請專家對二級指標進行打分，建立打分標準，打分范圍為[0,10]。結(jié)合坭洲頭航道改線工程的實際情況，各位專家分別對評價指標進行打分，統(tǒng)計指標得分情況?；谝陨涎芯砍晒?，對風險進行研究，通航風險評價分析步驟如下(具體步驟可參考文獻[1])：

2.2.1確定評價灰類中的評價系數(shù)

對于二級指標C11，e=1時

y111=f1(d111)+f1(d112)+…+f1(d11n)

=37.136

同理，e=2時，y112=47.766；e=3時，y113=66.880；e=4時，y114=77.950；e=5時，y115=60.614。進一步計算出每一個評價灰類所對應(yīng)的評價系數(shù)，并對其進行歸一化計算，計算出灰色評價權(quán)向量為

r11=(0.128,0.165,0.230,0.268,0.209)

同理，計算C12和C13的灰色評價權(quán)向量，分別為

r12=(0.074,0.139,0.210,0.350,0.227)

r13=(0.081,0.104,0.146,0.243,0.426)

2.2.2確定灰色模糊評價矩陣

根據(jù)求取的灰色評價向量，建立的灰色模糊評價矩陣為

同理，根據(jù)上述方法，求取其他一級評價指標的灰色模糊評價矩陣，分別為

2.2.3確定一級指標評價結(jié)果

根據(jù)一級指標評價結(jié)果的方法，可得到一級評價指標的評價結(jié)果Ri=Wiri，分別為

R1=(0.089,0.135,0.196,0.299,0.280)

R2=(0.128,0.174,0.239,0.254,0.198)

R3=(0.116,0.145,0.208,0.261,0.267)

2.2.4確定航道通航風險綜合評價結(jié)果

根據(jù)一級指標的評價結(jié)果Ri，建立廣東坭洲頭航道改線工程通航風險綜合灰色模糊評價矩陣

根據(jù)一級指標的評價結(jié)果，建立綜合灰色模糊評價矩陣。按計算一級指標評價結(jié)果的方法，可得到航道最終評價結(jié)果

R=Wr=(0.115,0.157,0.221,0.273,0.234)

廣東坭洲頭航道改線工程的綜合評價結(jié)果中最大值為β4=0.273，根據(jù)模糊理論中最大隸屬度原則，得到的評價結(jié)果所屬灰類等級為4，因此改線后坭洲頭航道通航環(huán)境的狀況為較安全。

2.3　原坭洲頭航道通航風險評價

為了研究坭洲頭航道改線后通航條件是否有所改善，有必要對原坭洲頭航道通航風險進行評價研究。通過研究原坭洲頭航道的通航風險，可以看出航道改線前后通航條件的變化，同時驗證改線是否科學(xué)、合理。

按照上述方法實現(xiàn)對原坭洲頭航道的通航風險評價。由于評價對象都是坭洲頭航道，因此可以利用同一評價指標體系，具體指標的權(quán)重也保持不變，各指標權(quán)重如下：

W=(0.277,0.521,0.202)

W1=(0.242,0.468,0.290)

W2=(0.167,0.202,0.151,0.130,0.182,0.168)

W3=(0.280,0.404,0.316)

然后，根據(jù)指標分值，計算出原坭洲頭航道中各個灰色評價權(quán)向量，建立相應(yīng)的評價矩陣，建立的評價矩陣分別為：

基于構(gòu)建的評價矩陣，利用公式Ri=Wiri，可計算出原坭洲頭航道評價指標體系中一級指標的評價結(jié)果。根據(jù)評價結(jié)果，構(gòu)建出的相應(yīng)評價矩陣為

則，可計算出原坭洲頭航道通航風險為

R′=Wr′=(0.167,0.193,0.251,0.206,0.183)

從評價結(jié)果中可以看出，原坭洲頭航道通航風險的綜合評價結(jié)果為0.251，根據(jù)模糊理論中最大隸屬度原則，得到的評價結(jié)果所屬灰類等級為3，因此原坭洲頭航道通航環(huán)境的狀況為一般。

根據(jù)評價模型計算出改線后和原航道的最終評價結(jié)果，并對評價結(jié)果進行分析。結(jié)果表明，改線后航道內(nèi)部分通航參數(shù)有所惡化，但在整體上航道通航安全情況得到大大改善，航道改線是合理的，同時評價結(jié)果也顯示出改線后的航道，整體風險較低，處于可控的范疇。

3　航道通航風險評價軟件設(shè)計與實現(xiàn)

為減輕風險評價的工作量，提高工作效率，提高評價結(jié)果的準確性，本文將會在評價模型理論研究分析的基礎(chǔ)上，利用Microsoft Visual Studio 2010完成“航道通航風險評價軟件”的設(shè)計編寫。根據(jù)開發(fā)出的航道通航風險評價軟件，以廣東坭洲頭航道改線工程通航系統(tǒng)為研究對象，針對坭洲頭航道改線工程通航的具體特征，應(yīng)用其進行實例分析。

根據(jù)開發(fā)出的航道通航風險評價軟件，進行實例分析和驗證。航道通航風險評價軟件為廣東坭洲頭航道改線工程通航風險評價提供了很大的方便，大大減少了評估的工作量，提高工作效率。同時航道通航風險評價軟件利用集值統(tǒng)計和灰色模糊理論作為理論基礎(chǔ)，減少主觀因素對整體評價結(jié)果的影響。

3.1　解析指標模型

根據(jù)所構(gòu)建的指標體系，導(dǎo)入航道通航風險評價軟件。由于航道通航風險評價軟件中編寫了執(zhí)行邏輯，系統(tǒng)會自動按照執(zhí)行邏輯，直接解析出評價指標模型，錄入航道通航風險評價軟件系統(tǒng)。

3.2　導(dǎo)入數(shù)據(jù)信息

結(jié)合專家最終的打分情況和專家自身的權(quán)重，統(tǒng)計原始數(shù)據(jù)，建立評價指標分值數(shù)據(jù)庫，直接在軟件中導(dǎo)入數(shù)據(jù)信息。導(dǎo)入數(shù)據(jù)信息時，應(yīng)分析和對比數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)的準確性，避免錯誤信息導(dǎo)入系統(tǒng)從而影響評價結(jié)果計算的準確性。

3.3　指標權(quán)重計算

在航道通航風險評價軟件導(dǎo)入坭洲頭航道改線工程通航風險特征的原始數(shù)據(jù)信息后，在主界面中點擊計算結(jié)果窗口，軟件會根據(jù)原始數(shù)據(jù)信息直接顯示二級指標權(quán)重的數(shù)值，同時利用鼠標可讀取一級指標的具體數(shù)值。用戶還可以利用鼠標讀取指標權(quán)重確定的可靠性。指標權(quán)重計算結(jié)果如圖3所示。

圖3　坭洲頭航道改線工程通航風險 評價指標體系權(quán)重計算結(jié)果

指標權(quán)重計算結(jié)果的設(shè)計是基于集值統(tǒng)計法的思想，設(shè)計編寫程序。集值統(tǒng)計相較傳統(tǒng)的權(quán)重計算方法，其計算結(jié)果更加準確。由于集值統(tǒng)計不是具體的一個數(shù)值，而是一個區(qū)間，在一定程度上減少了主觀因素的影響，保障指標權(quán)重計算的準確性、客觀性。

3.4　綜合評價結(jié)果計算

計算綜合評價結(jié)果的時候，需要建立評價灰類，根據(jù)評價灰類構(gòu)建白化權(quán)函數(shù)，然后利用白化權(quán)函數(shù)確定評價指標的隸屬度。通過編寫執(zhí)行邏輯和數(shù)學(xué)算法，航道通航風險評價軟件會基于集值統(tǒng)計法和灰色模糊理論，對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析處理后，得到綜合評價結(jié)果。綜合評價結(jié)果如圖4所示。

圖4　坭洲頭航道改線工程通航風險綜合評價結(jié)果

根據(jù)航道通航風險評價軟件運行計算，可知廣東坭洲頭航道改線工程通航風險的評價結(jié)果為R″=Wr=(0.121,0.156,0.217,0.272,0.234)。根據(jù)模糊理論中的最大隸屬度原則，取綜合評價結(jié)果中的最大值0.272，其所對應(yīng)的評價灰類的等級是4，坭洲頭航道改線工程通航風險的最終評價結(jié)果為較安全。

4　綜合評價結(jié)果分析和量化

4.1　評價結(jié)果分析

在研究廣東坭洲頭航道改線工程通航風險時，用傳統(tǒng)計算方法和軟件運算分別得到兩個評價結(jié)果，對計算的評價結(jié)果進行分析，其中兩評價結(jié)果分別為

R=Wr=(0.115,0.157,0.221,0.273,0.234)

R″=Wr=(0.121,0.156,0.217,0.272,0.234)

對比兩評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者基本一致，表明航道通航風險評價軟件的設(shè)計具有適用性、可行性。同時將坭洲頭航道改線工程通航風險綜合評價結(jié)果與航道的實際情況相比，基本吻合，表明軟件的設(shè)計具有一定的實際工程應(yīng)用價值。

4.2　評價結(jié)果量化

為了將定性的評價結(jié)果進行定量化，根據(jù)航道通航風險評價軟件計算出的綜合評價結(jié)果，對每個評價灰類分別進行賦值，進而得到航道通航風險評價結(jié)果所對應(yīng)的各個評價灰類量化向量是

U=(60,70,80,90,100)

即，航道通航風險評價結(jié)果值Z=RUT=83.42。

因此可知，坭洲頭航道改線工程通航風險的評價結(jié)果為較安全，如果以滿分為100分作為衡量標準來看，該航道的最終得分為83.42分。坭洲頭航道改線工程整體通航風險可控，坭洲頭航道改線工程是合理的。

5　結(jié)語

本文通過利用構(gòu)建的灰色模糊評價模型，對廣州坭洲頭航道改線工程通航風險進行客觀評價，評價結(jié)果可信。同時，為減少傳統(tǒng)方法計算的工作量，本文利用集值統(tǒng)計和灰色模糊理論為理論基礎(chǔ)，開發(fā)設(shè)計出航道通航風險評價軟件，軟件可為廣東坭洲頭航道改線工程通航風險評價提供了很大的方便，大大減少了評估的工作量，提高工作效率。

通過實例驗證分析，將航道通航風險評價軟件應(yīng)用在廣東坭洲頭航道改線工程通航風險的評價上，根據(jù)航道實際設(shè)計數(shù)據(jù)的輸入，計算出的通航風險大小與實際情況差別不大，取得了理想、可信的評價結(jié)果，基本上可以滿足航道通航風險評價的要求。通過對評價結(jié)果進行分析和定量化處理，可以直觀的反映出廣東坭洲頭航道改線工程通航風險的實際大小，為航道管理部門提供參考和依據(jù)。

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