船舶溢油事故定量應急處置決策方法

張志昂， 郭志新， 吳 兵， 鄭宏輝

(1.武漢理工大學 a.航運學院;b.智能交通系統(tǒng)研究中心， 武漢 430063;2.國家水運安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063；3.廣東海事局， 廣州 510260)

船舶溢油事故可分為操作性溢油事故和事故性溢油事故2種。據(jù)統(tǒng)計，1990—2010年間，我國共發(fā)生船舶溢油事故(溢油超過50 t)71起，總溢油量達22 035 t。[1]溢油的應急處置對保護環(huán)境和減少經(jīng)濟損失有著顯著作用?？紤]到應急處置方案和影響因素較為固定，且應急處置時間較為有限[2]，快速選擇最優(yōu)方案顯得尤為重要。在其他領(lǐng)域,該類研究已取得較多成果，例如:LI等[3]利用決策支持系統(tǒng)框架模型提高溢油應急反應能力和效力，并對海上溢油的現(xiàn)狀及其帶來的影響進行綜合評價；吳兵等[4-5]提出基于證據(jù)推理和逼近理想解排序法的應急決策方法，解決內(nèi)河失控船應急處置過程中存在的不確定性問題，同時提出基于模糊推理、線性規(guī)劃和TOPSIS的群決策方法，以提高對失控船的安全管理。

根據(jù)已有研究[3]，船舶溢油事故應急處置方法分為物理法、化學法和生物法，其中常用的溢油應急處置方案[6-10]有圍油欄(A1)[7]、撇油器(A2)、吸油材料(A3)、分散劑(A4)和燃燒法(A5)[9]等5種。這些處置方法會受到溢油參數(shù)(決策準則一)、應急作業(yè)條件(決策準則二)、溢油位置(決策準則三)和溢油處置(決策準則四)的影響，構(gòu)成船舶溢油事故的決策準則。這4個決策準則可細分為油品黏度、油膜厚度[3,6]等12個影響因素。需注意，在選取因素時，主要基于定量評價和實際處置約束條件考慮，文獻[6]中提出的影響因素有些并未考慮，例如“操作難易程度”往往難以定量描述，且對訓練有素的應急人員影響不大，而考慮到應急往往更關(guān)注效果，設備費用等經(jīng)濟指標也不考慮。

1 船舶溢油事故應急決策問題描述

根據(jù)已有研究成果，可獲得溢油應急處置的決策方案、決策準則和影響因素，從而建立船舶溢油應急處置三層決策框架(見圖1)。

(1)

式(1)中：評價值Zi越大，表示該方案越好。

對于該決策問題，需解決好以下2個問題。

1) 獲取決策準則的權(quán)重。由于溢油應急處置的專家具有不同的知識背景、實際經(jīng)驗等，其意見會存在不同的偏好;同時,考慮到時間的緊迫性，往往會采用語言變量評價不同決策準則。各專家對不同決策準則給出相應的語言評價變量，根據(jù)群模糊評價方法獲取不同決策準則的權(quán)重。

2) 獲取決策矩陣。令目標層的決策方案有H個評價等級，用來描述專家對該方案的偏愛程度，其中h值越大，該評價等級越優(yōu)，各評價等級為

D={Dh,h=1,2,…,H}

(2)

對于第i個決策方案，其第j個決策準則層的第k個影響因素的評價結(jié)果為

E(ck,j(i))={(Dh,δh,k,j(i)),h=1,2,…,H}

(3)

在確定各影響因素的評價結(jié)果之后，運用證據(jù)理論對其進行融合，獲取各決策方案下的決策準則值，從而獲取不同決策方案下的決策矩陣。

2 船舶溢油事故應急決策模型

2.1 溢油事故應急決策模型框架

為實現(xiàn)船舶溢油事故應急決策定量建模，建立模型框架(見圖2)。

首先，建立溢油應急處置影響因素定量評價方法。其次，利用群模糊評價方法確定各決策準則的權(quán)重，并利用語言變量對其進行描述。最后，根據(jù)證據(jù)融合規(guī)則建立多準則決策矩陣，從而獲取不同決策方案的評價結(jié)果，并對這些方案進行排序。

2.2 基于語言變量的決策準則權(quán)重獲取

(4)

利用式(5)對得到的該三角模糊數(shù)值進行算數(shù)平均，利用式(6)對其進行歸一化。

(5)

(6)

2.3 基于證據(jù)推理的決策矩陣獲取

2.3.1建立影響因素定量評價方法

首先，為目標層建立五級評價等級，表示為D=(“非常差”，“差”，“中等”，“好”，“非常好”)。

其次，分別對影響因素層的定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)進行評價。

(1) 對于定性數(shù)據(jù)(即溢油類型和海域類型)，建立三等級的評價等級，各等級的含義見表2。

(2) 對于定量數(shù)據(jù)，按照規(guī)則推理的方法，通過設定5個與目標層評價等級相對應的可能數(shù)值，建立不同方案下的定量數(shù)據(jù)的評價等級(見表2)。

表2 定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)評價方法(以A3為例)

在對定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)進行評價之后，將影響因素層的評價標準轉(zhuǎn)換到目標層的評價標準。

2.3.2影響因素證據(jù)融合

根據(jù)文獻[14]的證據(jù)融合規(guī)則，按照各影響因素的權(quán)重對置信度進行加權(quán)，表示為lh,k,j。令PT(k),j為第j個決策準則所包含的影響因素的子集，根據(jù)式(7)～式(12)即可實現(xiàn)各影響因素的證據(jù)融合。

{Dh}:lh,T(k+1),j=QT(k+1),j(lh,T(k),jlh,k+1,j+

lD,T(k),jlh,k+1,j+lh,T(k),jlD,k+1,j)

(10)

lD,T(k),j=rD,T(k),j+vD,T(k),j

(11)

k=1,2,…,K-1

(12)

由此可獲得各決策準則的評價結(jié)果為

E(b(i)j)={(Dh,δh,j(i)),h=1,2,…,H}

(13)

2.3.3建立多準則決策矩陣

令u(Dh)為評價等級Dh的效用值，各效用值與其對應置信度的乘積之和即為各決策準則的評價值[14],即

(14)

對于各決策方案下的各決策準則的決策矩陣，有

(15)

3 船舶溢油應急決策實證

3.1 船舶溢油應急決策情景

2000年，一艘長為183.1 m的散裝化學品船與另一艘長為33.2 m的油船在廣州港31#浮附近(22°00′N，114°30′E)發(fā)生碰撞，當時海面風力等級為3～4級，海水流速為0.7～1.5 kn，浪高為1.0～1.5 m，海水溫度為24.1～29.1 ℃。碰撞事故發(fā)生之后，油船沉沒，溢出230 m3重油，油品的黏度為1 000～2 000 cSt，在海面上形成的油膜面積約為230 km2，油膜厚度為0.9～1.3 mm。事故發(fā)生地點距離海岸約2.8 n mile，圍油欄到達現(xiàn)場需1.4 h，撇油器工作需3.5 h，吸油材料吸油需2.3 h，分散劑分散需1.6 h，對溢油進行點火需2.6 h。

3.2 影響因素評價等級轉(zhuǎn)換

根據(jù)表2建立的定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)評價方法，實現(xiàn)影響因素層的評價等級與目標層的評價等級間的轉(zhuǎn)換。

1) 對于定量數(shù)據(jù)，將相對應的具體數(shù)值轉(zhuǎn)換到目標層的評價等級中，具體可通過IDS[14]軟件實現(xiàn)。以A3方案下的浪高為例，具體數(shù)值為1.0～1.5 m，評價結(jié)果為(0.01,0.13,0.19,0.33,0.34)。

2) 對于定性數(shù)據(jù)(即溢油類型和海域類型)，在評價之前需建立轉(zhuǎn)換矩陣，以A3方案下的溢油類型為例，與目標層評價等級對應的關(guān)系矩陣為

(16)

此時利用IDS[14]軟件即可實現(xiàn)不同方案下的定性數(shù)據(jù)評價結(jié)果與目標層的評價等級的轉(zhuǎn)換。

3.3 獲取決策準則權(quán)重

選取4位專家對決策準則的權(quán)重進行評價，分別為R1、R2、R3和R4。考慮到各位專家在理論知識和工作經(jīng)驗方面存在差異，4位專家的權(quán)重為βn=(0.3,0.3,0.2,0.2)。各專家決策準則權(quán)重的語言變量評價結(jié)果見表3。

表3 決策準則專家評價結(jié)果

根據(jù)式(4)，可分別獲得各決策準則權(quán)重的三角模糊數(shù)，有：溢油參數(shù)為f1=(0.475,0.725,0.900)；應急作業(yè)條件為f2=(0.450,0.700,0.857)；溢油位置為f3=(0.275,0.525,0.775)；溢油處置為f4=(0.225,0.475,0.725)。

進一步根據(jù)式(5)和式(6)對各決策準則進行算數(shù)平均和歸一化之后，可得到wj=(0.296,0.282,0.222,0.200)。

3.4 獲取決策矩陣

假定各影響因素在各決策準則中的權(quán)重相同，對IDS[14]計算得到的各評價結(jié)果進行證據(jù)融合，可獲取不同方案下的決策準則的評價信息。

進一步根據(jù)式(14)獲得不同決策方案下的決策矩陣見表4。

表4 不同決策方案下的決策矩陣

3.5 最優(yōu)決策方案

根據(jù)求得的決策準則權(quán)重wj和決策準則值gij，由式(1)可獲得不同決策方案的評價值(見表5)。

表5 船舶溢油應急處置方案評價結(jié)果

考慮到在實際溢油應急處置過程中通常都是先用圍油欄圍控溢油，再用其他方法處理溢油，將以上5種決策方案重新分配組合為4種方案，分別為A1A2、A1A3、A1A4和A1A5。這4種方案中均有A1，因此可通過比較組合方案中的另一種方案(即A2、A3、A4和A5)的評價值來選取4種組合方案中的最優(yōu)方案。從表5中可看出，除A1方案外，A3方案為其余4種方案中的最優(yōu)方案，因此A1A3為最優(yōu)組合方案，該方案與實際應急情況一致，即先用圍油欄圍控溢油，再用吸油材料除去溢油。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于證據(jù)推理和決策偏好的船舶溢油事故應急處置方法。考慮到應急處置時間緊迫及各位專家的知識背景和工作經(jīng)驗存在差異，群決策中各決策者對決策準則有不同偏好，利用語言變量獲取各決策準則的權(quán)重。對于各決策準則的評價值，利用證據(jù)推理對各影響因素進行融合，獲取不同決策方案下的決策準則值，從而完成最優(yōu)決策方案評選。研究結(jié)果表明，該方法很好地實現(xiàn)對船舶溢油事故的應急處置,考慮了海上和內(nèi)河等多種水域的船舶溢油事故場景，可處理大多數(shù)船舶溢油事故。此外，采用的定量評價方法可快速、有效地評選出最優(yōu)應急處置方案，具有較強的適用性和推廣性。

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