跨海橋梁船撞風(fēng)險綜合評估

郭 健，何威超

(浙江工業(yè)大學(xué) 橋梁工程研究所，浙江 杭州 310023 )

近幾年來，我國浙江省沿海地區(qū)跨海大橋發(fā)展迅猛，杭州灣跨海大橋、金塘大橋、西堠門大橋等大型跨海橋梁相繼建成通車。在海域船舶通航量逐年遞增的同時，伴隨而來的跨海橋梁船撞事件也時常發(fā)生[1]，在導(dǎo)致跨海大橋受損毀壞的同時，也經(jīng)常會造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失，影響交通出行。因此對跨海橋梁進(jìn)行船撞風(fēng)險評估，并提出對應(yīng)的預(yù)防措施，保障橋梁安全運(yùn)營，船只正常通行是十分有必要的[2]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對船撞橋風(fēng)險評估多數(shù)集中在研究船撞概率方向，并且建立了較多運(yùn)用廣泛且可靠性強(qiáng)的概率計算模型，例如美國AASHTO規(guī)范模型[3]、昆茲模型[4]和拉森(O.D.Larsen)模型[5]等。國內(nèi)學(xué)者耿波等[6]考慮了船舶橫向分布和水位變化情況，基于昆茲模型提出了船撞三參數(shù)概率模型；戴彤宇[7]統(tǒng)計了長江、珠江和黑龍江上的船橋碰撞事件，建立了船撞概率分析數(shù)據(jù)庫?；诟怕史治龅娘L(fēng)險評估方法能有效計算出船舶撞擊后倒塌概率，具有一定的可靠性和實(shí)用性，但也存在一定的不足，這類研究多數(shù)針對內(nèi)河橋梁船撞，主要考慮船舶年通航量、偏航概率、撞擊概率等指標(biāo)，而對跨海大橋船撞風(fēng)險評估很少涉及，沒有充分考慮跨海大橋復(fù)雜的海域環(huán)境、水文氣象和船員海域駕駛情況等因素[8]。在其他工程領(lǐng)域風(fēng)險評估中，層次分析法以半定性半定量多準(zhǔn)則分析的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，并取得了不小的成果[9]。

針對跨海橋梁船撞風(fēng)險評估研究方面的不足，以浙江省舟山朱家尖跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，根?jù)影響船撞橋風(fēng)險因素具有多方面、多層次的特點(diǎn)，引用AHP法建立風(fēng)險評估指標(biāo)模型，并運(yùn)用主客觀賦權(quán)得出各評判指標(biāo)的權(quán)重值[10]。結(jié)合朱家尖跨海大橋橋區(qū)通航條件及某年船舶通行統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用定量分析和定性分析相結(jié)合的方式，確定風(fēng)險評價指標(biāo)隸屬度矩陣，引入模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行風(fēng)險多級綜合評估[10]，形成了系統(tǒng)的船撞橋風(fēng)險評價體系，對朱家尖跨海大橋進(jìn)行船撞風(fēng)險評估，并根據(jù)不同影響因素提出了預(yù)防措施。

1 船撞橋事故風(fēng)險分析

對船撞橋事件開展風(fēng)險分析是進(jìn)行風(fēng)險評估的第一階段，旨在找出所有可能導(dǎo)致船橋碰撞的危險源[11]。對世界范圍內(nèi)跨海橋梁船撞事件進(jìn)行廣泛調(diào)研，如2019年2月韓國釜山俄羅斯籍貨輪“希格蘭號”與釜山Gwangan大橋相撞事件； 2001年9月美國德克薩斯州，拖船與Queen Isabella跨海大橋相撞事件；我國2006年8月，新加坡籍貨輪與正處于施工階段的杭州灣跨海大橋相撞事件[12]；2008年3月，“勤豐128”貨輪與金塘大橋[13]非通航橋孔碰撞事件?？绾４髽虼诧L(fēng)險影響因素主要包括通行船只因素、船員人為因素、通航環(huán)境因素及機(jī)構(gòu)管理因素4個方面[14]。根據(jù)浙江省舟山市朱家尖跨海大橋橋區(qū)通航條件及相關(guān)海事部門監(jiān)管情況，給出了關(guān)于船撞橋風(fēng)險的影響因素，具體如圖1所示。

2 船撞橋事故風(fēng)險評估

2.1 建立風(fēng)險層次評價指標(biāo)模型

基于上述對跨海橋梁船撞事故風(fēng)險源分析，確定風(fēng)險層次評價指標(biāo)模型[15]。將船橋碰撞事故風(fēng)險作為一級評判指標(biāo)U，確定通行船只因素、船員人為因素、通航環(huán)境因素、機(jī)構(gòu)管理因素4個二級風(fēng)險評價指標(biāo)U=(U1,U2,U3,U4)和18個三級風(fēng)險評價指標(biāo)Ui=(Ui1,Ui2,……,Uij)，形成船撞風(fēng)險多層次評判指標(biāo)模型[16]，如表1所示。

表1 船橋碰撞風(fēng)險層次評判體系Tab. 1 Index system of ship-bridge collision risk assessment

2.2 確定評價指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重

采用主客觀賦權(quán)法(AHP法—熵權(quán)法)來確定評判體系中各船撞風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重，使專家批判結(jié)果與信息數(shù)據(jù)的結(jié)合，消除了AHP法過程中的人為主觀性，又避免了客觀賦權(quán)法的機(jī)械性，以確保指標(biāo)權(quán)重計算可靠準(zhǔn)確[17]。

2.2.1 AHP法主觀權(quán)重確定

以AHP法建立船橋相撞風(fēng)險評判指標(biāo)主觀權(quán)重[18]具體過程如下：

1) 構(gòu)造判斷矩陣

將層次評判模型中處于同一階的n個評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較來確定相對重要度，并構(gòu)造重要度判斷矩陣A。

(1)

式中：A為重要度判斷矩陣；aij表示指標(biāo)i相對指標(biāo)j的重要度量值，采取3標(biāo)度法進(jìn)行賦值，如式(2)所示。

(2)

2) 計算權(quán)重集

為確保重要度判斷矩陣的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)并通過后，采用方根法得到評價指標(biāo)權(quán)重集W'=[w1,w2,……,wn]T，如式(3)所示。

(3)

2.2.2 熵權(quán)法客觀權(quán)重確定

以熵權(quán)法建立船橋相撞風(fēng)險評判指標(biāo)客觀權(quán)重過程如下：

1) 無量綱化處理

建立船撞風(fēng)險評價指標(biāo)判斷矩陣B'=(Bij)m×n(Bij為第i個級別的第j個指標(biāo)的屬性值)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理后得B=(bij)m×n。

2) 計算評價指標(biāo)熵

(4)

3) 計算客觀權(quán)重

(5)

2.2.3 主客觀組合權(quán)重計算

W為組合權(quán)重；W'為AHP法確定的指標(biāo)權(quán)重；W''為熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重，故W為：

W=βW'+(1-β)W''

(6)

式中：β為偏好系數(shù)，且0≤β≤1。

考慮對AHP法確定的指標(biāo)權(quán)重和熵權(quán)法確定的指標(biāo)權(quán)重的偏好系數(shù)各為0.5，故組合權(quán)重為：

(7)

2.3 確定風(fēng)險評判等級及隸屬度矩陣

2.3.1 確定風(fēng)險評判等級

建立指標(biāo)評價集V=(V1,V2, ……,VK)，以確定船撞風(fēng)險指標(biāo)因素集中每個指標(biāo)情況。根據(jù)前人研究成果及風(fēng)險評估相關(guān)規(guī)范[19]，將橋梁船撞橋風(fēng)險等級分為極低、低、中、高、極高的5個等級，以Ⅰ到Ⅴ級表示并對不同風(fēng)險等級進(jìn)行區(qū)間賦值[20]，如表2所示。

表2 風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab. 2 Risk evaluation criteria

2.3.2 建立評價指標(biāo)隸屬度矩陣

評價指標(biāo)隸屬度矩陣是用來描述各個指標(biāo)對于評價等級的賦值矩陣[21]，根據(jù)朱家尖跨海大橋?qū)嶋H工程概況，并參照表2所示的三級評判指標(biāo)等級范圍進(jìn)行確定，并建立指標(biāo)隸屬度矩陣。

(8)

式中：rij(i=1,2,……,m;j=1,2,……,n)為第i個指標(biāo)在第j個指標(biāo)評價隸屬度。

對于定性評價指標(biāo)，可直接采用Delphi法確定[5]；對于定量評價指標(biāo)，可由隸屬度函數(shù)確定[22]。

評價指標(biāo)對于Vk和Vk+1的隸屬函數(shù)分別為：

(9)

其中，x為評價指標(biāo)分值。

2.4 多層次模糊綜合評價

1) 二級指標(biāo)綜合評定

由式(8)確定的三級指標(biāo)隸屬度矩陣Mi和相對應(yīng)的三級指標(biāo)的組合權(quán)重值Wi可得二級評價矩陣Xi。

(10)

2) 一級指標(biāo)綜合評定

由式(10)確定的二級評價矩陣X和相對應(yīng)二級指標(biāo)的組合權(quán)重值W可得一級船撞風(fēng)險評價矩陣P。對于存在多個中間層的評估模型，可由下而上逐層評價。

(11)

3) 綜合評判

由式(11)確定的一級指標(biāo)綜合評定P=(P1,P2,……,Pm)并結(jié)合風(fēng)險等級評分區(qū)間中值V=(1,3,5,7,9)對橋梁船撞風(fēng)險進(jìn)行綜合評估。

D=P·V=(P1,P2,……,Pm)·(V1,V2,……,Vm)T

(12)

基于綜合評價結(jié)果，參照表2確定船撞橋風(fēng)險等級，依據(jù)控制準(zhǔn)則采取相應(yīng)的風(fēng)險控制對策及措施，以降低跨海橋梁船撞風(fēng)險。

3 案例分析

3.1 工程背景

朱家尖跨海大橋橫跨浙江省舟山本島與朱家尖島之間的舟山海域普陀水道，按照二級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計并建設(shè)，位于G329國道上，接線公路全長10.21 km，橋長2 907 m，主橋長290 m。通航法向凈空114.0 m，凈高23.0 m，如圖2所示。朱家尖跨海大橋所處海域氣象、浪流及航船環(huán)境復(fù)雜，船撞橋風(fēng)險突出。

3.2 評價指標(biāo)權(quán)重結(jié)果

選定5位相關(guān)船舶撞擊風(fēng)險評估領(lǐng)域有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)專家以及5位長期在舟山海域駕駛的船員，結(jié)合朱家尖跨海大橋?qū)嶋H工程及海域船舶通行環(huán)境等情況，對船撞橋風(fēng)險評價指標(biāo)進(jìn)行相互比較確定相對重要度。根據(jù)第2.2節(jié)風(fēng)險因素主觀、客觀權(quán)重值相結(jié)合的計算方法，得到船撞橋風(fēng)險評判指標(biāo)的權(quán)重值，如表3所示。

表3 指標(biāo)權(quán)重表Tab. 3 Index weight table

將表3中各三級船撞風(fēng)險評判指標(biāo)組合權(quán)重值與相對應(yīng)二級船撞風(fēng)險評價指標(biāo)組合權(quán)重值相乘，得到三級評判指標(biāo)在船撞橋風(fēng)險評價體系中的綜合權(quán)重值，如圖3所示。計算結(jié)果表明船員駕駛過程中操作失誤(9.2%)、身心狀態(tài)不足(8.6%)是影響船舶撞擊跨海大橋事故的主要危險因素，其次是能見度(7.9%)、風(fēng)速(7.4%)等環(huán)境因素和船舶偏航(6.9%)的影響。

圖3 三級評價指標(biāo)權(quán)重值Fig. 3 Risk source of ship-bridge collision accident

3.3 多層次綜合評價結(jié)果

結(jié)合定量評價指標(biāo)與定性評價指標(biāo)建立船撞風(fēng)險層次評估模型，由圖3可得其中定量指標(biāo)權(quán)重占39.2%，定性指標(biāo)權(quán)重占60.8%。對于定性評價指標(biāo)，根據(jù)專家問卷調(diào)查方式可一次確定指標(biāo)隸屬度集。對于定量評價指標(biāo)，考慮到船舶通行量、能見度、風(fēng)速、水流速度等定量指標(biāo)周期性波動幅度較大，且占權(quán)重比例較大，因此確立定量指標(biāo)分級及量值范圍，如表4所示，并按式(9)建立定量指標(biāo)隸屬度函數(shù)。

表4 定量指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)Tab. 4 Quantitative index grade standard

1) 二級評價

根據(jù)對朱家尖跨海大橋相關(guān)船舶通航數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，以某一天統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，當(dāng)天船舶通行量約為57艘，推算年船舶通行量為20 805艘，按式(9)計算該指標(biāo)隸屬度為p14=(0,0,0.459 8,0.540 2,0)； 日平均風(fēng)速為5.8 m/s，隸屬度為p21=(0.88,0.12,0,0,0)；日平均能見度1 224 m，指標(biāo)隸屬度為p31=(0,0,0,0.850 7,0.149 3)；其余定量指標(biāo)隸屬度同理可得，按式(10)所示計算得出二級評判結(jié)果。

如船舶因素U1指標(biāo)二級評價結(jié)果：

(13)

2) 一級評價

由上述計算得到的二級評判結(jié)果和對應(yīng)的組合權(quán)重值，按式(11)得出一級評判結(jié)果。

(14)

3) 綜合評價

由上述計算得到一級評判結(jié)果和風(fēng)險等級賦值向量，按式(12)得出朱家尖跨海大橋船撞風(fēng)險綜合評價分值。

D=P·VT=(0.150 4,0.380 0,0.231 9,0.225 8,0.011 9)·(1,3,5,7,9)T=4.137 6

(15)

同理，對朱家尖跨海大橋全年通航數(shù)據(jù)做上述處理，得到全年船撞風(fēng)險評價曲線，如圖4所示。

圖4 全年船撞風(fēng)險綜合評價值Fig. 4 Comprehensive evaluation value of ship collision risk

由朱家尖跨海大橋全年船撞風(fēng)險評價曲線得，評價值基本穩(wěn)定在4.0～4.5之間，平均值為4.22，風(fēng)險評價值隨時間波動較大，出現(xiàn)了7次波峰，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得，二月初，橋區(qū)海域出現(xiàn)惡劣大霧天氣，嚴(yán)重影響船舶通航；六月海域連續(xù)降雨，水位上漲嚴(yán)重，導(dǎo)致風(fēng)險值增大。夏季三個月為沿海臺風(fēng)頻繁期，達(dá)到最大風(fēng)險評價值5.12。依據(jù)表2船撞橋風(fēng)險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定朱家尖跨海大橋船撞風(fēng)險等級為Ⅲ級，風(fēng)險概率一般，屬于可接受中風(fēng)險水平，需采取對應(yīng)的預(yù)防措施以降低朱家尖跨海大橋船舶撞擊風(fēng)險。

3.4 風(fēng)險控制對策

由上述對朱家尖跨海大橋船撞風(fēng)險評判結(jié)果，提出相應(yīng)措施以控制船橋碰撞風(fēng)險。針對跨海大橋通航環(huán)境方面，海上大霧、夏季強(qiáng)臺風(fēng)、暴雨等嚴(yán)重期間，管理部門加強(qiáng)對惡劣氣象監(jiān)測、預(yù)警，及時進(jìn)行信息公布[23]；針對跨海大橋通航安全監(jiān)管方面，加強(qiáng)通訊監(jiān)控，時刻關(guān)注船舶穿越跨海大橋時的異常行為，可實(shí)行船舶航行定線制，降低船舶通航速度，減少船舶偏航情況，同時完善海巡執(zhí)法、應(yīng)急救助等力量配置；針對船舶和人為因素，相關(guān)船舶公司加強(qiáng)對通航船舶定期檢查，加強(qiáng)對船員專業(yè)技能、安全責(zé)任意識的培訓(xùn)，規(guī)范職業(yè)操作行為，嚴(yán)禁船員違章駕駛。

4 結(jié) 語

綜合考慮了影響跨海大橋船撞風(fēng)險的通航環(huán)境因素、船舶因素、人為因素、管理因素4個方面，提出了18個風(fēng)險評價指標(biāo)?；跀?shù)學(xué)模糊理論，采用定量、定性分析方法，提出了跨海橋梁船舶碰撞模糊綜合評估模型。對浙江省舟山朱家尖跨海大橋進(jìn)行了船撞安全風(fēng)險評估，根據(jù)AHP主觀權(quán)重法和熵權(quán)客觀權(quán)重法得出，對船撞風(fēng)險的影響因素按重要性程度依次是船員駕駛過程中操作失誤、身心狀態(tài)不足、能見度、風(fēng)速以及船舶偏航情況等。根據(jù)朱家尖跨海大橋某年通航統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立船撞風(fēng)險評價曲線，得出全年最大風(fēng)險評價值為5.12，平均風(fēng)險評價值為4.22，屬于可接受中風(fēng)險水平，提出了對應(yīng)的風(fēng)險處置對策，為橋區(qū)海事部門明確船橋碰撞風(fēng)險控制重點(diǎn)提供了依據(jù)。

目前仍有許多方面值得進(jìn)行下一階段的探究，主要有：

1) 基于船撞橋事故分析提出的評估模型具有一定的可靠性，但對于風(fēng)險指標(biāo)的建立是否全面，風(fēng)險等級的劃分是否合理，仍需進(jìn)一步的驗(yàn)證。

2) 進(jìn)行定量、定性分析是基于橋區(qū)通航監(jiān)控統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對于新建的跨海大橋或缺乏必要通航監(jiān)測數(shù)據(jù)的橋梁，該方法具有一定的局限性，仍需研究提出更為科學(xué)和可行的船撞橋風(fēng)險評估方法。