基于系統(tǒng)動力學(xué)的海上交通應(yīng)急救援效能分析

楊慶， 馬曉雪*， 魏凱， 喬衛(wèi)亮

(1.大連海事大學(xué)公共管理與人文藝術(shù)學(xué)院， 大連 116026； 2.大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院， 大連 116026)

海上交通應(yīng)急救援是國家公共應(yīng)急管理的一個重要組成部分，也是保障海上交通安全所不可或缺的手段或措施。當(dāng)前，中國面臨著越來越復(fù)雜的海上交通安全形勢，根據(jù)海上搜救中心公布的搜救情況顯示：2020年中國共實施搜救行動1 745次，搜救遇險船舶1 375艘，搜救遇險人員11 269人。日趨嚴(yán)峻的海上交通安全形勢對應(yīng)急救援效能逐漸提出了更高的要求。

當(dāng)前對海上交通應(yīng)急救援問題的研究主要集中在四個方面：一是對于應(yīng)急救援系統(tǒng)的研究。例如，曾鳳等[1]通過船舶自動識別系統(tǒng)(automatic identification system，AIS)解析算法設(shè)計了一種基于LoRa的海上航行安全應(yīng)急救援系統(tǒng)；馮逸飛等[2]通過對遇險人員搜救工作的實際需求分析，基于無人機設(shè)計了一種遇險人員搜救系統(tǒng)。二是對于應(yīng)急救援裝備的研究。例如，Baroni等[3]將Cospas-Sarsat自調(diào)諧可穿戴式天線用于緊急救援行動中；Hristos[4]提出了一種確定遇險船舶的某些無線電設(shè)備發(fā)生故障概率的方法。三是對于應(yīng)急救援力量的研究。例如，張曉雷等[5]基于決策實驗法和網(wǎng)絡(luò)分析法(decision-making trial and evaluation laboratory-analytic hierarchy process, DEMATEL-ANP)提出了一種適用于評價大規(guī)模應(yīng)急救助能力的方法；陳思等[6]圍繞海上多發(fā)性事故，基于動態(tài)貝葉斯建立了船-岸聯(lián)合的應(yīng)急能力評價模型。四是對于應(yīng)急救援決策的研究。例如，Otote等[7]基于最優(yōu)搜索理論提出了一種海上搜救決策算法，用于支持海上搜救決策；Xiong等[8]提出了一種基于智能算法和逼近理想解排序方法(technique for order preference by similarity to an ideal solution, TOPSIS)的海上應(yīng)急搜救計劃設(shè)計和實施的決策方法，有助于迅速、高效地制定最終的搜救計劃。

基于以上分析可知，現(xiàn)有研究很少顧及救援過程中的效能問題。全面、系統(tǒng)、深入地分析和研究海上交通應(yīng)急救援效能，對于提高海上交通應(yīng)急救援水平具有重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。海上交通應(yīng)急救援是一個動態(tài)的演化過程，系統(tǒng)動力學(xué)(system dynamics,SD)從系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手，模擬分析系統(tǒng)的動態(tài)行為，為研究動態(tài)、復(fù)雜的多變量非線性系統(tǒng)提供了方法支撐[9]。為此，現(xiàn)通過構(gòu)建海上應(yīng)急救援效能的影響因素指標(biāo)體系，基于SD建立了海上交通應(yīng)急救援效能模型，為研究如何提升海上交通應(yīng)急救援效能提供定量的、科學(xué)的決策依據(jù)。

1 海上交通應(yīng)急救援效能及影響因素分析

關(guān)于效能的定義，目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的組織與學(xué)者提出了不同的定義。美國工業(yè)界武器效能咨詢委員會(WSEIAC)將其定義為：“效能是一個系統(tǒng)滿足一組特定任務(wù)要求程度的度量，是系統(tǒng)可用性、可信性和固有能力的函數(shù)”；郭齊勝等[10]將其定義為：“系統(tǒng)在規(guī)定條件下達到規(guī)定使用目標(biāo)的能力”，這是中國目前比較有影響力的關(guān)于效能的定義。由此可見，效能是一個相對的、定量的值，需要考慮特定的使用環(huán)境和工作目標(biāo)。海上交通應(yīng)急救援工作是介于預(yù)警與善后之間的工作，可以將海上交通應(yīng)急救援效能理解為：海上應(yīng)急救援力量在救援實施過程中執(zhí)行救援任務(wù)所能達到救援預(yù)期目標(biāo)的程度。

為了提升海上交通應(yīng)急救援效能，基于包以德循環(huán)理論(observation-orientation-decision-action, OODA)的觀察-判斷-決策-行動的架構(gòu)，結(jié)合《國家海上搜救應(yīng)急預(yù)案》和《國家海上搜救手冊》，在此基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)文獻，構(gòu)建了海上交通應(yīng)急救援效能影響因素指標(biāo)體系，具體如表1所示。

表1 海上交通應(yīng)急救援效能影響因素

續(xù)表1

2 海上交通應(yīng)急救援效能SD模型

2.1 SD方法和步驟

系統(tǒng)動力學(xué)的研究主要集中在系統(tǒng)的行為模式和特性，基于系統(tǒng)的內(nèi)部信息反饋控制，運用計算機技術(shù)，借助模型仿真分析，以此尋求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與行為規(guī)律間的動態(tài)關(guān)聯(lián)[14]。系統(tǒng)動力學(xué)模型主要由系統(tǒng)變量構(gòu)成，包括狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量和常量，通過構(gòu)造方程，確定各變量之間的因果關(guān)系和反饋機制。構(gòu)建SD模型是完成海上交通應(yīng)急救援效能分析的重要環(huán)節(jié)，具體步驟為：①明確建模目的；②界定系統(tǒng)邊界；③確定反饋關(guān)系；④設(shè)計變量方程；⑤模型仿真運行。

2.2 繪制因果關(guān)系圖

綜合考慮影響海上交通應(yīng)急救援效能的因素，依據(jù)各因素之間的因果關(guān)系建立海上交通應(yīng)急救援效能的因果回路圖，如圖1所示。其中事故復(fù)雜程度相關(guān)反饋為負(fù)反饋，對應(yīng)急救援效能各項指標(biāo)構(gòu)成消極影響，事故復(fù)雜程度越高，應(yīng)急救援效能越低。除此之外，圖①中其他反饋均為正反饋，對應(yīng)急救援效能起積極作用。

2.3 繪制SD流圖

根據(jù)上述因果關(guān)系分析，建立海上交通應(yīng)急救援效能SD模型的流圖，如圖2所示。

圖2 海上交通應(yīng)急救援效能SD流圖Fig.2 SD flow diagram of maritime traffic emergency rescue efficiency

2.4 建立SD方程

海上交通應(yīng)急救援效能SD模型的方程設(shè)計如表2所示。

表2 海上交通應(yīng)急救援效能SD模型方程設(shè)計表

3 仿真分析

3.1 指標(biāo)權(quán)重分析

運用SD方法對海上交通應(yīng)急救援效能進行分析，需要對指標(biāo)權(quán)重進行賦值。為降低單一賦權(quán)方法的自身局限性，在權(quán)重的確定過程引用層次熵分法，即利用層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)-熵值法求組合權(quán)重。主客觀評價互相修正權(quán)重，使得各個指標(biāo)的權(quán)重更為可靠[15]。

“+”代表正反饋，“-”代表負(fù)反饋圖1 海上交通應(yīng)急救援效能因果回路圖Fig.1 Cause and effect diagram of maritime traffic emergency rescue efficiency

3.1.1 AHP指標(biāo)權(quán)重賦值

(1)通過專家咨詢并采用9標(biāo)度法構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣A[16]。

(2)計算矩陣A每一行元素aij的乘積Mi的n次方根：

(1)

(3)對向量進行歸一化處理：

(2)

(4)計算矩陣A的最大特征根：

(3)

(5)計算一致性指標(biāo)：

(4)

(6)判斷矩陣A的一致性：

(5)

RI的具體值可由表3查到，當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為矩陣A一致性檢驗通過，反之則需修正。

表3 RI參考值

3.1.2 熵值法指標(biāo)權(quán)重修正

(1)將判斷矩陣A的列向量歸一化：

(6)

(2)計算指標(biāo)熵值：

(7)

(3)計算信息熵冗余度：

dj=1-ej

(8)

(4)計算各項指標(biāo)的熵權(quán)：

(9)

(5)計算修正后的指標(biāo)權(quán)重：

(10)

3.1.3 指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)式(1)～式(10)計算，得到各影響因素指標(biāo)的組合權(quán)重值，具體如表4所示。

表4 層次熵分法組合權(quán)重計算結(jié)果

3.2 仿真實驗設(shè)計

海上交通應(yīng)急救援效能SD仿真實驗設(shè)計如表5所示。

表5 海上交通應(yīng)急救援效能SD仿真實驗設(shè)計表

3.3 模型仿真實驗

取代表性模型仿真實驗3次，仿真模擬時間T=24，仿真步長為0.5，單位為小時。利用Vensim軟件進行模擬仿真，仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。

3.3.1 實驗a

如圖3所示，信息感知的上升速度較快，高于協(xié)同研判、方案決策和救援行動；應(yīng)急救援效能與事故復(fù)雜程度呈現(xiàn)明顯對抗趨勢，隨著時間的推移，應(yīng)急救援過程持續(xù)推進，應(yīng)急救援效能持續(xù)增長，事故復(fù)雜程度得到控制，并持續(xù)減弱。

圖3 實驗a(2)模型仿真圖Fig.3 Simulation result diagram of the experimental a model

3.3.2 實驗b

如圖4所示，實驗b條件下的信息感知、應(yīng)急救援效能的上升趨勢明顯高于實驗a條件下的上升趨勢。相應(yīng)地，實驗b條件下的事故復(fù)雜程度的下降趨勢明顯高于實驗a條件下的下降趨勢。由此得出，在海上交通應(yīng)急救援中，信息感知是開展應(yīng)急救援工作的重要前提，當(dāng)信息感知效能保持在較高水平時，應(yīng)急救援效能隨著救援行動效能的提高迅速提升。

圖4 實驗b模型仿真結(jié)果圖Fig.4 Simulation result diagram of the experimental b model

3.3.3 實驗c

如圖5所示，以延遲1、2、3 h為例，對其仿真結(jié)果進行比較分析，結(jié)果表明延遲時間越大，應(yīng)急救援效能上升幅度越慢，效能越低。當(dāng)信息感知、協(xié)同研判、方案決策、救援行動無作為時，事故復(fù)雜程度受應(yīng)急救援行動影響較小，且復(fù)雜性逐漸增強。

圖5 實驗c模型仿真圖Fig.5 Simulation result diagram of the experimental c model

根據(jù)實驗結(jié)論，針對提高海上交通應(yīng)急救援效能，可提出以下對策建議。

(1)海上交通突發(fā)事件的應(yīng)急救援過程中，應(yīng)實時根據(jù)突發(fā)事件的復(fù)雜程度調(diào)整應(yīng)急救援策略，全面提高救援力量的信息感知、協(xié)同研判、方案決策和救援行動水平，以此提升應(yīng)急救援效能，降低事故復(fù)雜程度。

(2)應(yīng)急救援效能對信息感知的依賴明顯，在救援工作前期，應(yīng)重點提高海上遇險報警通信水平、遇險報警信息處理能力、事故現(xiàn)場信息搜集能力等，形成實時、全面、不間斷的救援信息感知網(wǎng)絡(luò)，使海上突發(fā)事件態(tài)勢信息的獲取、傳遞、處理、共享形成高效回路，為應(yīng)急救援決策和行動提供有力支撐。

(3)減少救援延誤時間是提高救援效能的有效措施。各救援主體可通過在感知、研判、決策、行動第方面保持密切合作，提高應(yīng)急救援效能，以此克服導(dǎo)致時間延誤的主客觀因素，有效縮短救援延誤時間。

4 結(jié)論

海上交通應(yīng)急救援效能分析是對復(fù)雜動態(tài)演化過程的分析，利用SD方法，立足于理想實驗環(huán)境，對如何提升海上交通應(yīng)急救援效能進行了研究探索，實驗結(jié)果具有一定的參考性，期望能對提高海上交通突發(fā)事件的應(yīng)對能力、降低事故復(fù)雜程度和提升應(yīng)急救援效能有一定幫助。后續(xù)相關(guān)研究應(yīng)不斷豐富、完善海上交通應(yīng)急救援效能的影響因素指標(biāo)體系，并增強指標(biāo)數(shù)據(jù)的客觀性，提出更詳細(xì)的海上交通應(yīng)急救援效能提升措施，增加模型的實用性。