基于GIS的船閘故障風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分研究

鄒俊杰

（江蘇省交通運(yùn)輸廳港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210029）

江蘇省內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展條件優(yōu)越，規(guī)劃省干線航道里程4010 公里。通航環(huán)境復(fù)雜，全省干線航道網(wǎng)涉及長(zhǎng)江、淮河、太湖和沂沭泗水系，共計(jì)建設(shè)有交通管理船閘42 座。隨著運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整的推進(jìn)，江蘇內(nèi)河水運(yùn)在綜合交通運(yùn)輸體系中地位愈發(fā)重要。2021年，全省干線航道仍然維持較為繁忙的水平，船閘過(guò)閘總量保持高位水平，共過(guò)閘船舶291.7 萬(wàn)艘次，過(guò)閘貨物22.9 億噸，開(kāi)啟74.8 萬(wàn)閘次。為進(jìn)一步保障正常船閘運(yùn)行，提升水上應(yīng)急保障能力，需對(duì)單個(gè)船閘可能出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)做定量分析，并在空間上劃定故障風(fēng)險(xiǎn)較為集中的區(qū)域，以用有限的資金提供最高效的應(yīng)急保障力量。

1 船閘故障類型及主要影響因素分析

1.1 船閘主要故障類型及特征

通過(guò)對(duì)江蘇省現(xiàn)有船閘的實(shí)地調(diào)研，目前船閘故障可大致分為水下故障、機(jī)械故障、電氣故障三大類，反映在故障現(xiàn)象上大多為閘、閥門不能正常啟閉、出現(xiàn)異響、通信與電力異常、控制系統(tǒng)失靈等情況。

（1）水下故障呈現(xiàn)“數(shù)量占比多、專業(yè)要求高”的特征，該類故障占比約55%，常見(jiàn)情況為閘、閥門構(gòu)件脫落、砂石混凝土、樹(shù)根形成的水下障礙物引起閘閥門啟閉異常。故障的處理較為簡(jiǎn)單，需要清除水下礙航物，但需要專業(yè)的潛水員下水手動(dòng)作業(yè)。

（2）機(jī)械故障呈現(xiàn)“數(shù)量占比中等、處理難度大”的特征，該類故障占比約30%，常見(jiàn)情況為閘、閥門及構(gòu)件故障，一般為閘門節(jié)桿彎曲、閥門閥件損壞以及油箱漏油等故障，以及由于水位上漲、暴雨造成的機(jī)械進(jìn)水失靈。故障的處理相對(duì)復(fù)雜，處理時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)船閘影響較大，需要機(jī)械專業(yè)人員或者廠家技術(shù)人員進(jìn)行處理。

（3）電氣故障呈現(xiàn)“數(shù)量占比少、處理難度適中”的特征，該類故障占比約15%，常見(jiàn)情況為電氣控制系統(tǒng)故障，PLC 構(gòu)件或模塊損壞，開(kāi)關(guān)或電纜等供電系統(tǒng)燒毀。故障的處理相對(duì)簡(jiǎn)單，大多僅需更換損壞的模塊，但部分故障較為隱蔽的情況需廠家技術(shù)人員進(jìn)行處理。

1.2 船閘發(fā)生故障的主要影響因素

通過(guò)對(duì)船閘常見(jiàn)的水下故障、機(jī)械故障、電氣故障的分析，故障發(fā)生的影響因素主要有船閘的運(yùn)行、周邊的通航環(huán)境、自身設(shè)備狀況等3 大類。

（1）船閘運(yùn)行方面，具體表現(xiàn)為船閘開(kāi)放閘次、船閘通過(guò)船舶大小、船閘未來(lái)年運(yùn)行狀態(tài)。船閘開(kāi)放閘次越多，對(duì)應(yīng)通過(guò)船舶數(shù)量越多，進(jìn)而使得機(jī)械使用頻次、磨損情況、掉落礙航物的可能越大，易發(fā)生水下故障、機(jī)械故障、電氣故障。船閘通過(guò)船舶的噸位越大，使得船舶碰撞閘門等情況下發(fā)生水下故障或機(jī)械故障的概率越高，也使得修復(fù)難度、修復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。此外未來(lái)年船閘位于江蘇省干線航道主通道上，會(huì)使得開(kāi)發(fā)閘次、通過(guò)船舶噸級(jí)越大，對(duì)應(yīng)船閘發(fā)生故障的可能性越高。

（2）船閘通航環(huán)境方面，具體表現(xiàn)為船閘設(shè)計(jì)水頭差、船閘周邊水系情況。船閘設(shè)計(jì)水頭差越大，對(duì)應(yīng)船閘、閥門在每次啟閉中承受的外界力越大，對(duì)相關(guān)構(gòu)件磨損越大，一旦發(fā)生故障的維修難度也越大，易引發(fā)水下故障、機(jī)械故障。船閘周邊水系情況，主要是江蘇沿江、沿海口門船閘受潮汐的影響，受力情況更為復(fù)雜，更易引發(fā)相關(guān)故障。

（3）船閘設(shè)備狀況方面，具體表現(xiàn)為船閘建設(shè)（大修）的年份，船閘建設(shè)（大修）年份越近的船閘，其供電設(shè)施、電氣模塊越為先進(jìn)，其自身發(fā)生故障的概率越小。

2 單個(gè)船閘故障風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算模型

2.1 層次結(jié)構(gòu)模型建立

通過(guò)層次分析法，將可能造成船閘故障風(fēng)險(xiǎn)的主要因素進(jìn)行分組，每組視為1 個(gè)層級(jí)，并將各層級(jí)視為目標(biāo)層、第一準(zhǔn)則層和第二準(zhǔn)則層，進(jìn)而構(gòu)建了船閘故障風(fēng)險(xiǎn)影響因素層級(jí)結(jié)構(gòu)模型。本文結(jié)合前文船閘發(fā)生故障的主要影響因素，從船閘運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、船閘通航環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、船閘設(shè)備狀況風(fēng)險(xiǎn)3 個(gè)層次構(gòu)建了6 個(gè)指標(biāo)。

表1 ：船閘故障風(fēng)險(xiǎn)大小影響因素層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

測(cè)算指標(biāo)權(quán)重的確定可通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法、成對(duì)比較方法、熵值法、AHP 方法和專家估測(cè)法等等。其中，專家估測(cè)法滲入專家主觀意識(shí)較多；運(yùn)用熵值法與AHP法工作量較大，但所得結(jié)果較為客觀。結(jié)合觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用AHP 方法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

在層次分析法中，判斷矩陣的權(quán)數(shù)可通過(guò)求出正規(guī)化的特征向量而得，采用算術(shù)平均法。計(jì)算步驟如下：

（1）將判斷矩陣的每一列正規(guī)化

（2）按每一行進(jìn)行加總

式中：為判斷矩陣，為中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的兩兩比較值，表示向量的第i 個(gè)分量。查找相對(duì)應(yīng)的平均一致性指標(biāo)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，通過(guò)一致性檢驗(yàn)后，最終可獲得各層次因素權(quán)重。

表2 船閘故障風(fēng)險(xiǎn)大小影響因素權(quán)重

2.3 指標(biāo)計(jì)算方法

在上述指標(biāo)的計(jì)算中，充分考慮指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)之間的相關(guān)關(guān)系，并采用定量計(jì)算與定性分析的方式對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值化計(jì)算，各類指標(biāo)的數(shù)據(jù)均來(lái)自于官方統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或規(guī)劃，具備一定的公正性。各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算具體計(jì)算方法如下：

（1）船閘現(xiàn)狀每年開(kāi)放閘次數(shù)u11 的分值：某船閘2020年開(kāi)放閘次數(shù)/全省船閘2020年開(kāi)放閘次數(shù)量的最大值×該指標(biāo)的權(quán)重。

（2）船閘現(xiàn)狀每年通過(guò)船舶的平均噸位大小u12的分值：通過(guò)基礎(chǔ)分與增項(xiàng)分求和。其中基礎(chǔ)分得分為該指標(biāo)權(quán)重×0.6；增項(xiàng)分通過(guò)所有船閘平均噸位的差值計(jì)算而得，得分為（某船閘2020年通過(guò)船舶的平均噸位－全省船閘通過(guò)船舶平均噸位的最小值）×[（該指標(biāo)權(quán)重×0.4）/（全省船閘通過(guò)船舶平均噸位的最大值－全省船閘通過(guò)船舶平均噸位的最小值）]。

（3）船閘未來(lái)年船舶運(yùn)行情況u13 的分值：若為二級(jí)主通道得分為該指標(biāo)權(quán)重×1；若為三級(jí)主通道得分為該指標(biāo)權(quán)重×0.8；若為三級(jí)次通道得分為該指標(biāo)權(quán)重×0.6。

（4）船閘水頭差u21 的分值：通過(guò)基礎(chǔ)分與增項(xiàng)分求和。其中基礎(chǔ)分=該指標(biāo)權(quán)重×0.6；增項(xiàng)分通過(guò)所有船閘水頭的差值計(jì)算而得，得分為（某船閘的水頭－全省所有船閘水頭的最小值）×[（該指標(biāo)權(quán)重×0.4）/（全省所有船閘水頭的最大值－全省所有船閘水頭的最小值）]。

（5）船閘是否位于沿江沿?？陂T處u22：若為口門船閘得分為該指標(biāo)權(quán)重×1；若不是口門船閘得分為該指標(biāo)權(quán)重×0。

（6）建設(shè)年代u3：各線船閘建設(shè)年代對(duì)應(yīng)分值，最高分為該指標(biāo)權(quán)重。其中“2000年～至今” 得分為指標(biāo)權(quán)重×0.25、“1980年～1999年” 得分為指標(biāo)權(quán)重×0.5、“1979年之前”得分為指標(biāo)權(quán)重×0.75。

表2 各指標(biāo)計(jì)算方式及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.4 計(jì)算結(jié)果

結(jié)合上述分析，以100 分制對(duì)全省42 座船閘發(fā)生故障風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明全省船閘因運(yùn)行強(qiáng)度、地理位置等因素的不同，船閘之間的風(fēng)險(xiǎn)值相差較大，各風(fēng)險(xiǎn)值區(qū)間范圍內(nèi)船閘數(shù)量分布均勻。其中風(fēng)險(xiǎn)值在40-50 之間的船閘有10 個(gè)，在51-60 之間的船閘有個(gè)10 個(gè)，在61-70 之間的船閘有8 個(gè)，在71-80 之間的船閘有8 個(gè)，在80-85 之間的船閘有6 個(gè)。

圖1 全省42 座船閘風(fēng)險(xiǎn)值大小示意圖

3 全省船閘故障風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分

江蘇水網(wǎng)密布，各市均有船閘分布，但近期全省應(yīng)急資金有限，需在全省范圍內(nèi)選擇船閘風(fēng)險(xiǎn)分布較為集中區(qū)域布置應(yīng)急力量，以能快速有效地效應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的故障。在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的劃分上，充分考慮現(xiàn)有船閘空間位置的分布，同時(shí)結(jié)合各船閘計(jì)算出的風(fēng)險(xiǎn)值大小，利用GIS 中的核密度估計(jì)（kernel density estimation，KDE）在空間進(jìn)行分析，劃定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

3.1 分析方法

核密度估計(jì)是在概率論中用來(lái)估計(jì)未知的密度函數(shù)，屬于非參數(shù)檢驗(yàn)方法之一。KDE以每個(gè)樣本點(diǎn)i（x，y）的位置為中心，通過(guò)核密度函數(shù)計(jì)算每個(gè)樣本點(diǎn)在指定范圍內(nèi)（半徑為h 的圓）各個(gè)網(wǎng)格單元的密度貢獻(xiàn)值，距中心處樣本點(diǎn)距離越近密度越大，隨著距離衰減，到范圍邊緣處密度為0。

本文研究用核密度估計(jì)法分析江蘇省船閘風(fēng)險(xiǎn)聚集范圍，根據(jù)各區(qū)域密度數(shù)值的不同劃分船閘風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，其中為各船閘的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算值大小，h 為50 公里。

3.2 劃分結(jié)果

全省交通船閘風(fēng)險(xiǎn)空間分布主要呈現(xiàn)“集聚分布、層次分明”的特征，全省形成了4 個(gè)相對(duì)集聚的區(qū)域，分別為揚(yáng)州區(qū)域、南通區(qū)域、淮安－宿遷區(qū)域、連云港區(qū)域。

圖2 全省船閘風(fēng)險(xiǎn)核密度空間分布圖

3.3 船閘風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分

結(jié)合交通船閘風(fēng)險(xiǎn)空間分布的特征，將揚(yáng)州區(qū)域、南通區(qū)域、淮安－宿遷區(qū)域、連云港區(qū)域的4 個(gè)區(qū)域劃分為全省風(fēng)險(xiǎn)防范重點(diǎn)區(qū)域，建議由省級(jí)港航部門指導(dǎo)建設(shè)，承擔(dān)自身及周邊區(qū)域較大事件的處理。

4 研究結(jié)論

（1）利用層次分析法構(gòu)建船閘故障風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算指標(biāo)體系，更加清楚地分析了船閘不同運(yùn)行指標(biāo)對(duì)故障風(fēng)險(xiǎn)的影響，從而全面、客觀、長(zhǎng)遠(yuǎn)地定量化表示，能夠?yàn)闆Q策提供直觀的依據(jù)。

（2）利用GIS 模型，構(gòu)建全省航道、船閘模型，能夠使用空間數(shù)據(jù)分析風(fēng)險(xiǎn)集中區(qū)域，進(jìn)而劃分重點(diǎn)防范區(qū)，能夠有效地減少規(guī)劃過(guò)程中的隨意性和不準(zhǔn)確性，具有客觀性、合理性和科學(xué)性。