基于主成分分析法的航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估方法研究

姬洪亮　白璐　武可新　賀敬怡　王維琛

關(guān)鍵詞：主成分分析法；航運(yùn)油污染損害；風(fēng)險(xiǎn)評估；灰色關(guān)聯(lián)分析

中圖分類號：X820.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

在通過航運(yùn)方式運(yùn)輸石油過程中，由于受到各種因素影響，經(jīng)常會發(fā)生石油泄漏事件。由于石油污染物種類復(fù)雜繁多，當(dāng)發(fā)生石油污染事件，如果沒有及時(shí)報(bào)警并采取有效的治理措施，會嚴(yán)重影響供水系統(tǒng)和供水安全，同時(shí)還會影響生物生存以及土壤等組織。所以，如何有效評估航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)話題。于鑫婭等人主要通過斑馬魚胚胎急性毒性試驗(yàn)以及理論指標(biāo)參數(shù)完成石油污染場地的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估，同時(shí)根據(jù)評估結(jié)果制定相應(yīng)的防護(hù)措施。羅新正等人通過地圖繪制軟件以及地理信息系統(tǒng)軟件制定污染物分布圖，進(jìn)而獲取對應(yīng)的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果。阿迪萊·伊斯馬伊力等人主要地質(zhì)累積指數(shù)法與美國環(huán)境保護(hù)署（USEPA）推薦的健康風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型兩者有效結(jié)合，進(jìn)而展開風(fēng)險(xiǎn)評估。在以上幾種風(fēng)險(xiǎn)評估方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合主成分分析法，提出一種基于主成分分析法的航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估方法。

1方法

1.1航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)因素分析

通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法對各種風(fēng)險(xiǎn)因素展開分析，灰色關(guān)聯(lián)分析法是利用數(shù)據(jù)序列曲線的幾何形狀相似度作為判定依據(jù)，分析各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素之間是否存在關(guān)聯(lián)。當(dāng)隨機(jī)兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的曲線越相近，則說明變化規(guī)律越吻合，同時(shí)關(guān)聯(lián)系數(shù)取值也就越高。

上式中，i代表子序列總數(shù)；k代表母序列總數(shù)。

在通過灰色理論分析計(jì)算關(guān)聯(lián)度的過程中，假設(shè)系統(tǒng)特征行為序列和各個(gè)相關(guān)因素行為序列數(shù)量存在差異，需要對相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)一化處理，使其轉(zhuǎn)換為相同數(shù)量級的無量綱數(shù)據(jù)。

針對航運(yùn)油污染事故而言，為了將導(dǎo)致污染事故的多個(gè)原因全部納入分析，同時(shí)考慮到污染事故調(diào)查中沒有對產(chǎn)生原因的重要性展開分析，以下主要通過均分的方式統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。如果一起事故是由兩個(gè)因素導(dǎo)致的，則各個(gè)因素導(dǎo)致的事故數(shù)則從0.5記起；如果航運(yùn)油污染事故是由三個(gè)因素組成，則事故數(shù)從0.33記起，以此類推。

選取中國航運(yùn)油污染事故的歷史數(shù)據(jù)作為識別航運(yùn)油污染事故潛在因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)以其規(guī)律性為基礎(chǔ)，獲取相關(guān)影響因素。

導(dǎo)致航運(yùn)油污染事故的原因不僅包含船舶自身和船員的情況，同時(shí)還包含港口氣象水文特征以及通航環(huán)境等相關(guān)因素。由于不同因素之間并不是彼此孤立的，而是相互之間存在關(guān)聯(lián)。對航運(yùn)油污染事故展開風(fēng)險(xiǎn)評估的過程中，需要全面考慮各種風(fēng)險(xiǎn)因素的綜合作用。

灰色關(guān)聯(lián)分析法主要通過海事調(diào)查報(bào)告分別從人員以及船舶等方面對各項(xiàng)事故的發(fā)生原因展開深層次分析并賦值，將全部導(dǎo)致事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)因素歸納整理。（見圖1）

綜合分析不同影響因素，通過灰色關(guān)聯(lián)分析法分別計(jì)算不同風(fēng)險(xiǎn)因素的關(guān)聯(lián)度，將關(guān)聯(lián)度取值為0的因素刪除。

經(jīng)過計(jì)算可以獲取特征值，將全部特征值正交化處理即可獲取對應(yīng)的單位特征向量。利用主成分中的方差和對應(yīng)的單位特征向量即可獲取不同類型信息的具體變化情況。

另外，還需要將方差累積貢獻(xiàn)率作為判定依據(jù)，選擇最后幾個(gè)比較主要的主成分。當(dāng)累積貢獻(xiàn)率的取值超過85%，則說明變量的信息可以更好地被反映。

由于航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)類型復(fù)雜且多樣，所以結(jié)合2.1小節(jié)得到的風(fēng)險(xiǎn)因素構(gòu)建航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估模型，通過評估模型全面評估航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)的總體水平，對各個(gè)區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)排序處理，確定高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，以下給出詳細(xì)的操作步驟：

（1）優(yōu)先確定航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估的主要風(fēng)險(xiǎn)類型，并請相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)投資專家對其打分處理，獲取風(fēng)險(xiǎn)評估項(xiàng)目的樣本空間。然后專家通過任意一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)劃分出來的風(fēng)險(xiǎn)種類打分處理，采用10分制，分值以及風(fēng)險(xiǎn)兩者呈正比。當(dāng)分值越高，則說明風(fēng)險(xiǎn)就越大；反之，分值越低，則說明風(fēng)險(xiǎn)就越小。

（2）將全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，進(jìn)而構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣。同時(shí)，將矩陣中的輸入到對應(yīng)的管理器中，對相關(guān)數(shù)據(jù)展開因子檢驗(yàn)分析。一般情況下，如果相關(guān)系數(shù)的取值增加，對應(yīng)的因子分析效果也會隨之增加。

（3）對全部數(shù)據(jù)展開因子分析，同時(shí)借助主成分分析法完成相關(guān)因子的提取工作。

（4）分別計(jì)算各個(gè)單一因子以及綜合因子的得分情況，經(jīng)過計(jì)算獲取比較科學(xué)合理的綜合得分，同時(shí)確定權(quán)重取值，具體計(jì)算公式如（4）：

（5）結(jié)合權(quán)重計(jì)算結(jié)果構(gòu)建航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估模型，通過模型獲取研究區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)水平，同時(shí)將風(fēng)險(xiǎn)水平排序，進(jìn)而獲取風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高的區(qū)域。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)選取H城市的海域作為研究對象，研究對象四周山巒屏障，岸線曲折，碗口的朝向?yàn)闁|南。該研究區(qū)域地形地貌與風(fēng)玫瑰圖見圖2、圖3。

研究區(qū)域?qū)儆趤啛釒ШＱ笮詺夂颍罡邭鉁睾妥畹蜌鉁胤謩e出現(xiàn)在2月和7月，平均溫度分別為13℃和29℃左右。每年降水主要集中在4-8月份，降水量約占全年的65%。其中，6月份降水量最大。

研究區(qū)域的災(zāi)害性天氣主要為臺風(fēng)天氣，在每年7-10月經(jīng)常會受到臺風(fēng)天氣的影響。如果發(fā)生臺風(fēng)，船舶需要到避風(fēng)錨地避風(fēng)處理。

研究區(qū)域有很多自然保護(hù)區(qū)，主要包含海水養(yǎng)殖以及工業(yè)用水水源等，其中工業(yè)用水水源性質(zhì)為江河水源，保護(hù)區(qū)范圍為16.9萬km²，保護(hù)對象為該研究區(qū)域內(nèi)的水源。一旦發(fā)生溢油事故，不僅會導(dǎo)致資源受到損害，同時(shí)還會影響研究區(qū)域的正常生產(chǎn)以及運(yùn)行，產(chǎn)生無法估量的環(huán)境以及社會經(jīng)濟(jì)影響。

文章按照建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則（HJ 169）對航運(yùn)油污染損害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。綜合分析研究區(qū)域當(dāng)前海域的發(fā)展情況以及現(xiàn)狀，選取比較具有代表性的季節(jié)作為分析目標(biāo)。

研究區(qū)域在冬季盛行東北風(fēng)，在年平均風(fēng)速值5.0m/s條件下漏油量150t，航運(yùn)油污染事故主要發(fā)生在漲潮以及落潮兩種情況下。見表1分析典型條件下航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果。

通過表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，由于風(fēng)向風(fēng)速不同，導(dǎo)致漲潮和落潮時(shí)間也會存在比較明顯的差異，所以對各個(gè)區(qū)域以及海岸線產(chǎn)生的影響也存在明顯的不同。

在以上分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步三種方法的評估結(jié)果準(zhǔn)確性，見圖4。

分析表4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，由于測試區(qū)域不同，導(dǎo)致各個(gè)方法的航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果也會存在明顯的差異。但是與另外兩種方法相比，所提方法可以獲取更加準(zhǔn)確的航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，而另外兩種方法的評估結(jié)果會和真實(shí)結(jié)果存在比較大的偏差，有效驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。

為了更進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，以下實(shí)驗(yàn)測試分析三種不同方法的航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估效率，選取評估時(shí)間作為測試指標(biāo)，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見圖5。

經(jīng)過深入分析圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在不同測試區(qū)域下，由于采用的評估方法不同，導(dǎo)致最終獲取的評估時(shí)間也不同。與其它兩種評估方法相比，所提方法的風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)間明顯更低一些，同時(shí)也說明所提方法可以以更快的速度完成風(fēng)險(xiǎn)評估。

3結(jié)語

在通過航運(yùn)方式運(yùn)輸石油過程中，由于受到各種因素影響，經(jīng)常會發(fā)生石油泄漏事件。如果沒有及時(shí)采取有效的治理措施，會嚴(yán)重影響供水系統(tǒng)和供水安全，同時(shí)還會影響生物生存以及土壤等組織，因此，航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估成為現(xiàn)階段國際社會普遍關(guān)注的問題，由于傳統(tǒng)的航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估方法存在評估效果差、效率低等問題，文章提出一種基于主成分分析法的航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估方法。通過灰色關(guān)聯(lián)分析方法對各種風(fēng)險(xiǎn)因素展開分析，根據(jù)分析結(jié)果，采用主成分分析法對航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，所提方法可以獲取更加精準(zhǔn)的航運(yùn)油污染損害風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，同時(shí)還能夠有效提升評估效率，獲取更加滿意的評估結(jié)果，具有實(shí)用性。