氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全指標體系研究

尚 樺，周引平，陶如豪，胡 朔

氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全指標體系研究

尚 樺，周引平，陶如豪，胡 朔

（長江三峽通航管理局，湖北宜昌 443002）

氫燃料電池動力船是一種新型綠色船舶，航行安全是其成功應用的關(guān)鍵。本文結(jié)合水文氣象、航道條件、交通管理等指標，從總體目標出發(fā)構(gòu)建了氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全指標體系，采用多級綜合法建立了氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全指數(shù)，對氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全狀況評價提供了評判依據(jù)。

氫燃料電池動力船 航行 環(huán)境 安全 指標

0 引言

氫燃料電池系統(tǒng)在船舶上應用可實現(xiàn)能源高效、零排放和船舶舒適度提升，是綠色船舶的理想動力推進裝置[1]?！叭龒{氫舟1”是國內(nèi)首艘500 kW級氫燃料電池動力船，采用氫燃料電池和鋰電池動力系統(tǒng)，建成后由長江三峽通航管理局用于三峽庫區(qū)及兩壩間交通、巡查、應急等工作。其航行河段位于湖北省宜昌市境內(nèi)，屬于長江干流上游河段，是溝通西部和中部經(jīng)濟發(fā)展的重要水上通道[2]，在服務長江經(jīng)濟帶發(fā)展中具有舉足輕重的地位[3]。

考慮到氫氣點火能量低、燃燒范圍寬、密度低、易擴散等性質(zhì)，氫燃料電池動力船的安全性是影響其能否成功應用和推廣的關(guān)鍵，特別是研究氫燃料電池動力船航行期間的環(huán)境安全風險是非常重要的。

1 航行環(huán)境安全指標體系

三峽河段自然環(huán)境復雜，航道（通航建筑物）運行管理復雜，壩區(qū)水域特別是三峽大壩壩前不同水位期（蓄水期、水位消落期）呈現(xiàn)不同的特點，水位變幅大、變化快，泵船、航標、錨地系泊等通航輔助設施調(diào)整頻繁，船舶擱淺、岸線滑坡等風險較大；大風大霧大流量等不利水文氣象條件顯著增多且呈不規(guī)律變化。兩壩間航道狹窄曲折，水位條件復雜，并受三峽電站調(diào)峰運行和防洪調(diào)度影響，水位、流量變幅大，尤其兩壩間“四灘一彎一關(guān)”是船舶險情事故的多發(fā)地段。同時三峽河段待閘船舶居高不下，作業(yè)頻繁，船舶過壩流程復雜，交通組織較難，各種潛在風險問題比較突出。

1.1 指標體系結(jié)構(gòu)

氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全指標體系采用三級指標，即總體指標——一級指標——二級指標。

總體指標：即“氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全指數(shù)”，用以反映氫燃料電池動力船在某一階段的航行環(huán)境安全狀況。

根據(jù)氫燃料電池動力船在三峽河段通航實際情況，一級指標采用“三加一”基本框架，即三個一級指標、一類“一票否決”指標。

1）水文氣象指標（4個）：能見度、風、流量、地質(zhì)災害；

2）航道條件指標（3個）：航道維護水深保證率，航標維護正常率，船舶監(jiān)管、通信主要設備完好率；

3）交通管理指標（5個）：巡航水域覆蓋率，監(jiān)控有效率，錨地指泊、錨泊準確率，人命救助成功率，船東滿意度；

4）一票否決指標（7個）：船舶碰撞、船舶觸碰、船舶擱淺、船舶觸礁、船舶火災/爆炸、船舶沉沒[4]、水域環(huán)境污染事故。

1.2 航行環(huán)境安全指標具體內(nèi)容

1）能見度：指船舶在航行中清晰觀察到距離和物體的程度。經(jīng)統(tǒng)計，三峽-葛洲壩的兩壩間通航水域為多霧區(qū)域，主要集中在黃陵廟和石牌一帶，大霧天氣主要在春冬兩季及初夏季節(jié)[5]。

2）風：風能夠影響船舶的受力情況，制約船舶操控性能，進而影響船舶的通航方向及通航速度。經(jīng)統(tǒng)計，三峽大風天氣主要發(fā)生于三峽壩上仙人橋、太平溪水域[5]，三峽-葛洲壩的兩壩間水域出現(xiàn)6級以上大風一般是由于夏季的雷雨大風引起。

3）流量：由于汛期流量大、流速快，極易造成三峽-葛洲壩的兩壩間上行船舶動力不足，下行船舶速度不易控制，舵效變差，使得船舶操縱困難。

4）地質(zhì)災害：山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災害，會激起的巨大涌浪和截流等，大范圍的坍塌、滑落砂石雜物也會撞擊船舶。

5）航道維護水深保證率：指全年通航天數(shù)與可通航期內(nèi)航道水深不滿足航道維護水深的天數(shù)的差值與全年實際通航天數(shù)的百分比值。

6）航標維護正常率：指在某維護期內(nèi)，扣除非維護性失常的座天數(shù)后，航標的正常維護座天數(shù)（包括非維護性失常）與總維護標志的座天數(shù)的百分比值。

7）船舶監(jiān)管、通信主要設備完好率：指船舶監(jiān)管、通信主要設備完好數(shù)與船舶監(jiān)管、通信主要設備考核基數(shù)的百分比值，反映船舶監(jiān)管、通信設備技術(shù)狀況。

8）巡航水域覆蓋率：指以海巡艇和海事執(zhí)法車作為主要交通工具，海事管理機構(gòu)能夠安全抵達并依法開展安全宣傳、現(xiàn)場維護、監(jiān)督檢查、現(xiàn)場處置等工作的行為所覆蓋管轄水域面積程度。

9）監(jiān)控有效率：反映通航管理監(jiān)控過程中，監(jiān)控人員對轄區(qū)船舶跟蹤監(jiān)控實現(xiàn)情況。

10）錨地指泊、錨泊準確率：指在錨地范圍內(nèi)準確指泊和船舶按指令準確錨泊的船舶數(shù)與在錨地范圍內(nèi)指泊的船舶總數(shù)的比值，反映工作人員對錨地及靠泊船舶掌握的程度和船舶聽從指令情況。

11）人命救助成功率：海事管理工作站點對遇險人員展開應急反應所取得成功效果的程度。

12）船東滿意度：反應三峽通航環(huán)境的重要指標，能及時了解船東對三峽水域交通環(huán)境的客觀評價。

13）一票否決指標：此類指標屬于重點控制指標，是船舶航行中避免出現(xiàn)的情況。在氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全指標中選取了7個指標，均按事件絕對數(shù)“0”標準控制，任何某一項指標只要一經(jīng)發(fā)生，即可評定氫燃料電池動力船航行環(huán)境不安全。

2 航行環(huán)境安全指標體系的評價方法

采用多級綜合法，即對航行環(huán)境安全指標體系的分級求出各類指數(shù)，通過賦予權(quán)數(shù)[6]，最終統(tǒng)一為綜合反映氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全指數(shù)（Y）。

2.1 指標權(quán)數(shù)確定

對各指標的重要性進行評價，指標越重要，其權(quán)重就越大。權(quán)重一般進行歸一化處理，使之介于0與1之間，各指標權(quán)重之和等于1[7]。

2.1.1 一級指標權(quán)數(shù)確定

采用“德爾菲法”，專家以匿名發(fā)表意見，之間不互相討論，通過多輪次調(diào)查專家對各部分權(quán)數(shù)的看法，經(jīng)過反復征詢、修改，最后形成專家基本一致的看法，作為權(quán)數(shù)的結(jié)果[6]。

2.1.2 二級指標權(quán)數(shù)確定

采用對偶比較法，將重要程度分為非常重要、很重要、重要和同等重要四個等級，把所要比較的測評指標全部配對[8]，再對指標進行比較并評分，由此得出各指標的權(quán)數(shù)。比較判斷有以下四種情況：

1）當A與B比較時，A非常重要，則A=6，B=0；

2）當A與B比較時，A很重要，則A=5，B=1；

3）當A與B比較時，A重要，則A=4，B=2；

4）當A與B同等重要，則A與B分別記為3。

對某一指標層內(nèi)各個指標進行一一對比，獲得判斷矩陣，見表1。

表1 指標判斷矩陣

當i=j時，aij=aii=ajj，即為某一指標自己與自己進行比較，無意義，在計算時可取值為0；當i≠j時，滿足aij+aji=6。

式中，為指標配對數(shù)，為指標個數(shù)（即為對角線以上a元素個數(shù)）。

全體指標配對對比總得分：

式中，，為1，2，3……

將指標歸一化處理后即為各評價指標的權(quán)重

式中，W為第個指標的權(quán)重，∑a為第個指標與其他指標配對比較總得分。

2.2 指標值同度量處理

由于各指標的量綱不同，且指標類型不一致，不便于比較分析，需要進行同度量處理，為簡單實用，采用相對化處理，所有指標實行百分制計算。

2.2.1 各指標比較標準值確定

根據(jù)指標的含義和性質(zhì)分類，確定正向指標和逆向指標。正向指標為指標值越高越好，逆向指標為指標值越低越好[9]。根據(jù)船舶在三峽河段的通航實際，確定各指標標準值Xm。

1）能見度：正向指標，標準值為1 000 m。

2）風：逆向指標，標準值為6級（對應風速10.8 m/s）。

3）流量：逆向指標，標準值為25 000m3/s。

4）地質(zhì)災害：逆向指標，標準值為小型（滑坡規(guī)模小于10萬m3）。

5）航道維護水深保證率：正向指標，標準值為98%。

6）航標維護正常率：正向指標，標準值為99%。

7）船舶監(jiān)管、通信主要設備完好率：正向指標，標準值為97%。

8）巡航水域覆蓋率：正向指標，標準值為100%。

9）監(jiān)控有效率：正向指標，標準值為100%。

10）錨地指泊、錨泊準確率：正向指標，標準值為99%。

11）人命救助成功率：正向指標，標準值為90%。

12）船東滿意度：正向指標，標準值為85。

2.2.2 每個指標的相對化得分確定

對“正向指標”，采用公式Xi/Xm進行處理，對“逆向指標”采用Xm/Xi公式來處理，可計算每個指標的相對化得分值，達到同度量的目的[6]。相對化得分超過100時按100計算。

對于控制標準是“0”的數(shù)量指標，只要一經(jīng)發(fā)生則該指標為“0”。由于該類指標屬于杜絕性重點指標，為區(qū)別發(fā)生一件與發(fā)生多件的區(qū)別，正確反映指標實際狀況，按發(fā)生一起扣100分計算，最后得分可為負分。

同度量處理計算公式：

正向指標：0≤≤100

逆向指標：0≤≤100

式中，為第個一級指標中第個統(tǒng)計指標同度量處理結(jié)果，為第個一級指標，=1,2,3；為一級指標中第個統(tǒng)計指標，=1,2,3,4,5……；為指標的實際值；為該指標的標準值。

2.3 總指數(shù)計算

1）計算二級指標指數(shù)

按不同權(quán)重計算二級指標指數(shù)。

式中，為第個一級指標中第個統(tǒng)計指標的評價權(quán)數(shù)。

2）計算一級指標指數(shù)

用各類二級指標指數(shù)，計算出各個一級指標指數(shù)。

式中，為第個一級指標，=1,2,3；為第個統(tǒng)計指標的指數(shù)。

3）計算總體指數(shù)Y

式中，是第個一級指標的評價權(quán)數(shù)。

3 結(jié)語

目前，國內(nèi)沒有對氫燃料電池動力船的航行環(huán)境安全展開系統(tǒng)研究，在船舶航行以及安全監(jiān)管方面尚未形成規(guī)章體系，仍處于探索階段。本文綜合考慮水文氣象、航道條件、交通管理等要素，圍繞氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全情況，對現(xiàn)有指標進行篩選，采用“德爾菲法”和“對偶比較法”確定了各一級、二級指標權(quán)重；根據(jù)三峽通航實際，確立了各指標標準值；最后通過對正反方向指標的同度量處理，建立了氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全指數(shù)“Y”，為氫燃料電池動力船航行環(huán)境安全指標評價提供了評判依據(jù)。

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Research on the navigation environment safety index system of hydrogen fuel cell powered ship

Shang Hua, Zhou Yinping, Tao Ruhao,Hu Shuo

(Three Gorges Navigation Authority, Yichang 443002, Hubei, China)

U674.92；TM911.4

A

1003-4862（2023）11-0064-04

2023-05-08

尚樺（1989-），女，工程師。研究方向：從事電氣技術(shù)研究和通航設備管理。E-mail:695866728@qq.com