膠州灣航道通航環(huán)境危險(xiǎn)度分析＊

于定勇，劉洪超，史大運(yùn)，王昌海

（中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100）

航道作為航運(yùn)資源中的重要組成部分，是連接港口與外界的紐帶。航道通航安全和港口的發(fā)展關(guān)系密切。港口企業(yè)要求航道通航環(huán)境能夠滿足其發(fā)展的需要，即通航環(huán)境的危險(xiǎn)度在企業(yè)可接受的范圍內(nèi)。

航道通航環(huán)境是指船舶移動(dòng)所處的空間與條件，包括航行水域的自然條件、航道條件及交通狀態(tài)［1］。如何科學(xué)、合理的確定航道通航環(huán)境體系和進(jìn)行危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者提出了不同的方法。小林弘明［2］提出了以操船難度為指標(biāo)的航行環(huán)境評(píng)價(jià)方法，操船難度則通過將自然條件（風(fēng)、流、霧等）、交通管理及航行環(huán)境等因素進(jìn)行定量分析確定。新井康夫［3］對(duì)影響操船操縱能力的環(huán)境因素進(jìn)行了量化分析，并驗(yàn)證了這些選定因素與操船者主觀感覺之間的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)來判斷這些環(huán)境因素對(duì)船舶航行安全的客觀影響。井上欣三［4］通過定量計(jì)算操船環(huán)境和航行環(huán)境對(duì)船員造成的壓力值，提出了基于環(huán)境壓力模型的操船困難度的評(píng)價(jià)方法。鄭中義［5］應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論中的指標(biāo)定權(quán)聚類法分析了影響船舶航行安全的環(huán)境因素。趙仁余［6］提出了基于事故統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的水域航行危險(xiǎn)度的多層次模糊綜合評(píng)價(jià)法。吳兆麟［7］從人、船、環(huán)境的角度對(duì)船舶航行危險(xiǎn)度進(jìn)行了分析，并提出利用安全指數(shù)法來分析航道航行危險(xiǎn)度。雖然國內(nèi)外學(xué)者在航道通航環(huán)境體系和危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方面提出了多種方法，但由于通航環(huán)境和評(píng)價(jià)目標(biāo)的相關(guān)因素變化和差異較大，這些方法對(duì)具體海域通航環(huán)境危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)的適用性仍需進(jìn)一步研究。

隨著膠州灣港口經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，膠州灣海運(yùn)業(yè)愈加繁榮，膠州灣水域通航環(huán)境也出現(xiàn)了新的形勢(shì)，如貨物運(yùn)輸船舶數(shù)量迅速增加、進(jìn)出港口船舶大型化、渡輪航線和班次增加、港區(qū)擴(kuò)大和航道分支增多等。為進(jìn)一步分析新形勢(shì)下膠州灣航道通航環(huán)境的安全性，本研究利用AHP－模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)膠州灣的航道通航環(huán)境危險(xiǎn)度進(jìn)行研究，分析影響其航道通航安全的主要環(huán)境因素，并給出了膠州灣通航環(huán)境的危險(xiǎn)程度。

1 航道通航環(huán)境危險(xiǎn)度

航道通航環(huán)境危險(xiǎn)度是指由于自然環(huán)境與航行環(huán)境等因素的影響，使船舶在航道航行時(shí)發(fā)生事故的一種度量［8］。本研究將通航環(huán)境下船舶發(fā)生事故的危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)論域定義在｛－2，－1，0，1，2｝區(qū)間，分別表示危險(xiǎn)度｛高，較高，一般，低，較低｝。

2 AHP方法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是美國運(yùn)籌學(xué)家Saaty等人在20世紀(jì)70年代提出的一種定性與定量分析相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法，適用于分析多屬性、多目標(biāo)和多準(zhǔn)則系統(tǒng)的決策問題［9］，主要步驟如下［9－10］：

1）建立層次結(jié)構(gòu)

在應(yīng)用層次分析法之前，需要根據(jù)具體情況建立評(píng)價(jià)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，便于對(duì)所評(píng)判的對(duì)象進(jìn)行層次分析，確立清晰的分級(jí)指標(biāo)體系。

2）構(gòu)造判斷矩陣

AHP的信息來源于人們對(duì)每一層次各因素的相對(duì)重要性的判斷，這些判斷用數(shù)值表示出來，組成判斷矩陣。為使各元素之間進(jìn)行兩兩比較得到量化的判別矩陣，參照有關(guān)研究成果引入下列標(biāo)度及含義（表1）。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Table 1 Symbols and meanings of judge matrix

3）重要性排序

由判斷矩陣P，求出最大根λmax及所對(duì)應(yīng)的特征向量W，將特征向量W單位化后即為評(píng)價(jià)因素的權(quán)重。具體步驟如下：

（1）將判斷矩陣每一列歸一化

（2）每一列經(jīng)歸一化后的判斷矩陣按行相加

所得到的：W＝［W1，W2，…，Wn］Γ即為所求特征向量。

（4）計(jì)算判斷矩陣最大特征根λmax

式中（AW）i表示向量AW 的第i個(gè)分向量。

4）一致性檢驗(yàn)

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，使用以下公式：

式中，CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率；CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)；RI為判斷矩陣的一致性指標(biāo)，對(duì)于11階以內(nèi)的判斷矩陣，RI的值列于表2。

表2 一致性指標(biāo)Table 2 Consistency index

3 模糊綜合評(píng)價(jià)法

航行環(huán)境危險(xiǎn)度分析過程中涉及到許多模糊概念，征求的專家意見也帶有一定的模糊性。模糊評(píng)價(jià)是一種應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的“模糊綜合評(píng)價(jià)”原理進(jìn)行安全評(píng)價(jià)的方法，屬于定性評(píng)價(jià)的一種方法［11］。模糊綜合評(píng)價(jià)一般涉及3個(gè)要素：因素集、評(píng)價(jià)集、單因素評(píng)價(jià)。在單因素評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行多因素的模糊綜合評(píng)價(jià)。

對(duì)第i個(gè)因素的單因素模糊評(píng)價(jià)為V上的模糊子集：Ri＝（r1，r2，…，rn）。

由此，單因素評(píng)判矩陣R為：

4 膠州灣航道通航環(huán)境危險(xiǎn)度分析

本文通過以下步驟來對(duì)膠州灣航道通航環(huán)境危險(xiǎn)度進(jìn)行分析。

4.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)因素采用專家調(diào)查法（Delphi）來確定，采用的調(diào)查表27份，其中船員6份，青島港工作人員9份，青島海事局7份，引航員5份。根據(jù)調(diào)查結(jié)果確定了指標(biāo)體系，其由二級(jí)指標(biāo)構(gòu)成（圖1）。

圖1 膠州灣航道通航環(huán)境因素Fig.1 The navigation environmental factors in the channels of the Jiaozhou Bay

4.2 構(gòu)造并求解判斷矩陣

以危險(xiǎn)度為參量，分析各評(píng)價(jià)因素對(duì)航道通航安全影響程度，按影響分為危險(xiǎn)度低、危險(xiǎn)度較低、危險(xiǎn)度一般、危險(xiǎn)度較高和危險(xiǎn)度高5個(gè)等級(jí)，分別給出了9個(gè)評(píng)價(jià)因素的危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示［13－14］。在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，得到9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)。

采取專家調(diào)查法對(duì)層次中各評(píng)價(jià)因素對(duì)“航道通航環(huán)境危險(xiǎn)度”的相對(duì)重要程度進(jìn)行打分獲取權(quán)重系數(shù)，通過AHP中的層次單排序法確定層次中各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重，得到航道通航環(huán)境危險(xiǎn)度各因素的權(quán)重，判斷矩陣如下：

第一層航道航行環(huán)境因素判斷矩陣：

得到相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)：λmax＝4.004，CI＝0.0013，RI＝0.89，CR＝0.0015＜0.1。

第二層水文氣象因素指標(biāo)判斷矩陣：

得到相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)：λmax＝3.002，CI＝0.001，RI＝0.52，CR＝0.002＜0.1。

第二層航道狀況因素指標(biāo)判斷矩陣：

得到相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)：λmax＝4.012，CI＝0.004，RI＝0.89，CR＝0.005＜0.1。

表3 評(píng)價(jià)因素危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Risk criteria of evaluation factors

4.3 航道航行環(huán)境安全模糊綜合評(píng)價(jià)

膠州灣航道通航環(huán)境各影響因素的代表值如表4所示。

表4 膠州灣通航環(huán)境各因素代表值Table 4 Representative values of navigation environmental factors in the channels of the Jiaozhou Bay

將各評(píng)價(jià)因素調(diào)查數(shù)據(jù)代入相應(yīng)的隸屬函數(shù)中，得到模糊評(píng)判矩陣R：

評(píng)判集的危險(xiǎn)度從高到低分為5個(gè)等級(jí)，V＝｛高，較高，一般，較低，低 ｝，將評(píng)價(jià)集的危險(xiǎn)度進(jìn)行量化，高危險(xiǎn)度由－2表示，低危險(xiǎn)度由＋2表示，V＝｛－2，－1，0，1，2｝。由自然條件U1下的3個(gè)因素U11、U12和U13可以得出自然條件的綜合評(píng)價(jià)向量B1，由航道狀況U2下的4個(gè)因素U21、U22、U23及U24可以得出航道狀況綜合評(píng)價(jià)向量B2，交通量及助航設(shè)施無次級(jí)評(píng)價(jià)因素，其綜合評(píng)價(jià)向量分別為B3、B4。單因素綜合評(píng)價(jià)向量如下：

總的模糊綜合評(píng)價(jià)向量為B＝W（1）·R＝［0.056 0.271 0.341 0.095 0.064］。

運(yùn)用加權(quán)平均法對(duì)水文氣象、航道狀況、交通量及助航設(shè)施及最終的綜合評(píng)價(jià)向量進(jìn)行處理。得到結(jié)果如下：

1）水文氣象單因素分析：

結(jié)果位于［－1，0］，處于“危險(xiǎn)度較高”與“危險(xiǎn)度一般”之間，傾向“危險(xiǎn)度較高”。

2）航道狀況單因素分析：

結(jié)果位于［－1，0］，處于“危險(xiǎn)度較高”與“危險(xiǎn)度一般”之間，傾向“危險(xiǎn)度一般”。

3）交通量單因素分析：

處于“危險(xiǎn)度一般”與“危險(xiǎn)度較低”之間，傾向“危險(xiǎn)度一般”。

4）助航設(shè)施單因素分析：

危險(xiǎn)度等級(jí)為“危險(xiǎn)度較低”。

5）綜合評(píng)價(jià)向量分析：

結(jié)果位于［－1，0］，處于“危險(xiǎn)度較高”與“危險(xiǎn)度一般”之間，傾向“危險(xiǎn)度一般”。

從水文氣象、航道狀況、交通量、助航設(shè)施及綜合評(píng)價(jià)向量的評(píng)判結(jié)果來看，水文氣象是對(duì)膠州灣航道通航環(huán)境安全影響最大的因素，其危險(xiǎn)度指標(biāo)最高，其次是交通量、航道狀況和助航設(shè)施。

5 結(jié) 論

隨著膠州灣兩岸經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，膠州灣通航環(huán)境發(fā)生了較大變化。本研究調(diào)查了影響膠州灣航道通航安全的各環(huán)境因素，并運(yùn)用AHP－模糊綜合評(píng)價(jià)法分析了膠州灣通航環(huán)境危險(xiǎn)度狀況，結(jié)果表明，膠州灣航道通航環(huán)境的危險(xiǎn)度為“一般”；在影響膠州灣通航環(huán)境安全的因素中影響最大的是水文氣象因素，其次分別為交通量、航道狀況和助航設(shè)施。本研究結(jié)果為進(jìn)一步提高膠州灣通航環(huán)境安全性判定提供了參考。

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