我國海上運輸關鍵節(jié)點安全評價研究

呂 靖，王 爽

（大連海事大學 交通運輸管理學院，遼寧，大連116026）

我國海上運輸關鍵節(jié)點安全評價研究

呂 靖*，王 爽

（大連海事大學 交通運輸管理學院，遼寧，大連116026）

海上運輸關鍵節(jié)點安全評價研究是保障我國海上運輸通道安全的重要環(huán)節(jié)，為科學全面評價我國海上運輸關鍵節(jié)點的安全狀況，本文建立評價指標體系，引入投影尋蹤方法構建安全評價模型，通過遺傳算法求解，對關鍵節(jié)點的安全狀況進行評價，并挖掘相關海峽的主要安全威脅.評價結果表明，涉及我國重要物資如石油、集裝箱運輸的霍爾木茲海峽、馬六甲海峽、曼德海峽及蘇伊士運河的安全水平相對較低，而且印尼地區(qū)的龍目海峽、巽他海峽及望加錫海峽的安全狀況也相對較差.評價結果為我國制定保障海上運輸安全措施及做出相關管理決策提供科學依據，對提高我國海上運輸安全性與可靠性具有重要意義.

水路運輸；安全評價；投影尋蹤；關鍵節(jié)點；運輸安全

1 引 言

保障海運通道安全是我國實現海洋強國戰(zhàn)略的重要組成部分，而節(jié)點是影響海上運輸安全暢通的關鍵因素，因此針對海上節(jié)點的安全性研究具有重要的現實意義與戰(zhàn)略意義.近年來關于相關節(jié)點的研究也越來越多，Michael Leifer[1]、張杰[2]、Yaacov Y I Vertzberger[3]、PHAM J P[4]等分別結合馬六甲海峽和霍爾木茲海峽的實際情況總結其安全影響因素.馬曉宇[5]、史春林等[6]分別闡述了中國石油運輸安全影響因素中馬六甲海峽和霍爾木茲海峽的影響因素，并提出了緩解中國石油在相關海峽運輸安全壓力的措施建議.

田平[7]采用模糊綜合評價方法分別對馬六甲和新加坡海峽水域的通航環(huán)境安全性進行評價，為過往船只提供了一定的借鑒.Xiaobo Qu等[8，9]基于AIS數據對新加坡海峽船舶航行的安全風險進行了評價.zgecan S Ulus?u等[10]詳細研究了伊斯坦布爾海峽的通行狀況，建立了船舶流量、引航等各安全影響因素的回歸模型，并提出保障海峽通行安全的措施建議.

楊仁飛[11]分別解讀了馬六甲海峽沿岸國之間、東盟國家之間及區(qū)域國家與沿岸國家之間安全合作模式的現狀，并探討了今后合作機制的可行性. Bingley Barrett等[12]論述了區(qū)域外日本、印度等國家通過加強和沿岸三國的關系以介入海峽的海上安全合作，從而保障本國在海峽的利益.Major Victor Huang[13]指出馬六甲海峽安全需要國際合作，構建合作機制是保障各國利益的重要手段.

綜上可知，對海峽安全的研究主要集中在安全影響因素的總結、應對安全威脅措施的提出、水域通航安全評價及探討構建安全合作等方面，本文在前人研究的基礎上，從我國主要物資海上運輸安全角度出發(fā)，采用投影尋蹤方法對我國海上運輸關鍵節(jié)點安全狀況進行科學綜合評價，以便正確掌握與我國海上運輸安全密切相關節(jié)點的安全現狀及主要安全威脅，為相關部門做出管理決策及制定保障措施提供依據，對于提高我國海上運輸安全，保障重要物資運輸具有一定的實用價值.

2 我國海上運輸關鍵節(jié)點安全評價指標體系構建

2.1 我國海上運輸關鍵節(jié)點

海上節(jié)點是船舶在海上航行時經過的具有特殊地理位置或者特殊供給功能的特定海上區(qū)域，本文研究的是我國海運通道中關鍵的海峽及運河，它們是影響海上運輸安全的重要因素.

2013年，海上運輸分別承擔我國2.54億t的原油進口量、7.95億t的鐵礦石進口量、3.02億t的煤炭進口量、0.75億t的糧食進口量和3.24億t的集裝箱進出口量，完成我國90%以上戰(zhàn)略物資或重要貨物的運輸，而海峽及運河是運輸航線的重要組成部分，是上述貨物運輸的必經之地，如3/4的中國進口原油要通過馬六甲海峽，因此依據我國原油、鐵礦石、煤炭、糧食及集裝箱等主要貨種的海上運輸航線，可以總結出我國海上運輸20個關鍵的海峽及運河，如表1所示.

表1 我國海上運輸20個關鍵海峽及運河Table 1 20 key straits and canals of China’s maritime transport

2.2 關鍵海峽及運河安全評價指標體系構建

遵循指標體系的構建原則，結合海峽及運河的安全影響因素，選擇關鍵海峽及運河安全評價指標，評價指標體系如表2所示.

表2 關鍵海峽及運河安全評價指標體系Table 2 The safety evaluation index system of the key straits and canals

2.3 評價指標數據采集

本文的指標數據均為客觀數據，主要從FP Marine Risks[14]、勞氏市場協(xié)會[15]、國際海事局（IMB）[16]、MarineTraffic[17]、Maritime Terrorism Research Center[18]等機構發(fā)布的資料收集整理而來.其中海峽/運河船舶流量指標是以2014年4月15日上午9時各海峽及運河的船舶流量作為數據來源，其余指標選取的是截止到2013年的數據.

3 關鍵海峽及運河安全評價

3.1 投影尋蹤模型的構建

海上安全評價方法主要包括模糊綜合評價法、灰色系統(tǒng)理論評價方法、因子分析法、云模型、投影尋蹤模型等.本文安全評價的對象是20個關鍵海峽及運河，共有16項評價指標，目的是要科學全面評價關鍵海峽及運河的安全現狀，并找出主要的安全威脅，因此需要挖掘各評價指標的特征，從而進行正確全面地評價.而投影尋蹤方法正是利用投影技術，通過尋找最佳投影方向從而最大程度反映各指標的數據特征，把高維數據轉化為低維數據，進而分析解決實際問題，因此本文選擇投影尋蹤方法進行建模.

建立關鍵海峽及運河的投影尋蹤模型主要包括海峽及運河各評價指標歸一化處理、構造海峽及運河的投影指標函數、估計海峽及運河各指標最佳投影方向和海峽及運河安全等級評價四個步驟.

（1）海峽及運河評價指標歸一化處理.

海峽及運河各指標值的原始樣本集為{x*(i,j),i=1,2,…,n,j=1,2,…,p}，其中i表示第i個海峽或運河；j表示第i個海峽或運河的第 j個指標；x*(i,j)表示第i個海峽或運河的第 j個指標值，其中n=20，p=16.為了消除海峽及運河的各個評價指標在量綱上的差異，需要對各指標進行歸一化處理，正向指標和逆向指標分別對應不同的歸一化方式.

①正向指標

②逆向指標

式中 x(i,j)——海峽及運河各指標歸一化處理后的矩陣序列；

xmin(j)、xmax(j)——分別為海峽或運河第 j個指標的最小值和最大值.

（2）構造海峽及運河的投影指標函數.

構造海峽及運河的投影指標函數Q(a)，利用投影尋蹤技術，將 p維數據綜合成以a={a(1),a(2),a(3),…,a(p)}為投影方向的一維投影值z(i).

在優(yōu)化投影指標值時，要求20個海峽和運河一維投影值z(i)的局部投影點盡可能密集，聚集成若干個點團，但是在整體上，投影的這些點團之間盡可能散開.因此，海峽及運河的投影指標函數可以表示為

式中 Sz——20個海峽及運河一維投影值z(i)的標準差；

Dz——一維投影值z(i)的局部密度，即

式中 E(z)——z(i)的平均值；

R——局部密度的窗口半徑，可以根據實驗來確定；

r(i,j)——各海峽或運河之間的距離，r(i,j)=|z(i)-z(j)|；

u(t)——一單位階躍函數，函數在t≥0時取值為1，在t＜0時取值為0.

從式（4）–式（6）可以看出，投影指標函數中只有一個參數即R，密度窗寬.選取時既要使得包含在視窗內的樣本點個數不能太少，以免樣本滑動平均時的偏差太大，同時也不能使它隨著樣本數據的增大而增加太大.而且不同的密度窗寬取值會得到不同的投影方向，得到不同的結果，因此必須找到最優(yōu)的密度窗寬才能找到最優(yōu)的投影方向，研究顯示，，通?？梢匀=p.

（3）估計海峽及運河各指標最佳投影方向.

最佳投影方向可以最大程度反映海峽及運河的綜合安全狀況，通過求解投影指標函數最大值來尋找海峽及運河的最佳投影方向.

最大化目標函數

約束條件

（4）各海峽及運河安全等級評價.

將海峽及運河投影指標函數取得最大值時的投影方向a帶入式（3），求得各海峽及運河的一維投影值z(i)，再將z(i)進行優(yōu)劣排序.z(i)越大，說明海峽或運河的安全性相對越高，而且如果z(i)與z(j)越接近，則海峽或運河i與海峽或運河 j安全狀況類似，越趨向于分為同一類.

3.2 遺傳算法求解

從式（7）–式（10）可以看出這是一個以{a(j),j=1,2,…,p}為優(yōu)化變量的復雜非線性優(yōu)化問題，從計算的復雜程度來看是一個NP問題，用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法處理較為困難，因此通過遺傳算法來求解此問題，并運用matlab軟件編程進行迭代求解，初始種群規(guī)模為n=400，交叉概率pc=0.8，變異概率pm=0.2，迭代1 000次后的收斂圖如圖1所示，結果收斂，可以有效地解決此問題.

圖1 遺傳算法收斂圖Fig.1 Genetic algorithm converges map

3.3 評價結果

利用遺傳算法求解投影尋蹤模型得到最佳投影方向向量a，如表3所示.

將最佳投影方向a帶入式（3），求得各海峽及運河的一維投影值z(i)即安全評價結果，如圖2所示.并根據一維投影值z(i)的大小，對20個關鍵海峽及運河的安全狀況進行排序，如表4所示.z(i)取值越大，說明海峽或運河的安全性越高，z(i)取值低，說明海峽或運河對于我國海上運輸安全具有較大威脅.

表3 評價指標最佳投影方向Table 3 The best projection direction of evaluation index

表4 各海峽及運河的安全評價結果（投影指標值）Table 4 Safety evaluation results of the straits and canals(projection index value)

圖2 20個關鍵海峽及運河的安全評價結果Fig.2 Safety evaluation results of 20 key straits and canals

3.4 評價結果分析

（1）20個關鍵海峽及運河安全狀況分析.

從表4的各海峽及運河的安全評價結果可以看出，我國海上運輸20個關鍵海峽及運河當中，臺灣海峽和佛羅里達海峽的安全狀況相對較好，其次是巴拿馬運河、大隅海峽及朝鮮海峽，而關乎我國重要物資如石油、集裝箱運輸的霍爾木茲海峽、馬六甲海峽、曼德海峽及蘇伊士運河的安全水平相對較低，而且，印度尼西亞地區(qū)的龍目海峽、巽他海峽及望加錫海峽的安全狀況也相對較差，對我國鐵礦石、糧食海上運輸安全產生一定威脅，同時龍目海峽和巽他海峽作為馬六甲海峽的替代通道，其較差的安全狀況會加重馬六甲海峽的安全負擔.

（2）相關海峽的主要安全威脅.

通過計算各海峽及運河各個指標的投影值可以找出安全狀況較差海峽的主要安全影響因素.曼德海峽、霍爾木茲海峽、龍目海峽、巽他海峽及望加錫海峽的主要安全威脅如表5所示.

表5 曼德海峽、霍爾木茲海峽、龍目海峽、巽他海峽及望加錫海峽不安全因素投影指標值Table 5 The insecurity projection index value of the Peter Strait、Hormuz Strait、Lombok、Sunda and the Makassar Strait

從表5可以看出，對于曼德海峽，主要有海峽所在國政局相對不穩(wěn)定、大國競相爭奪、所在國有發(fā)生軍事沖突的風險、缺乏相關組織機構等不安全因素.而對于霍爾木茲海峽，不安全因素主要體現在水深較淺、缺少可替代通道、是世界各大國競相爭奪的海上要道等方面.此外，就龍目海峽、巽他海峽及望加錫海峽而言，海峽所在國政局相對不穩(wěn)定、所在國有發(fā)生軍事沖突風險、遭受海盜與海上恐怖主義襲擊情況較為嚴重是其對我國海上運輸造成較大安全威脅的重要原因.

4 研究結論

本文采用投影尋蹤方法對與我國海上運輸安全密切相關的20個關鍵海峽及運河進行安全評價.評價結果表明，霍爾木茲海峽、馬六甲海峽、曼德海峽及蘇伊士運河等與我國石油、集裝箱運輸緊密相關節(jié)點的安全水平相對較低，而且，馬六甲海峽的替代通道龍目海峽、巽他海峽的安全狀況也相對較差.關鍵海峽及運河的安全現狀應引起國家相關組織機構的重視，從而構建保障機制、制定應對措施.同時，挖掘各海峽及運河的主要安全威脅可以為制定相關保障措施提供科學依據，從而更好地保障我國海上運輸安全.

此外，本文評價指標數據是不斷更新，動態(tài)變化的，而且隨著世界經濟的發(fā)展及國際局勢的變化，評價指標集合也會隨之變化.因此本文下一步還需不斷收集相關指標數據，更新評價指標體系，動態(tài)評價各關鍵海峽及運河的安全狀況.

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Safety Evaluation of China’s Maritime Transport Key Nodes

LV Jing,WANG Shuang
(School of Transportation Management,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning,China)

Safety evaluation of maritime transport key nodes is an important part of protecting China’s maritime transport passage.In order to play a scientific and comprehensive safety evaluation of the key nodes of China’s maritime transport,an index system is established,and the projection pursuit model and genetic algorithm are applied to evaluate the security of key nodes.Furthermore,the main security threats of the related straits are excavated.The evaluation results indicate that:the security situation of the Strait of Hormuz,Malacca,Peter and the Suez Canal is relatively poor,which have a very important impact on China’s maritime transportation of oil,container and other important materials;in addition,the Lombok Strait,the Sunda Strait and the Makassar Strait also have relatively low level of security,which are all in Indonesia.The evaluation results provide scientific basis for China to develop measures to protect the safety of maritime transport and make related management decisions,and have great significance to improve China’s maritime transport security and reliability.

waterway transport;safety evaluation;projection pursuit;key nodes;transportation safety

1009-6744（2015）01-0030-07

：U698

：A

2014-10-20

：2014-12-05錄用日期：2014-12-15

國家自然科學基金項目(71473023)；“中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助”項目(3132014311-1).

呂靖（1959-），男，遼寧大連人，教授，博士生導師.*

：dlmulujing@163.com