大型船舶進(jìn)出上海港航行風(fēng)險(xiǎn)分析

關(guān)忠河， 胡甚平

(1. 上海港引航站， 上海 200082; 2. 上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306)

上海港自古以來是長(zhǎng)江沿岸各港口的咽喉要道。地處長(zhǎng)三角龍頭區(qū)域的上海港迅速發(fā)展，將被建設(shè)成為國(guó)際航運(yùn)中心。2016年上海港引航站引領(lǐng)船舶突破7萬艘次，盡管船舶趨向大型化，但是進(jìn)出上海港的大型船舶數(shù)量和通航密度呈逐年遞增的趨勢(shì)。通航情況更趨繁忙和復(fù)雜，這給水上運(yùn)輸帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也給水上交通安全帶來更多的風(fēng)險(xiǎn)。因此，了解和把握船舶航行的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，對(duì)確保船舶安全航行具有十分重要的作用。

以往的文獻(xiàn)，對(duì)船舶作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行很有成效的量化研究。文獻(xiàn)[1]通過對(duì)新加坡海峽交通實(shí)態(tài)進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析方法，在確定組合權(quán)重的基礎(chǔ)上，獲得與實(shí)際情況相一致的不同航段的交通環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)排序。文獻(xiàn)[2]結(jié)合廣州港水域船舶航行安全的實(shí)際情況，確定可能導(dǎo)致事故的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，明確解決航行安全問題。文獻(xiàn)[3]從人、船舶和環(huán)境分析大型散貨船夜間進(jìn)出天津港的風(fēng)險(xiǎn)，提出安全保障措施及建議。但這些研究?jī)H突出分析船舶作業(yè)的總體風(fēng)險(xiǎn)，不能表現(xiàn)船舶作業(yè)過程的風(fēng)險(xiǎn)變化。

本文結(jié)合大型船舶(系指船長(zhǎng)LOA>250 m，吃水D>10 m的海運(yùn)船舶)進(jìn)出上海港水域的實(shí)際情況，對(duì)船舶港口水域航行的過程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，以此來研究船舶航行風(fēng)險(xiǎn)的隨機(jī)性和波動(dòng)性特性。

1 航行水域簡(jiǎn)介

進(jìn)港航行A輪先從外海進(jìn)入上海港北槽深水航道，途經(jīng)圓圓沙警戒區(qū)、外高橋航道和外高橋沿岸航道，見圖1。北槽深水航道為人工疏浚航道，總長(zhǎng)43 n mile，海圖水深為12.5 m，D12燈浮上下游的航道底寬分別為350 m和400 m，設(shè)標(biāo)寬度分別為500 m和550 m。D13燈浮上游為往復(fù)流，D13燈浮下游為旋轉(zhuǎn)流。

圓圓沙警戒區(qū)是上海港南槽航道和北槽航道的交會(huì)處，是上海港最復(fù)雜和危險(xiǎn)的航行水域之一，此警戒區(qū)上游北面是吳淞錨地，上游南面是外高橋碼頭，南槽航道的進(jìn)口船與北槽航道的進(jìn)出口船若在此交會(huì)，雙方都應(yīng)該特別謹(jǐn)慎航行。

過了圓圓沙警戒區(qū)就進(jìn)入外高橋航道，此時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備靠泊，船員和拖船需各自到位，大型船舶一般配備2至3艘大功率拖船(大功率拖船指拖船功率﹥2 940 kW)在保證安全的前提下應(yīng)盡可能降低船速以利于掉頭靠泊。如不掉頭，也需要和周圍船舶加強(qiáng)溝通聯(lián)系，確定穿越航道時(shí)機(jī)。在拖船協(xié)助下，大型船舶的轉(zhuǎn)向角速度一般在每分鐘15°～20°，掉頭時(shí)是最危險(xiǎn)的時(shí)刻。以轉(zhuǎn)向90°為例，大型船舶需5～6 min，由于要穿越出口航道，所以要主動(dòng)避讓正常出口船，利用VHF和出口船協(xié)調(diào)聯(lián)系。如果本船吃水D﹥11 m，由于碼頭前沿水深限制，掉頭轉(zhuǎn)向角速度明顯變慢，旋回圈明顯增大，應(yīng)引起足夠的重視。此種情況要和出口船有2 n mile以上距離方可安全掉頭。掉頭時(shí)還要估算本船的漂移距離D，D=潮流速度V×掉頭時(shí)間t×80%。如不掉頭，也需要估算風(fēng)流因素引起的風(fēng)流壓夾角。

2 船舶進(jìn)出港航行風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 船舶進(jìn)出港航行風(fēng)險(xiǎn)分析

船舶進(jìn)出港航行的風(fēng)險(xiǎn)形成原因是一個(gè)多層次、復(fù)雜的大系統(tǒng)。它是由人、船舶、環(huán)境、管理組成的一個(gè)有機(jī)整體。船舶進(jìn)出港航行系統(tǒng)由自然(吃水水深之比、流向和流速、風(fēng)向和風(fēng)速、能見度)、地理(航道寬度與船長(zhǎng)之比、航道彎曲度)、交通(船舶密度、交通秩序、交通流速度)、船舶(當(dāng)事船舶對(duì)環(huán)境的響應(yīng)效率)、船員(當(dāng)事駕駛臺(tái)人員控制船舶的能力)等多種影響因素構(gòu)成。

為使動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有準(zhǔn)確性和客觀性，需要以系統(tǒng)、科學(xué)和可操作性為準(zhǔn)則對(duì)影響因素進(jìn)行選擇。因此，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和獲取數(shù)據(jù)的實(shí)際情況，選取“船舶”和“環(huán)境”為主要研究對(duì)象，分析自然、地理與交通和船舶相互作用引發(fā)船舶風(fēng)險(xiǎn)，則評(píng)價(jià)指標(biāo)集U0={U1,U2,U3,U4,U5}。這5個(gè)因素相互關(guān)聯(lián)、相互影響，形成船舶進(jìn)出港口航行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因素的有機(jī)整體。

2.2 物元模型

物元分析法主要是用事物的狀態(tài)M、指標(biāo)C和量值x等3要素來描述事物不同時(shí)空下的狀態(tài)，組成物元R的基本元。R表示狀態(tài)M的一個(gè)物元(M,C,x)。

事物某一時(shí)刻的狀態(tài)M有n個(gè)指標(biāo)C1，C2，…，Cn，相應(yīng)的量值記作x1，x2，…，xn，則此M的n維物元記作：

(1)

若事物有m個(gè)狀態(tài)M1，M2，…，Mm，具有n個(gè)共同的指標(biāo)C1，C2，…，Cn，事物Mj的指標(biāo)Ci對(duì)應(yīng)的量值是xij，則復(fù)合物元矩陣為

(2)

2.3 計(jì)算關(guān)聯(lián)度Kj

關(guān)聯(lián)度的實(shí)質(zhì)是某個(gè)事物與標(biāo)準(zhǔn)事物關(guān)聯(lián)性大小的量度。采用加權(quán)平均集中處理，有

Rk=Rw°Rξ=

(3)

式(3)中：Kj為第j個(gè)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)度；Rk為由m個(gè)關(guān)聯(lián)度所組成的關(guān)聯(lián)度復(fù)合物元。

2.4 熵權(quán)法確定權(quán)重

用信息熵評(píng)估所獲系統(tǒng)信息的有序度及其效用。[1]用評(píng)估指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標(biāo)權(quán)重，能夠盡可能消除各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的主觀因素影響，使評(píng)估結(jié)果更能夠與實(shí)際情況一致。采用熵權(quán)法確定評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的步驟如下：

以wi(i=1,2,…,n)表示某一時(shí)刻M的狀態(tài)，第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，則事物各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重復(fù)合物元Rw為

(4)

設(shè)某事物有m個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)有n個(gè)指標(biāo)，第j個(gè)狀態(tài)的第i個(gè)指標(biāo)的值為xij(1≤i≤n,1≤j≤m)，則初始矩陣為

X=(xij)(n×m)

(5)

可得各指標(biāo)的權(quán)重為

W=(w1,w2,…,wn)

(6)

2.5 將復(fù)合物元矩陣變換為隸屬度矩陣

1) 效益型量值變換為

i=1,2,…n;j=1,2,…m

(7)

2) 將隸屬度矩陣變換為關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

關(guān)聯(lián)系數(shù)和隸屬度系數(shù)可以互相轉(zhuǎn)換，即

ξij=μij

(8)

ξij為第j個(gè)狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)間第i項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，由此可得關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為

(9)

2.6 關(guān)聯(lián)度排序

求出關(guān)聯(lián)度后，按照最大關(guān)聯(lián)度原則，對(duì)關(guān)聯(lián)度進(jìn)行比較，從而獲得最符合要求的解。關(guān)聯(lián)度大者為強(qiáng)，關(guān)聯(lián)度小者為弱。用K*=max(K1,K2,…,Km)表示最大關(guān)聯(lián)度，它所對(duì)應(yīng)的事物就是最符合要求的事物。

3 算 例

選取外高橋水域，以某大型船舶在大潮汛中浚高潮前5 h備車進(jìn)港，從長(zhǎng)江口北槽航道D6燈浮水域航行到外高橋港區(qū)2期碼頭為例，分析船舶進(jìn)出港航行的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況。

3.1 船舶風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估

根據(jù)設(shè)定的情景條件，對(duì)5個(gè)影響因素每隔0.5 h采集一次樣本數(shù)據(jù)，采用調(diào)查問卷法得到影響因素的定性判定數(shù)據(jù)。各因素風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)劃分為強(qiáng)+(A)，強(qiáng)(B)，中等(C)，弱(D)，弱-(E)5個(gè)狀態(tài)。

時(shí)間與區(qū)域劃分：以船舶航行0.5 h為1個(gè)時(shí)間單位，T0為進(jìn)港登船時(shí)間，T1為進(jìn)港0.5 h，…，T10靠泊結(jié)束，得到調(diào)查表見表1。

根據(jù)調(diào)查表中定性的評(píng)價(jià)，需要進(jìn)行量化轉(zhuǎn)化，本文選定高斯分布獲取隨機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)出港從備車到靠泊5 h中11個(gè)時(shí)刻下狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)因子量化數(shù)據(jù)(一次隨機(jī))見圖2。

表1 不同時(shí)域船舶進(jìn)出港靠外高橋碼頭風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查表

3.2 基于熵權(quán)物元模型的風(fēng)險(xiǎn)仿真

以自然(吃水水深之比、流向和流速、風(fēng)向和風(fēng)速、能見度)、地理(航道寬度與船長(zhǎng)之比、航道彎曲度)、交通(船舶密度、交通秩序、交通流速度)、船舶(當(dāng)事船舶對(duì)環(huán)境的響應(yīng)效率)、船員(當(dāng)事駕駛臺(tái)人員控制船舶的能力)為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素，以每隔0.5 h的不同時(shí)域?yàn)檠芯繉?duì)象，應(yīng)用熵權(quán)物元分析方法進(jìn)行計(jì)算，確定不同時(shí)域下各因素對(duì)該水域的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)度大小。計(jì)算步驟如下：

1) 首先根據(jù)熵權(quán)法，將風(fēng)險(xiǎn)因子量化數(shù)據(jù)得出不同因素所占權(quán)重Rw。

Rw=

2) 再由式(7)、式(8)和式(9)計(jì)算出各風(fēng)險(xiǎn)因子的隸屬度Rξ。

3) 最后根據(jù)式(3)得到該水域的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)度Rk。

得到該水域不同時(shí)域動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)仿真見圖3。倘若對(duì)表1中的定性數(shù)據(jù)(11個(gè)時(shí)刻下狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)因子)進(jìn)行多次隨機(jī)量化，同理多次隨機(jī)仿真，可以得到多次仿真下的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)度結(jié)果。

從圖3可看出：

1) 總體風(fēng)險(xiǎn)分布呈現(xiàn)“U”型，并且風(fēng)險(xiǎn)變化的連續(xù)性相對(duì)穩(wěn)定。影響整體風(fēng)險(xiǎn)呈波動(dòng)性分布的因素主要有：

(1) 整個(gè)長(zhǎng)江口航道地理情況特殊，同時(shí)來往船舶較多，船舶流量較大；

(2) 船舶在航行時(shí)，會(huì)根據(jù)需要改變航向，受到自然因素即潮流潮高、橫流等的影響，使風(fēng)險(xiǎn)值增加。

2) 不同時(shí)段船舶航行的風(fēng)險(xiǎn)值差異性大，顯示了船舶進(jìn)出口港風(fēng)險(xiǎn)具有波動(dòng)性，需要船舶駕駛員和引航員引起注意。

3) 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要分布在長(zhǎng)江口航道進(jìn)口D3～D13位置附近和靠近外高橋碼頭附近，航道航行的中段時(shí)期風(fēng)險(xiǎn)水平一般，但局部還是有變化的。

4)K8～K9為穿越圓圓沙警戒區(qū)航段，是上海港南槽航道和北槽航道的交會(huì)處，來往船舶較多，船舶流量較大，風(fēng)險(xiǎn)值急劇上升，應(yīng)特別小心謹(jǐn)慎駕駛船舶。

5)K9～K10航段靠離泊0.5 h內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，當(dāng)事駕駛臺(tái)人員控制船舶時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎駕駛，降低航行風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

影響船舶進(jìn)出港安全航行的因素是動(dòng)態(tài)變化的，不同時(shí)段的影響因素作用不同。船舶進(jìn)出港風(fēng)險(xiǎn)仿真具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和時(shí)域性?；陟貦?quán)的物元模型，能夠從數(shù)據(jù)本身所反映的信息無序化程度來客觀、合理反映船舶航行的整體動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。通過隨機(jī)條件的仿真應(yīng)用，可得出過程風(fēng)險(xiǎn)的基本特性。

通過對(duì)船舶進(jìn)出港風(fēng)險(xiǎn)的分析可知：交通因素即船舶密度、交通秩序是首要影響因素。次要影響因素為自然(潮流潮高、橫流)、地理(人工航道寬度與水深、轉(zhuǎn)向點(diǎn))。船員(當(dāng)事駕駛臺(tái)人員對(duì)控制的響應(yīng)效率)和船舶(當(dāng)事船舶對(duì)控制的響應(yīng)效率)影響相對(duì)較小。