基于格序決策理論的LNG船舶進(jìn)出港組織方案比選

鄔惠國(guó)，劉春姣，肖英杰

(上海海事大學(xué)a.商船學(xué)院;b.航運(yùn)仿真技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201306)

0 引言

作為一種優(yōu)質(zhì)能源的液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)，各國(guó)都在對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)和利用，LNG船舶及碼頭產(chǎn)業(yè)也隨之日益繁榮.根據(jù)美國(guó)Colton公司提供的資料［1］統(tǒng)計(jì)，截至2010年3月6日在役LNG船已達(dá)到337艘，在建的有34艘，不包括已經(jīng)退役或改作他用的27艘LNG船舶.

在LNG船隊(duì)數(shù)量不斷增加并向大型化發(fā)展的同時(shí)，人們對(duì)LNG船舶發(fā)生LNG泄漏潛在威脅的關(guān)注度也大大提高，這是因?yàn)長(zhǎng)NG船舶中儲(chǔ)存的LNG總能量十分巨大.一艘16萬(wàn)m3的LNG船舶滿載時(shí)所儲(chǔ)存的LNG總能量是廣島原子彈能量的70倍左右.［1］一旦發(fā)生LNG泄漏，污染區(qū)域環(huán)境，其后果不堪設(shè)想，嚴(yán)重危及公共安全和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全.

據(jù)統(tǒng)計(jì)，以往共發(fā)生LNG船舶事故45起，在航行過(guò)程中發(fā)生的就有19起［2］，占總數(shù)的42.2%，而航行中的事故多發(fā)于船舶進(jìn)出港期間.顯然，做好LNG船舶的進(jìn)出港組織工作具有重要意義.

雖然有關(guān)危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸?shù)难芯浚?－5］可為L(zhǎng)NG運(yùn)輸提供指導(dǎo)，但缺乏針對(duì)性.國(guó)內(nèi)對(duì)LNG船舶通航安全方面的研究有:上海海事大學(xué)在《廣東珠海LNG項(xiàng)目一期工程通航安全評(píng)估報(bào)告》中提過(guò)LNG船舶進(jìn)出港的安全建議并建立進(jìn)出港交通組織方案的模型;武漢理工大學(xué)張萬(wàn)磊［6］結(jié)合實(shí)例對(duì)LNG船舶通航安全保障進(jìn)行研究.為給港口管理部門(mén)制訂LNG船舶進(jìn)出港方案時(shí)提供科學(xué)合理的選擇依據(jù)，本文將格序決策理論引入LNG船舶進(jìn)出港組織方案選擇評(píng)價(jià)中進(jìn)行研究.

序在決策方案選擇中極為重要，格序是一種既能反映決策者實(shí)際偏好、不依賴于連通性，又能滿足某些理性公理的序結(jié)構(gòu)，郭春香等［7］通過(guò)研究決策偏好結(jié)構(gòu)的格序特性，分析格序偏好結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，建立格序決策行為公理體系，并構(gòu)造基于該體系的效用函數(shù)，證明其唯一存在性，并且將最小決定集的概念推廣到非二元性選擇環(huán)境，得到相應(yīng)的最小決定集唯一存在的充分條件，初步建立格序決策理論.格序決策在管理、經(jīng)濟(jì)和工程技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用并向縱深發(fā)展，李晉等［3］在解決爆炸類危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸路徑選擇問(wèn)題時(shí)成功引進(jìn)格序決策理論，很好地說(shuō)明格序理論在多目標(biāo)群決策問(wèn)題中的適用性.

1 方案比選指標(biāo)體系的確定與量化

1.1 建立方案比選指標(biāo)體系

影響大型LNG船舶進(jìn)出港航行的因素較多，但因同一航區(qū)氣象海況背景一致，故能見(jiàn)度、風(fēng)速、流速、波高等不作為組織方案的比選指標(biāo).在對(duì)有關(guān)專家進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查的基礎(chǔ)上，本文對(duì)影響LNG船舶航行安全的諸多因素進(jìn)行必要篩選，并合理歸納整理，選擇與方案比選有直接影響的安全、高效、經(jīng)濟(jì)等管理要素，在遵循科學(xué)性、適用性、綜合性、可操作性等基本原則下，從影響港區(qū)生產(chǎn)規(guī)模、護(hù)航和警戒規(guī)模、綜合不安全因數(shù)、綜合航行費(fèi)用等4個(gè)方面構(gòu)建指標(biāo)體系.［8－9］

(1)影響港區(qū)生產(chǎn)規(guī)模X1.執(zhí)行方案對(duì)港區(qū)生產(chǎn)規(guī)模的影響是方案比選的重要指標(biāo)之一.選定組織方案實(shí)施后，對(duì)同向或相向航行的船舶進(jìn)行全程或部分航段封航，都會(huì)對(duì)主航道上其他船舶的正常航行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如港區(qū)可能出現(xiàn)泊位作業(yè)受限、裝卸完畢的船舶無(wú)法按時(shí)開(kāi)航、船舶無(wú)法按預(yù)定計(jì)劃靠泊等情況，造成船舶的非生產(chǎn)性停泊時(shí)間增加、生產(chǎn)碼頭可發(fā)揮的貨物通過(guò)能力降低等不良后果;集裝箱班輪班期延誤和正點(diǎn)率下降直接導(dǎo)致港區(qū)競(jìng)爭(zhēng)力的下降;封航使錨地資源緊張等.［8］

該指標(biāo)主要通過(guò)分析各方案執(zhí)行時(shí)對(duì)主航道交通流量的影響予以定量.

(2)護(hù)航和警戒規(guī)模X2.LNG船舶進(jìn)出港，海事監(jiān)管部門(mén)要進(jìn)行警戒任務(wù)和封航結(jié)束后的疏導(dǎo)，這都要求配備相應(yīng)規(guī)模的海巡艇護(hù)航.由于LNG船舶的航行特性對(duì)海事監(jiān)管的要求更為嚴(yán)格，所以護(hù)航規(guī)模是監(jiān)管部門(mén)比選方案的重要指標(biāo).

(3)綜合不安全因數(shù)X3.航道寬度是LNG船舶安全航行最為重要的參數(shù)，而封航方式直接影響其有效航道寬度，對(duì)安全性影響最大.［9］所以，用該負(fù)向指標(biāo)衡量方案實(shí)施時(shí)，LNG船舶自身及附近水工設(shè)施對(duì)船舶安全的影響，由專家打分法對(duì)各方案評(píng)分.

(4)綜合航行費(fèi)用X4.因LNG船舶進(jìn)出港組織要求的特殊性，方案的經(jīng)濟(jì)性也是比選考慮的重要因素.這里用綜合航行費(fèi)用［3，5］衡量所選組織方案的經(jīng)濟(jì)性.

1.2 指標(biāo)的量化

式中:F1j為選定組織方案實(shí)施時(shí)影響生產(chǎn)的規(guī)模和艘次;Fmax(Fmin)為n個(gè)實(shí)施方案中影響生產(chǎn)規(guī)模最大(最小)量和艘次.

式中:F2j為評(píng)定方案實(shí)施時(shí)，需配備護(hù)航艇數(shù)和艘次.Fmax(Fmin)為實(shí)施方案中配備護(hù)航艇最大(最小)數(shù)和艘次.

全封航，安全X31=0.1;單向動(dòng)態(tài)封航，較安全X32=0.3;不封航，極危險(xiǎn)X33=0.9;不封航，但限乘潮船舶進(jìn)出，較危險(xiǎn)X34=0.7.

式中:C為實(shí)施方案的綜合航行費(fèi)用，萬(wàn)元;Cmax(Cmin)為n個(gè)方案中最大(最小)綜合航行費(fèi)用，萬(wàn)元;c1為所選方案實(shí)施成本，萬(wàn)元;t為所選方案實(shí)施時(shí)長(zhǎng)，d;ps為社會(huì)平均勞動(dòng)生產(chǎn)率，萬(wàn)元.案例中路徑相同，通過(guò)方案實(shí)施用時(shí)估算運(yùn)輸成本.

2 方案比選評(píng)價(jià)模型

2.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣

LNG進(jìn)出港組織方案有n個(gè)，各方案指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣

則第j項(xiàng)指標(biāo)下，第i項(xiàng)評(píng)價(jià)方案的特征比重:

2.2 確定權(quán)重

信息論中熵是系統(tǒng)無(wú)序程度的一種度量.熵值可用于度量已知數(shù)據(jù)所包含的有效信息量并確定權(quán)重，在水質(zhì)評(píng)價(jià)中被廣泛應(yīng)用.陸添超［10］等在對(duì)比分析熵值法和層次分析法后，得出兩方法均較為理想的結(jié)果，這里采用熵值法確定權(quán)重.

根據(jù)熵的特性，通過(guò)計(jì)算熵值判斷某個(gè)指標(biāo)的離散程度.離散程度越大，則該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響越大.［11－12］

第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值計(jì)算如下:

式中:k=1/ln n.

對(duì)于第j項(xiàng)指標(biāo)，Pij差異越小，則ej越大，指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的比較作用越小，反之越大;當(dāng)全部Pij相等時(shí)ej=1，即指標(biāo)Pij對(duì)評(píng)價(jià)無(wú)作用.定義差異因數(shù)

對(duì)于第j項(xiàng)指標(biāo)而言，其權(quán)重因數(shù)

2.3 計(jì)算決策陣

定義算子sij=wj·Pij，則決策矩陣可寫(xiě)為

2.4 計(jì)算綜合差異值并排序

依據(jù)格序相關(guān)［7］

正理想解

負(fù)理想解

正負(fù)理想解之間的歐氏距離

方案i與正負(fù)理想解間的歐氏距離

定義方案i的綜合差異值

式中:q為樂(lè)觀因數(shù)(0＜q＜1)，由專家給出，依據(jù)方案貼近度Li(i=1，2，…，n)的大小，對(duì)方案排序.

3 實(shí)例分析

某港區(qū)，現(xiàn)有LNG船舶從港區(qū)外進(jìn)港區(qū)內(nèi)碼頭靠泊，該港區(qū)為定線制水域，案例涉及5個(gè)分道通航制、1個(gè)深水航道、3個(gè)警戒區(qū)和若干個(gè)沿岸通航帶等(見(jiàn)圖1)，航道環(huán)境較為復(fù)雜，具有代表性.

根據(jù)LNG運(yùn)輸特性、船舶操縱特性并結(jié)合港口航線的具體情況，通過(guò)24 h AIS交通流量觀測(cè)分析制訂4個(gè)可選組織方案.

圖1 LNG進(jìn)出港航道構(gòu)成

方案1:LNG船舶通航時(shí)間段內(nèi)，全部水域?qū)嵭蟹夂焦苤拼胧?見(jiàn)圖2).本方案安全性最高，但對(duì)生產(chǎn)影響最大、耗時(shí)最長(zhǎng).

圖2 方案1組織示意圖

圖3 方案2組織示意圖

方案2:與LNG船舶航線對(duì)向的航道封航;同向航行船舶需在距LNG船舶前后1 n mile安全區(qū)之外航行，禁止追越且要求控制航速;LNG船舶通過(guò)后雙向通航(見(jiàn)圖3).本方案較安全，對(duì)船舶流量影響較大.

方案3:按“前后各1 n mile范圍內(nèi)不得有其他船舶航行”規(guī)范方式實(shí)行交通管制;警戒區(qū)內(nèi)要求他船主動(dòng)避讓LNG船舶.設(shè)想在第4通航分道、2#警戒區(qū)和第5通航分道東北側(cè)開(kāi)辟寬度為300 m的LNG船舶專用航道(見(jiàn)圖4).方案3自由度大、對(duì)船舶流量影響小，但交通控制難度大、安全性低.

圖4 方案3組織示意圖

方案4:在方案3的基礎(chǔ)上，管制需要乘潮通航的大型船舶.方案4實(shí)施后，雖然大型和超大型船舶的進(jìn)出港船舶流量減少，但安全性大大增加.

基于AIS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和海事監(jiān)管部門(mén)提供的數(shù)據(jù)整理得到4個(gè)方案指標(biāo)值初值統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表1.

表1 指標(biāo)值初值統(tǒng)計(jì)表

對(duì)各指標(biāo)值予以標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 LNG船舶進(jìn)出港組織方案測(cè)評(píng)指標(biāo)

計(jì)算權(quán)重向量 w=(0.670，0.088，0.207，0.005).計(jì)算正負(fù)理想解間的歐氏距離 L=0.548 163.再求得各方案與正負(fù)理想解間的歐氏距離.設(shè)樂(lè)觀因數(shù)q=0.45，計(jì)算各方案綜合差異值，結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 方案與正負(fù)理想解之間的歐氏距離及各方案的綜合差異值

根據(jù)綜合差異值對(duì)各組織方案排序，有:方案3＞方案4＞方案1＞方案2，即方案3為L(zhǎng)NG船舶進(jìn)出港的組織方案，與案例實(shí)際實(shí)施方案選擇相符.方案3實(shí)施如下:

(1)LNG船舶進(jìn)港交通組織實(shí)施方案.自LNG船舶經(jīng)0#警戒區(qū)進(jìn)口前3 h起，核心港區(qū)定線制水域自0#警戒區(qū)至涂泥嘴環(huán)行航道范圍內(nèi)對(duì)出口船舶實(shí)施全面封航.自LNG船舶經(jīng)0#警戒區(qū)進(jìn)口前0.5 h起，所有在航的進(jìn)口船禁止經(jīng)0#警戒區(qū)進(jìn)口.LNG船舶駛離第1通航分道后，0#警戒區(qū)南北向通航;LNG船舶駛離1#警戒區(qū)后，第1通航分道對(duì)進(jìn)口船開(kāi)放;LNG船舶駛離2#警戒區(qū)后，第4通航分道對(duì)進(jìn)口船開(kāi)放;當(dāng)LNG船舶駛抵碼頭附近準(zhǔn)備靠泊時(shí)，所有定線制水域恢復(fù)通航.

(2)LNG船舶出港交通組織實(shí)施方案.LNG船舶駛離1#警戒區(qū)進(jìn)入LNG船舶專用航道后，?？课挥诒卷?xiàng)目東側(cè)碼頭的出口船可以經(jīng)第5通航分道、2#警戒區(qū)和第4通航分道出口.

4 結(jié)束語(yǔ)

將格序決策理論引入LNG船舶進(jìn)出港組織方案比選評(píng)價(jià)中，通過(guò)求解各方案綜合差異值，實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)劣排序;構(gòu)建LNG船舶進(jìn)出港組織方案優(yōu)化選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)體系中各指標(biāo)值給出量化計(jì)算方法.依據(jù)數(shù)據(jù)的熵值確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重因數(shù)，以保證整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程的客觀性和科學(xué)性.

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