基于FSA（綜合安全評估）橋區水域通航環境安全評價模型構建

■芮浩強顏忠甲（.泉州海事局，泉州　36800；.福建省寧德市地方海事局，寧德　3500）

?

基于FSA（綜合安全評估）橋區水域通航環境安全評價模型構建

■芮浩強1顏忠甲2
（1.泉州海事局，泉州362800；2.福建省寧德市地方海事局，寧德352100）

摘要本文對FSA（綜合安全評估）方法進行了介紹，FSA方法不僅是一種系統化、結構化的綜合安全評價方法,而且它應該被認為是一種風險評價的思想。在港口水域、橋區水域水上交通安全風險評價工作甚至其它風險評價時,應該始終貫穿FSA這種系統化、結構化并具有預見性、全面性的思想,使得風險評價工作可以更加實際可用、合理可信。本文選擇FSA（綜合安全評估）作為橋區水域通航環境安全風險評價的研究工具，結合層次分析法、模糊數學綜合評價數學方法，構建了橋區水域通航環境安全評價模型。

關鍵詞FSA橋區水域通航環境安全風險評價層次分析法模糊數學

1　引言

橋區水域屬于限制水域，也是船舶事故多發水域。近年來，我國對橋區水域通航安全評價研究取得了較大進展，主要表現在以下幾個方面：一對跨江大橋橋區船舶通航實船試驗及相關研究比較重視,取得了很多重要成果，如武漢理工大學劉明俊教授所帶領的學術梯隊在跨江大橋橋區船舶通航實船試驗方面做了很多研究工作,攻克了很多亟待解決的實際問題,完成了“蘇通長江公路大橋船舶通航實船試驗及模擬研究”、“蘇通大橋船舶失控漂移對橋梁的影響”、“宜萬鐵路萬州長江鐵路大橋船舶通航實船試驗及研究”、“南京長江四橋工程可行性研究階段船舶通航實船與數值模擬研究”等課題的研究；另外一種是運用現有通航標準結合數值模擬計算,或結合河工模型開展分析論證；三是圍繞船橋碰撞問題開展研究，主要包括船舶失控撞橋概率研究、橋梁船撞安全評估、船撞橋風險分析等。

目前，橋區船舶通航安全研究主要是圍繞船橋碰撞問題開展的。國際上對船－橋碰撞問題的系統研究始于上世紀80年代初。近10年來，隨著我國大量跨江、跨海大橋的設計、建造，我國對船橋碰撞問題也越來越重視，就船橋碰撞相關問題開展了大量的研究。總體來說，無論是國內還是國外，船橋碰撞相關問題的深入研究主要限于碰撞事故的發生概率風險評估、碰撞力確定方法、碰撞后橋梁的動力特性分析以及橋墩防撞結構設計方面。2007年，上海交通大學《橋區通航安全評估技術研究》課題組從預報船舶過往橋區的操縱運動和預防船－橋碰撞事故發生的角度研究船－橋避碰及其船舶橋區通航安全問題，采用實船試驗方法和計算機及操縱模擬器模擬的方法進行橋區船舶通航論證方面開展了研究，自主開發了船舶在跨江、跨海大橋橋區復雜環境條件下的操縱運動數學模型建模方法，船舶在舵、槳等控制、推進裝置的控制力和風、流等環境干擾力聯合作用下的橋區通航運動模擬方法、船舶橋區安全通航能力預報方法以及船舶橋區安全通航避碰控制策略，研發了我國具有自主知識產權的基于模擬試驗和航跡控制的船舶橋區通航安全評估軟件系統。

通過查閱文獻，在橋區水域通航安全評價研究中，研究橋區水域通航環境安全評價內容不多，環境安全是一個系統工程,它存在的危險因素是比較廣泛的。這些危險因素綜合性和專業性較強，涉及到船員管理、船舶管理（船舶檢驗）、通航環境管理、海事管理和運政管理等領域，開展橋區水域通航環境安全風險評價方法的研究具有十分重要意義。

2　 FSA（綜合安全評估）概述

FSA(Formal Safety Assessment,綜合安全評估)是國際海事組織(IMO)制定以提高船舶安全為目的的新的公約規則所采用的一種結構化、系統化的方法。它是一種綜合性、系統性和結構化的評價工具,用以幫助制定出合理可行的規則、盡可能提供風險的預防或控制方案;此外該方法既能進行事故發生之后的事后性分析,又能用于事故發生之前的預測性分析,總之它是一種事后性加預期性的規范化風險評價方法。FSA方法的運用對促進水上交通安全管理工作的科學性以及提高管理的整體水平將產生積極的影響。

船舶運輸

FU JIAN JIAO TONG KE JI

2.1國內外對FSA方法的研究與應用

國外對于FSA方法的研究起步比較早,自從FSA開始應用在水上交通安全管理工作以來,英國在這方面取得了比較好的預期效果。作為國際海事組織的A類理事國,我國交通運輸部的海事局、船級社、專業的院校以及相關研究單位的研究人員已經在FSA方法的應用上進行了初步的研究工作。早在1999年,通過結合我國的實際情況與要求并依據IMO《綜合安全評估應用暫行指南》的規定,我國船級社專門制定并頒發了《中國船級社綜合安全評估應用指南》,之后運用FSA方法對長江上的高速船舶進行了風險評估和分析,對渤海灣的客滾船舶進行了全面的FSA研究。近幾年來，我國一些專家學者對FSA方法在海上交通安全不同領域的應用進行不斷深入研究。主要在以下幾個方面：一是在通航管理方面，應用在港口水域、船舶交通管理水域、危險品碼頭通航安全評估。二是在船舶管理和船公司管理方面，應用在危險品船舶、客滾船、船舶溢油風險管理、航運公司安全管理等。三是在船舶操縱和避碰方面，在引航安全、商漁船碰撞開展了研究。四是海事和水運管理方面，開展了FSA在海事風險控制、海事立法、水運安全管理和海事監管等領域應用。

2.2 FSA方法的流程與方案

圖1　FSA流程圖

根據FSA應用指南的要求,該評價方法主要包括以下五個步驟:（1）危險因素識別;（2）風險評估;（3）風險控制方案;（4）成本與效益評估;（5）提供決策建議。其具體流程見圖1所示。由FSA的流程圖我們也可以看出,FSA方法是一種系統化、結構化的綜合評價方法,可以通過多種途徑來完成評價的過程,而且運用FSA方法進行評價還是一種反復推敲的過程。如果不考慮反復推敲,根據流程圖我們可以得到用FSA方法進行綜合評價的三種方案:

（1）危險因素識別一風險評估一風險控制方案一成本與效益評估一提供決策建議；

（2）危險因素識別-風險評估一風險控制方案一提供決策建議;

（3）危險因素識別一風險評估一提供決策建議。

通常來說,對于成本與效益評估這一過程需要被評價對象所屬領域內的各類專業人員會同分析,否則難以計算。這也是目前實施FSA方法進行評估的過程中省略這一步驟的原因之一。

3　基于FSA橋區水域通航環境安全評價模型構建

3.1危險因素識別

對于橋區水域而言,其通航環境中潛在的危險包括風、流、能見度、航道的水深條件、航道的寬度及彎曲度、橋梁通航孔凈空寬度、通航孔凈空高度、橋梁的防撞能力、船舶的流量大小、助航標志、VTS管理等等。歸納起來主要是以下四個方面的內容:

①船舶流特征：船舶密度、船舶尺度、船舶速度、船舶種類；

②水文條件：潮速、潮流、水位；

③氣象條件：大風、暴雨、臺風、霧；

④通航條件：航道彎曲度、橋軸向角。

3.2風險評估

風險評估作為FSA方法的第二個步驟,也是最為重要的一步,通過此階段建立相應的風險評價模型來量化橋梁水域通航安全的風險評價結果,本文采用模糊綜合評價的方法來建立橋梁水域通航安全的風險評價模型。模型建立主要包括以下過程:

綜合考慮橋區通航安全風險因素，水文、氣象、船舶流特征及綜合條件，將綜合安全狀態分為三層，第一層是目標層，第二層是主因素層，第三層為評價指標層。按照綜合系統集成的方法，建立了如下指標體系：

3.2.1因素集及評價集構建圖（圖2）

圖2　因素集及評價模型的構建

(1)一級模糊綜合評判

①評價因素集

U={U1,U2,U3,U4}={船舶流特征，水文條件，氣象條件，通航條件}；

②船舶流特征

U1={U11,U12,U13,U14}={船舶密度，船舶尺度，船舶速度，船舶種類}；

③水文條件

U2= {U21,U22,U23}={流速，潮流，水位}；

④氣象條件

U3={U31,U32,U33,U34}={大風，暴雨，臺風，霧}；

⑤通航條件

U4={U41,U42}={航道彎曲程度，橋軸向角}；

⑥評價集

V={V1，V2，V3，V4，V5}={險情，一般，嚴重，非常嚴重，災難}={1,2,3,4,5}

其中1,2,3,4,5實際上就是表示模糊數,用模糊數來表示一些模糊概念的目的是為了對評價結果進行量化處理。1,2,3,4,5分別對應的各評語等級如表1所示：

表1　模糊評價等級表

⑦Wi={Wi1,Wi2,Wi3…,Win}

⑧一級模糊關系矩陣

⑨一級模糊判斷矩陣

Bi=Wi×Ri={bi1,bi2,bi3,bi4,bi5}

⑩歸一化后得到標準評價矩陣

（2）二級模糊評判矩陣

①評級因素集

U={U1,U2,U3,U4}={船舶流特征，水文條件，氣象條件，通航條件}

②評價集

V={V1，V2，V3，V4，V5}={險情，一般，嚴重，非常嚴重，災難}

③二級權重值向量

Wi={Wi1,Wi2,…Wi5}

④二級模糊關系矩陣

R=(B1*，B2*，B3*,B4*,B5*)T

⑤二級模糊綜合評判矩陣

B=Wi×R=（b1,b2,b3,b4,b5）

⑥歸一化后得到標準模糊評判矩陣

3.2.2各種影響因素權重的確定

每個評價因素在綜合評價中占有不同的權重，可以采用系統工程學的兩兩比較法確定影響橋區通航安全各因素的權重。實踐證明，這種方法可靠性較高，誤差性較小。心理學家認為，一個人同時比較判斷多個因素是困難的，而兩兩比較的重要程度是完全勝任的。因此，在n個目標因素中，每次只對兩個因素進行比較，并作出如下規定（見表2）：

表2　

①比較矩陣

進行兩個因素之間重要程度的比較，得出如下結果：

x1x2…xnx1a11a12…a1nx2a21a22…a2n

………………………………………

xnan1an2…ann

船舶運輸

FU JIAN JIAO TONG KE JI

令A=[aij]m×n,稱A為比較矩陣，其中比較矩陣具有的性質為aij＞0;aij=1,aij=1/aji

②權重系數的近似計算方法

③比較矩陣一般需要一致性檢驗，檢驗方法如下求比較矩陣的特征值

表3　 RI取值表

④若CR＜O.1，則比較矩陣和求的權重系數可以被接受；否則對A加以調整，重新計算。

通過上述分析可以得到各因素的權重系數，準則層的評價指標相對于目標層的權重系數為：

W=[w1,w2,…,wn]

指標層各因素子集的內部權重系數為：

Wi=[wi1,wi2,…,win] i=1,2…,n

3.2.3隸屬度的確定

隸屬度的定義為:對于論域(即研究范圍)U中的任一元素x,若都有一個數A(x)∈[0,l]與之相對應,則稱A為U上的模糊集,A(x)稱為x對A的隸屬度[40]。當x在u中變動時,A(x)就是一個函數,稱其為A的隸屬函數。A(x)越接近于0表示x屬于A的程度越低,反之若A(x)越接近于1,表示x屬于A的程度越高。

從本質上說隸屬度函數的確定過程應該是客觀的,但由于每個人對同一模糊概念的認識理解有差異,不同的人對同一個模糊概念會建立不完全相同的隸屬度函數,因此確定隸屬度函數又常常帶有主觀性。然而盡管確立的函數形式不同,但是只要能反映同一模糊概念,在處理和解決實際模糊信息的問題時仍然能產生同樣的效果。到目前為止,隸屬度函數的確立大多還停留在經驗和實驗的基礎上。常用的隸屬度函數確立的方法有:專家經驗法、例證法、模糊統計法和二元對比排序法等。

在構建模糊評價模型的過程中,比較常用的方法是采用專家調查的方式來構造單因素評價矩陣。應用專家調查法的方式如下:專家依據其多年的經驗和看法對調查表中每一具體評價對象的每一項具體指標給予評價給分,然后通過對多位專家的打分情況進行匯總得到各項因素對應的評價等級的概數,再對這些數值經過歸一化處理就可以得到各因素對應的評價等級的隸屬度,最后就可以得到單因素評價矩陣。根據本文評價模型所分的五個等級,若運用上述方法,專家隸屬度調查表可按表4進行設計。

表4　專家隸屬度調查表

3.2.4模型建立

根據單因素評價的結果可以計算出各項指標在各個評語等級中所占的比重,從而得到評價矩陣R。

當確定了危險因素的權重集A和評價矩陣R之后,按照加權平均型的模糊算子進行矩陣的相乘,從而得到綜合評價集B,即

由于上一層次危險因素的權重系數是可知的,通過將上述評價結果來作為上一層次評價中的評價對象的隸屬度就能夠得到上一層次的綜合評價結果,依次計算就能得到最終的評價結果。本文首先對第二層次的危險因素進行評價,接著是第一層次,從而得到一個最終評價向量B。

(下轉第107頁)

3.2.5評價向量的清晰化

運用模糊綜合評價方法得到的綜合評價集B是一個模糊向量,即所評價的對象隸屬于各評價等級的隸屬度向量。確定評價對象的等級時,需要對該模糊向量反模糊化,也稱清晰化。

本文采用加權平均的方法來完成評價向量的清晰化過程，為了得到一個比較明確的評價結果,本文設定等級參數向量G=(1,2,3,4,5),通過M=B×G這一清晰化過程得到一個綜合評價的量化值M,根據M值的大小對照模糊評價等級表查找出相應的等級評語,這一評語即顯示出了目前多橋梁河段水上交通安全風險狀況的最終評價結果。

3.3提供決策建議

依據實際評價的橋梁水域的情況及其險評價的等級狀況,針對影響橋區水域通航安全系統因素，特別是重大安全風險源，制定相應的風險防范對策；也可以分別從人、機、環境、管理這四個方面提出相應的改善措施。

參考文獻

[1]郝育國.基于AHP模糊綜合評價在船舶碰撞事故責任劃分中的應用.上海海運學院學報,2004(1).

[2]曹謝東.模糊信息處理及應用,科學出版社,2003.

[3]向陽.綜合安全評估方法在船舶安全規則制定中的應用及對規范發展的影響.船舶工程,1999(5):56-58.

[4]馬占新,任慧龍.船舶綜合安全評估中的評價方法研究.系統工程與電子技術,2002,24(10).

物流交通

FU JIAN JIAO TONG KE JI