長江航道航行環境風險評價

佟馨+江福才+郭顏斌+張帆+馬全黨

摘要：為對長江航道環境風險進行評價，利用物元可拓理論和熵權法，建立熵權物元可拓評價模型。以自然環境、通航條件、交通環境為一級指標，12個風險因素為二級指標組成風險評價體系。在該模型中，對量化的評價指標進行歸一化處理，構建長江航道航行環境風險等級評估的經典域、節域和待評物元。通過熵權法確定指標權重，利用該模型計算關聯函數值并進行關聯度分析，確定長江航道航行環境風險等級及其變量特征值。選取長江江蘇段某航段為實例，運用該模型定量評價該航段航行環境風險的大小。評價結果與實際情況相符，證明了模型的準確性和適用性。

關鍵詞： 物元可拓模型； 長江； 航行環境； 風險評價

中圖分類號： U698 文獻標志碼： A

Abstract： In order to evaluate the navigation environment risk of the Yangtze River， using the matter-element extension theory and the entropy weight method， the entropy-weight matter-element extension assessment model is built. The risk assessment system is established， where the primary indices include the natural environment， the navigation condition and the traffic environment， and the secondary indices contain 12 risk factors. In the model， the quantified evaluation indices are normalized. The classical domain， the joint domain， and the matter element to be evaluated about the risk level evaluation of navigation environment in the Yangtze River are constructed.The weight of each index is determined by the entropy weight method. By the model， the correlation function value is calculated and the correlation degree is analyzed so as to determine the risk level of navigation environment in the Yangtze River and its variable eigenvalue. A segment of Jiangsu section in the Yangtze River is selected as an example， and the navigation environment risk of the segment is quantitatively evaluated by the model.The evaluation result is consistent with the actual situation， which verifies the accuracy and applicability of the model.

Key words： matter-element extension model； Yangtze River； navigation environment； risk assessment

0 引 言

內河船舶引航是一項具有高風險性的工程活動。[1]對船舶引航安全影響最大的因素是航道的航行環境。航道航行環境的好壞直接影響駕駛員和引航員的配備以及保障措施的落實等。

目前對航行環境的研究主要集中在海港以及沿海航道，例如：溫清洪[2]根據湄洲灣航道的特點，選取10個風險指標組成風險評價體系，并利用模糊數學法建立了湄洲灣航道通航風險評價模型；郭濱[3]為研究天津港的通航安全，首先通過專家打分的形式確定指標權重，然后采用模糊綜合評價法實現了對天津港的航行危險度評價；聶細亮等[4]基于模糊綜合評價法對青島港主航道及大橋島航道的航行環境進行評估，最終結果與實際情況相符，證明了模型的可行性；賈明明等[5]從自然環境、航道條件、交通環境等3個方面分析了航道的通航環境特點，并通過灰色模糊理論建立了航道通航風險評價模型，并以廣州坭洲頭航道為實例驗證了方法的可行性。航行環境研究方法主要有模糊綜合評價法、層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）等，例如：孫雯等[6]基于AHP對長江福南水道的航行安全進行評價，發現自然環境是導致福南水道風險高的主要原因，并提出了相應的防控對策；于定勇等[7]用AHP和模糊綜合評價法對膠州灣航道的通航環境進行了分析。上述方法對指標的評定受人為因素影響較大，因此運用這些方法所得到的研究結果的客觀性有待進一步考量。

目前，物元評價模型已廣泛應用于采礦工程[8]、環境評價[9-10]等諸多領域。郭生茂等[11]以20座礦山的巖爆指標為樣本數據，結合熵權法和物元可拓模型預測巖爆的風險等級。莫崇勛等[12]綜合利用物元評價模型和博弈論法分別評價了南寧市未來5年和15年水資源承載力，并通過優化相關節水指標，實現對水資源的合理使用。ZHANG等[13]利用物元可拓模型對企業的創新能力進行評價， 通過計算最大關聯度對創新能力進行評價和分類，最終證明了模型的可行性和有效性。DANG等[14]基于熵權物元法建立了新的新能源鼓勵政策評價模型，經實例驗證后證明了熵權物元評價模型比傳統模型更加合理、靈活和客觀。FAN等[15]采用熵權物元法對區域物流產業生態系統的健康狀況進行評價，并選取8省為例對模型進行驗證，最終認為熵權物元法具有可行性和有效性。endprint

從上述研究結果可知，物元模型在風險評價中的應用較廣，且評價結果與實際情況吻合度較高。因此，采用熵權物元可拓模型客觀評價長江航道航行環境風險。熵權物元可拓模型通過距的概念擴大關聯函數的值域范圍，以區間的形式劃分風險等級，從而更科學、更全面地評價事物相對于某集合的隸屬度。將物元可拓理論與熵權法相結合，利用熵權法確定影響航道環境安全的風險因子權重，利用物元可拓理論對航道引航環境風險進行評價，并與駕引人員的主觀判斷相比較，驗證方法的可靠性，從而為駕引作業風險判斷提供理論支撐和相關依據。

1 長江航道航行環境風險指標體系

1.1 長江航道航行環境風險分析

長江內河航道受地形、水深和自然環境的影響大，航行環境復雜多變，航行風險較為突出。長江航道航行環境包括自然環境、通航條件和交通環境等3個方面。

1）自然環境。自然環境分為水文和氣象兩部分。氣象條件包括氣溫、風、雨、霧、雷暴、寒潮等。水文條件包括潮汐、潮流等。對船舶航行影響較大的自然因素主要有風、流、雨等。長江水域在春夏季有偏南風，秋冬季有偏北風，而長江干線主要為東西向，因此船舶在長江中航行遭遇橫風的情況較多，船舶保向難度大，壓載船舶和空載船舶所受的影響更為明顯。不同于海港，長江各水道水文條件差異大。長江從上游到下游漲潮潮量和落潮潮量逐漸增加，枯水期漲潮潮量明顯大于洪水期。流壓變化較大，彎曲航段存在掃彎水。此外，長江流域雨水充足，年平均霧日約占全年的十分之一，因此由雨、霧等導致的能見度不良天氣較為常見。雖然現在船舶基本配備雷達、AIS等設備，但是受航道、船舶交通流的影響，船舶在能見度不良的情況下發生水上交通事故的概率將大大增加。

2）通航條件。通航條件主要包括航道基本尺度（長度、寬度、深度、最大轉向角等）、礙航物、轉向點、交叉點等。航道長度越長，船舶的航行時間也就越長，因此航行過程中出現突發情況、駕駛疲勞、操作失誤等的概率就越大，進而航行事故的發生概率將增加。隨著長江水域船舶流量的增加以及船舶的大型化，航道寬度成為導致船舶發生碰撞事故的重要因素。長江內航道多蜿蜒曲折，因此航道的彎曲度也是導致航行環境風險的重要因素。船舶在江面上航行時，障礙物會直接影響其正常安全航行，限制其航行空間。長江干線礙航物對船舶通航安全的影響是由礙航物與航道的距離決定的，礙航物與航道的距離越近，通航的危險性越大。此外，航道中的轉向點以及交叉點會增大船舶的會讓頻率，造成船舶避讓困難等。

3）交通環境。交通環境包括船舶流量、過江渡船、導助航設施等。近年來長江水域船舶流量不斷攀升，導致航道內船舶密度增大，船舶發生碰撞事故次數明顯增多。長江水域的過江渡船在穿越航道時會大大增加船舶的航行風險。如尹功洲水道狹窄、船舶流量大、水流急，而該水道內的長江#100-1上游有孩溪到江心洲汽渡線穿越，因此此處船舶會讓概率大，航行風險大。長江助航標志設置的原則為在滿足水深的前提下，江面有多寬，航標所標示的航道就有多寬，因此造成了航道不順直，船舶駕引人員在實際航行中找標困難等問題。

1.2 確定評價指標體系

通過對長江航道航行環境風險的分析，可確定長江航道航行環境的主要風險因素。為保證評價指標不受人的主觀因素的影響，經篩選最終選擇了12個可量化的風險因素組成長江航道航行環境風險評價指標體系。此外，各危險度影響因子對應5個風險評定等級，分別為低危險度、較低危險度、一般危險度、較高危險度和高危險度，見表1。

2 長江航道航行環境風險評價

2.1 建立熵權物元可拓模型

2.1.1 確定模型的經典域、節域和待評物元

物元可拓模型綜合物元理論和可拓數學[16]兩種方法，通過定性分析和定量計算的方法解決模糊問題和不確定問題，通過多指標來評價事物，其原理如下所示。

2.2 實例應用

2.2.1 確定待評物元

長江江蘇段是長江引航船的主要集中水域，航行環境復雜，船舶交通流密度大，水上交通事故發生率較高。因此，選取長江江蘇段某段航道作為評價對象。該段航道具有“南港北錨”的特點，且船舶靠離泊、橫越作業較多。通過查找文獻、實地調研、發放問卷以及咨詢專家意見等方式，得到該航道的指標評價值以及對應的歸一化值，見表2。

通過表2結果可知，該段航道航行環境主要風險有：每年6級以上風天數較多，航道最小有效寬度較小，距航道最近礙航物距離小（較高危險度），船舶流量較大，過江渡船的艘次較多。

2.2.2 航道航行環境風險物元的構造

2.2.4 評價指標權重及待評物元的關聯度計算

根據式（5）～（8）得到各指標的權重為w=（w1，w2，…，w12）=（0.026，0.022，0.096，0.198，0.061，0.034，0.010，0.119，0.119，0.044，0.045，0.226）。

根據式（9）求得待評航道航行環境風險關于各等級的關聯度為Kp=（-0.418 2，-0.238 3，-0.184 3，-0.530 2，-0.463 7）。

結合式（9）得到待評航道引航環境風險等級為N3級，表示該段航道的引航環境風險為一般風險。

2.3 對評價結果的驗證

為檢驗評價結果的準確性，將計算結果與具有多年駕引經驗的引航員和船員們的認知進行比對。經過整理分析，所有船舶駕引人員均認為待評價航道的航行環境處于“較低”或“一般”危險等級，且認為“一般”的船舶駕引人員居多。船舶駕引人員認為在該段航道船舶交通密度較大，且航道內的船舶易與過江渡船交叉會遇，因此駕引人員應謹慎駕駛、加強瞭望、密切注意他船動態。此外橫風可能導致船舶偏離航線，因此遇大風天氣時需提前配好風流壓差，把定航線，必要時到安全地點避風。大型船舶在航行過程中，應加強與周圍船舶的溝通，減少追越情況的發生，并熟悉航道中的礙航物位置，提前做好避讓措施。在船舶適航、船員適任的條件下，上述風險經正確的船舶操縱后均可有效避免，因此認為此航段的航行環境為一般危險。熵權物元可拓模型評價結果表明，待評價航道的風險等級為一般風險。說明評價結果與航道的航行環境客觀事實較為一致，證明了熵權物元可拓模型在評估航道環境風險方面的準確性和適用性。endprint

3 結 論

（1）引入熵權法與物元可拓理論，建立了熵權物元可拓評價模型，對長江內河航道的航行風險進行評價。選取由3個一級指標、12個二級指標（即危險度影響因子）構成的評價指標體系，運用熵權法充分利用客觀數據確定風險評價指標的權重，可有效避免權重分配受主觀因素影響的情況發生。對評價指標做定量化處理，并對評價指標進行歸一化處理，使得評價指標具有可比性，從而得到較準確的航道航行環境的風險等級。

（2）在實例運用中，選取長江江蘇段某段航道的航行環境進行風險評價，結合風險評價模型得到該段航道的航行風險處于“一般”風險等級，計算結果與駕引人員對該段航道航行風險的主觀評判結果相符，驗證了模型的有效性和實用性。

（3）建立的熵權物元可拓模型適用于長江內河的所有航道航行環境的風險評價，可為駕駛員和引航員的安全航行提供理論參考。

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（編輯 趙勉）endprint