船舶溢油事故定量應急處置決策方法

張志昂， 郭志新， 吳 兵， 鄭宏輝

(1.武漢理工大學 a.航運學院;b.智能交通系統研究中心， 武漢 430063;2.國家水運安全工程技術研究中心， 武漢 430063；3.廣東海事局， 廣州 510260)

船舶溢油事故可分為操作性溢油事故和事故性溢油事故2種。據統計，1990—2010年間，我國共發生船舶溢油事故(溢油超過50 t)71起，總溢油量達22 035 t。[1]溢油的應急處置對保護環境和減少經濟損失有著顯著作用。考慮到應急處置方案和影響因素較為固定，且應急處置時間較為有限[2]，快速選擇最優方案顯得尤為重要。在其他領域,該類研究已取得較多成果，例如:LI等[3]利用決策支持系統框架模型提高溢油應急反應能力和效力，并對海上溢油的現狀及其帶來的影響進行綜合評價；吳兵等[4-5]提出基于證據推理和逼近理想解排序法的應急決策方法，解決內河失控船應急處置過程中存在的不確定性問題，同時提出基于模糊推理、線性規劃和TOPSIS的群決策方法，以提高對失控船的安全管理。

根據已有研究[3]，船舶溢油事故應急處置方法分為物理法、化學法和生物法，其中常用的溢油應急處置方案[6-10]有圍油欄(A1)[7]、撇油器(A2)、吸油材料(A3)、分散劑(A4)和燃燒法(A5)[9]等5種。這些處置方法會受到溢油參數(決策準則一)、應急作業條件(決策準則二)、溢油位置(決策準則三)和溢油處置(決策準則四)的影響，構成船舶溢油事故的決策準則。這4個決策準則可細分為油品黏度、油膜厚度[3,6]等12個影響因素。需注意，在選取因素時，主要基于定量評價和實際處置約束條件考慮，文獻[6]中提出的影響因素有些并未考慮，例如“操作難易程度”往往難以定量描述，且對訓練有素的應急人員影響不大，而考慮到應急往往更關注效果，設備費用等經濟指標也不考慮。

1 船舶溢油事故應急決策問題描述

根據已有研究成果，可獲得溢油應急處置的決策方案、決策準則和影響因素，從而建立船舶溢油應急處置三層決策框架(見圖1)。

(1)

式(1)中：評價值Zi越大，表示該方案越好。

對于該決策問題，需解決好以下2個問題。

1) 獲取決策準則的權重。由于溢油應急處置的專家具有不同的知識背景、實際經驗等，其意見會存在不同的偏好;同時,考慮到時間的緊迫性，往往會采用語言變量評價不同決策準則。各專家對不同決策準則給出相應的語言評價變量，根據群模糊評價方法獲取不同決策準則的權重。

2) 獲取決策矩陣。令目標層的決策方案有H個評價等級，用來描述專家對該方案的偏愛程度，其中h值越大，該評價等級越優，各評價等級為

D={Dh,h=1,2,…,H}

(2)

對于第i個決策方案，其第j個決策準則層的第k個影響因素的評價結果為

E(ck,j(i))={(Dh,δh,k,j(i)),h=1,2,…,H}

(3)

在確定各影響因素的評價結果之后，運用證據理論對其進行融合，獲取各決策方案下的決策準則值，從而獲取不同決策方案下的決策矩陣。

2 船舶溢油事故應急決策模型

2.1 溢油事故應急決策模型框架

為實現船舶溢油事故應急決策定量建模，建立模型框架(見圖2)。

首先，建立溢油應急處置影響因素定量評價方法。其次，利用群模糊評價方法確定各決策準則的權重，并利用語言變量對其進行描述。最后，根據證據融合規則建立多準則決策矩陣，從而獲取不同決策方案的評價結果，并對這些方案進行排序。

2.2 基于語言變量的決策準則權重獲取

(4)

利用式(5)對得到的該三角模糊數值進行算數平均，利用式(6)對其進行歸一化。

(5)

(6)

2.3 基于證據推理的決策矩陣獲取

2.3.1建立影響因素定量評價方法

首先，為目標層建立五級評價等級，表示為D=(“非常差”，“差”，“中等”，“好”，“非常好”)。

其次，分別對影響因素層的定性數據和定量數據進行評價。

(1) 對于定性數據(即溢油類型和海域類型)，建立三等級的評價等級，各等級的含義見表2。

(2) 對于定量數據，按照規則推理的方法，通過設定5個與目標層評價等級相對應的可能數值，建立不同方案下的定量數據的評價等級(見表2)。

表2 定性數據和定量數據評價方法(以A3為例)

在對定性數據和定量數據進行評價之后，將影響因素層的評價標準轉換到目標層的評價標準。

2.3.2影響因素證據融合

根據文獻[14]的證據融合規則，按照各影響因素的權重對置信度進行加權，表示為lh,k,j。令PT(k),j為第j個決策準則所包含的影響因素的子集，根據式(7)～式(12)即可實現各影響因素的證據融合。

{Dh}:lh,T(k+1),j=QT(k+1),j(lh,T(k),jlh,k+1,j+

lD,T(k),jlh,k+1,j+lh,T(k),jlD,k+1,j)

(10)

lD,T(k),j=rD,T(k),j+vD,T(k),j

(11)

k=1,2,…,K-1

(12)

由此可獲得各決策準則的評價結果為

E(b(i)j)={(Dh,δh,j(i)),h=1,2,…,H}

(13)

2.3.3建立多準則決策矩陣

令u(Dh)為評價等級Dh的效用值，各效用值與其對應置信度的乘積之和即為各決策準則的評價值[14],即

(14)

對于各決策方案下的各決策準則的決策矩陣，有

(15)

3 船舶溢油應急決策實證

3.1 船舶溢油應急決策情景

2000年，一艘長為183.1 m的散裝化學品船與另一艘長為33.2 m的油船在廣州港31#浮附近(22°00′N，114°30′E)發生碰撞，當時海面風力等級為3～4級，海水流速為0.7～1.5 kn，浪高為1.0～1.5 m，海水溫度為24.1～29.1 ℃。碰撞事故發生之后，油船沉沒，溢出230 m3重油，油品的黏度為1 000～2 000 cSt，在海面上形成的油膜面積約為230 km2，油膜厚度為0.9～1.3 mm。事故發生地點距離海岸約2.8 n mile，圍油欄到達現場需1.4 h，撇油器工作需3.5 h，吸油材料吸油需2.3 h，分散劑分散需1.6 h，對溢油進行點火需2.6 h。

3.2 影響因素評價等級轉換

根據表2建立的定性數據和定量數據評價方法，實現影響因素層的評價等級與目標層的評價等級間的轉換。

1) 對于定量數據，將相對應的具體數值轉換到目標層的評價等級中，具體可通過IDS[14]軟件實現。以A3方案下的浪高為例，具體數值為1.0～1.5 m，評價結果為(0.01,0.13,0.19,0.33,0.34)。

2) 對于定性數據(即溢油類型和海域類型)，在評價之前需建立轉換矩陣，以A3方案下的溢油類型為例，與目標層評價等級對應的關系矩陣為

(16)

此時利用IDS[14]軟件即可實現不同方案下的定性數據評價結果與目標層的評價等級的轉換。

3.3 獲取決策準則權重

選取4位專家對決策準則的權重進行評價，分別為R1、R2、R3和R4。考慮到各位專家在理論知識和工作經驗方面存在差異，4位專家的權重為βn=(0.3,0.3,0.2,0.2)。各專家決策準則權重的語言變量評價結果見表3。

表3 決策準則專家評價結果

根據式(4)，可分別獲得各決策準則權重的三角模糊數，有：溢油參數為f1=(0.475,0.725,0.900)；應急作業條件為f2=(0.450,0.700,0.857)；溢油位置為f3=(0.275,0.525,0.775)；溢油處置為f4=(0.225,0.475,0.725)。

進一步根據式(5)和式(6)對各決策準則進行算數平均和歸一化之后，可得到wj=(0.296,0.282,0.222,0.200)。

3.4 獲取決策矩陣

假定各影響因素在各決策準則中的權重相同，對IDS[14]計算得到的各評價結果進行證據融合，可獲取不同方案下的決策準則的評價信息。

進一步根據式(14)獲得不同決策方案下的決策矩陣見表4。

表4 不同決策方案下的決策矩陣

3.5 最優決策方案

根據求得的決策準則權重wj和決策準則值gij，由式(1)可獲得不同決策方案的評價值(見表5)。

表5 船舶溢油應急處置方案評價結果

考慮到在實際溢油應急處置過程中通常都是先用圍油欄圍控溢油，再用其他方法處理溢油，將以上5種決策方案重新分配組合為4種方案，分別為A1A2、A1A3、A1A4和A1A5。這4種方案中均有A1，因此可通過比較組合方案中的另一種方案(即A2、A3、A4和A5)的評價值來選取4種組合方案中的最優方案。從表5中可看出，除A1方案外，A3方案為其余4種方案中的最優方案，因此A1A3為最優組合方案，該方案與實際應急情況一致，即先用圍油欄圍控溢油，再用吸油材料除去溢油。

4 結束語

本文提出一種基于證據推理和決策偏好的船舶溢油事故應急處置方法。考慮到應急處置時間緊迫及各位專家的知識背景和工作經驗存在差異，群決策中各決策者對決策準則有不同偏好，利用語言變量獲取各決策準則的權重。對于各決策準則的評價值，利用證據推理對各影響因素進行融合，獲取不同決策方案下的決策準則值，從而完成最優決策方案評選。研究結果表明，該方法很好地實現對船舶溢油事故的應急處置,考慮了海上和內河等多種水域的船舶溢油事故場景，可處理大多數船舶溢油事故。此外，采用的定量評價方法可快速、有效地評選出最優應急處置方案，具有較強的適用性和推廣性。

[1] XIONG S, LONG H, TANG G, et al. The Management in Response to Marine Oil Spill from Ships in China: A Systematic Review [J]. Marine Pollution Bulletin, 2015, 96(1-2):7-17.

[2] 吳兵, 嚴新平, 汪洋, 等. 多部門協同的內河失控船應急處置決策方法[J]. 交通運輸系統工程與信息, 2015, 15(5):16-23.

[3] LI P, CAI Q, LIN W, et al. Offshore Oil Spill Response Practices and Emerging Challenges [J]. Marine Pollution Bulletin, 2016, 110(1):6-27.

[4] 吳兵, 嚴新平, 汪洋,等. 不確定性信息下的內河失控船應急決策方法[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2016, 37(7):908-914.

[5] WU B, YAN X P, WANG Y, et al. Selection of Maritime Safety Control Options for NUC Ships Using a Hybrid Group Decision-Making Approach [J]. Safety Science, 2016, 88:108-122.

[6] 吳彤, 鄭洪波, 張樹深. 基于FAHP和FTOPSIS的海洋船舶溢油應急處置方案篩選方法[J]. 海洋環境科學, 2016, 35(1):130-136.

[7] 于桂峰, 吳宛青, 封星. 基于Fluent典型結構圍油欄適用條件數值實驗[J]. 大連海事大學學報, 2010, 36(2):117-120.

[8] 梁霄, 李巍, 林建國. 北極通航船舶溢油的運動數值預測與應急處置[J]. 海洋科學, 2011, 35(5):61-65.

[9] 趙如箱. 溢油應急反應中的現場燃燒技術[J]. 交通環保, 2002, 23(3):39-42.

[10] 鄭建中, 王靜, 王曉燕. 不同類型海岸的溢油清理方法[J]. 環境工程學報, 2008, 2(4):557-563.

[11] LIU H C, LIU L, BIAN Q H, et al. Failure Mode and Effects Analysis Using Fuzzy Evidential Reasoning Approach and Grey Theory[J]. Expert Systems with Applications, 2011, 38(4):4403-4415.

[12] 王輝, 張麗萍. 海洋石油污染處理方法優化配置及具體案例應用[J]. 海洋環境科學, 2007, 26(5):408-412.

[13] 濮文虹, 周李鑫, 楊帆,等. 海上溢油防治技術研究進展[J]. 海洋科學, 2005, 29(6):73-76.

[14] YANG J B, XU D L. On the Evidential Reasoning Algorithm for Multiple Attribute Decision Analysis Under Uncertainty [J]. IEEE Transactions on Systems Man & Cybernetics, 2002, 32(3):289-304.