跨海橋梁船撞風險綜合評估

郭 健，何威超

(浙江工業大學 橋梁工程研究所，浙江 杭州 310023 )

近幾年來，我國浙江省沿海地區跨海大橋發展迅猛，杭州灣跨海大橋、金塘大橋、西堠門大橋等大型跨海橋梁相繼建成通車。在海域船舶通航量逐年遞增的同時，伴隨而來的跨海橋梁船撞事件也時常發生[1]，在導致跨海大橋受損毀壞的同時，也經常會造成巨大的人員傷亡和經濟財產損失，影響交通出行。因此對跨海橋梁進行船撞風險評估，并提出對應的預防措施，保障橋梁安全運營，船只正常通行是十分有必要的[2]。

目前國內外學者對船撞橋風險評估多數集中在研究船撞概率方向，并且建立了較多運用廣泛且可靠性強的概率計算模型，例如美國AASHTO規范模型[3]、昆茲模型[4]和拉森(O.D.Larsen)模型[5]等。國內學者耿波等[6]考慮了船舶橫向分布和水位變化情況，基于昆茲模型提出了船撞三參數概率模型；戴彤宇[7]統計了長江、珠江和黑龍江上的船橋碰撞事件，建立了船撞概率分析數據庫。基于概率分析的風險評估方法能有效計算出船舶撞擊后倒塌概率，具有一定的可靠性和實用性，但也存在一定的不足，這類研究多數針對內河橋梁船撞，主要考慮船舶年通航量、偏航概率、撞擊概率等指標，而對跨海大橋船撞風險評估很少涉及，沒有充分考慮跨海大橋復雜的海域環境、水文氣象和船員海域駕駛情況等因素[8]。在其他工程領域風險評估中，層次分析法以半定性半定量多準則分析的特點被廣泛應用，并取得了不小的成果[9]。

針對跨海橋梁船撞風險評估研究方面的不足，以浙江省舟山朱家尖跨海大橋為工程背景，根據影響船撞橋風險因素具有多方面、多層次的特點，引用AHP法建立風險評估指標模型，并運用主客觀賦權得出各評判指標的權重值[10]。結合朱家尖跨海大橋橋區通航條件及某年船舶通行統計數據，采用定量分析和定性分析相結合的方式，確定風險評價指標隸屬度矩陣，引入模糊數學理論進行風險多級綜合評估[10]，形成了系統的船撞橋風險評價體系，對朱家尖跨海大橋進行船撞風險評估，并根據不同影響因素提出了預防措施。

1 船撞橋事故風險分析

對船撞橋事件開展風險分析是進行風險評估的第一階段，旨在找出所有可能導致船橋碰撞的危險源[11]。對世界范圍內跨海橋梁船撞事件進行廣泛調研，如2019年2月韓國釜山俄羅斯籍貨輪“希格蘭號”與釜山Gwangan大橋相撞事件； 2001年9月美國德克薩斯州，拖船與Queen Isabella跨海大橋相撞事件；我國2006年8月，新加坡籍貨輪與正處于施工階段的杭州灣跨海大橋相撞事件[12]；2008年3月，“勤豐128”貨輪與金塘大橋[13]非通航橋孔碰撞事件。跨海大橋船撞風險影響因素主要包括通行船只因素、船員人為因素、通航環境因素及機構管理因素4個方面[14]。根據浙江省舟山市朱家尖跨海大橋橋區通航條件及相關海事部門監管情況，給出了關于船撞橋風險的影響因素，具體如圖1所示。

2 船撞橋事故風險評估

2.1 建立風險層次評價指標模型

基于上述對跨海橋梁船撞事故風險源分析，確定風險層次評價指標模型[15]。將船橋碰撞事故風險作為一級評判指標U，確定通行船只因素、船員人為因素、通航環境因素、機構管理因素4個二級風險評價指標U=(U1,U2,U3,U4)和18個三級風險評價指標Ui=(Ui1,Ui2,……,Uij)，形成船撞風險多層次評判指標模型[16]，如表1所示。

表1 船橋碰撞風險層次評判體系Tab. 1 Index system of ship-bridge collision risk assessment

2.2 確定評價指標對應權重

采用主客觀賦權法(AHP法—熵權法)來確定評判體系中各船撞風險指標的權重，使專家批判結果與信息數據的結合，消除了AHP法過程中的人為主觀性，又避免了客觀賦權法的機械性，以確保指標權重計算可靠準確[17]。

2.2.1 AHP法主觀權重確定

以AHP法建立船橋相撞風險評判指標主觀權重[18]具體過程如下：

1) 構造判斷矩陣

將層次評判模型中處于同一階的n個評價指標進行兩兩比較來確定相對重要度，并構造重要度判斷矩陣A。

(1)

式中：A為重要度判斷矩陣；aij表示指標i相對指標j的重要度量值，采取3標度法進行賦值，如式(2)所示。

(2)

2) 計算權重集

為確保重要度判斷矩陣的準確性，需進行一致性檢驗并通過后，采用方根法得到評價指標權重集W'=[w1,w2,……,wn]T，如式(3)所示。

(3)

2.2.2 熵權法客觀權重確定

以熵權法建立船橋相撞風險評判指標客觀權重過程如下：

1) 無量綱化處理

建立船撞風險評價指標判斷矩陣B'=(Bij)m×n(Bij為第i個級別的第j個指標的屬性值)，對數據進行無量綱化處理后得B=(bij)m×n。

2) 計算評價指標熵

(4)

3) 計算客觀權重

(5)

2.2.3 主客觀組合權重計算

W為組合權重；W'為AHP法確定的指標權重；W''為熵權法確定的指標權重，故W為：

W=βW'+(1-β)W''

(6)

式中：β為偏好系數，且0≤β≤1。

考慮對AHP法確定的指標權重和熵權法確定的指標權重的偏好系數各為0.5，故組合權重為：

(7)

2.3 確定風險評判等級及隸屬度矩陣

2.3.1 確定風險評判等級

建立指標評價集V=(V1,V2, ……,VK)，以確定船撞風險指標因素集中每個指標情況。根據前人研究成果及風險評估相關規范[19]，將橋梁船撞橋風險等級分為極低、低、中、高、極高的5個等級，以Ⅰ到Ⅴ級表示并對不同風險等級進行區間賦值[20]，如表2所示。

表2 風險等級劃分標準Tab. 2 Risk evaluation criteria

2.3.2 建立評價指標隸屬度矩陣

評價指標隸屬度矩陣是用來描述各個指標對于評價等級的賦值矩陣[21]，根據朱家尖跨海大橋實際工程概況，并參照表2所示的三級評判指標等級范圍進行確定，并建立指標隸屬度矩陣。

(8)

式中：rij(i=1,2,……,m;j=1,2,……,n)為第i個指標在第j個指標評價隸屬度。

對于定性評價指標，可直接采用Delphi法確定[5]；對于定量評價指標，可由隸屬度函數確定[22]。

評價指標對于Vk和Vk+1的隸屬函數分別為：

(9)

其中，x為評價指標分值。

2.4 多層次模糊綜合評價

1) 二級指標綜合評定

由式(8)確定的三級指標隸屬度矩陣Mi和相對應的三級指標的組合權重值Wi可得二級評價矩陣Xi。

(10)

2) 一級指標綜合評定

由式(10)確定的二級評價矩陣X和相對應二級指標的組合權重值W可得一級船撞風險評價矩陣P。對于存在多個中間層的評估模型，可由下而上逐層評價。

(11)

3) 綜合評判

由式(11)確定的一級指標綜合評定P=(P1,P2,……,Pm)并結合風險等級評分區間中值V=(1,3,5,7,9)對橋梁船撞風險進行綜合評估。

D=P·V=(P1,P2,……,Pm)·(V1,V2,……,Vm)T

(12)

基于綜合評價結果，參照表2確定船撞橋風險等級，依據控制準則采取相應的風險控制對策及措施，以降低跨海橋梁船撞風險。

3 案例分析

3.1 工程背景

朱家尖跨海大橋橫跨浙江省舟山本島與朱家尖島之間的舟山海域普陀水道，按照二級公路標準設計并建設，位于G329國道上，接線公路全長10.21 km，橋長2 907 m，主橋長290 m。通航法向凈空114.0 m，凈高23.0 m，如圖2所示。朱家尖跨海大橋所處海域氣象、浪流及航船環境復雜，船撞橋風險突出。

3.2 評價指標權重結果

選定5位相關船舶撞擊風險評估領域有經驗的技術專家以及5位長期在舟山海域駕駛的船員，結合朱家尖跨海大橋實際工程及海域船舶通行環境等情況，對船撞橋風險評價指標進行相互比較確定相對重要度。根據第2.2節風險因素主觀、客觀權重值相結合的計算方法，得到船撞橋風險評判指標的權重值，如表3所示。

表3 指標權重表Tab. 3 Index weight table

將表3中各三級船撞風險評判指標組合權重值與相對應二級船撞風險評價指標組合權重值相乘，得到三級評判指標在船撞橋風險評價體系中的綜合權重值，如圖3所示。計算結果表明船員駕駛過程中操作失誤(9.2%)、身心狀態不足(8.6%)是影響船舶撞擊跨海大橋事故的主要危險因素，其次是能見度(7.9%)、風速(7.4%)等環境因素和船舶偏航(6.9%)的影響。

圖3 三級評價指標權重值Fig. 3 Risk source of ship-bridge collision accident

3.3 多層次綜合評價結果

結合定量評價指標與定性評價指標建立船撞風險層次評估模型，由圖3可得其中定量指標權重占39.2%，定性指標權重占60.8%。對于定性評價指標，根據專家問卷調查方式可一次確定指標隸屬度集。對于定量評價指標，考慮到船舶通行量、能見度、風速、水流速度等定量指標周期性波動幅度較大，且占權重比例較大，因此確立定量指標分級及量值范圍，如表4所示，并按式(9)建立定量指標隸屬度函數。

表4 定量指標等級標準Tab. 4 Quantitative index grade standard

1) 二級評價

根據對朱家尖跨海大橋相關船舶通航數據的統計，以某一天統計數據為例，當天船舶通行量約為57艘，推算年船舶通行量為20 805艘，按式(9)計算該指標隸屬度為p14=(0,0,0.459 8,0.540 2,0)； 日平均風速為5.8 m/s，隸屬度為p21=(0.88,0.12,0,0,0)；日平均能見度1 224 m，指標隸屬度為p31=(0,0,0,0.850 7,0.149 3)；其余定量指標隸屬度同理可得，按式(10)所示計算得出二級評判結果。

如船舶因素U1指標二級評價結果：

(13)

2) 一級評價

由上述計算得到的二級評判結果和對應的組合權重值，按式(11)得出一級評判結果。

(14)

3) 綜合評價

由上述計算得到一級評判結果和風險等級賦值向量，按式(12)得出朱家尖跨海大橋船撞風險綜合評價分值。

D=P·VT=(0.150 4,0.380 0,0.231 9,0.225 8,0.011 9)·(1,3,5,7,9)T=4.137 6

(15)

同理，對朱家尖跨海大橋全年通航數據做上述處理，得到全年船撞風險評價曲線，如圖4所示。

圖4 全年船撞風險綜合評價值Fig. 4 Comprehensive evaluation value of ship collision risk

由朱家尖跨海大橋全年船撞風險評價曲線得，評價值基本穩定在4.0～4.5之間，平均值為4.22，風險評價值隨時間波動較大，出現了7次波峰，由統計數據可得，二月初，橋區海域出現惡劣大霧天氣，嚴重影響船舶通航；六月海域連續降雨，水位上漲嚴重，導致風險值增大。夏季三個月為沿海臺風頻繁期，達到最大風險評價值5.12。依據表2船撞橋風險等級劃分標準，確定朱家尖跨海大橋船撞風險等級為Ⅲ級，風險概率一般，屬于可接受中風險水平，需采取對應的預防措施以降低朱家尖跨海大橋船舶撞擊風險。

3.4 風險控制對策

由上述對朱家尖跨海大橋船撞風險評判結果，提出相應措施以控制船橋碰撞風險。針對跨海大橋通航環境方面，海上大霧、夏季強臺風、暴雨等嚴重期間，管理部門加強對惡劣氣象監測、預警，及時進行信息公布[23]；針對跨海大橋通航安全監管方面，加強通訊監控，時刻關注船舶穿越跨海大橋時的異常行為，可實行船舶航行定線制，降低船舶通航速度，減少船舶偏航情況，同時完善海巡執法、應急救助等力量配置；針對船舶和人為因素，相關船舶公司加強對通航船舶定期檢查，加強對船員專業技能、安全責任意識的培訓，規范職業操作行為，嚴禁船員違章駕駛。

4 結 語

綜合考慮了影響跨海大橋船撞風險的通航環境因素、船舶因素、人為因素、管理因素4個方面，提出了18個風險評價指標。基于數學模糊理論，采用定量、定性分析方法，提出了跨海橋梁船舶碰撞模糊綜合評估模型。對浙江省舟山朱家尖跨海大橋進行了船撞安全風險評估，根據AHP主觀權重法和熵權客觀權重法得出，對船撞風險的影響因素按重要性程度依次是船員駕駛過程中操作失誤、身心狀態不足、能見度、風速以及船舶偏航情況等。根據朱家尖跨海大橋某年通航統計數據，建立船撞風險評價曲線，得出全年最大風險評價值為5.12，平均風險評價值為4.22，屬于可接受中風險水平，提出了對應的風險處置對策，為橋區海事部門明確船橋碰撞風險控制重點提供了依據。

目前仍有許多方面值得進行下一階段的探究，主要有：

1) 基于船撞橋事故分析提出的評估模型具有一定的可靠性，但對于風險指標的建立是否全面，風險等級的劃分是否合理，仍需進一步的驗證。

2) 進行定量、定性分析是基于橋區通航監控統計數據，對于新建的跨海大橋或缺乏必要通航監測數據的橋梁，該方法具有一定的局限性，仍需研究提出更為科學和可行的船撞橋風險評估方法。