基于GIS的船閘故障風險區域劃分研究

鄒俊杰

（江蘇省交通運輸廳港航事業發展中心，江蘇 南京 210029）

江蘇省內河水運發展條件優越，規劃省干線航道里程4010 公里。通航環境復雜，全省干線航道網涉及長江、淮河、太湖和沂沭泗水系，共計建設有交通管理船閘42 座。隨著運輸結構調整的推進，江蘇內河水運在綜合交通運輸體系中地位愈發重要。2021年，全省干線航道仍然維持較為繁忙的水平，船閘過閘總量保持高位水平，共過閘船舶291.7 萬艘次，過閘貨物22.9 億噸，開啟74.8 萬閘次。為進一步保障正常船閘運行，提升水上應急保障能力，需對單個船閘可能出現故障的風險做定量分析，并在空間上劃定故障風險較為集中的區域，以用有限的資金提供最高效的應急保障力量。

1 船閘故障類型及主要影響因素分析

1.1 船閘主要故障類型及特征

通過對江蘇省現有船閘的實地調研，目前船閘故障可大致分為水下故障、機械故障、電氣故障三大類，反映在故障現象上大多為閘、閥門不能正常啟閉、出現異響、通信與電力異常、控制系統失靈等情況。

（1）水下故障呈現“數量占比多、專業要求高”的特征，該類故障占比約55%，常見情況為閘、閥門構件脫落、砂石混凝土、樹根形成的水下障礙物引起閘閥門啟閉異常。故障的處理較為簡單，需要清除水下礙航物，但需要專業的潛水員下水手動作業。

（2）機械故障呈現“數量占比中等、處理難度大”的特征，該類故障占比約30%，常見情況為閘、閥門及構件故障，一般為閘門節桿彎曲、閥門閥件損壞以及油箱漏油等故障，以及由于水位上漲、暴雨造成的機械進水失靈。故障的處理相對復雜，處理時間長，對船閘影響較大，需要機械專業人員或者廠家技術人員進行處理。

（3）電氣故障呈現“數量占比少、處理難度適中”的特征，該類故障占比約15%，常見情況為電氣控制系統故障，PLC 構件或模塊損壞，開關或電纜等供電系統燒毀。故障的處理相對簡單，大多僅需更換損壞的模塊，但部分故障較為隱蔽的情況需廠家技術人員進行處理。

1.2 船閘發生故障的主要影響因素

通過對船閘常見的水下故障、機械故障、電氣故障的分析，故障發生的影響因素主要有船閘的運行、周邊的通航環境、自身設備狀況等3 大類。

（1）船閘運行方面，具體表現為船閘開放閘次、船閘通過船舶大小、船閘未來年運行狀態。船閘開放閘次越多，對應通過船舶數量越多，進而使得機械使用頻次、磨損情況、掉落礙航物的可能越大，易發生水下故障、機械故障、電氣故障。船閘通過船舶的噸位越大，使得船舶碰撞閘門等情況下發生水下故障或機械故障的概率越高，也使得修復難度、修復時間越長。此外未來年船閘位于江蘇省干線航道主通道上，會使得開發閘次、通過船舶噸級越大，對應船閘發生故障的可能性越高。

（2）船閘通航環境方面，具體表現為船閘設計水頭差、船閘周邊水系情況。船閘設計水頭差越大，對應船閘、閥門在每次啟閉中承受的外界力越大，對相關構件磨損越大，一旦發生故障的維修難度也越大，易引發水下故障、機械故障。船閘周邊水系情況，主要是江蘇沿江、沿海口門船閘受潮汐的影響，受力情況更為復雜，更易引發相關故障。

（3）船閘設備狀況方面，具體表現為船閘建設（大修）的年份，船閘建設（大修）年份越近的船閘，其供電設施、電氣模塊越為先進，其自身發生故障的概率越小。

2 單個船閘故障風險值計算模型

2.1 層次結構模型建立

通過層次分析法，將可能造成船閘故障風險的主要因素進行分組，每組視為1 個層級，并將各層級視為目標層、第一準則層和第二準則層，進而構建了船閘故障風險影響因素層級結構模型。本文結合前文船閘發生故障的主要影響因素，從船閘運行風險、船閘通航環境風險、船閘設備狀況風險3 個層次構建了6 個指標。

表1 ：船閘故障風險大小影響因素層次結構模型

2.2 指標權重計算

測算指標權重的確定可通過統計方法、成對比較方法、熵值法、AHP 方法和專家估測法等等。其中，專家估測法滲入專家主觀意識較多；運用熵值法與AHP法工作量較大，但所得結果較為客觀。結合觀測點布設方案評價指標體系，采用AHP 方法確定評價指標的權重。

在層次分析法中，判斷矩陣的權數可通過求出正規化的特征向量而得，采用算術平均法。計算步驟如下：

（1）將判斷矩陣的每一列正規化

（2）按每一行進行加總

式中：為判斷矩陣，為中各評價指標的兩兩比較值，表示向量的第i 個分量。查找相對應的平均一致性指標進行一致性檢驗，通過一致性檢驗后，最終可獲得各層次因素權重。

表2 船閘故障風險大小影響因素權重

2.3 指標計算方法

在上述指標的計算中，充分考慮指標與風險之間的相關關系，并采用定量計算與定性分析的方式對各指標進行數值化計算，各類指標的數據均來自于官方統計數據或規劃，具備一定的公正性。各項指標計算具體計算方法如下：

（1）船閘現狀每年開放閘次數u11 的分值：某船閘2020年開放閘次數/全省船閘2020年開放閘次數量的最大值×該指標的權重。

（2）船閘現狀每年通過船舶的平均噸位大小u12的分值：通過基礎分與增項分求和。其中基礎分得分為該指標權重×0.6；增項分通過所有船閘平均噸位的差值計算而得，得分為（某船閘2020年通過船舶的平均噸位－全省船閘通過船舶平均噸位的最小值）×[（該指標權重×0.4）/（全省船閘通過船舶平均噸位的最大值－全省船閘通過船舶平均噸位的最小值）]。

（3）船閘未來年船舶運行情況u13 的分值：若為二級主通道得分為該指標權重×1；若為三級主通道得分為該指標權重×0.8；若為三級次通道得分為該指標權重×0.6。

（4）船閘水頭差u21 的分值：通過基礎分與增項分求和。其中基礎分=該指標權重×0.6；增項分通過所有船閘水頭的差值計算而得，得分為（某船閘的水頭－全省所有船閘水頭的最小值）×[（該指標權重×0.4）/（全省所有船閘水頭的最大值－全省所有船閘水頭的最小值）]。

（5）船閘是否位于沿江沿海口門處u22：若為口門船閘得分為該指標權重×1；若不是口門船閘得分為該指標權重×0。

（6）建設年代u3：各線船閘建設年代對應分值，最高分為該指標權重。其中“2000年～至今” 得分為指標權重×0.25、“1980年～1999年” 得分為指標權重×0.5、“1979年之前”得分為指標權重×0.75。

表2 各指標計算方式及數據來源

2.4 計算結果

結合上述分析，以100 分制對全省42 座船閘發生故障風險大小進行計算，結果表明全省船閘因運行強度、地理位置等因素的不同，船閘之間的風險值相差較大，各風險值區間范圍內船閘數量分布均勻。其中風險值在40-50 之間的船閘有10 個，在51-60 之間的船閘有個10 個，在61-70 之間的船閘有8 個，在71-80 之間的船閘有8 個，在80-85 之間的船閘有6 個。

圖1 全省42 座船閘風險值大小示意圖

3 全省船閘故障風險區域劃分

江蘇水網密布，各市均有船閘分布，但近期全省應急資金有限，需在全省范圍內選擇船閘風險分布較為集中區域布置應急力量，以能快速有效地效應對可能發生的故障。在風險區域的劃分上，充分考慮現有船閘空間位置的分布，同時結合各船閘計算出的風險值大小，利用GIS 中的核密度估計（kernel density estimation，KDE）在空間進行分析，劃定風險區域。

3.1 分析方法

核密度估計是在概率論中用來估計未知的密度函數，屬于非參數檢驗方法之一。KDE以每個樣本點i（x，y）的位置為中心，通過核密度函數計算每個樣本點在指定范圍內（半徑為h 的圓）各個網格單元的密度貢獻值，距中心處樣本點距離越近密度越大，隨著距離衰減，到范圍邊緣處密度為0。

本文研究用核密度估計法分析江蘇省船閘風險聚集范圍，根據各區域密度數值的不同劃分船閘風險區域，其中為各船閘的風險計算值大小，h 為50 公里。

3.2 劃分結果

全省交通船閘風險空間分布主要呈現“集聚分布、層次分明”的特征，全省形成了4 個相對集聚的區域，分別為揚州區域、南通區域、淮安－宿遷區域、連云港區域。

圖2 全省船閘風險核密度空間分布圖

3.3 船閘風險區域劃分

結合交通船閘風險空間分布的特征，將揚州區域、南通區域、淮安－宿遷區域、連云港區域的4 個區域劃分為全省風險防范重點區域，建議由省級港航部門指導建設，承擔自身及周邊區域較大事件的處理。

4 研究結論

（1）利用層次分析法構建船閘故障風險計算指標體系，更加清楚地分析了船閘不同運行指標對故障風險的影響，從而全面、客觀、長遠地定量化表示，能夠為決策提供直觀的依據。

（2）利用GIS 模型，構建全省航道、船閘模型，能夠使用空間數據分析風險集中區域，進而劃分重點防范區，能夠有效地減少規劃過程中的隨意性和不準確性，具有客觀性、合理性和科學性。