氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全指標(biāo)體系研究

尚 樺，周引平，陶如豪，胡 朔

氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全指標(biāo)體系研究

尚 樺，周引平，陶如豪，胡 朔

（長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北宜昌 443002）

氫燃料電池動(dòng)力船是一種新型綠色船舶，航行安全是其成功應(yīng)用的關(guān)鍵。本文結(jié)合水文氣象、航道條件、交通管理等指標(biāo)，從總體目標(biāo)出發(fā)構(gòu)建了氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全指標(biāo)體系，采用多級(jí)綜合法建立了氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全指數(shù)，對(duì)氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全狀況評(píng)價(jià)提供了評(píng)判依據(jù)。

氫燃料電池動(dòng)力船 航行 環(huán)境 安全 指標(biāo)

0 引言

氫燃料電池系統(tǒng)在船舶上應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)能源高效、零排放和船舶舒適度提升，是綠色船舶的理想動(dòng)力推進(jìn)裝置[1]。“三峽氫舟1”是國(guó)內(nèi)首艘500 kW級(jí)氫燃料電池動(dòng)力船，采用氫燃料電池和鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)，建成后由長(zhǎng)江三峽通航管理局用于三峽庫(kù)區(qū)及兩壩間交通、巡查、應(yīng)急等工作。其航行河段位于湖北省宜昌市境內(nèi)，屬于長(zhǎng)江干流上游河段，是溝通西部和中部經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要水上通道[2]，在服務(wù)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展中具有舉足輕重的地位[3]。

考慮到氫氣點(diǎn)火能量低、燃燒范圍寬、密度低、易擴(kuò)散等性質(zhì)，氫燃料電池動(dòng)力船的安全性是影響其能否成功應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵，特別是研究氫燃料電池動(dòng)力船航行期間的環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)是非常重要的。

1 航行環(huán)境安全指標(biāo)體系

三峽河段自然環(huán)境復(fù)雜，航道（通航建筑物）運(yùn)行管理復(fù)雜，壩區(qū)水域特別是三峽大壩壩前不同水位期（蓄水期、水位消落期）呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，水位變幅大、變化快，泵船、航標(biāo)、錨地系泊等通航輔助設(shè)施調(diào)整頻繁，船舶擱淺、岸線滑坡等風(fēng)險(xiǎn)較大；大風(fēng)大霧大流量等不利水文氣象條件顯著增多且呈不規(guī)律變化。兩壩間航道狹窄曲折，水位條件復(fù)雜，并受三峽電站調(diào)峰運(yùn)行和防洪調(diào)度影響，水位、流量變幅大，尤其兩壩間“四灘一彎一關(guān)”是船舶險(xiǎn)情事故的多發(fā)地段。同時(shí)三峽河段待閘船舶居高不下，作業(yè)頻繁，船舶過壩流程復(fù)雜，交通組織較難，各種潛在風(fēng)險(xiǎn)問題比較突出。

1.1 指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全指標(biāo)體系采用三級(jí)指標(biāo)，即總體指標(biāo)——一級(jí)指標(biāo)——二級(jí)指標(biāo)。

總體指標(biāo)：即“氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全指數(shù)”，用以反映氫燃料電池動(dòng)力船在某一階段的航行環(huán)境安全狀況。

根據(jù)氫燃料電池動(dòng)力船在三峽河段通航實(shí)際情況，一級(jí)指標(biāo)采用“三加一”基本框架，即三個(gè)一級(jí)指標(biāo)、一類“一票否決”指標(biāo)。

1）水文氣象指標(biāo)（4個(gè)）：能見度、風(fēng)、流量、地質(zhì)災(zāi)害；

2）航道條件指標(biāo)（3個(gè)）：航道維護(hù)水深保證率，航標(biāo)維護(hù)正常率，船舶監(jiān)管、通信主要設(shè)備完好率；

3）交通管理指標(biāo)（5個(gè)）：巡航水域覆蓋率，監(jiān)控有效率，錨地指泊、錨泊準(zhǔn)確率，人命救助成功率，船東滿意度；

4）一票否決指標(biāo)（7個(gè)）：船舶碰撞、船舶觸碰、船舶擱淺、船舶觸礁、船舶火災(zāi)/爆炸、船舶沉沒[4]、水域環(huán)境污染事故。

1.2 航行環(huán)境安全指標(biāo)具體內(nèi)容

1）能見度：指船舶在航行中清晰觀察到距離和物體的程度。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，三峽-葛洲壩的兩壩間通航水域?yàn)槎囔F區(qū)域，主要集中在黃陵廟和石牌一帶，大霧天氣主要在春冬兩季及初夏季節(jié)[5]。

2）風(fēng)：風(fēng)能夠影響船舶的受力情況，制約船舶操控性能，進(jìn)而影響船舶的通航方向及通航速度。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，三峽大風(fēng)天氣主要發(fā)生于三峽壩上仙人橋、太平溪水域[5]，三峽-葛洲壩的兩壩間水域出現(xiàn)6級(jí)以上大風(fēng)一般是由于夏季的雷雨大風(fēng)引起。

3）流量：由于汛期流量大、流速快，極易造成三峽-葛洲壩的兩壩間上行船舶動(dòng)力不足，下行船舶速度不易控制，舵效變差，使得船舶操縱困難。

4）地質(zhì)災(zāi)害：山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)激起的巨大涌浪和截流等，大范圍的坍塌、滑落砂石雜物也會(huì)撞擊船舶。

5）航道維護(hù)水深保證率：指全年通航天數(shù)與可通航期內(nèi)航道水深不滿足航道維護(hù)水深的天數(shù)的差值與全年實(shí)際通航天數(shù)的百分比值。

6）航標(biāo)維護(hù)正常率：指在某維護(hù)期內(nèi)，扣除非維護(hù)性失常的座天數(shù)后，航標(biāo)的正常維護(hù)座天數(shù)（包括非維護(hù)性失常）與總維護(hù)標(biāo)志的座天數(shù)的百分比值。

7）船舶監(jiān)管、通信主要設(shè)備完好率：指船舶監(jiān)管、通信主要設(shè)備完好數(shù)與船舶監(jiān)管、通信主要設(shè)備考核基數(shù)的百分比值，反映船舶監(jiān)管、通信設(shè)備技術(shù)狀況。

8）巡航水域覆蓋率：指以海巡艇和海事執(zhí)法車作為主要交通工具，海事管理機(jī)構(gòu)能夠安全抵達(dá)并依法開展安全宣傳、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、監(jiān)督檢查、現(xiàn)場(chǎng)處置等工作的行為所覆蓋管轄水域面積程度。

9）監(jiān)控有效率：反映通航管理監(jiān)控過程中，監(jiān)控人員對(duì)轄區(qū)船舶跟蹤監(jiān)控實(shí)現(xiàn)情況。

10）錨地指泊、錨泊準(zhǔn)確率：指在錨地范圍內(nèi)準(zhǔn)確指泊和船舶按指令準(zhǔn)確錨泊的船舶數(shù)與在錨地范圍內(nèi)指泊的船舶總數(shù)的比值，反映工作人員對(duì)錨地及靠泊船舶掌握的程度和船舶聽從指令情況。

11）人命救助成功率：海事管理工作站點(diǎn)對(duì)遇險(xiǎn)人員展開應(yīng)急反應(yīng)所取得成功效果的程度。

12）船東滿意度：反應(yīng)三峽通航環(huán)境的重要指標(biāo)，能及時(shí)了解船東對(duì)三峽水域交通環(huán)境的客觀評(píng)價(jià)。

13）一票否決指標(biāo)：此類指標(biāo)屬于重點(diǎn)控制指標(biāo)，是船舶航行中避免出現(xiàn)的情況。在氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全指標(biāo)中選取了7個(gè)指標(biāo)，均按事件絕對(duì)數(shù)“0”標(biāo)準(zhǔn)控制，任何某一項(xiàng)指標(biāo)只要一經(jīng)發(fā)生，即可評(píng)定氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境不安全。

2 航行環(huán)境安全指標(biāo)體系的評(píng)價(jià)方法

采用多級(jí)綜合法，即對(duì)航行環(huán)境安全指標(biāo)體系的分級(jí)求出各類指數(shù)，通過賦予權(quán)數(shù)[6]，最終統(tǒng)一為綜合反映氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全指數(shù)（Y）。

2.1 指標(biāo)權(quán)數(shù)確定

對(duì)各指標(biāo)的重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)，指標(biāo)越重要，其權(quán)重就越大。權(quán)重一般進(jìn)行歸一化處理，使之介于0與1之間，各指標(biāo)權(quán)重之和等于1[7]。

2.1.1 一級(jí)指標(biāo)權(quán)數(shù)確定

采用“德爾菲法”，專家以匿名發(fā)表意見，之間不互相討論，通過多輪次調(diào)查專家對(duì)各部分權(quán)數(shù)的看法，經(jīng)過反復(fù)征詢、修改，最后形成專家基本一致的看法，作為權(quán)數(shù)的結(jié)果[6]。

2.1.2 二級(jí)指標(biāo)權(quán)數(shù)確定

采用對(duì)偶比較法，將重要程度分為非常重要、很重要、重要和同等重要四個(gè)等級(jí)，把所要比較的測(cè)評(píng)指標(biāo)全部配對(duì)[8]，再對(duì)指標(biāo)進(jìn)行比較并評(píng)分，由此得出各指標(biāo)的權(quán)數(shù)。比較判斷有以下四種情況：

1）當(dāng)A與B比較時(shí)，A非常重要，則A=6，B=0；

2）當(dāng)A與B比較時(shí)，A很重要，則A=5，B=1；

3）當(dāng)A與B比較時(shí)，A重要，則A=4，B=2；

4）當(dāng)A與B同等重要，則A與B分別記為3。

對(duì)某一指標(biāo)層內(nèi)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行一一對(duì)比，獲得判斷矩陣，見表1。

表1 指標(biāo)判斷矩陣

當(dāng)i=j時(shí)，aij=aii=ajj，即為某一指標(biāo)自己與自己進(jìn)行比較，無意義，在計(jì)算時(shí)可取值為0；當(dāng)i≠j時(shí)，滿足aij+aji=6。

式中，為指標(biāo)配對(duì)數(shù)，為指標(biāo)個(gè)數(shù)（即為對(duì)角線以上a元素個(gè)數(shù)）。

全體指標(biāo)配對(duì)對(duì)比總得分：

式中，，為1，2，3……

將指標(biāo)歸一化處理后即為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

式中，W為第個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，∑a為第個(gè)指標(biāo)與其他指標(biāo)配對(duì)比較總得分。

2.2 指標(biāo)值同度量處理

由于各指標(biāo)的量綱不同，且指標(biāo)類型不一致，不便于比較分析，需要進(jìn)行同度量處理，為簡(jiǎn)單實(shí)用，采用相對(duì)化處理，所有指標(biāo)實(shí)行百分制計(jì)算。

2.2.1 各指標(biāo)比較標(biāo)準(zhǔn)值確定

根據(jù)指標(biāo)的含義和性質(zhì)分類，確定正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)。正向指標(biāo)為指標(biāo)值越高越好，逆向指標(biāo)為指標(biāo)值越低越好[9]。根據(jù)船舶在三峽河段的通航實(shí)際，確定各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Xm。

1）能見度：正向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為1 000 m。

2）風(fēng)：逆向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為6級(jí)（對(duì)應(yīng)風(fēng)速10.8 m/s）。

3）流量：逆向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為25 000m3/s。

4）地質(zhì)災(zāi)害：逆向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為小型（滑坡規(guī)模小于10萬(wàn)m3）。

5）航道維護(hù)水深保證率：正向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為98%。

6）航標(biāo)維護(hù)正常率：正向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為99%。

7）船舶監(jiān)管、通信主要設(shè)備完好率：正向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為97%。

8）巡航水域覆蓋率：正向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為100%。

9）監(jiān)控有效率：正向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為100%。

10）錨地指泊、錨泊準(zhǔn)確率：正向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為99%。

11）人命救助成功率：正向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為90%。

12）船東滿意度：正向指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值為85。

2.2.2 每個(gè)指標(biāo)的相對(duì)化得分確定

對(duì)“正向指標(biāo)”，采用公式Xi/Xm進(jìn)行處理，對(duì)“逆向指標(biāo)”采用Xm/Xi公式來處理，可計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的相對(duì)化得分值，達(dá)到同度量的目的[6]。相對(duì)化得分超過100時(shí)按100計(jì)算。

對(duì)于控制標(biāo)準(zhǔn)是“0”的數(shù)量指標(biāo)，只要一經(jīng)發(fā)生則該指標(biāo)為“0”。由于該類指標(biāo)屬于杜絕性重點(diǎn)指標(biāo)，為區(qū)別發(fā)生一件與發(fā)生多件的區(qū)別，正確反映指標(biāo)實(shí)際狀況，按發(fā)生一起扣100分計(jì)算，最后得分可為負(fù)分。

同度量處理計(jì)算公式：

正向指標(biāo)：0≤≤100

逆向指標(biāo)：0≤≤100

式中，為第個(gè)一級(jí)指標(biāo)中第個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)同度量處理結(jié)果，為第個(gè)一級(jí)指標(biāo)，=1,2,3；為一級(jí)指標(biāo)中第個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，=1,2,3,4,5……；為指標(biāo)的實(shí)際值；為該指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值。

2.3 總指數(shù)計(jì)算

1）計(jì)算二級(jí)指標(biāo)指數(shù)

按不同權(quán)重計(jì)算二級(jí)指標(biāo)指數(shù)。

式中，為第個(gè)一級(jí)指標(biāo)中第個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的評(píng)價(jià)權(quán)數(shù)。

2）計(jì)算一級(jí)指標(biāo)指數(shù)

用各類二級(jí)指標(biāo)指數(shù)，計(jì)算出各個(gè)一級(jí)指標(biāo)指數(shù)。

式中，為第個(gè)一級(jí)指標(biāo)，=1,2,3；為第個(gè)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的指數(shù)。

3）計(jì)算總體指數(shù)Y

式中，是第個(gè)一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)權(quán)數(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)沒有對(duì)氫燃料電池動(dòng)力船的航行環(huán)境安全展開系統(tǒng)研究，在船舶航行以及安全監(jiān)管方面尚未形成規(guī)章體系，仍處于探索階段。本文綜合考慮水文氣象、航道條件、交通管理等要素，圍繞氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全情況，對(duì)現(xiàn)有指標(biāo)進(jìn)行篩選，采用“德爾菲法”和“對(duì)偶比較法”確定了各一級(jí)、二級(jí)指標(biāo)權(quán)重；根據(jù)三峽通航實(shí)際，確立了各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值；最后通過對(duì)正反方向指標(biāo)的同度量處理，建立了氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全指數(shù)“Y”，為氫燃料電池動(dòng)力船航行環(huán)境安全指標(biāo)評(píng)價(jià)提供了評(píng)判依據(jù)。

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Research on the navigation environment safety index system of hydrogen fuel cell powered ship

Shang Hua, Zhou Yinping, Tao Ruhao,Hu Shuo

(Three Gorges Navigation Authority, Yichang 443002, Hubei, China)

U674.92；TM911.4

A

1003-4862（2023）11-0064-04

2023-05-08

尚樺（1989-），女，工程師。研究方向：從事電氣技術(shù)研究和通航設(shè)備管理。E-mail:695866728@qq.com