基于格序决策理论的LNG船舶进出港组织方案比选

邬惠国，刘春姣，肖英杰

(上海海事大学a.商船学院;b.航运仿真技术教育部工程研究中心，上海 201306)

0 引言

作为一种优质能源的液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)，各国都在对其进行开发和利用，LNG船舶及码头产业也随之日益繁荣.根据美国Colton公司提供的资料［1］统计，截至2010年3月6日在役LNG船已达到337艘，在建的有34艘，不包括已经退役或改作他用的27艘LNG船舶.

在LNG船队数量不断增加并向大型化发展的同时，人们对LNG船舶发生LNG泄漏潜在威胁的关注度也大大提高，这是因为LNG船舶中储存的LNG总能量十分巨大.一艘16万m3的LNG船舶满载时所储存的LNG总能量是广岛原子弹能量的70倍左右.［1］一旦发生LNG泄漏，污染区域环境，其后果不堪设想，严重危及公共安全和人民群众的生命财产安全.

据统计，以往共发生LNG船舶事故45起，在航行过程中发生的就有19起［2］，占总数的42.2%，而航行中的事故多发于船舶进出港期间.显然，做好LNG船舶的进出港组织工作具有重要意义.

虽然有关危险化学品运输的研究［3－5］可为LNG运输提供指导，但缺乏针对性.国内对LNG船舶通航安全方面的研究有:上海海事大学在《广东珠海LNG项目一期工程通航安全评估报告》中提过LNG船舶进出港的安全建议并建立进出港交通组织方案的模型;武汉理工大学张万磊［6］结合实例对LNG船舶通航安全保障进行研究.为给港口管理部门制订LNG船舶进出港方案时提供科学合理的选择依据，本文将格序决策理论引入LNG船舶进出港组织方案选择评价中进行研究.

序在决策方案选择中极为重要，格序是一种既能反映决策者实际偏好、不依赖于连通性，又能满足某些理性公理的序结构，郭春香等［7］通过研究决策偏好结构的格序特性，分析格序偏好结构的性质，建立格序决策行为公理体系，并构造基于该体系的效用函数，证明其唯一存在性，并且将最小决定集的概念推广到非二元性选择环境，得到相应的最小决定集唯一存在的充分条件，初步建立格序决策理论.格序决策在管理、经济和工程技术领域得到广泛应用并向纵深发展，李晋等［3］在解决爆炸类危险化学品运输路径选择问题时成功引进格序决策理论，很好地说明格序理论在多目标群决策问题中的适用性.

1 方案比选指标体系的确定与量化

1.1 建立方案比选指标体系

影响大型LNG船舶进出港航行的因素较多，但因同一航区气象海况背景一致，故能见度、风速、流速、波高等不作为组织方案的比选指标.在对有关专家进行问卷调查的基础上，本文对影响LNG船舶航行安全的诸多因素进行必要筛选，并合理归纳整理，选择与方案比选有直接影响的安全、高效、经济等管理要素，在遵循科学性、适用性、综合性、可操作性等基本原则下，从影响港区生产规模、护航和警戒规模、综合不安全因数、综合航行费用等4个方面构建指标体系.［8－9］

(1)影响港区生产规模X1.执行方案对港区生产规模的影响是方案比选的重要指标之一.选定组织方案实施后，对同向或相向航行的船舶进行全程或部分航段封航，都会对主航道上其他船舶的正常航行产生严重影响，如港区可能出现泊位作业受限、装卸完毕的船舶无法按时开航、船舶无法按预定计划靠泊等情况，造成船舶的非生产性停泊时间增加、生产码头可发挥的货物通过能力降低等不良后果;集装箱班轮班期延误和正点率下降直接导致港区竞争力的下降;封航使锚地资源紧张等.［8］

该指标主要通过分析各方案执行时对主航道交通流量的影响予以定量.

(2)护航和警戒规模X2.LNG船舶进出港，海事监管部门要进行警戒任务和封航结束后的疏导，这都要求配备相应规模的海巡艇护航.由于LNG船舶的航行特性对海事监管的要求更为严格，所以护航规模是监管部门比选方案的重要指标.

(3)综合不安全因数X3.航道宽度是LNG船舶安全航行最为重要的参数，而封航方式直接影响其有效航道宽度，对安全性影响最大.［9］所以，用该负向指标衡量方案实施时，LNG船舶自身及附近水工设施对船舶安全的影响，由专家打分法对各方案评分.

(4)综合航行费用X4.因LNG船舶进出港组织要求的特殊性，方案的经济性也是比选考虑的重要因素.这里用综合航行费用［3，5］衡量所选组织方案的经济性.

1.2 指标的量化

式中:F1j为选定组织方案实施时影响生产的规模和艘次;Fmax(Fmin)为n个实施方案中影响生产规模最大(最小)量和艘次.

式中:F2j为评定方案实施时，需配备护航艇数和艘次.Fmax(Fmin)为实施方案中配备护航艇最大(最小)数和艘次.

全封航，安全X31=0.1;单向动态封航，较安全X32=0.3;不封航，极危险X33=0.9;不封航，但限乘潮船舶进出，较危险X34=0.7.

式中:C为实施方案的综合航行费用，万元;Cmax(Cmin)为n个方案中最大(最小)综合航行费用，万元;c1为所选方案实施成本，万元;t为所选方案实施时长，d;ps为社会平均劳动生产率，万元.案例中路径相同，通过方案实施用时估算运输成本.

2 方案比选评价模型

2.1 建立评价指标矩阵

LNG进出港组织方案有n个，各方案指标评价矩阵

则第j项指标下，第i项评价方案的特征比重:

2.2 确定权重

信息论中熵是系统无序程度的一种度量.熵值可用于度量已知数据所包含的有效信息量并确定权重，在水质评价中被广泛应用.陆添超［10］等在对比分析熵值法和层次分析法后，得出两方法均较为理想的结果，这里采用熵值法确定权重.

根据熵的特性，通过计算熵值判断某个指标的离散程度.离散程度越大，则该指标对综合评价的影响越大.［11－12］

第j项指标的熵值计算如下:

式中:k=1/ln n.

对于第j项指标，Pij差异越小，则ej越大，指标对系统的比较作用越小，反之越大;当全部Pij相等时ej=1，即指标Pij对评价无作用.定义差异因数

对于第j项指标而言，其权重因数

2.3 计算决策阵

定义算子sij=wj·Pij，则决策矩阵可写为

2.4 计算综合差异值并排序

依据格序相关［7］

正理想解

负理想解

正负理想解之间的欧氏距离

方案i与正负理想解间的欧氏距离

定义方案i的综合差异值

式中:q为乐观因数(0＜q＜1)，由专家给出，依据方案贴近度Li(i=1，2，…，n)的大小，对方案排序.

3 实例分析

某港区，现有LNG船舶从港区外进港区内码头靠泊，该港区为定线制水域，案例涉及5个分道通航制、1个深水航道、3个警戒区和若干个沿岸通航带等(见图1)，航道环境较为复杂，具有代表性.

根据LNG运输特性、船舶操纵特性并结合港口航线的具体情况，通过24 h AIS交通流量观测分析制订4个可选组织方案.

图1 LNG进出港航道构成

方案1:LNG船舶通航时间段内，全部水域实行封航管制措施(见图2).本方案安全性最高，但对生产影响最大、耗时最长.

图2 方案1组织示意图

图3 方案2组织示意图

方案2:与LNG船舶航线对向的航道封航;同向航行船舶需在距LNG船舶前后1 n mile安全区之外航行，禁止追越且要求控制航速;LNG船舶通过后双向通航(见图3).本方案较安全，对船舶流量影响较大.

方案3:按“前后各1 n mile范围内不得有其他船舶航行”规范方式实行交通管制;警戒区内要求他船主动避让LNG船舶.设想在第4通航分道、2#警戒区和第5通航分道东北侧开辟宽度为300 m的LNG船舶专用航道(见图4).方案3自由度大、对船舶流量影响小，但交通控制难度大、安全性低.

图4 方案3组织示意图

方案4:在方案3的基础上，管制需要乘潮通航的大型船舶.方案4实施后，虽然大型和超大型船舶的进出港船舶流量减少，但安全性大大增加.

基于AIS统计数据和海事监管部门提供的数据整理得到4个方案指标值初值统计表，见表1.

表1 指标值初值统计表

对各指标值予以标准化处理，计算结果见表2.

表2 LNG船舶进出港组织方案测评指标

计算权重向量 w=(0.670，0.088，0.207，0.005).计算正负理想解间的欧氏距离 L=0.548 163.再求得各方案与正负理想解间的欧氏距离.设乐观因数q=0.45，计算各方案综合差异值，结果见表3.

表3 方案与正负理想解之间的欧氏距离及各方案的综合差异值

根据综合差异值对各组织方案排序，有:方案3＞方案4＞方案1＞方案2，即方案3为LNG船舶进出港的组织方案，与案例实际实施方案选择相符.方案3实施如下:

(1)LNG船舶进港交通组织实施方案.自LNG船舶经0#警戒区进口前3 h起，核心港区定线制水域自0#警戒区至涂泥嘴环行航道范围内对出口船舶实施全面封航.自LNG船舶经0#警戒区进口前0.5 h起，所有在航的进口船禁止经0#警戒区进口.LNG船舶驶离第1通航分道后，0#警戒区南北向通航;LNG船舶驶离1#警戒区后，第1通航分道对进口船开放;LNG船舶驶离2#警戒区后，第4通航分道对进口船开放;当LNG船舶驶抵码头附近准备靠泊时，所有定线制水域恢复通航.

(2)LNG船舶出港交通组织实施方案.LNG船舶驶离1#警戒区进入LNG船舶专用航道后，停靠位于本项目东侧码头的出口船可以经第5通航分道、2#警戒区和第4通航分道出口.

4 结束语

将格序决策理论引入LNG船舶进出港组织方案比选评价中，通过求解各方案综合差异值，实现方案的优劣排序;构建LNG船舶进出港组织方案优化选择评价指标体系，并对体系中各指标值给出量化计算方法.依据数据的熵值确定评价指标的权重因数，以保证整个评价过程的客观性和科学性.

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