基于AHP层次分析法的沉船风险评估模型研究

费岳军 ，徐丽丽，2 ，郑晓琴 ，堵盘军 ，姚圣康，何善方

(1.国家海洋局东海预报中心,上海 200081；2.南京信息工程大学,环境科学与工程学院,江苏南京 211800；3 国家海洋局宁波海洋环境监测中心站，浙江宁波 315000)

1 引言

长江口海域是我国第一大河河口长江口和第一强潮河口湾杭州湾的交汇区，滩槽相间，风、浪复杂，水动力三维特征明显，属海损事故高发区，其中尤其以重点航线、重点港口最为严重。上海沿海的海浪灾害主要表现为大风大浪引起发海难事故。据统计，2003—2010年，长江口海域共发生362起海难事故，由大风浪引起的海难事故213 起（见图1），其中直接导致船舶沉没事故189 起。目前，我国的海损实时风险评估和预警机制尚未建立[1]，实际操作中多是利用经验或单一指标进行粗略的评估，没有形成科学、高效、可操作性强的海难（尤其是沉船）风险预警分级方法和指标体系。相关的研究多是针对水上交通安全的总体定性评价或是建立了水上交通安全的综合预警指标体系，而对于沉船风险的实时预警和预报还属空白。因此本文针对航行船只，根据各海区的灾害性海浪事故分布特征，确定评价指标体系，基于“AHP”层次分析法[2]，确定各评价指标的权重系数，建立长江口海域的沉船风险评估模型，实现沉船风险的量化评估和动态预警，为政府相关部门能及时根据预警等级采取预防措施和应急响应提供支撑。

2 长江口海域海难事故发生概况

近年来随着世界贸易自由化、经济一体化和信息全球化进程的加快，长江口海域作为全球最繁忙的港口之一，海难事故发生频次也随之增加（见图2），年平均81次。2005年至今，随着洋山港的建成以及港口吞吐量的剧增，海难事故也呈现跳跃式的增长，仅2007年就达113 次，之后一直维持年均120次左右的高事故发生率。因此在保持经济高速发展的同时，我们更要警惕海难事故，运用科学的手段在第一时间提供预警信息，将损失降到最低。

图1 长江口海域2003—2010年海难事故发生位置分布图

根据东海预报中心的历史天气图资料库分析引发海难事故的天气系统主要分为：冷空气、热带气旋、温带气旋、静止峰、倒槽发展等5种主要天气型，其中以冷空气位居之首（见图3），高达180 次，占51%。冷空气扩散南下过程中，冷峰过境时及过境后12—24 h内，处于冷高前缘、冷锋后部的长江口海域出现了6 级以上的大风天气，强冷空气造时该海域甚至出现8—9级的偏北大风，狂风恶浪是导致海难事故频发的主要原因。气旋也是造成海难事故发生的重要天气系统，以4—6月份影响次数为最多。气旋较之冷空气发生次数较少，但由于其发生发展突然，时间短，常造成短时雷雨大风天气，且随着气旋东移，沿海海面风向也在不断转变，因而使得海上船只不能及时根据风向、风力的变化来采取相应的防范措施，从而引发海难事故。由于天气系统的季节变化，海难事故的发生频次也呈现明显的季节变化规律（见图4）。以秋冬季（10—12月份）冷空气频发，海难事故发生次数为最多，占总数35%，其中以11月份高达105次；春季（3—5月）主要受出海气旋影响，海难事故次之，占总数33%，7月份最少。

图2 长江口海域近10年海难发生频次变化图

图3 大戢山海洋站近十年各月灾害系统出现频次图

3 资料来源及分析方法

3.1 资料来源

本文所用海难事故资料由交通运输部东海救助局提供，时间年限为2003—2011年，统计案例区域为长江口（29°—32°N，120°——125°E）及邻近海域内的海难事故案例，共计362起，其中由大风浪引起的海难事故213起。水文气象数据为东海预报中心提供的2003—2011年佘山、大戢山、滩浒岛、嵊山的逐时数据及历史天气图资料。

图4 长江口海域1996—2010年海难发生频次月变化图

3.2 模糊综合评判方法

模糊综合评判方法是运用模糊数学工具对多层次、多因素系统的特征进行总体评判的一种定性与定量相结合的方法[3-5]。其基本步骤如下：（1）确定评价对象的因素集；（2）确定各指标的权重集；（3）确定评价集；（4）进行单因素模糊评判和多因素模糊综合评判；（5）根据最大隶属度原则或加权平均法对综合评判结果进行排序。

4 沉船风险预警模型的建立

4.1 确定预警因子集

通过统计分析历史事故资料及查阅相关文献[6]，以及海洋预报专家、海事局及搜救中心等管理调度人员、船长和轮机长等船只人员共40 位专家，经过多轮调查意见征集及统计反馈，回收有效调查问卷35 份，坚持“客观性、可获取性及时效性”的原则，最终确定沉船风险预警指标体系及分级标准。基于系统工程，沉船风险主要是基于“人一船舶一环境”组成的风险系统，暂且不考虑人为主观因素，主要考虑“船舶一环境”组成的客观系统，确定沉船风险系统的影响因素集合：U={U1;U2}，其中环境条件状况U1={U11;U12;U13;U14}；承载体状况U2={U21;U22}。针对沉船风险建立3 层指标评价体系，即目标层、准则层和指标层（见图5）。

图5 沉船风险评估模型的分层评价指标体系

4.2 权重系数的确定

将预警指标体系建成递阶层次结构体系后，引用T.LSaaty 标度法来反映指标间的相对重要性，根据上下层次之间的隶属关系[7]，构造判断矩阵，见式（1）、（2）、（3）。

运用AHP法中的方根法，通过编制Matlab程序求解判断矩阵，并进行层次单排序及一致性检验，得到沉船风险等级评估的目标层(A)与准则层(B)、准则层（B）与子准则层（C）判断矩阵的特征向量、最大特征值max、单层次单排序及一致性检验结果，得到的CI、CR 均小于0.1，满足判断矩阵的一致性要求，计算所得特征向量可作为权向量。根据层次总排序及一致性检验，得到各因子的排序及权重集P={风速、波高、吨位、船型、风向、波向}={0.5153、0.3000、0.0647、0.0423、0.0286、0.0196}

表1 判断矩阵单排序及一致性检验计算结果

4.3 指标因子的分级和量化

4.3.1 自然环境因子的分级和量化

本文中主要是针对不同类型的船只对应不同等级风浪的风险概率。即通过建立各致灾因子危险性参数(风速、波高)与灾害损失率（沉船风险）之间的关系。假设建立致灾因子（风力、波高）和船损危险系数Y 之间的关系模型Y=f(X)。根据专家调查表及相关文献记载[8-9]的全损风力上下限值（表2—3），确定风力、波高大小X 与船损危险系数Y 之间的关系模型为分段函数。根据上海沿海所在海域实测波浪的统计分析可知，受特定长江口地形影响，波高变化范围与通用的波高等级有很大的差异，因此，本项目根据海难事故的实际分结果，修正的上海沿海近岸浪波高等级。

表2 各等级船只的全损风力上下限

表3 各等级船只的全损波高上下限

根据吨位分类级别，建立船损危险系数的分段函数方程如下（见表4—5）：

4.3.2 承载体的分级和量化

根据实际数据可获取情况，具有代表性的调查研究对象主要分为渔船、货船、驳船、集装箱。不同类型船舶的抗风险强度及损坏程度不同。根据吴兆麟，朱军编辑的《海上交通工程》中的相关规定[10]，具体船舶类型及吨位的换算系数见（见表7—8）：

表4 风速的危险性评估隶属度

表5 波高的危险性评估隶属度

表6 风向模糊评判系数表

表7 浪向的模糊评判系数

表8 不同船舶类型对应的换算系数

表9 船舶吨位大小换算系数

4.4 模糊综合评判

单因素模糊评判是单独从一个因素出发进行评判Uij 出发进行评判，以确定评判对象评价集元素Ek(k=1,2,3,4)的隶属度Rij 的过程。将各单因素模糊评判集隶属度作为行组成单因素评判矩阵,得到总目标层(沉船风险)的综合评价集：

同时参考国家“908”专项调查报告，定义上海沿海沉船风险概率综合评估模型为：

评价集是对评判对象可能作出评判结果的集合。在确定评价等级时，参考各调查专家学者的意见[11-12]及根据《国家突发公共事件总体应急预案》，参考突发公共事件可能造成的危害程度、紧急程度和发展态势，可将沉船风险等级E 定义为j=1,2,3,4个等级.即用Ej={ e1,e2,e3,e4 }={0.75—1.0，0.5—0.75（不含），0.25-0.5（不含），0—0.25（不含）}={极其危险，非常危险，危险，稍危险}。分别用4种不同的颜色表示4 级预警度：一级红色，二级橙色，三级黄色，四级蓝色。

本文根据搜救中心提供的2003—2011年共189次案例，进行沉船风险概率计算，其中达到红色预警级别的事故121次，橙色预警级别的事故26次，黄色预警级别25次，蓝色预警级别15次。红色预警沉船风险为75%—100%，橙色预警的沉船风险50%—75%，黄色预警的沉船风险为25%—50%，蓝色预警的沉船风险为0—25%。定义大于75%的事故案例通过检验，经过189次后报检验，沉船风险评估模型的准确率（风险系数大于75%的事故次数/所有沉船事故次数*100%）为64%。

5 结论及讨论

（1）沉船风险评估模型基本能反映上海沿海海域的船舶航行的实际风险情况，189 次沉船案例后报结果中达红色预警级别的事故121 次，沉船风险评估模型的准确率到达为64%。此航线风险评估模型具有预测性和针对性特点，具有动态可预报性的特点，根据风浪要素72 h的预报时效，沉船风险评估模型也可做到72 h的预警保障，实现了动态预警功能，能够实时的为航行船只提供安全保障服务；

（2）缺乏事故发生时船舶的载重和船龄等更详细的实际资料，在模型中并没用考虑，以至于计算案例中危险系数的等级不是异常明显，实际计算过程中若针对具体船只的参数进行全方位的风险评估，模型的计算结果将更准确，更能实际反映航行中船舶的实际风险情况；

（3）风险评估模型的核心之一是致灾因子强度和承载体风险系数关系的建立。本研究中主要考虑了波高和风力两个要素，由于实况数据及专家调查数据的限制，目前仅仅建立线性方程，刻画了理想状况的风力强度和船损风险的关系。实际中，风力和船损危险系数是非线性的，这也是在以后工作中进一步深入研究和完善的地方。

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