基于FSA（综合安全评估）桥区水域通航环境安全评价模型构建

■芮浩强颜忠甲（.泉州海事局，泉州　36800；.福建省宁德市地方海事局，宁德　3500）



基于FSA（综合安全评估）桥区水域通航环境安全评价模型构建

■芮浩强1颜忠甲2
（1.泉州海事局，泉州362800；2.福建省宁德市地方海事局，宁德352100）

摘要本文对FSA（综合安全评估）方法进行了介绍，FSA方法不仅是一种系统化、结构化的综合安全评价方法,而且它应该被认为是一种风险评价的思想。在港口水域、桥区水域水上交通安全风险评价工作甚至其它风险评价时,应该始终贯穿FSA这种系统化、结构化并具有预见性、全面性的思想,使得风险评价工作可以更加实际可用、合理可信。本文选择FSA（综合安全评估）作为桥区水域通航环境安全风险评价的研究工具，结合层次分析法、模糊数学综合评价数学方法，构建了桥区水域通航环境安全评价模型。

关键词FSA桥区水域通航环境安全风险评价层次分析法模糊数学

1　引言

桥区水域属于限制水域，也是船舶事故多发水域。近年来，我国对桥区水域通航安全评价研究取得了较大进展，主要表现在以下几个方面：一对跨江大桥桥区船舶通航实船试验及相关研究比较重视,取得了很多重要成果，如武汉理工大学刘明俊教授所带领的学术梯队在跨江大桥桥区船舶通航实船试验方面做了很多研究工作,攻克了很多亟待解决的实际问题,完成了“苏通长江公路大桥船舶通航实船试验及模拟研究”、“苏通大桥船舶失控漂移对桥梁的影响”、“宜万铁路万州长江铁路大桥船舶通航实船试验及研究”、“南京长江四桥工程可行性研究阶段船舶通航实船与数值模拟研究”等课题的研究；另外一种是运用现有通航标准结合数值模拟计算,或结合河工模型开展分析论证；三是围绕船桥碰撞问题开展研究，主要包括船舶失控撞桥概率研究、桥梁船撞安全评估、船撞桥风险分析等。

目前，桥区船舶通航安全研究主要是围绕船桥碰撞问题开展的。国际上对船－桥碰撞问题的系统研究始于上世纪80年代初。近10年来，随着我国大量跨江、跨海大桥的设计、建造，我国对船桥碰撞问题也越来越重视，就船桥碰撞相关问题开展了大量的研究。总体来说，无论是国内还是国外，船桥碰撞相关问题的深入研究主要限于碰撞事故的发生概率风险评估、碰撞力确定方法、碰撞后桥梁的动力特性分析以及桥墩防撞结构设计方面。2007年，上海交通大学《桥区通航安全评估技术研究》课题组从预报船舶过往桥区的操纵运动和预防船－桥碰撞事故发生的角度研究船－桥避碰及其船舶桥区通航安全问题，采用实船试验方法和计算机及操纵模拟器模拟的方法进行桥区船舶通航论证方面开展了研究，自主开发了船舶在跨江、跨海大桥桥区复杂环境条件下的操纵运动数学模型建模方法，船舶在舵、桨等控制、推进装置的控制力和风、流等环境干扰力联合作用下的桥区通航运动模拟方法、船舶桥区安全通航能力预报方法以及船舶桥区安全通航避碰控制策略，研发了我国具有自主知识产权的基于模拟试验和航迹控制的船舶桥区通航安全评估软件系统。

通过查阅文献，在桥区水域通航安全评价研究中，研究桥区水域通航环境安全评价内容不多，环境安全是一个系统工程,它存在的危险因素是比较广泛的。这些危险因素综合性和专业性较强，涉及到船员管理、船舶管理（船舶检验）、通航环境管理、海事管理和运政管理等领域，开展桥区水域通航环境安全风险评价方法的研究具有十分重要意义。

2　 FSA（综合安全评估）概述

FSA(Formal Safety Assessment,综合安全评估)是国际海事组织(IMO)制定以提高船舶安全为目的的新的公约规则所采用的一种结构化、系统化的方法。它是一种综合性、系统性和结构化的评价工具,用以帮助制定出合理可行的规则、尽可能提供风险的预防或控制方案;此外该方法既能进行事故发生之后的事后性分析,又能用于事故发生之前的预测性分析,总之它是一种事后性加预期性的规范化风险评价方法。FSA方法的运用对促进水上交通安全管理工作的科学性以及提高管理的整体水平将产生积极的影响。

船舶运输

FU JIAN JIAO TONG KE JI

2.1国内外对FSA方法的研究与应用

国外对于FSA方法的研究起步比较早,自从FSA开始应用在水上交通安全管理工作以来,英国在这方面取得了比较好的预期效果。作为国际海事组织的A类理事国,我国交通运输部的海事局、船级社、专业的院校以及相关研究单位的研究人员已经在FSA方法的应用上进行了初步的研究工作。早在1999年,通过结合我国的实际情况与要求并依据IMO《综合安全评估应用暂行指南》的规定,我国船级社专门制定并颁发了《中国船级社综合安全评估应用指南》,之后运用FSA方法对长江上的高速船舶进行了风险评估和分析,对渤海湾的客滚船舶进行了全面的FSA研究。近几年来，我国一些专家学者对FSA方法在海上交通安全不同领域的应用进行不断深入研究。主要在以下几个方面：一是在通航管理方面，应用在港口水域、船舶交通管理水域、危险品码头通航安全评估。二是在船舶管理和船公司管理方面，应用在危险品船舶、客滚船、船舶溢油风险管理、航运公司安全管理等。三是在船舶操纵和避碰方面，在引航安全、商渔船碰撞开展了研究。四是海事和水运管理方面，开展了FSA在海事风险控制、海事立法、水运安全管理和海事监管等领域应用。

2.2 FSA方法的流程与方案

图1　FSA流程图

根据FSA应用指南的要求,该评价方法主要包括以下五个步骤:（1）危险因素识别;（2）风险评估;（3）风险控制方案;（4）成本与效益评估;（5）提供决策建议。其具体流程见图1所示。由FSA的流程图我们也可以看出,FSA方法是一种系统化、结构化的综合评价方法,可以通过多种途径来完成评价的过程,而且运用FSA方法进行评价还是一种反复推敲的过程。如果不考虑反复推敲,根据流程图我们可以得到用FSA方法进行综合评价的三种方案:

（1）危险因素识别一风险评估一风险控制方案一成本与效益评估一提供决策建议；

（2）危险因素识别-风险评估一风险控制方案一提供决策建议;

（3）危险因素识别一风险评估一提供决策建议。

通常来说,对于成本与效益评估这一过程需要被评价对象所属领域内的各类专业人员会同分析,否则难以计算。这也是目前实施FSA方法进行评估的过程中省略这一步骤的原因之一。

3　基于FSA桥区水域通航环境安全评价模型构建

3.1危险因素识别

对于桥区水域而言,其通航环境中潜在的危险包括风、流、能见度、航道的水深条件、航道的宽度及弯曲度、桥梁通航孔净空宽度、通航孔净空高度、桥梁的防撞能力、船舶的流量大小、助航标志、VTS管理等等。归纳起来主要是以下四个方面的内容:

①船舶流特征：船舶密度、船舶尺度、船舶速度、船舶种类；

②水文条件：潮速、潮流、水位；

③气象条件：大风、暴雨、台风、雾；

④通航条件：航道弯曲度、桥轴向角。

3.2风险评估

风险评估作为FSA方法的第二个步骤,也是最为重要的一步,通过此阶段建立相应的风险评价模型来量化桥梁水域通航安全的风险评价结果,本文采用模糊综合评价的方法来建立桥梁水域通航安全的风险评价模型。模型建立主要包括以下过程:

综合考虑桥区通航安全风险因素，水文、气象、船舶流特征及综合条件，将综合安全状态分为三层，第一层是目标层，第二层是主因素层，第三层为评价指标层。按照综合系统集成的方法，建立了如下指标体系：

3.2.1因素集及评价集构建图（图2）

图2　因素集及评价模型的构建

(1)一级模糊综合评判

①评价因素集

U={U1,U2,U3,U4}={船舶流特征，水文条件，气象条件，通航条件}；

②船舶流特征

U1={U11,U12,U13,U14}={船舶密度，船舶尺度，船舶速度，船舶种类}；

③水文条件

U2= {U21,U22,U23}={流速，潮流，水位}；

④气象条件

U3={U31,U32,U33,U34}={大风，暴雨，台风，雾}；

⑤通航条件

U4={U41,U42}={航道弯曲程度，桥轴向角}；

⑥评价集

V={V1，V2，V3，V4，V5}={险情，一般，严重，非常严重，灾难}={1,2,3,4,5}

其中1,2,3,4,5实际上就是表示模糊数,用模糊数来表示一些模糊概念的目的是为了对评价结果进行量化处理。1,2,3,4,5分别对应的各评语等级如表1所示：

表1　模糊评价等级表

⑦Wi={Wi1,Wi2,Wi3…,Win}

⑧一级模糊关系矩阵

⑨一级模糊判断矩阵

Bi=Wi×Ri={bi1,bi2,bi3,bi4,bi5}

⑩归一化后得到标准评价矩阵

（2）二级模糊评判矩阵

①评级因素集

U={U1,U2,U3,U4}={船舶流特征，水文条件，气象条件，通航条件}

②评价集

V={V1，V2，V3，V4，V5}={险情，一般，严重，非常严重，灾难}

③二级权重值向量

Wi={Wi1,Wi2,…Wi5}

④二级模糊关系矩阵

R=(B1*，B2*，B3*,B4*,B5*)T

⑤二级模糊综合评判矩阵

B=Wi×R=（b1,b2,b3,b4,b5）

⑥归一化后得到标准模糊评判矩阵

3.2.2各种影响因素权重的确定

每个评价因素在综合评价中占有不同的权重，可以采用系统工程学的两两比较法确定影响桥区通航安全各因素的权重。实践证明，这种方法可靠性较高，误差性较小。心理学家认为，一个人同时比较判断多个因素是困难的，而两两比较的重要程度是完全胜任的。因此，在n个目标因素中，每次只对两个因素进行比较，并作出如下规定（见表2）：

表2　

①比较矩阵

进行两个因素之间重要程度的比较，得出如下结果：

x1x2…xnx1a11a12…a1nx2a21a22…a2n

………………………………………

xnan1an2…ann

船舶运输

FU JIAN JIAO TONG KE JI

令A=[aij]m×n,称A为比较矩阵，其中比较矩阵具有的性质为aij＞0;aij=1,aij=1/aji

②权重系数的近似计算方法

③比较矩阵一般需要一致性检验，检验方法如下求比较矩阵的特征值

表3　 RI取值表

④若CR＜O.1，则比较矩阵和求的权重系数可以被接受；否则对A加以调整，重新计算。

通过上述分析可以得到各因素的权重系数，准则层的评价指标相对于目标层的权重系数为：

W=[w1,w2,…,wn]

指标层各因素子集的内部权重系数为：

Wi=[wi1,wi2,…,win] i=1,2…,n

3.2.3隶属度的确定

隶属度的定义为:对于论域(即研究范围)U中的任一元素x,若都有一个数A(x)∈[0,l]与之相对应,则称A为U上的模糊集,A(x)称为x对A的隶属度[40]。当x在u中变动时,A(x)就是一个函数,称其为A的隶属函数。A(x)越接近于0表示x属于A的程度越低,反之若A(x)越接近于1,表示x属于A的程度越高。

从本质上说隶属度函数的确定过程应该是客观的,但由于每个人对同一模糊概念的认识理解有差异,不同的人对同一个模糊概念会建立不完全相同的隶属度函数,因此确定隶属度函数又常常带有主观性。然而尽管确立的函数形式不同,但是只要能反映同一模糊概念,在处理和解决实际模糊信息的问题时仍然能产生同样的效果。到目前为止,隶属度函数的确立大多还停留在经验和实验的基础上。常用的隶属度函数确立的方法有:专家经验法、例证法、模糊统计法和二元对比排序法等。

在构建模糊评价模型的过程中,比较常用的方法是采用专家调查的方式来构造单因素评价矩阵。应用专家调查法的方式如下:专家依据其多年的经验和看法对调查表中每一具体评价对象的每一项具体指标给予评价给分,然后通过对多位专家的打分情况进行汇总得到各项因素对应的评价等级的概数,再对这些数值经过归一化处理就可以得到各因素对应的评价等级的隶属度,最后就可以得到单因素评价矩阵。根据本文评价模型所分的五个等级,若运用上述方法,专家隶属度调查表可按表4进行设计。

表4　专家隶属度调查表

3.2.4模型建立

根据单因素评价的结果可以计算出各项指标在各个评语等级中所占的比重,从而得到评价矩阵R。

当确定了危险因素的权重集A和评价矩阵R之后,按照加权平均型的模糊算子进行矩阵的相乘,从而得到综合评价集B,即

由于上一层次危险因素的权重系数是可知的,通过将上述评价结果来作为上一层次评价中的评价对象的隶属度就能够得到上一层次的综合评价结果,依次计算就能得到最终的评价结果。本文首先对第二层次的危险因素进行评价,接着是第一层次,从而得到一个最终评价向量B。

(下转第107页)

3.2.5评价向量的清晰化

运用模糊综合评价方法得到的综合评价集B是一个模糊向量,即所评价的对象隶属于各评价等级的隶属度向量。确定评价对象的等级时,需要对该模糊向量反模糊化,也称清晰化。

本文采用加权平均的方法来完成评价向量的清晰化过程，为了得到一个比较明确的评价结果,本文设定等级参数向量G=(1,2,3,4,5),通过M=B×G这一清晰化过程得到一个综合评价的量化值M,根据M值的大小对照模糊评价等级表查找出相应的等级评语,这一评语即显示出了目前多桥梁河段水上交通安全风险状况的最终评价结果。

3.3提供决策建议

依据实际评价的桥梁水域的情况及其险评价的等级状况,针对影响桥区水域通航安全系统因素，特别是重大安全风险源，制定相应的风险防范对策；也可以分别从人、机、环境、管理这四个方面提出相应的改善措施。

参考文献

[1]郝育国.基于AHP模糊综合评价在船舶碰撞事故责任划分中的应用.上海海运学院学报,2004(1).

[2]曹谢东.模糊信息处理及应用,科学出版社,2003.

[3]向阳.综合安全评估方法在船舶安全规则制定中的应用及对规范发展的影响.船舶工程,1999(5):56-58.

[4]马占新,任慧龙.船舶综合安全评估中的评价方法研究.系统工程与电子技术,2002,24(10).

物流交通

FU JIAN JIAO TONG KE JI