长江航道航行环境风险评价

佟馨+江福才+郭颜斌+张帆+马全党

摘要：为对长江航道环境风险进行评价，利用物元可拓理论和熵权法，建立熵權物元可拓评价模型。以自然环境、通航条件、交通环境为一级指标，12个风险因素为二级指标组成风险评价体系。在该模型中，对量化的评价指标进行归一化处理，构建长江航道航行环境风险等级评估的经典域、节域和待评物元。通过熵权法确定指标权重，利用该模型计算关联函数值并进行关联度分析，确定长江航道航行环境风险等级及其变量特征值。选取长江江苏段某航段为实例，运用该模型定量评价该航段航行环境风险的大小。评价结果与实际情况相符，证明了模型的准确性和适用性。

关键词： 物元可拓模型； 长江； 航行环境； 风险评价

中图分类号： U698 文献标志码： A

Abstract： In order to evaluate the navigation environment risk of the Yangtze River， using the matter-element extension theory and the entropy weight method， the entropy-weight matter-element extension assessment model is built. The risk assessment system is established， where the primary indices include the natural environment， the navigation condition and the traffic environment， and the secondary indices contain 12 risk factors. In the model， the quantified evaluation indices are normalized. The classical domain， the joint domain， and the matter element to be evaluated about the risk level evaluation of navigation environment in the Yangtze River are constructed.The weight of each index is determined by the entropy weight method. By the model， the correlation function value is calculated and the correlation degree is analyzed so as to determine the risk level of navigation environment in the Yangtze River and its variable eigenvalue. A segment of Jiangsu section in the Yangtze River is selected as an example， and the navigation environment risk of the segment is quantitatively evaluated by the model.The evaluation result is consistent with the actual situation， which verifies the accuracy and applicability of the model.

Key words： matter-element extension model； Yangtze River； navigation environment； risk assessment

0 引 言

内河船舶引航是一项具有高风险性的工程活动。[1]对船舶引航安全影响最大的因素是航道的航行环境。航道航行环境的好坏直接影响驾驶员和引航员的配备以及保障措施的落实等。

目前对航行环境的研究主要集中在海港以及沿海航道，例如：温清洪[2]根据湄洲湾航道的特点，选取10个风险指标组成风险评价体系，并利用模糊数学法建立了湄洲湾航道通航风险评价模型；郭滨[3]为研究天津港的通航安全，首先通过专家打分的形式确定指标权重，然后采用模糊综合评价法实现了对天津港的航行危险度评价；聂细亮等[4]基于模糊综合评价法对青岛港主航道及大桥岛航道的航行环境进行评估，最终结果与实际情况相符，证明了模型的可行性；贾明明等[5]从自然环境、航道条件、交通环境等3个方面分析了航道的通航环境特点，并通过灰色模糊理论建立了航道通航风险评价模型，并以广州坭洲头航道为实例验证了方法的可行性。航行环境研究方法主要有模糊综合评价法、层次分析法（analytic hierarchy process， AHP）等，例如：孙雯等[6]基于AHP对长江福南水道的航行安全进行评价，发现自然环境是导致福南水道风险高的主要原因，并提出了相应的防控对策；于定勇等[7]用AHP和模糊综合评价法对胶州湾航道的通航环境进行了分析。上述方法对指标的评定受人为因素影响较大，因此运用这些方法所得到的研究结果的客观性有待进一步考量。

目前，物元评价模型已广泛应用于采矿工程[8]、环境评价[9-10]等诸多领域。郭生茂等[11]以20座矿山的岩爆指标为样本数据，结合熵权法和物元可拓模型预测岩爆的风险等级。莫崇勋等[12]综合利用物元评价模型和博弈论法分别评价了南宁市未来5年和15年水资源承载力，并通过优化相关节水指标，实现对水资源的合理使用。ZHANG等[13]利用物元可拓模型对企业的创新能力进行评价， 通过计算最大关联度对创新能力进行评价和分类，最终证明了模型的可行性和有效性。DANG等[14]基于熵权物元法建立了新的新能源鼓励政策评价模型，经实例验证后证明了熵权物元评价模型比传统模型更加合理、灵活和客观。FAN等[15]采用熵权物元法对区域物流产业生态系统的健康状况进行评价，并选取8省为例对模型进行验证，最终认为熵权物元法具有可行性和有效性。endprint

从上述研究结果可知，物元模型在风险评价中的应用较广，且评价结果与实际情況吻合度较高。因此，采用熵权物元可拓模型客观评价长江航道航行环境风险。熵权物元可拓模型通过距的概念扩大关联函数的值域范围，以区间的形式划分风险等级，从而更科学、更全面地评价事物相对于某集合的隶属度。将物元可拓理论与熵权法相结合，利用熵权法确定影响航道环境安全的风险因子权重，利用物元可拓理论对航道引航环境风险进行评价，并与驾引人员的主观判断相比较，验证方法的可靠性，从而为驾引作业风险判断提供理论支撑和相关依据。

1 长江航道航行环境风险指标体系

1.1 长江航道航行环境风险分析

长江内河航道受地形、水深和自然环境的影响大，航行环境复杂多变，航行风险较为突出。长江航道航行环境包括自然环境、通航条件和交通环境等3个方面。

1）自然环境。自然环境分为水文和气象两部分。气象条件包括气温、风、雨、雾、雷暴、寒潮等。水文条件包括潮汐、潮流等。对船舶航行影响较大的自然因素主要有风、流、雨等。长江水域在春夏季有偏南风，秋冬季有偏北风，而长江干线主要为东西向，因此船舶在长江中航行遭遇横风的情况较多，船舶保向难度大，压载船舶和空载船舶所受的影响更为明显。不同于海港，长江各水道水文条件差异大。长江从上游到下游涨潮潮量和落潮潮量逐渐增加，枯水期涨潮潮量明显大于洪水期。流压变化较大，弯曲航段存在扫弯水。此外，长江流域雨水充足，年平均雾日约占全年的十分之一，因此由雨、雾等导致的能见度不良天气较为常见。虽然现在船舶基本配备雷达、AIS等设备，但是受航道、船舶交通流的影响，船舶在能见度不良的情况下发生水上交通事故的概率将大大增加。

2）通航条件。通航条件主要包括航道基本尺度（长度、宽度、深度、最大转向角等）、碍航物、转向点、交叉点等。航道长度越长，船舶的航行时间也就越长，因此航行过程中出现突发情况、驾驶疲劳、操作失误等的概率就越大，进而航行事故的发生概率将增加。随着长江水域船舶流量的增加以及船舶的大型化，航道宽度成为导致船舶发生碰撞事故的重要因素。长江内航道多蜿蜒曲折，因此航道的弯曲度也是导致航行环境风险的重要因素。船舶在江面上航行时，障碍物会直接影响其正常安全航行，限制其航行空间。长江干线碍航物对船舶通航安全的影响是由碍航物与航道的距离决定的，碍航物与航道的距离越近，通航的危险性越大。此外，航道中的转向点以及交叉点会增大船舶的会让频率，造成船舶避让困难等。

3）交通环境。交通环境包括船舶流量、过江渡船、导助航设施等。近年来长江水域船舶流量不断攀升，导致航道内船舶密度增大，船舶发生碰撞事故次数明显增多。长江水域的过江渡船在穿越航道时会大大增加船舶的航行风险。如尹功洲水道狭窄、船舶流量大、水流急，而该水道内的长江#100-1上游有孩溪到江心洲汽渡线穿越，因此此处船舶会让概率大，航行风险大。长江助航标志设置的原则为在满足水深的前提下，江面有多宽，航标所标示的航道就有多宽，因此造成了航道不顺直，船舶驾引人员在实际航行中找标困难等问题。

1.2 确定评价指标体系

通过对长江航道航行环境风险的分析，可确定长江航道航行环境的主要风险因素。为保证评价指标不受人的主观因素的影响，经筛选最终选择了12个可量化的风险因素组成长江航道航行环境风险评价指标体系。此外，各危险度影响因子对应5个风险评定等级，分别为低危险度、较低危险度、一般危险度、较高危险度和高危险度，见表1。

2 长江航道航行环境风险评价

2.1 建立熵权物元可拓模型

2.1.1 确定模型的经典域、节域和待评物元

物元可拓模型综合物元理论和可拓数学[16]两种方法，通过定性分析和定量计算的方法解决模糊问题和不确定问题，通过多指标来评价事物，其原理如下所示。

2.2 实例应用

2.2.1 确定待评物元

长江江苏段是长江引航船的主要集中水域，航行环境复杂，船舶交通流密度大，水上交通事故发生率较高。因此，选取长江江苏段某段航道作为评价对象。该段航道具有“南港北锚”的特点，且船舶靠离泊、横越作业较多。通过查找文献、实地调研、发放问卷以及咨询专家意见等方式，得到该航道的指标评价值以及对应的归一化值，见表2。

通过表2结果可知，该段航道航行环境主要风险有：每年6级以上风天数较多，航道最小有效宽度较小，距航道最近碍航物距离小（较高危险度），船舶流量较大，过江渡船的艘次较多。

2.2.2 航道航行环境风险物元的构造

2.2.4 评价指标权重及待评物元的关联度计算

根据式（5）～（8）得到各指标的权重为w=（w1，w2，…，w12）=（0.026，0.022，0.096，0.198，0.061，0.034，0.010，0.119，0.119，0.044，0.045，0.226）。

根据式（9）求得待评航道航行环境风险关于各等级的关联度为Kp=（-0.418 2，-0.238 3，-0.184 3，-0.530 2，-0.463 7）。

结合式（9）得到待评航道引航环境风险等级为N3级，表示该段航道的引航环境风险为一般风险。

2.3 对评价结果的验证

为检验评价结果的准确性，将计算结果与具有多年驾引经验的引航员和船员们的认知进行比对。经过整理分析，所有船舶驾引人员均认为待评价航道的航行环境处于“较低”或“一般”危险等级，且认为“一般”的船舶驾引人员居多。船舶驾引人员认为在该段航道船舶交通密度较大，且航道内的船舶易与过江渡船交叉会遇，因此驾引人员应谨慎驾驶、加强瞭望、密切注意他船动态。此外横风可能导致船舶偏离航线，因此遇大风天气时需提前配好风流压差，把定航线，必要时到安全地点避风。大型船舶在航行过程中，应加强与周围船舶的沟通，减少追越情况的发生，并熟悉航道中的碍航物位置，提前做好避让措施。在船舶适航、船员适任的条件下，上述风险经正确的船舶操纵后均可有效避免，因此认为此航段的航行环境为一般危险。熵权物元可拓模型评价结果表明，待评价航道的风险等级为一般风险。说明评价结果与航道的航行环境客观事实较为一致，证明了熵权物元可拓模型在评估航道环境风险方面的准确性和适用性。endprint

3 结 论

（1）引入熵权法与物元可拓理论，建立了熵权物元可拓评价模型，对长江内河航道的航行风险进行评价。选取由3个一级指标、12个二级指标（即危险度影响因子）构成的评价指标体系，运用熵权法充分利用客观数据确定风险评价指标的权重，可有效避免权重分配受主观因素影响的情况发生。对评价指标做定量化处理，并对评价指标进行归一化处理，使得评价指标具有可比性，从而得到较准确的航道航行环境的风险等级。

（2）在实例运用中，选取长江江苏段某段航道的航行环境进行风险评价，结合风险评价模型得到该段航道的航行风险处于“一般”风险等级，计算结果与驾引人员对该段航道航行风险的主观评判结果相符，验证了模型的有效性和实用性。

（3）建立的熵权物元可拓模型适用于长江内河的所有航道航行环境的风险评价，可为驾驶员和引航员的安全航行提供理论参考。

参考文献：

[1] 圣星星.危险品船舶夜间引航风险研究[D].武汉： 武汉理工大学， 2012.

[2] 温清洪.湄洲湾航道水域航行环境安全评价[J].广州航海学院学报， 2017， 25（2）： 21-23.

[3] 郭滨.天津港航道环境安全综合评价研究[D].大连： 大连海事大学， 2015.

[4] 聂细亮， 戴冉， 岳兴旺. 基于模糊综合评估的航道环境危险度研究[J].大连海事大学学报， 2013， 39（1）： 27-30， 34.

[5] 贾明明， 熊锡龙， 黄立文， 等. 基于集值统计-灰色模糊的航道通航环境安全评价[J].安全与环境学报， 2017， 17（1）： 41-45.DOI： 10.13637/j.issn.1009-6094.2017.01.008.

[6] 孙雯， 张秋荣. 基于层次分析法的福南水道航行安全评价[J].上海船舶运输科学研究所学报， 2014， 37（4）： 28-32.

[7] 于定勇， 刘洪超， 史大运， 等.胶州湾航道通航环境危险度分析[J].海岸工程， 2011， 30（4）： 9-16.

[8] 楊卓， 戎晓力， 卢浩， 等.基于熵权物元可拓理论的隧道塌方风险评估[J].安全与环境学报， 2016，16（2）： 15-19.DOI： 10.13637/j.issn.1009-6094.2016.02.003.

[9] 乔蕻强， 程文仕. 基于熵权物元模型的土地生态安全评价[J].土壤通报， 2016， 47（2）： 302-307.DOI： 10.19336/j.cnki.trtb.2016.02.07.

[10] 阮国锋， 张建明， 穆彦虎， 等. 基于熵权物元可拓模型的冻土路基热稳定性评价[J]. 冰川冻土， 2014， 36（1）： 123-129.DOI： 10.7522/j.issn.1000-0240.2014.0015.

[11] 郭生茂， 刘涛， 赵丽军， 等.熵权物元可拓模型在岩爆危险性等级评价中的应用[J].有色金属（矿山部分）， 2015， 67（4）： 89-93.DOI： 10.3969/j.issn.1671-4172.2015.04.020.

[12] 莫崇勋， 杨庆， 王大洋， 等.物元评价法在南宁市水资源承载力评价中的应用[J].水电能源科学， 2015， 33（9）： 31-35.

[13] ZHANG Xiao，YUE Junju.Measurement model and its application of enterprise innovation capability based on matter element extension theory[J].Procedia Engineering， 2017， 174： 275-280.

[14] DANG Can，WANG Xifan，DING Tao， et al.Comprehensive evaluation on incentive policy in renewable energy promotion based on improved matter-element model with entropy weight[C]//2016 IEEE PES Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference （APPEEC）.Florida： CRC Press，2016： 1072-1076.

[15] FAN Junjie， ZHOU Lingyun， CAO Yushu， et al.Health evaluation of a regional logistics industrial ecosystem in China based on fuzzy matter-element analysis method[J].Journal of Intelligent & Fuzzy Systems， 2016， 31（4）： 2195-2202.

[16] 明平军. 基于可拓学的新加坡海峡航行环境安全评估[D]. 大连： 大连海事大学， 2013.

[17] 黄仁东， 张小军. 基于熵权物元可拓模型的隧道瓦斯等级评价[J].中国安全科学学报， 2012（4）： 77-82.DOI： 10.3969/j.issn.1003-3033.2012.04.014.

（编辑 赵勉）endprint