船舶溢油事故定量应急处置决策方法

张志昂， 郭志新， 吴 兵， 郑宏辉

(1.武汉理工大学 a.航运学院;b.智能交通系统研究中心， 武汉 430063;2.国家水运安全工程技术研究中心， 武汉 430063；3.广东海事局， 广州 510260)

船舶溢油事故可分为操作性溢油事故和事故性溢油事故2种。据统计，1990—2010年间，我国共发生船舶溢油事故(溢油超过50 t)71起，总溢油量达22 035 t。[1]溢油的应急处置对保护环境和减少经济损失有着显著作用。考虑到应急处置方案和影响因素较为固定，且应急处置时间较为有限[2]，快速选择最优方案显得尤为重要。在其他领域,该类研究已取得较多成果，例如:LI等[3]利用决策支持系统框架模型提高溢油应急反应能力和效力，并对海上溢油的现状及其带来的影响进行综合评价；吴兵等[4-5]提出基于证据推理和逼近理想解排序法的应急决策方法，解决内河失控船应急处置过程中存在的不确定性问题，同时提出基于模糊推理、线性规划和TOPSIS的群决策方法，以提高对失控船的安全管理。

根据已有研究[3]，船舶溢油事故应急处置方法分为物理法、化学法和生物法，其中常用的溢油应急处置方案[6-10]有围油栏(A1)[7]、撇油器(A2)、吸油材料(A3)、分散剂(A4)和燃烧法(A5)[9]等5种。这些处置方法会受到溢油参数(决策准则一)、应急作业条件(决策准则二)、溢油位置(决策准则三)和溢油处置(决策准则四)的影响，构成船舶溢油事故的决策准则。这4个决策准则可细分为油品黏度、油膜厚度[3,6]等12个影响因素。需注意，在选取因素时，主要基于定量评价和实际处置约束条件考虑，文献[6]中提出的影响因素有些并未考虑，例如“操作难易程度”往往难以定量描述，且对训练有素的应急人员影响不大，而考虑到应急往往更关注效果，设备费用等经济指标也不考虑。

1 船舶溢油事故应急决策问题描述

根据已有研究成果，可获得溢油应急处置的决策方案、决策准则和影响因素，从而建立船舶溢油应急处置三层决策框架(见图1)。

(1)

式(1)中：评价值Zi越大，表示该方案越好。

对于该决策问题，需解决好以下2个问题。

1) 获取决策准则的权重。由于溢油应急处置的专家具有不同的知识背景、实际经验等，其意见会存在不同的偏好;同时,考虑到时间的紧迫性，往往会采用语言变量评价不同决策准则。各专家对不同决策准则给出相应的语言评价变量，根据群模糊评价方法获取不同决策准则的权重。

2) 获取决策矩阵。令目标层的决策方案有H个评价等级，用来描述专家对该方案的偏爱程度，其中h值越大，该评价等级越优，各评价等级为

D={Dh,h=1,2,…,H}

(2)

对于第i个决策方案，其第j个决策准则层的第k个影响因素的评价结果为

E(ck,j(i))={(Dh,δh,k,j(i)),h=1,2,…,H}

(3)

在确定各影响因素的评价结果之后，运用证据理论对其进行融合，获取各决策方案下的决策准则值，从而获取不同决策方案下的决策矩阵。

2 船舶溢油事故应急决策模型

2.1 溢油事故应急决策模型框架

为实现船舶溢油事故应急决策定量建模，建立模型框架(见图2)。

首先，建立溢油应急处置影响因素定量评价方法。其次，利用群模糊评价方法确定各决策准则的权重，并利用语言变量对其进行描述。最后，根据证据融合规则建立多准则决策矩阵，从而获取不同决策方案的评价结果，并对这些方案进行排序。

2.2 基于语言变量的决策准则权重获取

(4)

利用式(5)对得到的该三角模糊数值进行算数平均，利用式(6)对其进行归一化。

(5)

(6)

2.3 基于证据推理的决策矩阵获取

2.3.1建立影响因素定量评价方法

首先，为目标层建立五级评价等级，表示为D=(“非常差”，“差”，“中等”，“好”，“非常好”)。

其次，分别对影响因素层的定性数据和定量数据进行评价。

(1) 对于定性数据(即溢油类型和海域类型)，建立三等级的评价等级，各等级的含义见表2。

(2) 对于定量数据，按照规则推理的方法，通过设定5个与目标层评价等级相对应的可能数值，建立不同方案下的定量数据的评价等级(见表2)。

表2 定性数据和定量数据评价方法(以A3为例)

在对定性数据和定量数据进行评价之后，将影响因素层的评价标准转换到目标层的评价标准。

2.3.2影响因素证据融合

根据文献[14]的证据融合规则，按照各影响因素的权重对置信度进行加权，表示为lh,k,j。令PT(k),j为第j个决策准则所包含的影响因素的子集，根据式(7)～式(12)即可实现各影响因素的证据融合。

{Dh}:lh,T(k+1),j=QT(k+1),j(lh,T(k),jlh,k+1,j+

lD,T(k),jlh,k+1,j+lh,T(k),jlD,k+1,j)

(10)

lD,T(k),j=rD,T(k),j+vD,T(k),j

(11)

k=1,2,…,K-1

(12)

由此可获得各决策准则的评价结果为

E(b(i)j)={(Dh,δh,j(i)),h=1,2,…,H}

(13)

2.3.3建立多准则决策矩阵

令u(Dh)为评价等级Dh的效用值，各效用值与其对应置信度的乘积之和即为各决策准则的评价值[14],即

(14)

对于各决策方案下的各决策准则的决策矩阵，有

(15)

3 船舶溢油应急决策实证

3.1 船舶溢油应急决策情景

2000年，一艘长为183.1 m的散装化学品船与另一艘长为33.2 m的油船在广州港31#浮附近(22°00′N，114°30′E)发生碰撞，当时海面风力等级为3～4级，海水流速为0.7～1.5 kn，浪高为1.0～1.5 m，海水温度为24.1～29.1 ℃。碰撞事故发生之后，油船沉没，溢出230 m3重油，油品的黏度为1 000～2 000 cSt，在海面上形成的油膜面积约为230 km2，油膜厚度为0.9～1.3 mm。事故发生地点距离海岸约2.8 n mile，围油栏到达现场需1.4 h，撇油器工作需3.5 h，吸油材料吸油需2.3 h，分散剂分散需1.6 h，对溢油进行点火需2.6 h。

3.2 影响因素评价等级转换

根据表2建立的定性数据和定量数据评价方法，实现影响因素层的评价等级与目标层的评价等级间的转换。

1) 对于定量数据，将相对应的具体数值转换到目标层的评价等级中，具体可通过IDS[14]软件实现。以A3方案下的浪高为例，具体数值为1.0～1.5 m，评价结果为(0.01,0.13,0.19,0.33,0.34)。

2) 对于定性数据(即溢油类型和海域类型)，在评价之前需建立转换矩阵，以A3方案下的溢油类型为例，与目标层评价等级对应的关系矩阵为

(16)

此时利用IDS[14]软件即可实现不同方案下的定性数据评价结果与目标层的评价等级的转换。

3.3 获取决策准则权重

选取4位专家对决策准则的权重进行评价，分别为R1、R2、R3和R4。考虑到各位专家在理论知识和工作经验方面存在差异，4位专家的权重为βn=(0.3,0.3,0.2,0.2)。各专家决策准则权重的语言变量评价结果见表3。

表3 决策准则专家评价结果

根据式(4)，可分别获得各决策准则权重的三角模糊数，有：溢油参数为f1=(0.475,0.725,0.900)；应急作业条件为f2=(0.450,0.700,0.857)；溢油位置为f3=(0.275,0.525,0.775)；溢油处置为f4=(0.225,0.475,0.725)。

进一步根据式(5)和式(6)对各决策准则进行算数平均和归一化之后，可得到wj=(0.296,0.282,0.222,0.200)。

3.4 获取决策矩阵

假定各影响因素在各决策准则中的权重相同，对IDS[14]计算得到的各评价结果进行证据融合，可获取不同方案下的决策准则的评价信息。

进一步根据式(14)获得不同决策方案下的决策矩阵见表4。

表4 不同决策方案下的决策矩阵

3.5 最优决策方案

根据求得的决策准则权重wj和决策准则值gij，由式(1)可获得不同决策方案的评价值(见表5)。

表5 船舶溢油应急处置方案评价结果

考虑到在实际溢油应急处置过程中通常都是先用围油栏围控溢油，再用其他方法处理溢油，将以上5种决策方案重新分配组合为4种方案，分别为A1A2、A1A3、A1A4和A1A5。这4种方案中均有A1，因此可通过比较组合方案中的另一种方案(即A2、A3、A4和A5)的评价值来选取4种组合方案中的最优方案。从表5中可看出，除A1方案外，A3方案为其余4种方案中的最优方案，因此A1A3为最优组合方案，该方案与实际应急情况一致，即先用围油栏围控溢油，再用吸油材料除去溢油。

4 结束语

本文提出一种基于证据推理和决策偏好的船舶溢油事故应急处置方法。考虑到应急处置时间紧迫及各位专家的知识背景和工作经验存在差异，群决策中各决策者对决策准则有不同偏好，利用语言变量获取各决策准则的权重。对于各决策准则的评价值，利用证据推理对各影响因素进行融合，获取不同决策方案下的决策准则值，从而完成最优决策方案评选。研究结果表明，该方法很好地实现对船舶溢油事故的应急处置,考虑了海上和内河等多种水域的船舶溢油事故场景，可处理大多数船舶溢油事故。此外，采用的定量评价方法可快速、有效地评选出最优应急处置方案，具有较强的适用性和推广性。

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