南海岛礁部署水陆两栖飞机合理性评价

潘 涛，张 帆，陈明生，熊 伟*

(1.大连海事大学船舶与海洋工程学院，大连 116026；2.中航通飞研究院有限公司，珠海 519040)

目前，中国在南海的救助基地只能覆盖到西沙海区，对于广阔的南海尤其是航线密集的南沙群岛海域还存在很多搜救空白区，因此在远海岛礁部署海上救助基地已成为亟待解决的问题。中国自主研发的大型水陆两栖飞机AG600具备远航程、低空低速搜寻、可执行多种救援模式等优点。因此研究中国大型水陆两栖飞机在中远海海上搜救的应用，以及在中国南海海域岛礁的部署具有重大的研究价值与意义[1]。

石伟等[2]基于空间配置对南沙岛礁可达性进行了研究；张荷霞等[3]运用层次分析法和熵权系数法对南沙部分岛礁的战略价值进行评价；成王玉等[4]运用模糊层次综合评价法对南沙东部岛礁的战略价值进行评价；陶夏妍[5]对南海海域救助动态值班点部署进行了研究；吴晓林[6]对南海海区专业救助力量部署进行了研究。

分析发现，前人研究仅针对南海岛礁或救助力量单方面进行分析研究，而在进行救助力量在南海岛礁部署规划时，需要考虑双方的自身特点能否满足各自的需求。基于此，将传统模糊综合评价的隶属度确定方法进行改进，从客观角度理性评价了在南海岛礁部署水陆两栖飞机的合理性程度。

1 评价指标体系

1.1 评价指标的选取

在南海岛礁部署大型水陆两栖飞机，需要针对飞机自身的性能参数和设计指标，考虑中国南海各岛礁的自然条件和基础设施建设是否满足飞机的部署要求。尤其对于中国中远海海上搜救的发展现状，要考虑将水陆两栖飞机部署在中国南沙群岛的某些岛礁，未来用于执行远海搜救任务。

图1 南海岛礁部署水陆两栖飞机合理性评价体系Fig.1 A rational evaluation system for the deployment of amphibious aircraft on the South Island Reef

目前中国在南沙群岛的永暑礁、渚碧礁和美济礁已建设完成机场、码头、通信设施、气象观测站等基础设施，若实现大型水陆两栖飞机在南海岛礁的部署，这样中国可以覆盖对南海更远端以及公海区域的救助范围，以此明确大型水陆两栖飞机在中国航空应急救援体系中的定位，弥补中国远海快速救援力量的不足，最终实现中国海上搜救能力的大幅提升，为中国建设海洋强国提供保障。

针对大型水陆两栖飞机AG600的设计指标，以及南海岛礁的自然条件和建设情况，将AG600部署在南海哪一岛礁最为合理，这种合理性的说明要通过构建一种科学评价方法进行说明。因此结合研究南海问题的相关专家建议，以及通过咨询水陆两栖飞机制造方的意见，遴选出5项一级指标，16项二级指标构建出南海岛礁部署水陆两栖飞机合理性的评价体系，如图1所示。

设定部署合理性评价的目标层为U，准则层为U={U1,U2,U3,U4,U5}={自然环境，基础设施，气象条件，水文条件，安全防护}，方案层依次为U1={U11,U12,U13}={岛礁面积，潟湖面积，锚地状况}，U2={U21,U22,U23,U24}={医疗条件，机场建设，码头建设，通讯设施}，U3={U31,U32}={能见度，风}，U4={U41,U42,U43,U44}={波浪，水流，潮汐，水深}，U5={U51,U52,U53}={通航航道，助航标志，鸟击危害}。

1.2 指标权重的确定

运用层析分析法确定各评价指标的权重系数，首先构造每一层次指标的两两判断矩阵，依据专家打分法对两指标间的重要性等级进行赋值，其次借助MATLAB程序对每一判断矩阵进行一致性检验，若通过一致性检验则求得各指标的权重系数，若不通过则修改该矩阵重新进行检验，最终汇总得到的各指标的权重系数如表1所示。

表1 各评价指标的权重系数Table 1 Weighting factors of each evaluation index

2 隶属度的确定

2.1 合理性与隶属度的转换

目前确定隶属度所运用方法有二元对比排序法、模糊统计法等，常用的是专家打分法，即邀请若干位研究该问题的专家学者，对各评价指标所属的评价等级进行打分，统计各指标所属各等级的频数，经过归一化处理便可得到各指标对应各等级的隶属度。这种方法的缺点是需要依靠相关专家，并且各位专家的观点不一，得到的评价结果具有很强的主观性，而且该方法工作量大，需要制作发放调查问卷，回收并统计大量数据。

在确定各指标的隶属度时，采取一种巧妙的转化方式，首先建立各评价等级与合理性之间的函数关系，其次建立各评价指标与合理性之间对应的隶属函数关系，最终通过两次函数转换得到各评价指标关于各评价等级的隶属度。该方法的好处是不用依靠专家进行主观评价，通过将数据代入隶属函数得到隶属度，而且对应各评价等级的隶属度比较集中，使得到的评价结果客观准确。

设定评语集V={V1,V2,V3,V4,V5}={很不当，较不当，一般，较合适，很合适}={-2,-1,0,+1,+2}，则建立合理性与评价等级之间的隶属度转换关系如图2所示，五条曲线对应上述五个评价等级的隶属度对于给定某一合理性值a，属于“很不当”(-2)的隶属函数如式(1)所示。

图2 合理性与评价等级之间的隶属度转换关系Fig.2 Membership relationship between rationality and evaluation level

(1)

属于“较不当”(-1)的隶属函数如式(2)所示：

(2)

属于“一般”(0)的隶属函数如式(3)所示：

(3)

属于“较合适”(+1)的隶属函数如式(4)所示：

(4)

属于“很合适”(+2)的隶属函数如(5)所示：

(5)

2.2 各指标隶属度的确定

通过查阅相关文献，对以上16项二级指标的基本含义进行解释，并依次确定各指标的隶属度函数。

2.2.1 自然环境

(1)岛礁面积:在南海岛礁部署水陆两栖飞机，需要为其建设机场跑道、助航标志等设施，因此对所部署的岛礁面积有一定的要求，岛礁面积最低不得小于1 km2，若岛礁面积大于2 km2建设陆上机场跑道非常合适。该指标满足偏大型的梯形分布，对应的隶属度函数如式(6)所示：

(6)

(2)潟湖面积:南海岛礁以珊瑚礁为主，珊瑚礁所形成的坝体将海水分割，在坝体的内侧便形成半封闭或封闭式潟湖，潟湖内部不易受到台风和风暴潮的影响，最适宜进行水上飞机机场的建设。根据水上机场飞行场地指标规定，水上跑道长度不宜小于2 500 m，最小跑道宽度为200 m，水上起降水域面积不得小于0.5 km2。该指标满足偏大型的矩形分布，对应的隶属度函数如式(7)所示。

(7)

(3)锚地状况:南海岛礁现有的锚地可作为水陆两栖飞机的天然避风之地，考虑当地实际锚地数量与船舶锚地计算需求量之间的比值[7]，若比值小于0.5则视为不合适，若大于0.9则视为很合适，则得到该指标的隶属度函数如式(8)所示。

(8)

2.2.2 基础设施

(1)医疗条件:将水陆两栖飞机部署到南海某岛礁后，该岛礁上需具备完善的医疗设施，可对被救人员的各种伤情进行进一步医疗处置，如低温症、出血、烧伤等病情。通过列举出了人员常见的突发状况，考虑某岛礁上的医院针对这些病情是否具备初步医疗处置能力，进行赋值累加，若处置项大于23项视为合理性为1，小于5项则视为不合适。则该指标对应的隶属度函数如式(9)所示:

(9)

(2)机场建设:水陆两栖飞机陆上跑道长度不宜小于2 000 m，宽度不小于35 m，陆上机场跑道总面积不得小于0.07 km2。则得到该指标的隶属度函数如式(10)所示:

(10)

(3)码头建设:水陆两栖飞机靠泊码头的系泊水域宽度计算如式(11)所示[8]:

W=0.5B+0.5M+d

(11)

式(11)中:W为系泊水域宽度；B为船身宽度；M为飞机翼展；d为系泊水域的富裕宽度，根据飞机机身长度取值为2 m。

对于单个顺岸停泊的飞机，系泊水域长度可按式(12)确定：

L=l+2da

(12)

式(12)中:L为系泊水域长度；l为飞机机身长度；da为前后富裕间距，一般取6 m。

代入飞机尺寸参数可得码头系泊水域长度不得小于50 m，宽度不得小于25 m，总面积不得小于1 250 m2。则该指标的隶属度函数如式(13)所示：

(13)

(4)通讯设施:通讯设施是进行海上搜索救援的关键保障，海上通信通常要求达到100%的覆盖率，当覆盖率小于80%时，此时应急通信不足以满足海上搜救的要求，将给海上搜救工作带来困难。通信网络覆盖率越高，越能满足海上搜救的要求，因此采用偏大型半梯形分布来构造通讯设施隶属度函数如式(14)所示:

(14)

2.2.3 气象条件

(1)能见度：能见度不良是干扰飞行员驾驶的致命因素，影响能见度的主要因素有雾、降水、低云等气象，将能见距离作为能见度的评价标准，若能见度小于2 km视为能见度低劣，能见度大于10 km视为良好。则能见度指标的隶属度函数如式(15)所示:

(15)

(2)风:南海海区5—9月为西南季风期，10月—次年4月为东北季风期，水陆两栖飞机起飞前首先要确定好风向，正常着陆就是逆风着陆，飞机侧风起飞时需要抵消侧力的影响，如果不作修正，侧力可以导致飞机倾覆，AG600水上起降所受横向风速要求不大于10.3 m/s。因此根据风力等级表确定岛礁的常年盛行风力不得大于5级。该指标采用偏小型的矩形分布，得到隶属度函数如式(16)所示:

(16)

2.2.4 水文条件

(1)波浪:水上机场的选址要避开大型涌浪区域，避开吃水很深的船只经过而频繁产生涌浪的地点。波动水面对飞机的起飞安全有很大影响，着陆时飞机要以更小的仰角着陆。过于平静的水面对水上飞机运行也不利，最适宜水上飞机运行的是有适当扰动的水面。对于较大的船身式水上飞机，浪高不宜超过60 cm。AG600最大抗浪能力可达2 m。则该指标的隶属度函数如式(17)所示:

(17)

(2)水流：飞行员要根据风、水流速度和附近的河岸或其他障碍情况来决定是顺着水流还是逆着水流起飞和着陆，一般水上机场选址区域要避免水流速过大的区域，一般应小于3 m/s，建议小于1.5 m/s。则该指标的隶属度函数如式(18)所示：

(18)

(3)潮汐：考虑南海岛礁附近海域潮汐作用造成潮差引起的水位变化，水位变化过大的岛礁，不适合建设水上机场，水位变化超过0.45 m，一般需考虑建设浮动式码头和联系桥；水位变化超过1.8 m，需要根据岸边坡度进行特殊处理。则该指标的隶属度函数如式(19)所示：

(19)

(4)水深：水陆两栖飞机的水上运行区、码头停泊区和锚泊区应当满足设计最小水深要求，建议最小水深满足最大机型满载吃水、最小安全富裕深度与备淤深度之和。由此可得AG600要求最低水深为2.6 m，建议最小水深为4.6 m。该指标适合偏大型梯形分布，得到的隶属度函数如式(20)所示。

(20)

2.2.5 安全防护

(1)通航航道：通航航道指岛礁区周围船舶的交通量，交通量越大导致水陆两栖飞机水面起降时，与船舶会遇的概率越大，飞机操纵的余量减少，双方发生事故的概率越大。因此岛礁周围船舶的交通量也间接影响着水陆两栖飞机部署的合理性，对于岛礁周围水域每日船舶平均艘次小于10艘视为安全，大于70艘视为危险。则该指标的隶属度函数如式(21)所示:

(21)

(2)助航标志:水面障碍物是指岛礁周围设置的供船舶安全航行的灯光信号标志，包括浮标、灯塔等，这些助航标志越完善，水陆两栖飞机的水面操纵挑战性越大。对于岛礁周围水域助航标志完善率小于0.5视为安全，大于0.9视为危险。则该指标的隶属度函数如式(22)所示:

(22)

(3)鸟击危害:根据《民用机场常见鸟类防范指南》，考虑到鸟撞风险发生的可能性P和后果的严重度S，建立了威胁程度和风险可接受的判定标准R=P×S。R小于6为可接受，大于15为危险，6～15之间为观察阶段[9]。则该指标的隶属度函数如式(23)所示:

(23)

3 实例分析

3.1 南海某岛礁情况描述

通过查阅相关文献，中国南海某岛礁面积为14.08 km2，潟湖面积33.86 km2，锚地状况需求量为0.7。目前该岛礁已建成一所二级甲等医院，拥有一条长3 000 m、宽60 m的跑道，拥有一个5 000 t级的运输补给码头，岛上已建成通信基站，周围280 km2的海域实现通信全覆盖。该岛礁终年少雾，降水较多，全年降水日平均约为170 d，雷暴极少出现，年平均风力以2～3级最多。年平均波高大多在1.5～2 m，水流流速基本不超过0.3 m/s，平均潮差为0.6～1.5 m，水深为14.6～40 m。该岛礁周围航道大型商船较少，渔船居多，日船舶平均艘次在20艘左右，周围有2座灯塔，浮标若干，助航标志完善率为70%，该岛上鸟类种类较多，风险程度为10左右。

3.2 部署合理性的模糊综合评价

通过整理上述实例所描述的数据，代入各指标的隶属度函数，确定各评价指标对应各评价等级的隶属度矩阵如下所示。

自然环境的隶属度评判矩阵R1为

(24)

基础设施的隶属度评判矩阵R2为

(25)

气象条件的隶属度评判矩阵R3为

(26)

水文条件的隶属度评判矩阵R4为

(27)

安全防护的隶属度评判矩阵R5为：

(28)

由1.2节可知已求得各评价指标的权重系数，进行一级模糊综合评判：

B1=W1∘R1=[0.258 3 0.637 0 0.1047]∘

[0 0.052 4 0.104 7 0.052 4 0.895 3]

(29)

同理可得：

B2=W2∘R2=

[0.412 7 0.412 7 0.137 6 0 0.449 9]

(30)

B3=W3∘R3=[0 0 0 0 1]

(31)

B4=W4∘R4=

[0.045 9 0.037 1 0.009 4 0 0.944 7]

(32)

B5=W5∘R5=

[0 0.156 7 0.366 0 0.552 6 0.634 1]

(33)

进行二级模糊综合评判：

B=W∘R=[W1,W2,W3,W4,W5]

(34)

[B1,B2,B3,B4,B5]T=

[0.069 9 0.076 8 0.042 2 0.004 6 0.887 8]

(35)

最终对南海岛礁部署水陆两栖飞机合理性评价的模糊综合评价进行加权平均处理可得评价结果为

(36)

式(36)中：P表示评价结果；Bi表示模糊综合评判结果；Vi表示前文定义的评价等级，可得最终合理性评级结果介于“较合适”和“很合适”两个等级之间，可以考虑将水陆两栖飞机部署在该岛礁。

4 结论

提出了将中国自主研制的救援型大型水陆两栖飞机AG600部署在中国南海岛礁合理性评价系统的科学研究方法。首先从飞机设计的适用性出发，结合南海岛礁的地理环境、气象水文条件以及安全性等特点，筛选出评价指标，其次采用改进的模糊综合评判方法，避免了借助专家打分法确定评价指标隶属度的环节，最终通过实例案例得到的合理性评价结果与实际情况基本一致。

与前人研究相比，首次将中国的大型救援装备纳入到海上救援体系中，并构建出科学客观的评价方法，对中国南海岛礁部署新型的救助力量进行合理性评价，为中国未来在南海进行救助力量的统一规划部署提供参考。