基于系统动力学的海上交通应急救援效能分析

杨庆， 马晓雪*， 魏凯， 乔卫亮

(1.大连海事大学公共管理与人文艺术学院， 大连 116026； 2.大连海事大学轮机工程学院， 大连 116026)

海上交通应急救援是国家公共应急管理的一个重要组成部分，也是保障海上交通安全所不可或缺的手段或措施。当前，中国面临着越来越复杂的海上交通安全形势，根据海上搜救中心公布的搜救情况显示：2020年中国共实施搜救行动1 745次，搜救遇险船舶1 375艘，搜救遇险人员11 269人。日趋严峻的海上交通安全形势对应急救援效能逐渐提出了更高的要求。

当前对海上交通应急救援问题的研究主要集中在四个方面：一是对于应急救援系统的研究。例如，曾凤等[1]通过船舶自动识别系统(automatic identification system，AIS)解析算法设计了一种基于LoRa的海上航行安全应急救援系统；冯逸飞等[2]通过对遇险人员搜救工作的实际需求分析，基于无人机设计了一种遇险人员搜救系统。二是对于应急救援装备的研究。例如，Baroni等[3]将Cospas-Sarsat自调谐可穿戴式天线用于紧急救援行动中；Hristos[4]提出了一种确定遇险船舶的某些无线电设备发生故障概率的方法。三是对于应急救援力量的研究。例如，张晓雷等[5]基于决策实验法和网络分析法(decision-making trial and evaluation laboratory-analytic hierarchy process, DEMATEL-ANP)提出了一种适用于评价大规模应急救助能力的方法；陈思等[6]围绕海上多发性事故，基于动态贝叶斯建立了船-岸联合的应急能力评价模型。四是对于应急救援决策的研究。例如，Otote等[7]基于最优搜索理论提出了一种海上搜救决策算法，用于支持海上搜救决策；Xiong等[8]提出了一种基于智能算法和逼近理想解排序方法(technique for order preference by similarity to an ideal solution, TOPSIS)的海上应急搜救计划设计和实施的决策方法，有助于迅速、高效地制定最终的搜救计划。

基于以上分析可知，现有研究很少顾及救援过程中的效能问题。全面、系统、深入地分析和研究海上交通应急救援效能，对于提高海上交通应急救援水平具有重要的现实指导意义。海上交通应急救援是一个动态的演化过程，系统动力学(system dynamics,SD)从系统的微观结构入手，模拟分析系统的动态行为，为研究动态、复杂的多变量非线性系统提供了方法支撑[9]。为此，现通过构建海上应急救援效能的影响因素指标体系，基于SD建立了海上交通应急救援效能模型，为研究如何提升海上交通应急救援效能提供定量的、科学的决策依据。

1 海上交通应急救援效能及影响因素分析

关于效能的定义，目前并没有统一的标准，不同的组织与学者提出了不同的定义。美国工业界武器效能咨询委员会(WSEIAC)将其定义为：“效能是一个系统满足一组特定任务要求程度的度量，是系统可用性、可信性和固有能力的函数”；郭齐胜等[10]将其定义为：“系统在规定条件下达到规定使用目标的能力”，这是中国目前比较有影响力的关于效能的定义。由此可见，效能是一个相对的、定量的值，需要考虑特定的使用环境和工作目标。海上交通应急救援工作是介于预警与善后之间的工作，可以将海上交通应急救援效能理解为：海上应急救援力量在救援实施过程中执行救援任务所能达到救援预期目标的程度。

为了提升海上交通应急救援效能，基于包以德循环理论(observation-orientation-decision-action, OODA)的观察-判断-决策-行动的架构，结合《国家海上搜救应急预案》和《国家海上搜救手册》，在此基础上，查阅相关文献，构建了海上交通应急救援效能影响因素指标体系，具体如表1所示。

表1 海上交通应急救援效能影响因素

续表1

2 海上交通应急救援效能SD模型

2.1 SD方法和步骤

系统动力学的研究主要集中在系统的行为模式和特性，基于系统的内部信息反馈控制，运用计算机技术，借助模型仿真分析，以此寻求系统结构与行为规律间的动态关联[14]。系统动力学模型主要由系统变量构成，包括状态变量、速率变量、辅助变量和常量，通过构造方程，确定各变量之间的因果关系和反馈机制。构建SD模型是完成海上交通应急救援效能分析的重要环节，具体步骤为：①明确建模目的；②界定系统边界；③确定反馈关系；④设计变量方程；⑤模型仿真运行。

2.2 绘制因果关系图

综合考虑影响海上交通应急救援效能的因素，依据各因素之间的因果关系建立海上交通应急救援效能的因果回路图，如图1所示。其中事故复杂程度相关反馈为负反馈，对应急救援效能各项指标构成消极影响，事故复杂程度越高，应急救援效能越低。除此之外，图①中其他反馈均为正反馈，对应急救援效能起积极作用。

2.3 绘制SD流图

根据上述因果关系分析，建立海上交通应急救援效能SD模型的流图，如图2所示。

图2 海上交通应急救援效能SD流图Fig.2 SD flow diagram of maritime traffic emergency rescue efficiency

2.4 建立SD方程

海上交通应急救援效能SD模型的方程设计如表2所示。

表2 海上交通应急救援效能SD模型方程设计表

3 仿真分析

3.1 指标权重分析

运用SD方法对海上交通应急救援效能进行分析，需要对指标权重进行赋值。为降低单一赋权方法的自身局限性，在权重的确定过程引用层次熵分法，即利用层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)-熵值法求组合权重。主客观评价互相修正权重，使得各个指标的权重更为可靠[15]。

“+”代表正反馈，“-”代表负反馈图1 海上交通应急救援效能因果回路图Fig.1 Cause and effect diagram of maritime traffic emergency rescue efficiency

3.1.1 AHP指标权重赋值

(1)通过专家咨询并采用9标度法构造两两比较判断矩阵A[16]。

(2)计算矩阵A每一行元素aij的乘积Mi的n次方根：

(1)

(3)对向量进行归一化处理：

(2)

(4)计算矩阵A的最大特征根：

(3)

(5)计算一致性指标：

(4)

(6)判断矩阵A的一致性：

(5)

RI的具体值可由表3查到，当CR<0.1时，认为矩阵A一致性检验通过，反之则需修正。

表3 RI参考值

3.1.2 熵值法指标权重修正

(1)将判断矩阵A的列向量归一化：

(6)

(2)计算指标熵值：

(7)

(3)计算信息熵冗余度：

dj=1-ej

(8)

(4)计算各项指标的熵权：

(9)

(5)计算修正后的指标权重：

(10)

3.1.3 指标权重

根据式(1)～式(10)计算，得到各影响因素指标的组合权重值，具体如表4所示。

表4 层次熵分法组合权重计算结果

3.2 仿真实验设计

海上交通应急救援效能SD仿真实验设计如表5所示。

表5 海上交通应急救援效能SD仿真实验设计表

3.3 模型仿真实验

取代表性模型仿真实验3次，仿真模拟时间T=24，仿真步长为0.5，单位为小时。利用Vensim软件进行模拟仿真，仿真结果如图3～图5所示。

3.3.1 实验a

如图3所示，信息感知的上升速度较快，高于协同研判、方案决策和救援行动；应急救援效能与事故复杂程度呈现明显对抗趋势，随着时间的推移，应急救援过程持续推进，应急救援效能持续增长，事故复杂程度得到控制，并持续减弱。

图3 实验a(2)模型仿真图Fig.3 Simulation result diagram of the experimental a model

3.3.2 实验b

如图4所示，实验b条件下的信息感知、应急救援效能的上升趋势明显高于实验a条件下的上升趋势。相应地，实验b条件下的事故复杂程度的下降趋势明显高于实验a条件下的下降趋势。由此得出，在海上交通应急救援中，信息感知是开展应急救援工作的重要前提，当信息感知效能保持在较高水平时，应急救援效能随着救援行动效能的提高迅速提升。

图4 实验b模型仿真结果图Fig.4 Simulation result diagram of the experimental b model

3.3.3 实验c

如图5所示，以延迟1、2、3 h为例，对其仿真结果进行比较分析，结果表明延迟时间越大，应急救援效能上升幅度越慢，效能越低。当信息感知、协同研判、方案决策、救援行动无作为时，事故复杂程度受应急救援行动影响较小，且复杂性逐渐增强。

图5 实验c模型仿真图Fig.5 Simulation result diagram of the experimental c model

根据实验结论，针对提高海上交通应急救援效能，可提出以下对策建议。

(1)海上交通突发事件的应急救援过程中，应实时根据突发事件的复杂程度调整应急救援策略，全面提高救援力量的信息感知、协同研判、方案决策和救援行动水平，以此提升应急救援效能，降低事故复杂程度。

(2)应急救援效能对信息感知的依赖明显，在救援工作前期，应重点提高海上遇险报警通信水平、遇险报警信息处理能力、事故现场信息搜集能力等，形成实时、全面、不间断的救援信息感知网络，使海上突发事件态势信息的获取、传递、处理、共享形成高效回路，为应急救援决策和行动提供有力支撑。

(3)减少救援延误时间是提高救援效能的有效措施。各救援主体可通过在感知、研判、决策、行动第方面保持密切合作，提高应急救援效能，以此克服导致时间延误的主客观因素，有效缩短救援延误时间。

4 结论

海上交通应急救援效能分析是对复杂动态演化过程的分析，利用SD方法，立足于理想实验环境，对如何提升海上交通应急救援效能进行了研究探索，实验结果具有一定的参考性，期望能对提高海上交通突发事件的应对能力、降低事故复杂程度和提升应急救援效能有一定帮助。后续相关研究应不断丰富、完善海上交通应急救援效能的影响因素指标体系，并增强指标数据的客观性，提出更详细的海上交通应急救援效能提升措施，增加模型的实用性。