基于AHP 法的桥区水域通航环境风险评价

郝浩HAO Hao；李夫仲LI Fu-zhong

（安徽省交通勘察设计院有限公司，合肥 230011）

0 引言

经济社会的快速发展为交通基础设施建设创造了更好的条件，属于工程建设规模越来越大，其中涉水工程建设是当前水域工程建设的重中之重，与之相关的建设项目越来越多。但是涉水工程建设中也面临着很多挑战，工程施工建设会影响周边水域的通行环境，威胁一些船舶的通航安全，这一点在相关的研究成果当中已经得到了印证。以桥梁工程为例，桥梁工程在施工建设之前需要进行充分的可行性论证，在论证的过程中要根据收集的相关资料论证和分析，建成以后对河道水流特性的影响，通过模拟分析等方式掌握建成以后的河床演变规律等，在此基础上科学合理的选择桥梁的建设位置，桥墩和通航孔的布置方法，如果这些方面没有进行科学的分析和预测，将会直接制约和影响通行环境和条件甚至会影响通行安全。进而成为航运安全畅通的“瓶颈”，如南京长江大桥[2]，受当时国民经济现状的制约，净空高度偏低，导致万吨级船舶被阻挡在南京长江大桥以下的水域，在一定程度上影响了长江中上游地区航运业的发展。因此，有必要对桥区水域的通航环境进行风险评价。由于通航环境受不同层次的多因素的影响，而且许多因素的量化信息并不完备且其边界条件并不十分明显。因此，采用层次分析法可以较好地解决此类问题。本文采用AHP[3]相关理论与方法，结合专家调查法，建立了桥区水域风险评价层次化的指标体系，为保证桥区水域的通航安全提供参考依据。

1 层次分析法

层次分析法（AHP）是实证研究当中经常采用的一种方法，作为一种系统方法，这种分析方法的优势在于解决一些无法量化项目的具体评价问题，是一种以定量分析为主，同时强化定性分析能力的实证研究方法。在研究当中先要将研究对象分为若干个元素，分析元素的组成以及彼此之间的关系，在此基础上形成一个不同等级的层次结构，同一层次的各个元素进行两两比较形成权重。以加强求和的方法来确定总目标，选中，从而确定不同元素，对所研究对象的实际影响。通常作为影响因素的评价以及相关元素的影响机制的分析。

1.1 判断矩阵的构造及一致性检验按照层次分析法的分析判断的标准和要求，运用的判断矩阵构造的方法构造判断矩阵。判断矩阵的标度值及含义如表1 所示。

表1 判断矩阵的标度值及含义

通过专家对通航风险影响因子之间的比较分析及权重的计算，统计的分析以后可以得出最终的判断矩阵结果，再对各个判断矩阵进行一致性检验。

根据层次分析法的矩阵理论，假设是矩阵A=（Aij）m×n的特征值，并且对于所有aij=1 则有显然，当矩阵具有完全一致性时，λ1=λmax=n，其余特征值均为零；当矩阵A 不具有完全一致性时，则需要对判断矩阵修正，且λ1=λmax＞n，其余特征值存在有如下关系AHP 法使用其余特征值的负平均值，评价判断矩阵偏离一致性，具体结果如下：

式中，CI 为判断矩阵对一致性的偏离程度；λmax为各层次判断矩阵的最大特征值；n 为判断矩阵的阶数。

上述结果显示符合一致性标准，此时CI=0，对于不同阶数的判断矩阵，其CI 值也不同；一般地，随着判断矩阵阶数的增大，其CI 值也逐渐增大。为了度量不同判断矩阵的一致性检验是否满足要求，再引入判断矩阵的平均一致性指标RI 值，RI 值是用随机方法分别对n=1～9 阶构造500 个样本矩阵，计算其一致性指标CI 值，然后平均即得随机一致性指标RI 如表2 所示。

表2 RI 值与判断矩阵阶数n 的关系

对于1、2 阶判断矩阵总是具有完全一致性。当n＞2时，判断矩阵的一致性指标CI 与同阶平均随机一致性指标RI 之比称为随机一致性比率，记为CR。

一般地，当CR＜0.10 时，判断矩阵具有良好的一致性，符合的研究标准和要求。

1.2 各指标相对权重的确立 目前相对权重的计算方法有求和法、方根法、特征根法和最小二乘法[4]等，本文采用求和法计算相对权重。首先将判断矩阵的元素按列归一化，即归一化后的矩阵B 的各元素为：

将归一化后的各列相加，将相加后的向量除以n 即得权重向量，即：

由上述方法求得各层指标权重，再由层次分析法求取指标层对目标层的总权重。

2 工程实例

以安徽省望东长江公路大桥建设工程[5]为例，如图1所示。该工程位于位于长江下游东流水道进口段，左岸望江县，右岸为东至县。桥区河段通航代表船队尺度为406m×64.8m×3.5m，海轮代表船型为5000 吨级海轮。拟选桥位单孔单向通航净空宽度不小于325m，单孔双向通航净空宽度不小于575m[6]。根据大桥的通航环境对大桥进行通航风险评价。

图1 安徽省望东长江公路大桥桥型布置示意图

2.1 风险源识别 船舶在某一水域航行，影响其安全的通航环境主要分为三大类，即自然环境、港口环境以及交通环境。针对该建设工程，结合有关学者在该领域的研究成果和专家咨询的方法识别出通航风险源为：①自然环境的风险源主要为：风力的大小、流速流态、雾及能见度、礁石及浅滩。②港口环境的风险源主要为：航道宽度、航道水深、航道的弯曲程度、航道的交叉、桥位的布置、锚地条件。③交通环境的风险源主要为：船舶航路、交通流量、水工碍航物、导助航设施、安全保障设施、管理规章。

2.2 评价指标体系的建立 根据上述层次分析法及拟建工程水域的风险源进行评价指标体系构建，得到该工程水域通航风险评价的指标体系结构图如图2。

图2 工程水域通航风险评价指标体系结构图

本文咨询了多名专家，对准则层、指标层中的各元素的相对重要性进行了判断，并且经过统计分析得出判断矩阵。

2.3 权重的确定

根据层次分析法，对每个层次的判断矩阵进行一致性检验并计算相对权重。

2.3.1 准则层的判断矩阵及相对权重

判断矩阵A-Bi（i=1，2，3）为

式中，A 为评价体系的目标层，即拟建工程水域通航风险评价指标；B1、B2、B3为评价体系的准则层，其中B1指自然环境，B2指港口环境，B3指交通环境。

用归一法求其相对权重为

式中，W 为目标层的总权重；W1、W2、W3分别为准则层自然环境、港口环境及交通环境占目标层的权重。

根据公式（4）得：λmax=3.0858

根据公式（1）及（2）得

故判断矩阵A 的一致性检验满足要求。

2.3.2 指标层各元素的判断矩阵及相对权重

①自然环境下各元素的判断矩阵B1-C1j（j=1，2，3，4）为：

用归一法求其相对权重得到：

式中，W11、W12、W13、W14分别为指标层中风、流速流态、雾及能见度、礁石及浅滩占自然环境的权重。

其中，λmax=4.1864

则判断矩阵B1的一致性检验满足要求。

②港口环境下各元素的判断矩阵B2-C2j（j=1，…，6）为：

用归一法求其相对权重得到：

式中，W21、W22、W23、W24、W25、W26分别为指标层中航道宽度、航道水深、弯曲程度、航道交叉、桥位布置、锚地条件占港口环境的权重。

其中λmax=6，由于判断矩阵B2的阶数为6，故λmax-n=0，即CI=0，所以判断矩阵B2具有完全一致性。完全满足一致性检验的要求。

③交通环境下各元素的判断矩阵B3-C3j（j=1，2，…，6）为：

用归一法求其相对权重得到：

式中，W31、W32、W33、W34、W35、W36分别为指标层中船舶航路、交通流量、水工碍航物、导助航设施、安全保障设施、管理规章占交通环境的权重。

其中λmax=6.0983

则判断矩阵B3的一致性检验满足要求。

2.3.3 计算每个指标的总权重

若Bi为A 的子指标，Cij为Bi的子指标，则Cij相对于A 的权重[7]为

式中，Vij为指标层Cij占目标层A 的权重，Wi为准则层Bi占目标层A 的权重，Wij为指标层Cij占准则层Bi的权重。由公式（5）可求得各指标的总权重如表3。

表3 各指标总权重计算表

从指标体系总权重可以看出，主要风险源中最大的风险指标为B31（船舶航路）、B32（交通流量）及B35（安全保障设施），其次为B25（桥位布置）及B26（锚地条件），然后依次为B11（风）、B34（导助航设施）、B36（管理规章）。而望东长江公路大桥的风险主要由于船舶航路变窄，交通流量过大，安全保障设施的适应能力下降及风引起的强对流天气等原因造成的，因此评价指标模型与现实客观情况是相符合的。根据上述分析，为保证桥区水域的通航安全，航道部门应根据航道变迁及时布设和调整航标，保证过往船舶及时调整船舶航路；加强对桥区水域的监督管理，规范桥区水域船舶航行，避免相互干扰；尽快建设VTS系统，将安全保障设施尽早投入使用；面对风引起的恶劣天气，航行船舶应及时收听当地的天气及水文信息，提前采取应对措施，以策安全。

3 结论

采用AHP 法对安徽省望东长江公路大桥通航环境风险的多因素综合评价和分析，得出以下结论：①安徽省望东长江公路大桥通航环境最大的风险来自于交通环境，其次为港口环境。主要的风险指标依次为船舶航路、交通流量、安全保障设施、桥位布置、锚地条件、风、导助航设施和管理规章等，而这些也正是桥区水域通航环境风险的主要影响因素。②本文研究表明，桥区水域通航安全对水上交通运输和国民经济发展起着极其重要的作用，对桥区水域通航环境风险进行评价有着非常重要的意义，基于AHP法所建立的通航环境风险评价指标体系是比较符合实际情况的。本文提出的风险评价指标体系对于其他的桥区水域通航环境风险评价具有一定的参考价值。