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1、胶州湾航道通航环境危险度分析 于定勇;刘洪超;史大运;王昌海【摘 要】调查了影响胶州湾航道通航安全的环境因素,运用 AHP-模糊综合评价法分析了胶州湾航道通航环境危险度,结果表明胶州湾航道通航环境的危险度为“一般”.在本文考虑的胶州湾航道通航环境影响因素中影响最大的是水文气象因素,其次分别是交通量、航道状况和助航设施.【期刊名称】海岸工程【年(卷),期】2011(030)004【总页数】8 页(P9-16)【关键词】AHP-模糊综合评价法;胶州湾;通航安全【作 者】于定勇;刘洪超;史大运;王昌海【作者单位】中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266100;中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 2
2、66100;中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266100;中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266100【正文语种】中 文【中图分类】U698 航道作为航运资源中的重要组成部分，是连接港口与外界的纽带。航道通航安全和港口的发展关系密切。港口企业要求航道通航环境能够满足其发展的需要，即通航环境的危险度在企业可接受的范围内。航道通航环境是指船舶移动所处的空间与条件，包括航行水域的自然条件、航道条件及交通状态1。如何科学、合理的确定航道通航环境体系和进行危险度评价，国内外相关学者提出了不同的方法。小林弘明 2提出了以操船难度为指标的航行环境评价方法，操船难度则通过将自然条件（风、流、雾等）、交
3、通管理及航行环境等因素进行定量分析确定。新井康夫3对影响操船操纵能力的环境因素进行了量化分析，并验证了这些选定因素与操船者主观感觉之间的关系，并以此为基础来判断这些环境因素对船舶航行安全的客观影响。井上欣三 4通过定量计算操船环境和航行环境对船员造成的压力值，提出了基于环境压力模型的操船困难度的评价方法。郑中义5应用灰色系统理论中的指标定权聚类法分析了影响船舶航行安全的环境因素。赵仁余6提出了基于事故统计数据的水域航行危险度的多层次模糊综合评价法。吴兆麟7从人、船、环境的角度对船舶航行危险度进行了分析，并提出利用安全指数法来分析航道航行危险度。虽然国内外学者在航道通航环境体系和危险度评价方面提
4、出了多种方法，但由于通航环境和评价目标的相关因素变化和差异较大，这些方法对具体海域通航环境危险度评价的适用性仍需进一步研究。随着胶州湾港口经济的发展，胶州湾海运业愈加繁荣，胶州湾水域通航环境也出现了新的形势，如货物运输船舶数量迅速增加、进出港口船舶大型化、渡轮航线和班次增加、港区扩大和航道分支增多等。为进一步分析新形势下胶州湾航道通航环境的安全性，本研究利用AHP模糊综合评价法对胶州湾的航道通航环境危险度进行研究，分析影响其航道通航安全的主要环境因素，并给出了胶州湾通航环境的危险程度。1 航道通航环境危险度 航道通航环境危险度是指由于自然环境与航行环境等因素的影响，使船舶在航道航行时发生事故的
5、一种度量8。本研究将通航环境下船舶发生事故的危险度评价论域定义在2，1，0，1，2区间，分别表示危险度高，较高，一般，低，较低。2 AHP 方法 层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是美国运筹学家 Saaty 等人在20 世纪 70 年代提出的一种定性与定量分析相结合的多准则决策方法，适用于分析多属性、多目标和多准则系统的决策问题9，主要步骤如下910：1）建立层次结构 在应用层次分析法之前，需要根据具体情况建立评价系统的层次结构，便于对所评判的对象进行层次分析，确立清晰的分级指标体系。2）构造判断矩阵 AHP 的信息来源于人们对每一层次各因素的相对重要性
6、的判断，这些判断用数值表示出来，组成判断矩阵。为使各元素之间进行两两比较得到量化的判别矩阵，参照有关研究成果引入下列标度及含义（表 1）。表 1 判断矩阵标度及其含义 Table 1 Symbols and meanings of judge matrix标度 bij 含 义 1 具有同等重要性 3 表示 Bi 与 Bj 比较，Bi 比 Bj 稍微重要表示 Bi 与Bj 比较，表示 Bi 与 Bj 比较，Bi 比 Bj 明显重要 7 表示 Bi 与 Bj 比较，Bi 比 Bj 强烈重要 9 表示 Bi 与 Bj 比较，Bi 比 Bj 极端重要 2，4，6，8 上述两相邻判断的中值倒数 Bi 与
7、 Bj 比较后得到 bij，则 Bj 与 Bi 比较后得到 bji1 bi 5 j 3）重要性排序 由判断矩阵 P，求出最大根 max 及所对应的特征向量 W，将特征向量 W 单位化后即为评价因素的权重。具体步骤如下：（1）将判断矩阵每一列归一化 （2）每一列经归一化后的判断矩阵按行相加 所得到的：WW1，W2，Wn 即为所求特征向量。（4）计算判断矩阵最大特征根 max 式中（AW）i 表示向量 AW 的第 i 个分向量。4）一致性检验 对判断矩阵进行一致性检验，使用以下公式：式中，CR 为判断矩阵的随机一致性比率；CI 为判断矩阵的一般一致性指标；RI 为判断矩阵的一致性指标，对于 11
8、阶以内的判断矩阵，RI 的值列于表 2。表 2 一致性指标 Table 2 Consistency index检测准则：当 CR0.10 时，即认为判断矩阵具有满意的一致性。阶数 9 1.51 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 RI 0.00 0.00 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.4 3 模糊综合评价法 航行环境危险度分析过程中涉及到许多模糊概念，征求的专家意见也带有一定的模糊性。模糊评价是一种应用模糊数学的“模糊综合评价”原理进行安全评价的方法，属于定性评价的一种方法11。模糊综合评价一般涉及 3 个要素：因素集、评价集、单因素评价
9、。在单因素评价的基础上，再进行多因素的模糊综合评价。其基本原理12如下：已知因素集 U（u1，u2，un）和评价集 V（v1，v2，vn），依据专家经验或个人的主观判断，设定对各评价因素的权分配，即 U 上的模糊子集 A 简化为 W（w1，w2，wn），其中 wi 为第 i 个因素ui 所对应的权数，且一般均规定 对第 i 个因素的单因素模糊评价为 V 上的模糊子集：Ri（r1，r2，rn）。由此，单因素评判矩阵 R 为：4 胶州湾航道通航环境危险度分析 本文通过以下步骤来对胶州湾航道通航环境危险度进行分析。4.1 建立评价指标体系 评价因素采用专家调查法（Delphi）来确定，采用的调查表
10、27 份，其中船员 6 份，青岛港工作人员 9 份，青岛海事局 7 份，引航员 5 份。根据调查结果确定了指标体系，其由二级指标构成（图 1）。图 1 胶州湾航道通航环境因素 Fig.1 The navigation environmental factors in the channels of the Jiaozhou Bay 4.2 构造并求解判断矩阵 以危险度为参量，分析各评价因素对航道通航安全影响程度，按影响分为危险度低、危险度较低、危险度一般、危险度较高和危险度高 5 个等级，分别给出了 9 个评价因素的危险度评价标准如表 3 所示1314。在危险度评价标准的基础上，得到 9 个评
11、价指标的隶属函数。采取专家调查法对层次中各评价因素对“航道通航环境危险度”的相对重要程度进行打分获取权重系数，通过 AHP 中的层次单排序法确定层次中各评价因素的权重，得到航道通航环境危险度各因素的权重，判断矩阵如下：第一层航道航行环境因素判断矩阵：得到相应评价指标：max4.004，CI0.0013，RI0.89，CR0.00150.1。第二层水文气象因素指标判断矩阵：得到相应评价指标：max3.002，CI0.001，RI0.52，CR0.0020.1。第二层航道状况因素指标判断矩阵：得到相应评价指标：max4.012，CI0.004，RI0.89，CR0.0050.1。表 3 评价因素危
12、险度评价标准 Table 3 Risk criteria of evaluation factors 注：能见度不良天数指能见度低于 2km 的天数；年均标准风天数年均风（6 级）的天数1.5年均风（7 级以上）的天数；流速指胶州湾航道最大的流速；障碍物距离指航行船舶距最近障碍物的距离；弯曲度指航道转向中最大的转向角；航道宽度指航道宽度与最大船长之比；航道交叉状况指主航道与次航道交叉角；助航设施完善率指助航设施较完善的航道总航道危险度因 素低较低 一般 较高 高能见度不良天数da1 15 1525 2540 4050 80 50 标准风天数da1 30 3060 60100 100150 15
13、0 流速kn 0.5 0.52.0 2.05.0 5.07.0 7.0 障碍物距离m 200 100200 50100 2050 20 弯曲度 20 2030 3050 5070 70 航道宽度 5 2.55.0 1.52.5 0.71.5 0.7 交叉状况 20 2045 4560 6070 70 交通量艘d1 50 50100 100200 200500 500 助航设施完善率%95100 9095 8090 7080 4.3 航道航行环境安全模糊综合评价 胶州湾航道通航环境各影响因素的代表值如表 4 所示。表 4 胶州湾通航环境各因素代表值 Table 4 Representative
14、values of navigation environmental factors in the channels of the Jiaozhou Bay 评价指标 调查数据 资料来源能见度不良天数da1 48 青岛港、青岛港总体规划标准风风天数da1 97 青岛港、青岛港总体规划流速kn 4.76 青岛港总体规划、胶州湾湾口通航环境整治研究障碍物距离m 150 青岛引航站弯曲度 8 青岛海事局、青岛港航道宽度 3.6 青岛港、青岛港总体规划交叉状况 90 青岛海事局、青岛引航站交通量艘d1 260 青岛海事局、青岛港助航设施完善率%87.5 青岛港、青岛港总体规划 将各评价因素调查数据代入
15、相应的隶属函数中，得到模糊评判矩阵 R：评判集的危险度从高到低分为 5 个等级，V高，较高，一般，较低，低，将评价集的危险度进行量化，高危险度由2 表示，低危险度由2 表示，V2，1，0，1，2。由自然条件 U1 下的 3 个因素 U11、U12 和 U13 可以得出自然条件的综合评价向量 B1，由航道状况 U2 下的 4 个因素 U21、U22、U23 及 U24 可以得出航道状况综合评价向量 B2，交通量及助航设施无次级评价因素，其综合评价向量分别为 B3、B4。单因素综合评价向量如下：总的模糊综合评价向量为 BW（1）R0.056 0.271 0.341 0.095 0.064。运用加权
16、平均法对水文气象、航道状况、交通量及助航设施及最终的综合评价向量进行处理。得到结果如下：1）水文气象单因素分析：结果位于1，0，处于“危险度较高”与“危险度一般”之间，倾向“危险度较高”。2）航道状况单因素分析：结果位于1，0，处于“危险度较高”与“危险度一般”之间，倾向“危险度一般”。3）交通量单因素分析：处于“危险度一般”与“危险度较低”之间，倾向“危险度一般”。4）助航设施单因素分析：危险度等级为“危险度较低”。5）综合评价向量分析：结果位于1，0，处于“危险度较高”与“危险度一般”之间，倾向“危险度一般”。从水文气象、航道状况、交通量、助航设施及综合评价向量的评判结果来看，水文气象是对
17、胶州湾航道通航环境安全影响最大的因素，其危险度指标最高，其次是交通量、航道状况和助航设施。5 结 论 随着胶州湾两岸经济的发展，胶州湾通航环境发生了较大变化。本研究调查了影响胶州湾航道通航安全的各环境因素，并运用AHP模糊综合评价法分析了胶州湾通航环境危险度状况，结果表明，胶州湾航道通航环境的危险度为“一般”；在影响胶州湾通航环境安全的因素中影响最大的是水文气象因素，其次分别为交通量、航道状况和助航设施。本研究结果为进一步提高胶州湾通航环境安全性判定提供了参考。参考文献：1 李炎，郑宝友.港口通航环境对船舶航行安全的影响分析及评价J.水道工程，2007，28（5）：342347.2 小林弘明.
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