費(fèi)岳軍 ，徐麗麗，2 ，鄭曉琴 ，堵盤(pán)軍 ，姚圣康，何善方

(1.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心,上海 200081；2.南京信息工程大學(xué),環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 211800；3 國(guó)家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江寧波 315000)

1 引言

長(zhǎng)江口海域是我國(guó)第一大河河口長(zhǎng)江口和第一強(qiáng)潮河口灣杭州灣的交匯區(qū)，灘槽相間，風(fēng)、浪復(fù)雜，水動(dòng)力三維特征明顯，屬海損事故高發(fā)區(qū)，其中尤其以重點(diǎn)航線、重點(diǎn)港口最為嚴(yán)重。上海沿海的海浪災(zāi)害主要表現(xiàn)為大風(fēng)大浪引起發(fā)海難事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003—2010年，長(zhǎng)江口海域共發(fā)生362起海難事故，由大風(fēng)浪引起的海難事故213 起（見(jiàn)圖1），其中直接導(dǎo)致船舶沉沒(méi)事故189 起。目前，我國(guó)的海損實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警機(jī)制尚未建立[1]，實(shí)際操作中多是利用經(jīng)驗(yàn)或單一指標(biāo)進(jìn)行粗略的評(píng)估，沒(méi)有形成科學(xué)、高效、可操作性強(qiáng)的海難（尤其是沉船）風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警分級(jí)方法和指標(biāo)體系。相關(guān)的研究多是針對(duì)水上交通安全的總體定性評(píng)價(jià)或是建立了水上交通安全的綜合預(yù)警指標(biāo)體系，而對(duì)于沉船風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)預(yù)警和預(yù)報(bào)還屬空白。因此本文針對(duì)航行船只，根據(jù)各海區(qū)的災(zāi)害性海浪事故分布特征，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于“AHP”層次分析法[2]，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，建立長(zhǎng)江口海域的沉船風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)沉船風(fēng)險(xiǎn)的量化評(píng)估和動(dòng)態(tài)預(yù)警，為政府相關(guān)部門(mén)能及時(shí)根據(jù)預(yù)警等級(jí)采取預(yù)防措施和應(yīng)急響應(yīng)提供支撐。

2 長(zhǎng)江口海域海難事故發(fā)生概況

近年來(lái)隨著世界貿(mào)易自由化、經(jīng)濟(jì)一體化和信息全球化進(jìn)程的加快，長(zhǎng)江口海域作為全球最繁忙的港口之一，海難事故發(fā)生頻次也隨之增加（見(jiàn)圖2），年平均81次。2005年至今，隨著洋山港的建成以及港口吞吐量的劇增，海難事故也呈現(xiàn)跳躍式的增長(zhǎng)，僅2007年就達(dá)113 次，之后一直維持年均120次左右的高事故發(fā)生率。因此在保持經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)，我們更要警惕海難事故，運(yùn)用科學(xué)的手段在第一時(shí)間提供預(yù)警信息，將損失降到最低。

圖1 長(zhǎng)江口海域2003—2010年海難事故發(fā)生位置分布圖

根據(jù)東海預(yù)報(bào)中心的歷史天氣圖資料庫(kù)分析引發(fā)海難事故的天氣系統(tǒng)主要分為：冷空氣、熱帶氣旋、溫帶氣旋、靜止峰、倒槽發(fā)展等5種主要天氣型，其中以冷空氣位居之首（見(jiàn)圖3），高達(dá)180 次，占51%。冷空氣擴(kuò)散南下過(guò)程中，冷峰過(guò)境時(shí)及過(guò)境后12—24 h內(nèi)，處于冷高前緣、冷鋒后部的長(zhǎng)江口海域出現(xiàn)了6 級(jí)以上的大風(fēng)天氣，強(qiáng)冷空氣造時(shí)該海域甚至出現(xiàn)8—9級(jí)的偏北大風(fēng)，狂風(fēng)惡浪是導(dǎo)致海難事故頻發(fā)的主要原因。氣旋也是造成海難事故發(fā)生的重要天氣系統(tǒng)，以4—6月份影響次數(shù)為最多。氣旋較之冷空氣發(fā)生次數(shù)較少，但由于其發(fā)生發(fā)展突然，時(shí)間短，常造成短時(shí)雷雨大風(fēng)天氣，且隨著氣旋東移，沿海海面風(fēng)向也在不斷轉(zhuǎn)變，因而使得海上船只不能及時(shí)根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)力的變化來(lái)采取相應(yīng)的防范措施，從而引發(fā)海難事故。由于天氣系統(tǒng)的季節(jié)變化，海難事故的發(fā)生頻次也呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化規(guī)律（見(jiàn)圖4）。以秋冬季（10—12月份）冷空氣頻發(fā)，海難事故發(fā)生次數(shù)為最多，占總數(shù)35%，其中以11月份高達(dá)105次；春季（3—5月）主要受出海氣旋影響，海難事故次之，占總數(shù)33%，7月份最少。

圖2 長(zhǎng)江口海域近10年海難發(fā)生頻次變化圖

圖3 大戢山海洋站近十年各月災(zāi)害系統(tǒng)出現(xiàn)頻次圖

3 資料來(lái)源及分析方法

3.1 資料來(lái)源

本文所用海難事故資料由交通運(yùn)輸部東海救助局提供，時(shí)間年限為2003—2011年，統(tǒng)計(jì)案例區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江口（29°—32°N，120°——125°E）及鄰近海域內(nèi)的海難事故案例，共計(jì)362起，其中由大風(fēng)浪引起的海難事故213起。水文氣象數(shù)據(jù)為東海預(yù)報(bào)中心提供的2003—2011年佘山、大戢山、灘滸島、嵊山的逐時(shí)數(shù)據(jù)及歷史天氣圖資料。

圖4 長(zhǎng)江口海域1996—2010年海難發(fā)生頻次月變化圖

3.2 模糊綜合評(píng)判方法

模糊綜合評(píng)判方法是運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)工具對(duì)多層次、多因素系統(tǒng)的特征進(jìn)行總體評(píng)判的一種定性與定量相結(jié)合的方法[3-5]。其基本步驟如下：（1）確定評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集；（2）確定各指標(biāo)的權(quán)重集；（3）確定評(píng)價(jià)集；（4）進(jìn)行單因素模糊評(píng)判和多因素模糊綜合評(píng)判；（5）根據(jù)最大隸屬度原則或加權(quán)平均法對(duì)綜合評(píng)判結(jié)果進(jìn)行排序。

4 沉船風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型的建立

4.1 確定預(yù)警因子集

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析歷史事故資料及查閱相關(guān)文獻(xiàn)[6]，以及海洋預(yù)報(bào)專(zhuān)家、海事局及搜救中心等管理調(diào)度人員、船長(zhǎng)和輪機(jī)長(zhǎng)等船只人員共40 位專(zhuān)家，經(jīng)過(guò)多輪調(diào)查意見(jiàn)征集及統(tǒng)計(jì)反饋，回收有效調(diào)查問(wèn)卷35 份，堅(jiān)持“客觀性、可獲取性及時(shí)效性”的原則，最終確定沉船風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)體系及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)?；谙到y(tǒng)工程，沉船風(fēng)險(xiǎn)主要是基于“人一船舶一環(huán)境”組成的風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)，暫且不考慮人為主觀因素，主要考慮“船舶一環(huán)境”組成的客觀系統(tǒng)，確定沉船風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的影響因素集合：U={U1;U2}，其中環(huán)境條件狀況U1={U11;U12;U13;U14}；承載體狀況U2={U21;U22}。針對(duì)沉船風(fēng)險(xiǎn)建立3 層指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，即目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層（見(jiàn)圖5）。

圖5 沉船風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的分層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4.2 權(quán)重系數(shù)的確定

將預(yù)警指標(biāo)體系建成遞階層次結(jié)構(gòu)體系后，引用T.LSaaty 標(biāo)度法來(lái)反映指標(biāo)間的相對(duì)重要性，根據(jù)上下層次之間的隸屬關(guān)系[7]，構(gòu)造判斷矩陣，見(jiàn)式（1）、（2）、（3）。

運(yùn)用AHP法中的方根法，通過(guò)編制Matlab程序求解判斷矩陣，并進(jìn)行層次單排序及一致性檢驗(yàn)，得到沉船風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估的目標(biāo)層(A)與準(zhǔn)則層(B)、準(zhǔn)則層（B）與子準(zhǔn)則層（C）判斷矩陣的特征向量、最大特征值max、單層次單排序及一致性檢驗(yàn)結(jié)果，得到的CI、CR 均小于0.1，滿足判斷矩陣的一致性要求，計(jì)算所得特征向量可作為權(quán)向量。根據(jù)層次總排序及一致性檢驗(yàn)，得到各因子的排序及權(quán)重集P={風(fēng)速、波高、噸位、船型、風(fēng)向、波向}={0.5153、0.3000、0.0647、0.0423、0.0286、0.0196}

表1 判斷矩陣單排序及一致性檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

4.3 指標(biāo)因子的分級(jí)和量化

4.3.1 自然環(huán)境因子的分級(jí)和量化

本文中主要是針對(duì)不同類(lèi)型的船只對(duì)應(yīng)不同等級(jí)風(fēng)浪的風(fēng)險(xiǎn)概率。即通過(guò)建立各致災(zāi)因子危險(xiǎn)性參數(shù)(風(fēng)速、波高)與災(zāi)害損失率（沉船風(fēng)險(xiǎn)）之間的關(guān)系。假設(shè)建立致災(zāi)因子（風(fēng)力、波高）和船損危險(xiǎn)系數(shù)Y 之間的關(guān)系模型Y=f(X)。根據(jù)專(zhuān)家調(diào)查表及相關(guān)文獻(xiàn)記載[8-9]的全損風(fēng)力上下限值（表2—3），確定風(fēng)力、波高大小X 與船損危險(xiǎn)系數(shù)Y 之間的關(guān)系模型為分段函數(shù)。根據(jù)上海沿海所在海域?qū)崪y(cè)波浪的統(tǒng)計(jì)分析可知，受特定長(zhǎng)江口地形影響，波高變化范圍與通用的波高等級(jí)有很大的差異，因此，本項(xiàng)目根據(jù)海難事故的實(shí)際分結(jié)果，修正的上海沿海近岸浪波高等級(jí)。

表2 各等級(jí)船只的全損風(fēng)力上下限

表3 各等級(jí)船只的全損波高上下限

根據(jù)噸位分類(lèi)級(jí)別，建立船損危險(xiǎn)系數(shù)的分段函數(shù)方程如下（見(jiàn)表4—5）：

4.3.2 承載體的分級(jí)和量化

根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)可獲取情況，具有代表性的調(diào)查研究對(duì)象主要分為漁船、貨船、駁船、集裝箱。不同類(lèi)型船舶的抗風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度及損壞程度不同。根據(jù)吳兆麟，朱軍編輯的《海上交通工程》中的相關(guān)規(guī)定[10]，具體船舶類(lèi)型及噸位的換算系數(shù)見(jiàn)（見(jiàn)表7—8）：

表4 風(fēng)速的危險(xiǎn)性評(píng)估隸屬度

表5 波高的危險(xiǎn)性評(píng)估隸屬度

表6 風(fēng)向模糊評(píng)判系數(shù)表

表7 浪向的模糊評(píng)判系數(shù)

表8 不同船舶類(lèi)型對(duì)應(yīng)的換算系數(shù)

表9 船舶噸位大小換算系數(shù)

4.4 模糊綜合評(píng)判

單因素模糊評(píng)判是單獨(dú)從一個(gè)因素出發(fā)進(jìn)行評(píng)判Uij 出發(fā)進(jìn)行評(píng)判，以確定評(píng)判對(duì)象評(píng)價(jià)集元素Ek(k=1,2,3,4)的隸屬度Rij 的過(guò)程。將各單因素模糊評(píng)判集隸屬度作為行組成單因素評(píng)判矩陣,得到總目標(biāo)層(沉船風(fēng)險(xiǎn))的綜合評(píng)價(jià)集：

同時(shí)參考國(guó)家“908”專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查報(bào)告，定義上海沿海沉船風(fēng)險(xiǎn)概率綜合評(píng)估模型為：

評(píng)價(jià)集是對(duì)評(píng)判對(duì)象可能作出評(píng)判結(jié)果的集合。在確定評(píng)價(jià)等級(jí)時(shí)，參考各調(diào)查專(zhuān)家學(xué)者的意見(jiàn)[11-12]及根據(jù)《國(guó)家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案》，參考突發(fā)公共事件可能造成的危害程度、緊急程度和發(fā)展態(tài)勢(shì)，可將沉船風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)E 定義為j=1,2,3,4個(gè)等級(jí).即用Ej={ e1,e2,e3,e4 }={0.75—1.0，0.5—0.75（不含），0.25-0.5（不含），0—0.25（不含）}={極其危險(xiǎn)，非常危險(xiǎn)，危險(xiǎn)，稍危險(xiǎn)}。分別用4種不同的顏色表示4 級(jí)預(yù)警度：一級(jí)紅色，二級(jí)橙色，三級(jí)黃色，四級(jí)藍(lán)色。

本文根據(jù)搜救中心提供的2003—2011年共189次案例，進(jìn)行沉船風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算，其中達(dá)到紅色預(yù)警級(jí)別的事故121次，橙色預(yù)警級(jí)別的事故26次，黃色預(yù)警級(jí)別25次，藍(lán)色預(yù)警級(jí)別15次。紅色預(yù)警沉船風(fēng)險(xiǎn)為75%—100%，橙色預(yù)警的沉船風(fēng)險(xiǎn)50%—75%，黃色預(yù)警的沉船風(fēng)險(xiǎn)為25%—50%，藍(lán)色預(yù)警的沉船風(fēng)險(xiǎn)為0—25%。定義大于75%的事故案例通過(guò)檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)189次后報(bào)檢驗(yàn)，沉船風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的準(zhǔn)確率（風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)大于75%的事故次數(shù)/所有沉船事故次數(shù)*100%）為64%。

5 結(jié)論及討論

（1）沉船風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型基本能反映上海沿海海域的船舶航行的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)情況，189 次沉船案例后報(bào)結(jié)果中達(dá)紅色預(yù)警級(jí)別的事故121 次，沉船風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的準(zhǔn)確率到達(dá)為64%。此航線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型具有預(yù)測(cè)性和針對(duì)性特點(diǎn)，具有動(dòng)態(tài)可預(yù)報(bào)性的特點(diǎn)，根據(jù)風(fēng)浪要素72 h的預(yù)報(bào)時(shí)效，沉船風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型也可做到72 h的預(yù)警保障，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)預(yù)警功能，能夠?qū)崟r(shí)的為航行船只提供安全保障服務(wù)；

（2）缺乏事故發(fā)生時(shí)船舶的載重和船齡等更詳細(xì)的實(shí)際資料，在模型中并沒(méi)用考慮，以至于計(jì)算案例中危險(xiǎn)系數(shù)的等級(jí)不是異常明顯，實(shí)際計(jì)算過(guò)程中若針對(duì)具體船只的參數(shù)進(jìn)行全方位的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，模型的計(jì)算結(jié)果將更準(zhǔn)確，更能實(shí)際反映航行中船舶的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)情況；

（3）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的核心之一是致災(zāi)因子強(qiáng)度和承載體風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)關(guān)系的建立。本研究中主要考慮了波高和風(fēng)力兩個(gè)要素，由于實(shí)況數(shù)據(jù)及專(zhuān)家調(diào)查數(shù)據(jù)的限制，目前僅僅建立線性方程，刻畫(huà)了理想狀況的風(fēng)力強(qiáng)度和船損風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系。實(shí)際中，風(fēng)力和船損危險(xiǎn)系數(shù)是非線性的，這也是在以后工作中進(jìn)一步深入研究和完善的地方。

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