■芮浩強顏忠甲（.泉州海事局，泉州　36800；.福建省寧德市地方海事局，寧德　3500）

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基于FSA（綜合安全評估）橋區(qū)水域通航環(huán)境安全評價模型構(gòu)建

■芮浩強1顏忠甲2
（1.泉州海事局，泉州362800；2.福建省寧德市地方海事局，寧德352100）

摘要本文對FSA（綜合安全評估）方法進(jìn)行了介紹，F(xiàn)SA方法不僅是一種系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的綜合安全評價方法,而且它應(yīng)該被認(rèn)為是一種風(fēng)險評價的思想。在港口水域、橋區(qū)水域水上交通安全風(fēng)險評價工作甚至其它風(fēng)險評價時,應(yīng)該始終貫穿FSA這種系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化并具有預(yù)見性、全面性的思想,使得風(fēng)險評價工作可以更加實際可用、合理可信。本文選擇FSA（綜合安全評估）作為橋區(qū)水域通航環(huán)境安全風(fēng)險評價的研究工具，結(jié)合層次分析法、模糊數(shù)學(xué)綜合評價數(shù)學(xué)方法，構(gòu)建了橋區(qū)水域通航環(huán)境安全評價模型。

關(guān)鍵詞FSA橋區(qū)水域通航環(huán)境安全風(fēng)險評價層次分析法模糊數(shù)學(xué)

1　引言

橋區(qū)水域?qū)儆谙拗扑?，也是船舶事故多發(fā)水域。近年來，我國對橋區(qū)水域通航安全評價研究取得了較大進(jìn)展，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一對跨江大橋橋區(qū)船舶通航實船試驗及相關(guān)研究比較重視,取得了很多重要成果，如武漢理工大學(xué)劉明俊教授所帶領(lǐng)的學(xué)術(shù)梯隊在跨江大橋橋區(qū)船舶通航實船試驗方面做了很多研究工作,攻克了很多亟待解決的實際問題,完成了“蘇通長江公路大橋船舶通航實船試驗及模擬研究”、“蘇通大橋船舶失控漂移對橋梁的影響”、“宜萬鐵路萬州長江鐵路大橋船舶通航實船試驗及研究”、“南京長江四橋工程可行性研究階段船舶通航實船與數(shù)值模擬研究”等課題的研究；另外一種是運用現(xiàn)有通航標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合數(shù)值模擬計算,或結(jié)合河工模型開展分析論證；三是圍繞船橋碰撞問題開展研究，主要包括船舶失控撞橋概率研究、橋梁船撞安全評估、船撞橋風(fēng)險分析等。

目前，橋區(qū)船舶通航安全研究主要是圍繞船橋碰撞問題開展的。國際上對船－橋碰撞問題的系統(tǒng)研究始于上世紀(jì)80年代初。近10年來，隨著我國大量跨江、跨海大橋的設(shè)計、建造，我國對船橋碰撞問題也越來越重視，就船橋碰撞相關(guān)問題開展了大量的研究。總體來說，無論是國內(nèi)還是國外，船橋碰撞相關(guān)問題的深入研究主要限于碰撞事故的發(fā)生概率風(fēng)險評估、碰撞力確定方法、碰撞后橋梁的動力特性分析以及橋墩防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。2007年，上海交通大學(xué)《橋區(qū)通航安全評估技術(shù)研究》課題組從預(yù)報船舶過往橋區(qū)的操縱運動和預(yù)防船－橋碰撞事故發(fā)生的角度研究船－橋避碰及其船舶橋區(qū)通航安全問題，采用實船試驗方法和計算機及操縱模擬器模擬的方法進(jìn)行橋區(qū)船舶通航論證方面開展了研究，自主開發(fā)了船舶在跨江、跨海大橋橋區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下的操縱運動數(shù)學(xué)模型建模方法，船舶在舵、槳等控制、推進(jìn)裝置的控制力和風(fēng)、流等環(huán)境干擾力聯(lián)合作用下的橋區(qū)通航運動模擬方法、船舶橋區(qū)安全通航能力預(yù)報方法以及船舶橋區(qū)安全通航避碰控制策略，研發(fā)了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于模擬試驗和航跡控制的船舶橋區(qū)通航安全評估軟件系統(tǒng)。

通過查閱文獻(xiàn)，在橋區(qū)水域通航安全評價研究中，研究橋區(qū)水域通航環(huán)境安全評價內(nèi)容不多，環(huán)境安全是一個系統(tǒng)工程,它存在的危險因素是比較廣泛的。這些危險因素綜合性和專業(yè)性較強，涉及到船員管理、船舶管理（船舶檢驗）、通航環(huán)境管理、海事管理和運政管理等領(lǐng)域，開展橋區(qū)水域通航環(huán)境安全風(fēng)險評價方法的研究具有十分重要意義。

2　 FSA（綜合安全評估）概述

FSA(Formal Safety Assessment,綜合安全評估)是國際海事組織(IMO)制定以提高船舶安全為目的的新的公約規(guī)則所采用的一種結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的方法。它是一種綜合性、系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)化的評價工具,用以幫助制定出合理可行的規(guī)則、盡可能提供風(fēng)險的預(yù)防或控制方案;此外該方法既能進(jìn)行事故發(fā)生之后的事后性分析,又能用于事故發(fā)生之前的預(yù)測性分析,總之它是一種事后性加預(yù)期性的規(guī)范化風(fēng)險評價方法。FSA方法的運用對促進(jìn)水上交通安全管理工作的科學(xué)性以及提高管理的整體水平將產(chǎn)生積極的影響。

船舶運輸

FU JIAN JIAO TONG KE JI

2.1國內(nèi)外對FSA方法的研究與應(yīng)用

國外對于FSA方法的研究起步比較早,自從FSA開始應(yīng)用在水上交通安全管理工作以來,英國在這方面取得了比較好的預(yù)期效果。作為國際海事組織的A類理事國,我國交通運輸部的海事局、船級社、專業(yè)的院校以及相關(guān)研究單位的研究人員已經(jīng)在FSA方法的應(yīng)用上進(jìn)行了初步的研究工作。早在1999年,通過結(jié)合我國的實際情況與要求并依據(jù)IMO《綜合安全評估應(yīng)用暫行指南》的規(guī)定,我國船級社專門制定并頒發(fā)了《中國船級社綜合安全評估應(yīng)用指南》,之后運用FSA方法對長江上的高速船舶進(jìn)行了風(fēng)險評估和分析,對渤海灣的客滾船舶進(jìn)行了全面的FSA研究。近幾年來，我國一些專家學(xué)者對FSA方法在海上交通安全不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行不斷深入研究。主要在以下幾個方面：一是在通航管理方面，應(yīng)用在港口水域、船舶交通管理水域、危險品碼頭通航安全評估。二是在船舶管理和船公司管理方面，應(yīng)用在危險品船舶、客滾船、船舶溢油風(fēng)險管理、航運公司安全管理等。三是在船舶操縱和避碰方面，在引航安全、商漁船碰撞開展了研究。四是海事和水運管理方面，開展了FSA在海事風(fēng)險控制、海事立法、水運安全管理和海事監(jiān)管等領(lǐng)域應(yīng)用。

2.2 FSA方法的流程與方案

圖1　FSA流程圖

根據(jù)FSA應(yīng)用指南的要求,該評價方法主要包括以下五個步驟:（1）危險因素識別;（2）風(fēng)險評估;（3）風(fēng)險控制方案;（4）成本與效益評估;（5）提供決策建議。其具體流程見圖1所示。由FSA的流程圖我們也可以看出,FSA方法是一種系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的綜合評價方法,可以通過多種途徑來完成評價的過程,而且運用FSA方法進(jìn)行評價還是一種反復(fù)推敲的過程。如果不考慮反復(fù)推敲,根據(jù)流程圖我們可以得到用FSA方法進(jìn)行綜合評價的三種方案:

（1）危險因素識別一風(fēng)險評估一風(fēng)險控制方案一成本與效益評估一提供決策建議；

（2）危險因素識別-風(fēng)險評估一風(fēng)險控制方案一提供決策建議;

（3）危險因素識別一風(fēng)險評估一提供決策建議。

通常來說,對于成本與效益評估這一過程需要被評價對象所屬領(lǐng)域內(nèi)的各類專業(yè)人員會同分析,否則難以計算。這也是目前實施FSA方法進(jìn)行評估的過程中省略這一步驟的原因之一。

3　基于FSA橋區(qū)水域通航環(huán)境安全評價模型構(gòu)建

3.1危險因素識別

對于橋區(qū)水域而言,其通航環(huán)境中潛在的危險包括風(fēng)、流、能見度、航道的水深條件、航道的寬度及彎曲度、橋梁通航孔凈空寬度、通航孔凈空高度、橋梁的防撞能力、船舶的流量大小、助航標(biāo)志、VTS管理等等。歸納起來主要是以下四個方面的內(nèi)容:

①船舶流特征：船舶密度、船舶尺度、船舶速度、船舶種類；

②水文條件：潮速、潮流、水位；

③氣象條件：大風(fēng)、暴雨、臺風(fēng)、霧；

④通航條件：航道彎曲度、橋軸向角。

3.2風(fēng)險評估

風(fēng)險評估作為FSA方法的第二個步驟,也是最為重要的一步,通過此階段建立相應(yīng)的風(fēng)險評價模型來量化橋梁水域通航安全的風(fēng)險評價結(jié)果,本文采用模糊綜合評價的方法來建立橋梁水域通航安全的風(fēng)險評價模型。模型建立主要包括以下過程:

綜合考慮橋區(qū)通航安全風(fēng)險因素，水文、氣象、船舶流特征及綜合條件，將綜合安全狀態(tài)分為三層，第一層是目標(biāo)層，第二層是主因素層，第三層為評價指標(biāo)層。按照綜合系統(tǒng)集成的方法，建立了如下指標(biāo)體系：

3.2.1因素集及評價集構(gòu)建圖（圖2）

圖2　因素集及評價模型的構(gòu)建

(1)一級模糊綜合評判

①評價因素集

U={U1,U2,U3,U4}={船舶流特征，水文條件，氣象條件，通航條件}；

②船舶流特征

U1={U11,U12,U13,U14}={船舶密度，船舶尺度，船舶速度，船舶種類}；

③水文條件

U2= {U21,U22,U23}={流速，潮流，水位}；

④氣象條件

U3={U31,U32,U33,U34}={大風(fēng)，暴雨，臺風(fēng)，霧}；

⑤通航條件

U4={U41,U42}={航道彎曲程度，橋軸向角}；

⑥評價集

V={V1，V2，V3，V4，V5}={險情，一般，嚴(yán)重，非常嚴(yán)重，災(zāi)難}={1,2,3,4,5}

其中1,2,3,4,5實際上就是表示模糊數(shù),用模糊數(shù)來表示一些模糊概念的目的是為了對評價結(jié)果進(jìn)行量化處理。1,2,3,4,5分別對應(yīng)的各評語等級如表1所示：

表1　模糊評價等級表

⑦Wi={Wi1,Wi2,Wi3…,Win}

⑧一級模糊關(guān)系矩陣

⑨一級模糊判斷矩陣

Bi=Wi×Ri={bi1,bi2,bi3,bi4,bi5}

⑩歸一化后得到標(biāo)準(zhǔn)評價矩陣

（2）二級模糊評判矩陣

①評級因素集

U={U1,U2,U3,U4}={船舶流特征，水文條件，氣象條件，通航條件}

②評價集

V={V1，V2，V3，V4，V5}={險情，一般，嚴(yán)重，非常嚴(yán)重，災(zāi)難}

③二級權(quán)重值向量

Wi={Wi1,Wi2,…Wi5}

④二級模糊關(guān)系矩陣

R=(B1*，B2*，B3*,B4*,B5*)T

⑤二級模糊綜合評判矩陣

B=Wi×R=（b1,b2,b3,b4,b5）

⑥歸一化后得到標(biāo)準(zhǔn)模糊評判矩陣

3.2.2各種影響因素權(quán)重的確定

每個評價因素在綜合評價中占有不同的權(quán)重，可以采用系統(tǒng)工程學(xué)的兩兩比較法確定影響橋區(qū)通航安全各因素的權(quán)重。實踐證明，這種方法可靠性較高，誤差性較小。心理學(xué)家認(rèn)為，一個人同時比較判斷多個因素是困難的，而兩兩比較的重要程度是完全勝任的。因此，在n個目標(biāo)因素中，每次只對兩個因素進(jìn)行比較，并作出如下規(guī)定（見表2）：

表2　

①比較矩陣

進(jìn)行兩個因素之間重要程度的比較，得出如下結(jié)果：

x1x2…xnx1a11a12…a1nx2a21a22…a2n

………………………………………

xnan1an2…ann

船舶運輸

FU JIAN JIAO TONG KE JI

令A(yù)=[aij]m×n,稱A為比較矩陣，其中比較矩陣具有的性質(zhì)為aij＞0;aij=1,aij=1/aji

②權(quán)重系數(shù)的近似計算方法

③比較矩陣一般需要一致性檢驗，檢驗方法如下求比較矩陣的特征值

表3　 RI取值表

④若CR＜O.1，則比較矩陣和求的權(quán)重系數(shù)可以被接受；否則對A加以調(diào)整，重新計算。

通過上述分析可以得到各因素的權(quán)重系數(shù)，準(zhǔn)則層的評價指標(biāo)相對于目標(biāo)層的權(quán)重系數(shù)為：

W=[w1,w2,…,wn]

指標(biāo)層各因素子集的內(nèi)部權(quán)重系數(shù)為：

Wi=[wi1,wi2,…,win] i=1,2…,n

3.2.3隸屬度的確定

隸屬度的定義為:對于論域(即研究范圍)U中的任一元素x,若都有一個數(shù)A(x)∈[0,l]與之相對應(yīng),則稱A為U上的模糊集,A(x)稱為x對A的隸屬度[40]。當(dāng)x在u中變動時,A(x)就是一個函數(shù),稱其為A的隸屬函數(shù)。A(x)越接近于0表示x屬于A的程度越低,反之若A(x)越接近于1,表示x屬于A的程度越高。

從本質(zhì)上說隸屬度函數(shù)的確定過程應(yīng)該是客觀的,但由于每個人對同一模糊概念的認(rèn)識理解有差異,不同的人對同一個模糊概念會建立不完全相同的隸屬度函數(shù),因此確定隸屬度函數(shù)又常常帶有主觀性。然而盡管確立的函數(shù)形式不同,但是只要能反映同一模糊概念,在處理和解決實際模糊信息的問題時仍然能產(chǎn)生同樣的效果。到目前為止,隸屬度函數(shù)的確立大多還停留在經(jīng)驗和實驗的基礎(chǔ)上。常用的隸屬度函數(shù)確立的方法有:專家經(jīng)驗法、例證法、模糊統(tǒng)計法和二元對比排序法等。

在構(gòu)建模糊評價模型的過程中,比較常用的方法是采用專家調(diào)查的方式來構(gòu)造單因素評價矩陣。應(yīng)用專家調(diào)查法的方式如下:專家依據(jù)其多年的經(jīng)驗和看法對調(diào)查表中每一具體評價對象的每一項具體指標(biāo)給予評價給分,然后通過對多位專家的打分情況進(jìn)行匯總得到各項因素對應(yīng)的評價等級的概數(shù),再對這些數(shù)值經(jīng)過歸一化處理就可以得到各因素對應(yīng)的評價等級的隸屬度,最后就可以得到單因素評價矩陣。根據(jù)本文評價模型所分的五個等級,若運用上述方法,專家隸屬度調(diào)查表可按表4進(jìn)行設(shè)計。

表4　專家隸屬度調(diào)查表

3.2.4模型建立

根據(jù)單因素評價的結(jié)果可以計算出各項指標(biāo)在各個評語等級中所占的比重,從而得到評價矩陣R。

當(dāng)確定了危險因素的權(quán)重集A和評價矩陣R之后,按照加權(quán)平均型的模糊算子進(jìn)行矩陣的相乘,從而得到綜合評價集B,即

由于上一層次危險因素的權(quán)重系數(shù)是可知的,通過將上述評價結(jié)果來作為上一層次評價中的評價對象的隸屬度就能夠得到上一層次的綜合評價結(jié)果,依次計算就能得到最終的評價結(jié)果。本文首先對第二層次的危險因素進(jìn)行評價,接著是第一層次,從而得到一個最終評價向量B。

(下轉(zhuǎn)第107頁)

3.2.5評價向量的清晰化

運用模糊綜合評價方法得到的綜合評價集B是一個模糊向量,即所評價的對象隸屬于各評價等級的隸屬度向量。確定評價對象的等級時,需要對該模糊向量反模糊化,也稱清晰化。

本文采用加權(quán)平均的方法來完成評價向量的清晰化過程，為了得到一個比較明確的評價結(jié)果,本文設(shè)定等級參數(shù)向量G=(1,2,3,4,5),通過M=B×G這一清晰化過程得到一個綜合評價的量化值M,根據(jù)M值的大小對照模糊評價等級表查找出相應(yīng)的等級評語,這一評語即顯示出了目前多橋梁河段水上交通安全風(fēng)險狀況的最終評價結(jié)果。

3.3提供決策建議

依據(jù)實際評價的橋梁水域的情況及其險評價的等級狀況,針對影響橋區(qū)水域通航安全系統(tǒng)因素，特別是重大安全風(fēng)險源，制定相應(yīng)的風(fēng)險防范對策；也可以分別從人、機、環(huán)境、管理這四個方面提出相應(yīng)的改善措施。

參考文獻(xiàn)

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物流交通

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