馬 峰

(集美大學(xué) 航海學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引 言

海上原油運(yùn)輸主要風(fēng)險(xiǎn)是海上溢油事故，原油泄漏不僅嚴(yán)重影響了海洋生態(tài)和環(huán)境，也造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

因此，提高海上船舶溢油事故的評(píng)估能力，及早對(duì)溢油事故進(jìn)行預(yù)防，并建立合理的船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法非常必要。本文系統(tǒng)分析海上原油運(yùn)輸船舶的溢油風(fēng)險(xiǎn)和要素，結(jié)合灰色理論模型建立船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，對(duì)于改善當(dāng)前原油運(yùn)輸船舶的安全性，降低船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。

1 船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)因素分析

結(jié)合行業(yè)內(nèi)大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將原油運(yùn)輸船舶的溢油風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為人為因素、海況因素、船型因素和其他因素這4個(gè)維度，并針對(duì)每個(gè)溢油風(fēng)險(xiǎn)維度的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

圖1為船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)要素的整體占比情況圖。

圖1 船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)要素的整體占比情況圖Fig.1 Figure of the overall proportion of risk factors of ship oil spill

1）海況因素

海況因素是導(dǎo)致船舶發(fā)生溢油事故的最主要原因，海況因素又包括風(fēng)浪流等自然條件因素和航道條件等硬件因素。

①自然條件因素

海上自然條件非常惡劣，尤其是遠(yuǎn)洋和深海區(qū)域。一方面，劇烈的海風(fēng)、海浪可能導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)的破壞，產(chǎn)生嚴(yán)重的燃油和貨物油泄漏；另一方面，劇烈的風(fēng)浪會(huì)誘發(fā)和加劇船舶溢油事故造成的破壞作用，對(duì)海洋環(huán)境的破壞性推波助瀾。

②航道條件等硬件因素

港口、內(nèi)河航道等硬件條件的限制也可能導(dǎo)致船舶出現(xiàn)溢油事故，比如航道內(nèi)水深、礁石等因素導(dǎo)致的船舶擱淺事故。此外，良好的導(dǎo)航設(shè)備和系統(tǒng)也是保障船舶航行安全的重要措施，能夠從船舶避碰策略、傳感器等方面提升船舶航運(yùn)安全。

2）船型因素

從港口及航道統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得知，船型因素在船舶溢油事故中占據(jù)的比例僅次于海況因素，船型因素又包括船舶的類型，比如單殼船還是雙殼船、船舶的噸位等。通常，單殼船由于撞擊等事故很容易發(fā)生船體破損，導(dǎo)致燃油泄漏，雙殼船甚至多殼船當(dāng)發(fā)生事故時(shí)具有一定抗破壞能力，發(fā)生溢油事故的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)明顯低于單殼船。

船舶的噸位與燃油泄漏事故也是呈正相關(guān)的關(guān)系，隨著船舶噸位的增加，船舶的吃水深度更深，船舶方向改變、速度控制等靈活性都會(huì)降低，從而使船舶整體的操作性較差，在港口、內(nèi)河航道等水域內(nèi)發(fā)生事故的概率更高。

3）人為因素

主要是指船舶操作人員因?yàn)檎`操作或者疏于職守等原因，導(dǎo)致船舶未按照合理的航線行駛，發(fā)生擱淺事故?；蛘咴诖皶?huì)遇過程中，操作人員轉(zhuǎn)向或減速不及時(shí)，造成船舶碰撞事故，進(jìn)而導(dǎo)致船舶燃油的泄漏[2]。

4）其他因素

造成船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)的其他因素包括交通密度等因素，隨著交通密度的增加，船舶發(fā)生碰撞事故的概率也在不斷增加。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，海事事故的發(fā)生與距離海岸的距離存在正相關(guān)。

圖2表示為不同離岸距離下不同風(fēng)險(xiǎn)因素造成的船舶溢油事故統(tǒng)計(jì)。

圖2 不同離岸距離下不同風(fēng)險(xiǎn)因素造成的船舶溢油事故統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of ship oil spill accidents caused by different risk factors at different offshore distances

2 基于灰色理論的船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

2.1 灰色理論建模

20世紀(jì)80年代初，鄧聚龍等率先提出灰色系統(tǒng)理論，該理論將客觀事物理解為不斷變化且相互關(guān)聯(lián)，并根據(jù)客觀事物的未知性將系統(tǒng)分為灰色、黑色和白色系統(tǒng)3種。其中，灰色系統(tǒng)理論主要針對(duì)不確定性問題的分析，這種應(yīng)用場(chǎng)景通過對(duì)原始數(shù)據(jù)序列的建模，從離散的數(shù)據(jù)中尋找數(shù)據(jù)序列相互關(guān)聯(lián)的規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)行非線性系統(tǒng)的建模和預(yù)測(cè)。

灰色系統(tǒng)模型從數(shù)學(xué)原理角度上講是一種非線性的數(shù)列模型，在利用灰色系統(tǒng)理論進(jìn)行系統(tǒng)的分析時(shí)，首先需要對(duì)系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為n階矩陣。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中存在著許多非線性因素，這些因素會(huì)不同程度的影響系統(tǒng)的控制精度。采用灰色系統(tǒng)理論并通過定義非線性系統(tǒng)的灰導(dǎo)數(shù)等，可以有效對(duì)控制系統(tǒng)的變量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，因此，灰色系統(tǒng)理論的應(yīng)用范圍很廣。

灰色系統(tǒng)理論的通用工作流程如圖3所示。

圖3 灰色系統(tǒng)理論的通用工作流程Fig.3 General workflow of grey system theory

灰色理論系統(tǒng)建模過程如下：

1）結(jié)合不確定系統(tǒng)的輸入信息，建立原始數(shù)列[3]：

2）定義系統(tǒng)的灰導(dǎo)數(shù)為：

3）建立灰色理論模型微分方程為：

4）將微分方程的解集轉(zhuǎn)化為時(shí)間序列，從而得到理論模型為：

式中：a，b為理論模型的因數(shù)。

2.2 船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的灰色理論模型建模

在使用灰色理論對(duì)船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的初始輸入，分別建立系統(tǒng)的因素集和評(píng)價(jià)集[4]如下：

1）因素集

其中，U1,U2,...,Un分別為人為因素、海況因素、船型因素和其他因素。

2）評(píng)價(jià)集

V1,V2,...,Vn分 別為船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的等級(jí)，如V1=表示溢油風(fēng)險(xiǎn)的可能性在10%，20%等。

設(shè)溢油評(píng)估系統(tǒng)因素集U=(U1,U2,...,Un)中，uij表示因素Ui，Uj的相對(duì)重要性，得到如下判斷矩陣：

矩陣的特性包括：

建立溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣為：

式中：Ai為指標(biāo)權(quán)重；Ri為隸屬度。

將因素集和評(píng)價(jià)集矩陣視為時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，建立灰色系統(tǒng)理論模型：

式中：α0為模型的平滑性控制參數(shù)；。得到船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的響應(yīng)模型為：

圖4為基于灰色理論的船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程。

圖4 基于灰色理論的船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程Fig.4 Risk assessment process of ship oil spill based on grey theory

2.3 船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)

為了驗(yàn)證本文開發(fā)的船舶溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的準(zhǔn)確性，以大連海區(qū)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，假設(shè)大連海區(qū)內(nèi)的船舶碰撞、擱淺等事故符合二項(xiàng)概率分布[5]，大連海區(qū)溢油事故統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 大連海區(qū)溢油事故統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)表Tab.1 Dalian Sea oil spill accident statistical historical data table

本文得到基于灰色理論模型的一年內(nèi)海域內(nèi)船舶溢油量的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際溢油的誤差在可接受范圍內(nèi)，因而本文建立的模型具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 一年內(nèi)海域內(nèi)船舶溢油量的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)圖Fig.5 Forecast data of ship oil spills in the sea area in one year

3 結(jié) 語

海上船舶的溢油事故對(duì)海洋環(huán)境有嚴(yán)重破壞作用，也不利于船舶的航運(yùn)安全，本文結(jié)合灰色理論原理，建立一種船舶溢油風(fēng)向評(píng)估方法，介紹了評(píng)估原理和過程，并針對(duì)大連海區(qū)的溢油風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。