王發(fā)根， 胡甚平， 胡瀟月， 謝 瑩

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

瓊州海峽是我國沿海水上交通的重要水道，是交通運輸部劃定的“六區(qū)一線”水上安全重點監(jiān)管區(qū)域。隨著水上運輸業(yè)的不斷發(fā)展，沿海航路的船舶流量日益增加，瓊州海峽水域已成為我國水上交通最繁忙的海域之一，存在著較大的通航風(fēng)險。該海域經(jīng)常出現(xiàn)霧、雨水和臺風(fēng)等天氣，易引發(fā)能見度不良和船上雷達(dá)工作效率不佳等現(xiàn)象，使船舶的安全航行受到影響。因此，研究能見度不良對瓊州海峽船舶通航風(fēng)險的影響，對進一步提升船舶海峽通航的安全性具有重要意義。

近年來，受限水域船舶通航風(fēng)險受到了研究人員的廣泛關(guān)注。陳偉炯等運用基于CRITIC法改進的突變級數(shù)法構(gòu)建航道通航環(huán)境評價模型，克服了評價過程中主觀決策的局限性。孟貝貝等借助Reason模型對通航安全因素進行了辨識，運用熵權(quán)模糊模型對港區(qū)航道通航安全進行了整體評價?？讘椥l(wèi)等基于船舶操縱模擬，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論建立了橋區(qū)水域通航風(fēng)險評價模型，對橋區(qū)水域通航風(fēng)險進行了分析評價。WANG等運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在FP-growth算法的基礎(chǔ)上，探討了受限水域船舶通航風(fēng)險各變量之間的潛在關(guān)系，揭示了引發(fā)內(nèi)河船舶海上事故的主要風(fēng)險因素。SUN等基于多層次分析法模糊評價模型對內(nèi)河船舶航行的安全性進行了綜合評價。 陳畢伍等基于動態(tài)船舶領(lǐng)域，通過挖掘船舶動態(tài)數(shù)據(jù)和事故數(shù)據(jù)，建立了珠江口通航風(fēng)險評估模型，得到了船舶通航風(fēng)險綜合指數(shù)。覃盼等利用結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Modeling, SEM)，結(jié)合實地調(diào)研數(shù)據(jù)，構(gòu)建了壩區(qū)船舶通航安全理論關(guān)系模型，提出了風(fēng)險演化的3個階段劃分，揭示了風(fēng)險演化的路徑。劉清等基于系統(tǒng)動力學(xué)理論構(gòu)建了長江干線宜昌段的船舶通航風(fēng)險耦合度模型，分析了各因素之間的耦合關(guān)系及其對事故發(fā)生的影響。HE等通過建立基于智能專家數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析了船閘水域船舶航行的風(fēng)險演化機制，識別了影響船閘水域船舶安全航行的關(guān)鍵因素。系統(tǒng)動力學(xué)模型被證明能有效表達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間的動態(tài)反饋作用，在船舶通航風(fēng)險評估中能起到明顯的創(chuàng)新效果。

此外，能見度不良條件下的受限水域船舶通航風(fēng)險研究也取得了一定的進展。TAYFUN等基于氣象站的水文資料，采用多種機器學(xué)習(xí)方法對伊斯坦布爾海峽的能見度進行了評估，為能見度不良條件下的海峽通航提供了安全保障手段。張靜等運用蒙特卡洛(Monte-Carlo，MC)模型對不同能見度等級下的事故數(shù)據(jù)進行了仿真實驗，基于由小樣本數(shù)據(jù)擴充的數(shù)據(jù)庫分析了在0～12 km能見度范圍內(nèi)，不同等級能見度不良條件下的通航風(fēng)險分布特征。由上述分析可知:已有的受限水域通航風(fēng)險研究大多將能見度不良作為一個靜態(tài)的評價對象，缺少對通航風(fēng)險時空變化過程的評價；同時，已有研究在分析能見度不良的情況時，通常只考慮霧帶來的影響，忽略了多種天氣狀態(tài)并存的情況。因此，需討論不同天氣狀態(tài)下，能見度不良對通航風(fēng)險的影響。

本文針對瓊州海峽的通航安全性，通過對通航風(fēng)險各影響因素之間的因果關(guān)系進行梳理，構(gòu)建船舶通航風(fēng)險體系的系統(tǒng)動力學(xué)因果關(guān)系圖和動力學(xué)模型，對能見度不良對瓊州海峽船舶通航風(fēng)險的影響進行動力學(xué)仿真，以期完善瓊州海峽船舶通航的安全管理，為船舶通航安全研究提供參考。

1 瓊州海峽船舶通航風(fēng)險

1.1 瓊州海峽船舶通航風(fēng)險成因

通航風(fēng)險是船舶航行過程中多種因素共同影響和相互作用下?lián)p失發(fā)生可能性與損失程度的組合。多種因素共同作用下的船舶通航風(fēng)險會嚴(yán)重影響船舶通航的安全性，瓊州海峽處于熱帶區(qū)域，承載著交通功能，其各影響因素之間的相互作用和影響程度更加明顯。從系統(tǒng)工程理論的視角分析瓊州海峽的船舶通航風(fēng)險，可知其風(fēng)險成因主要有以下幾點：

1) 瓊州海峽處于海霧多發(fā)海域，海霧天氣導(dǎo)致能見度不良，自然風(fēng)險增加給駕駛?cè)藛T的安全駕駛帶來不利影響。

2) 由于處于熱帶區(qū)域，天氣多變，可能導(dǎo)致通航環(huán)境發(fā)生突變。例如，當(dāng)?shù)谝恍屠滗h天氣出現(xiàn)時，若鋒前暖空氣不穩(wěn)定，鋒線附近可能會出現(xiàn)積雨云和雷陣雨天氣，并伴隨封面霧的產(chǎn)生。霧與雨共生會對船舶設(shè)備的安全運行及駕駛?cè)藛T操作和組織管理的有效性產(chǎn)生影響。

3) 鑒于瓊州海峽具有交通功能，其南北向和東西向的船舶流量較大，通航密度較大，航向復(fù)雜度較高，存在較高的通航風(fēng)險。

4) 瓊州海峽船舶通航系統(tǒng)內(nèi)部多種因素相互耦合、相互促進，使瓊州海峽的整體通航風(fēng)險處于較高的水平。

1.2 海峽船舶通航風(fēng)險影響因素和作用方式

海峽船舶通航風(fēng)險的影響因素眾多，一般涉及人、船、環(huán)境和管理等4個方面，其中環(huán)境因素一直是比較敏感和不確定的因素之一。實踐表明，能見度不良對海峽水域船舶通航風(fēng)險的影響比較顯著。能見度不良主要有霧和雨、霧共生2種情況。海峽上方的雨云會嚴(yán)重影響岸基和船基雷達(dá)對物標(biāo)的探測能力，進而影響人對周圍交通態(tài)勢的感知水平和VTS(Vessel Traffic Service)對航道船舶的管理效率。雨、霧天氣對通航風(fēng)險的影響最終會演化為對人員、船舶、航道環(huán)境和通航管理風(fēng)險的影響。

由此可知，基于船舶通航安全系統(tǒng)的行為與內(nèi)在機制之間存在緊密的相互依賴關(guān)系，系統(tǒng)各因素之間存在由環(huán)環(huán)相扣的行動或決策規(guī)則構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，即動力學(xué)結(jié)構(gòu)。以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，運用系統(tǒng)動力學(xué)方法，通過問卷調(diào)查和查閱相關(guān)文獻，結(jié)合瓊州海峽的實際情況，構(gòu)建瓊州海峽船舶通航風(fēng)險體系的系統(tǒng)動力學(xué)因果關(guān)系圖，見圖1，其中：“+”表示正循環(huán)；“-”表示負(fù)循環(huán)。由于霧與風(fēng)不能同時存在，在研究瓊州海峽船舶通航風(fēng)險時，不將風(fēng)列入自然風(fēng)險因素集中。

圖1 瓊州海峽通航風(fēng)險動力學(xué)因果關(guān)系圖

2 瓊州海峽船舶通航風(fēng)險成因影響系統(tǒng)動力學(xué)模型

2.1 船舶通航風(fēng)險成因影響系統(tǒng)動力學(xué)建模方法

系統(tǒng)是因果機理的外在表現(xiàn)形式，系統(tǒng)動力學(xué)模型是一種能反映系統(tǒng)內(nèi)部因果關(guān)系的機理性模型，可將抽象的因果機理具體化。船舶通航風(fēng)險成因影響系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建流程見圖2。

圖2 船舶通航風(fēng)險成因影響系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建流程

2.2 模型邊界

對模型邊界進行界定是構(gòu)建動力學(xué)模型的重要環(huán)節(jié)，可簡化系統(tǒng)模型，有利于試驗的進行和對目標(biāo)進行研究。系統(tǒng)邊界分為內(nèi)部邊界和外部邊界2種，其中：內(nèi)部邊界反映系統(tǒng)內(nèi)部各因素之間的相互聯(lián)系；外部邊界體現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)受外部因素的影響。內(nèi)部邊界由系統(tǒng)動力學(xué)流圖內(nèi)部變量的流進和流出界定；外部邊界結(jié)合船舶通航風(fēng)險的一般性研究方法，基于時間維度界定。結(jié)合瓊州海峽實際的船舶通航場景，確定系統(tǒng)邊界如下：

1) 假設(shè)系統(tǒng)內(nèi)部變量只受變量流進與流出關(guān)系的影響，不受其他因素的干擾；

2) 假設(shè)系統(tǒng)外部邊界中只與時間存在關(guān)系的變量有交通密度、交通流向復(fù)雜度和流等3個。

2.3 模型變量及其性質(zhì)

系統(tǒng)動力學(xué)模型變量集由狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量(系統(tǒng)中的信息量，有多種表達(dá)形式)和常量(決定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù))組成，其中為～時段內(nèi)的積累量與初始量的總和，其表達(dá)式為

(1)

式(1)中：()為時刻的流速，是微分性質(zhì)的量，能清楚地反映流速隨時間的變化趨勢。

為能直觀地觀察各變量的因果機理關(guān)系，結(jié)合圖1，以速率變量的方式呈現(xiàn)重要的節(jié)點變量，包括1個狀態(tài)變量、10個速率變量、17個輔助變量和22個常量，見表1。

表1 瓊州海峽船舶安全通航風(fēng)險變量集

2.4 系統(tǒng)動力學(xué)流圖

基于瓊州海峽船舶通航風(fēng)險動力學(xué)因果關(guān)系圖，建立瓊州海峽船舶通航風(fēng)險系統(tǒng)動力學(xué)流圖，見圖3，其中、、、、和為控制變量。

圖3 瓊州海峽船舶通航風(fēng)險系統(tǒng)動力學(xué)流圖

2.5 系統(tǒng)動力學(xué)模型中方程式的確定

在系統(tǒng)動力學(xué)模型中，不同變量的數(shù)學(xué)性質(zhì)不同。各變量間的關(guān)系通過數(shù)學(xué)方程式表達(dá)。

1) 狀態(tài)變量的計算公式為

(2)

式(2)中：為狀態(tài)變量輸入速率變量因素集的個數(shù)；為狀態(tài)變量初值；為狀態(tài)變量輸出速率變量因素集的個數(shù)；為時長；為權(quán)重系數(shù);為關(guān)聯(lián)系數(shù);和為速率變量。

2) 第個速率變量的計算公式為

(3)

式(3)中：為第個速率變量上一級速率變量因素集的個數(shù)；為第個速率變量上一級輔助變量因素集的個數(shù)；為第個速率變量上一級常量因素集的個數(shù)；、和為權(quán)重系數(shù);為輔助變量；為常量。

3) 運用關(guān)聯(lián)系數(shù)(來源于專家評價)計算的第個輔助變量的計算公式為

(4)

式(4)中：為與存在相關(guān)性的常量的個數(shù)；為與存在相關(guān)性的速率變量的個數(shù);為關(guān)聯(lián)系數(shù)；為初始量;為速率變量。

4) 控制變量用脈沖函數(shù)表征，即

=PULSE(,)

(5)

式(5)中：為作用開始時刻；為作用持續(xù)時長。

5) 交通密度、交通流向復(fù)雜度和流等外部邊界變量的確定方式如下：

(1) 用海峽內(nèi)在航船舶總量隨時間變化的表函數(shù)表征交通密度；

(2) 用海峽內(nèi)南北通航的船舶數(shù)量隨時間變化的表函數(shù)表征交通流向復(fù)雜度；

(3) 用潮汐隨時間變化的表函數(shù)表征流。

根據(jù)上述算法，確定瓊州海峽的SD模型各變量的方程式見表2。

表2 瓊州海峽的SD模型各變量的方程式

表2(續(xù))

2.6 風(fēng)險因素權(quán)重的確定

根據(jù)專家對各因素的風(fēng)險程度的打分情況得到無量綱化的歸一矩陣，見表3。為盡可能地貼近真實權(quán)重，運用主客觀組合權(quán)重的方式求取綜合權(quán)重，具體步驟如下：

1) 對采集到的數(shù)據(jù)進行熵和熵權(quán)計算，得到客觀權(quán)重；

2) 采用模糊數(shù)學(xué)的方法對歸一化矩陣求算術(shù)平均值，得到主觀權(quán)重；

3) 運用組合權(quán)重公式確定各變量的綜合權(quán)重。

表3 通航風(fēng)險因素評價及分級標(biāo)準(zhǔn)

3 實例分析

3.1 場景描述和參數(shù)獲取

下面以一艘排水量為2萬t的集裝箱船為例進行分析。該船在2021年6月5日06：00沿瓊州海峽東界線自東向西穿越瓊州海峽，見圖4。為模擬船舶在瓊州海峽遭遇的事件，在時間上清晰呈現(xiàn)風(fēng)險的動態(tài)變化，設(shè)定模擬時間為06：00—24：00，步長為0.5 h。在模型中設(shè)置以下場景：

1) 霧在10：00產(chǎn)生作用，在11：00作用消失；

2) 雨霧和雨云在11：00產(chǎn)生作用，在24：00作用消失；

3) 海峽干預(yù)管理措施在14：00產(chǎn)生作用，在23：00作用消失；

圖4 瓊州海峽及其航路概況

4) 雨霧天氣預(yù)警和雨霧天氣出現(xiàn)時禁止南北向穿行2項關(guān)鍵措施在16：00開始實施，在23：00取消。

邀請40名業(yè)界人員(氣象人員10名，船舶駕駛員10名，資深船長和海峽通航安全管理方面的專家各10名)，采用專家打分法為定性變量賦值，結(jié)合瓊州海峽的實際數(shù)據(jù)和歷史氣象資料確定計算初值。同時，由這些專家討論得出各變量的綜合權(quán)重。運用統(tǒng)計學(xué)方法，取高、中、低等3個值，參考去模糊化公式確定各變量初值與各因素間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。由于篇幅有限，此處省略計算過程，因素集的權(quán)重和初值見圖5，其中縱坐標(biāo)為變量初值。本文僅對變量參數(shù)的確定過程進行闡述，相關(guān)打分和統(tǒng)計表格不再羅列。

3.2 瓊州海峽船舶通航風(fēng)險仿真

運用系統(tǒng)動力學(xué)模型對瓊州海峽的船舶通航風(fēng)險水平進行模擬仿真，結(jié)果見圖6。圖6中的數(shù)據(jù)反映通航風(fēng)險水平的分段線斜率(、和)的變化，表征風(fēng)險上升的快慢：06：00—10：00，=0.356；10：00—14：00，=0.469；14：00—16：00，=0.359。船舶通航風(fēng)險在這3個時段呈現(xiàn)為緩、快、緩的相對上升趨勢。由于在10：00—14：00時段內(nèi)出現(xiàn)了霧，瓊州海峽的船舶通航風(fēng)險發(fā)生了很大變化。人員風(fēng)險增量和環(huán)境風(fēng)險增量在10：00之后明顯上升，持續(xù)4 h之后明顯下降，與霧的產(chǎn)生和結(jié)束時段相對應(yīng)。

圖6 船舶通航風(fēng)險的客觀演化規(guī)律

3.3 能見度不良條件下瓊州海峽船舶通航風(fēng)險分析

基于情景描述的過程，重新設(shè)置模型仿真步長和控制變量，運行模型，結(jié)果見圖7。仿真結(jié)果表明：

1) 霧是影響船舶通航安全的重要因素。在10：00時出現(xiàn)霧，在10：00—11：00時段內(nèi)=0.467，相較于正常環(huán)境下的06：00—10：00時段內(nèi)=0.356，船舶通航風(fēng)險的上升趨勢較為明顯。因此，霧的出現(xiàn)對船舶通航風(fēng)險有顯著影響。

2) 雨與霧共生天氣是影響船舶通航安全性的重要潛在因素。在11：00時，霧消失，雨與霧共生天氣出現(xiàn)，=0.508。由此可見，當(dāng)雨與霧共生天氣出現(xiàn)時，相較于僅有霧出現(xiàn)時=0.467，船舶通航風(fēng)險的上升趨勢更為明顯。由此可知，雨與霧共生天氣對船舶通航風(fēng)險的影響比霧大。雨與霧共生天氣的出現(xiàn)對人員風(fēng)險子系統(tǒng)產(chǎn)生了疊加影響。這是由于雨和霧對能見度產(chǎn)生了影響，使人員對周圍態(tài)勢的感知水平下降；同時，雨云對雷達(dá)的工作效率產(chǎn)生了影響，增加了人員對周圍態(tài)勢的感知水平下降的程度。鑒于雨云是船舶雷達(dá)局部系統(tǒng)的組成部分，未將其列入環(huán)境風(fēng)險子系統(tǒng)中，未能體現(xiàn)環(huán)境風(fēng)險的疊加。

3) 采取安全干預(yù)管理措施是航道安全管理的關(guān)鍵。在14：00時，海峽干預(yù)管理措施介入，在14：00—16：00時段內(nèi)，=0.102，相對于，船舶通航風(fēng)險水平的上升趨勢明顯減緩，表明在應(yīng)對通航風(fēng)險時采取干預(yù)管理措施很有必要；在16：00時，2項應(yīng)對雨與霧共生天氣的關(guān)鍵性措施介入，在16：00—23：00時段內(nèi)，=-0.049，通航風(fēng)險水平開始呈現(xiàn)下降趨勢，表明在應(yīng)對重要的影響因素時要采取關(guān)鍵性措施；在23：00時，取消海峽干預(yù)管理措施，在23：00—24：00時段內(nèi)，=0.495，通航風(fēng)險水平再次呈現(xiàn)相對快速的上升趨勢，再次驗證了有效實施海峽干預(yù)管理措施是應(yīng)對通航風(fēng)險的關(guān)鍵。

4) 相較于霧對船舶通航系統(tǒng)的影響，雨與霧共生天氣對船舶通航風(fēng)險的影響體現(xiàn)在人、船、環(huán)境和管理等4個方面，多出了船舶和管理2個因素。這是由于雨云對雷達(dá)的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，增加了船舶通航風(fēng)險；同時，雨云對岸基雷達(dá)的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響，使VTS無法清晰地掌握所有船舶的實時動態(tài)，影響了航道的管理效率，增加了管理風(fēng)險。

圖7 瓊州海峽船舶通航風(fēng)險演化過程

3.4 仿真結(jié)果討論

通過多次運行模型，對不同的情景進行仿真，并對所得結(jié)果進行整理和對比，結(jié)果見圖8～圖11。由圖8～圖11可知：

1) 雨云對船舶通航風(fēng)險產(chǎn)生影響。船舶雷達(dá)的工作效率與航行安全密切相關(guān)，在能見度不良條件下的有限水域尤為明顯。雨云是影響雷達(dá)工作效率的主要因素之一。因此，當(dāng)船舶航行區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)積雨云時，駕駛員要謹(jǐn)慎駕駛，合理調(diào)節(jié)雷達(dá)的增益，必要時開啟待機雷達(dá)，保持正規(guī)瞭望，確保安全航行。

2) 能見度不良是影響船舶通航風(fēng)險的主要因素之一。霧和雨與霧共存天氣相較于正常天氣，對通航風(fēng)險的影響顯著提升。據(jù)研究，在海霧多發(fā)的中國東海海域，能見度不良天氣下的船舶交通事故約占總事故的1/2，因此能見度不良對船舶通航安全有顯著影響。

3) 雨與霧共生天氣對船舶通航風(fēng)險的影響比霧天更強烈。當(dāng)雨與霧共存天氣出現(xiàn)時，船舶通航風(fēng)險水平分別比正常天氣和霧天時高出11.42%和3.08%。這是由于雨與霧共生天氣不僅具有能見度受限的特征，而且會在一定程度上降低雷達(dá)的工作效率，從而對船舶通航風(fēng)險造成顯著影響。

4) 雨與霧共生天氣對人員的影響最大。雨與霧共生天氣下的船舶子系統(tǒng)風(fēng)險水平相比正常天氣高出9.88%，管理子系統(tǒng)風(fēng)險水平相比正常天氣高出7.46%，人員子系統(tǒng)風(fēng)險水平相比正常天氣高出10.96%；雨與霧共生天氣下的人員子系統(tǒng)風(fēng)險水平相比霧天高出3.88%。由此可見，雨與霧共生天氣對人員、船舶和管理等3個子系統(tǒng)都有影響，其中對人員子系統(tǒng)的影響最大，其次是船舶子系統(tǒng)，最后是管理子系統(tǒng)。因此，在應(yīng)對雨與霧共生系統(tǒng)帶來的風(fēng)險時，要重點關(guān)注人員和船舶方面的因素，其次要完善管理體系。

5) 通過實施聯(lián)合措施，能使海峽的風(fēng)險管理水平達(dá)到最佳，其中雨與霧共生天氣下南北禁航是最重要的關(guān)鍵措施。實施南北禁航措施，相比實施一般性措施和增加雨和霧天預(yù)警的措施，干預(yù)效果分別高出24.74%和21.2%；實施一般性措施、南北禁航及雨和霧天預(yù)警聯(lián)合措施，相比實施一般性措施，干預(yù)效果高出36.4%。因此，當(dāng)雨與霧共生天氣出現(xiàn)時，實施聯(lián)合措施，特別是實施關(guān)鍵措施尤為重要。仿真結(jié)果表明，當(dāng)干預(yù)措施對通航風(fēng)險的影響在13%左右時，通航風(fēng)險開始呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。鑒于瓊州海峽的地理位置特殊，承擔(dān)著東西海域和南北兩陸交通往來的重任(據(jù)海南省政府的公開數(shù)據(jù)，2020年瓊州海峽東西向通航船舶超5萬艘次，南北向通航船舶超7萬艘次，南北向通航船舶以客船為主)，在雨與霧共生天氣下采取南北禁航和預(yù)警措施，對保障海峽船舶通航的安全性具有重要意義。

4 結(jié) 語

結(jié)合海峽船舶安全通航風(fēng)險因素網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建受限水域船舶安全通航風(fēng)險仿真模型，采用船舶通航風(fēng)險系統(tǒng)動力學(xué)模型進行仿真，發(fā)揮脈沖函數(shù)對觀測變量產(chǎn)生、作用和消亡等3個階段的計量效果，有助于揭示風(fēng)險影響因素對船舶通航風(fēng)險的影響機制和效用。

瓊州海峽的船舶安全通航風(fēng)險是很多因素共同作用的結(jié)果，其中能見度不良對船舶通航風(fēng)險的影響較為突出。研究結(jié)果表明，雨與霧共生天氣造成能見度不良，從而導(dǎo)致雷達(dá)的工作效率不佳，船舶通航的潛在風(fēng)險增大。為此，考慮在雨與霧共生天氣下強化能見度不良條件下的安全值班，實施加強瞭望的防范措施。