基于DSR模型的北极航道通航风险多维指标评估

李凤鹏，崔 巍，刘振强

(大连海事大学航运经济与管理学院，辽宁 大连 116026)

目前北极地区总共有3条航道，分别为：东北航道、西北航道和中央航道。尤其是东北航道的开通，明显缩短了我国到欧洲、北美的路程，为我国航运带来巨大的效益。北极航道的开通不仅增加了我国和其他国家的贸易机会，还加快了国产资源贸易的流通速度。然而北极航道的通航问题依然是困难重重[1-3]。主要是以下2点原因：第一，由于北极地区气温低、海水厚度大、海水密度高等恶劣的自然环境严重影响到船体和船上所装备的电子仪器设备等。第二，船员受北极海洋、气候条件等因素影响，严重增加了北极通航的风险。

目前许多学者参与到北极航道环境安全的评估工作中，并对通航的可行性进行分析[4-5]。文献[6]对北极航道的环境要素进行系统分析，确定了航道的环境风险评价体系，应用CRITIC方法对突变级数中的指标进行改进，构建航道环境风险评价模型。实验结果表明，该方法与评价结果具有一致性，然而对于较大级别的通航风险问题需要进一步研究。文献[7]针对航道通航的不确定性，提出动态贝叶斯网络的北极航道通航可行性评估技术，基于数据的推理计算，建立动态贝叶斯网络预测模型，实验结果表明，该方法可有效降低误差数据对实验结果的影响，但该方法DBN模型指标的覆盖面不够全面。文献[8]针对北极航道通航安全问题构建了航道自然风险评价指标体系，基于犹豫层次的分析方法确定客观权重，并集成求出组合权重，通过构建的风险模型，对自然环境进行时空特性分析，实验结果表明，该方法模拟的航道与实际航道比较为吻合，但该方法需要建立更加客观的指标体系，从而提高模型的精确度。

针对以上问题，本文提出基于DSR模型的风险多维指标评估方法。首先建立影响通航安全的风险多维指标集、通航风险结果评价集，并对各个风险因子进行专家分析，求出权重集。然后基于DSR模型指标体系，对北极航道通航的安全性进行预测，并通过实验评估，分析三个海峡的通航情况。

2.1 水文要素

海流和潮汐主要影响船员对船舶的操作性能。通常情况下，船舶在通航过程中，海域的流速越大，船员对船舶的操作越困难，会增加事故发生的频率。尤其是在航道狭隘的海域，海流和潮汐会增加水流和船舶航行间的相对加速度，大大增加了船舶间的岸壁效应，从而导致船舶碰撞和搁浅等事故的发生。一般情况，小船必须等到海流变小才能进入海峡。通过测量发现，东北航道的海流大约为2kN，巴伦支海的海流大约3kN。

海冰对船舶通航有着致命的威胁，是最重要的因素。海冰按照发展阶段分为：新冰(厚度≤10cm)、初级冰(10cm≤厚度≤30cm)、一年冰(厚度>30cm)、两年冰(2.5m≤厚度≤3m)和多年冰(厚度>3m)，根据海冰的不同发展阶段对船舶航行有不同程度的影响。

2.2 气象要素

在北极航道通航过程中，气温对船舶影响很大，主要分为2方面：气温低，造成海面结冰，不利于船舶航行；
温度低，引起船舶积冰，影响船员操纵。随着全球气候变暖，北极气温逐渐上升，但气温还是很低。在考虑北极航道问题时，常对航道附近平均气温进行研究。

风对船舶通航有着很大影响，尤其在大风时，船舶容易偏航、搁浅。在通航过程中风还会吹动浮冰，对船舶造成二次伤害。一般6级以上的大风就会对船舶通航造成影响。

能见度会影响船员的视线，影响能见度的因素主要有海雾和吹雪。在温暖的7、8月，正是船舶通航的最佳时期，然而经常产生的海雾严重威胁了船舶的安全通航。吹雪会使船员的能见降低，如果遇到大风的情况下，能见度会更低。

2.3 海域要素

航道宽度和海水深度对船舶航行也有影响，船舶在航道较狭隘的海域，容易发生岸推和岸吸现象，海水的深度影响船舶的规模，若大型船舶经过较浅的海域容易触礁。

2.4 通航风险多维指标分析

北极航道的恶劣环境给船舶的安全航行带来了严重的威胁。因此对航道进行风险分析，确定通航风险多维指标对船舶航行的影响，保证船舶的安全行驶，有着重要的意义。

本文采用模糊综合评价方法，该方法能够针对包含的各种风险，效地解决复杂的、模糊的系统问题。首先建立影响通航安全的风险多维指标集A；
其次建立通航风险结果的评价集B；
再对风险多维指标集中各个风险因子进行专家分析，求出权重集C。三个集合用公式可表示为

(1)

Ei=Ci∘Di

(2)

最后依据加权平均原理，对评价集E进行反模糊的归一化处理，求解出评价等级B，根据评价等级判断北极航道通航的风险等级。

通过模糊综合评价方法，可以分析出通航过程中最主要的风险指标是海冰，其次是气温、能见度等自然环境因素。通过对北极航道进行细致的风险评估，可以提前确定哪条航线更安全，哪些风险是影响船舶通航的最主要因素，同时可以为船员采取更全面的防护措施，保证船舶和船员的安全，为船员的培训和认证等都提供了科学的依据。

DSR模型包含三部分，分别为驱动力(Driver)、状态(State)和响应(Response)，可以通过分配权重研究这三部分对通航安全的影响。其中，驱动力表示通航期间所产生的动力因素；
状态表示在驱动力作用下自然风险对安全等级的影响；
响应表示针对这些不利的影响所采取的应对方法和应对措施。

DSR模型的构建可以作为北极航道通航评价安全的参考。因此采用DSR模型，并结合自然风险多维指标，可以对北极航道通航的安全性进行预测。在考虑等级随机性与不确定性对DSR模型的影响时，对船舶通航安全进行动态评价，包含三方面：建立指标体系、确定指标权重和建立评价模型。

首先，通过安装在船舶上的安全监测仪器取得指标参数，并基于DSR指标结构构建3个层次的评价指标体系。第1个层次是评价目标层，即为船舶通航安全；
第2个层次是评价准则层，即为通航驱动力、监测仪器监测的状态和监测变量；
第3个层次是评价要素层，即驱动力指标、监测仪器监测指标和相关性指标。

其次，建立船舶安全评价模型，由于船舶通航安全分级具有模糊性，需要引入物元分析理论，从而改变物元结构。同时采用主客观综合赋权法，降低船员主观意识的随意性。

最后，将研究方法应用到实际的环境中，实现对船舶通航安全的动态评价，通过分析验证DSR模型的准确性。

对船舶通航评价指标体系进行3个层次的划分，其中环境驱动力指标是指船舶通航自然环境对船舶造成的“驱动力”因素集合，自然环境因素改变了船舶行驶的状态，同时也会对船舶监测参数相关性产生影响。监测状态是指规定的时间段内船舶所处的状态和行驶情况，它是船舶行驶是否安全的主要评价准则。监测量相关性指标是指对船舶监测状态的反馈信息，对船舶是否处于安全行驶状态提供决策信息。DSR框架模型的船舶通航安全评价指标体系如图1所示。

图1 船舶通航安全评价指标体系

准则层环境驱动力包含海冰密度、气温、风速和可见度四个要素；
监测量状态包含航道宽度、海水深度和航道弯曲度三个要素；
监测量相关性包含导航设备完善率和监测设备覆盖率两个要素。

风险指标的确定与分析对评估船舶通航的科学性、可信性具有重要的意义。在建立风险评估体系时，不仅需要考虑风险指标的重要性，还需要考虑风险指标的可获取程度。北极地区的寒冷天气对船员健康以及设备操作等都会产生负面影响。同时北极地区的特殊磁场，也会导致船舶电子设备异常。

4.1 标准化风险指标

由于船舶行驶过程中，各个风险指标具有不同的量纲级别，因此本文通过极值标准化的方法对各个指标进行标准化处理，达到消除不同量纲差异性的目的，保留原始的数据。首先考虑海冰对通航风险的影响，海冰标准化后用公式可表示为

(3)

其中，ρ表示海冰密度的原始值；
ρmin表示海冰密度的最小值，ρmin=0；
ρmax表示海冰密度的最大值，ρmax=1。温度标准化后用公式可表示为

(4)

其中，T表示风险评估指标的原始温度；
Tmin表示所研究区域中温度的最小值。风强度标准化后用公式可表示为

(5)

其中，W表示风险评估指标内的年平均风速；
Wmin表示风强度的最低标准值，且Wmin=9.9m/s。从能量学角度考虑，风险评价指标中风强度取决于风速大小。能见度标准化后用公式可表示为

(6)

其中，S表示风险评估指标中月平均能见度；
S0表示能见度最低参考值，按照国际雾级标准，S0=4000m。月平均能见度S值越小，船舶通航时风险度越高。航道宽度标准化后用公式可表示为

(7)

其中，W表示航道宽度的绝对值；
K1表示航道宽度的参考值，当K1=60km，船舶航行没有危险。航道宽度越小，船舶越容易触礁。海水深度标准化后用公式可表示为

(8)

其中，D表示海水深度的绝对值；
K2表示海水深度的参考值，K2=40m。当海水深度为40m时，船舶航行没有危险。航道的海水越浅，船舶发生搁浅的可能性越大，越容易发生危险。船员素质标准化后用公式可表示为

(9)

其中，C1表示风险评价指标中通航次数；
C表示5年内北极航道通航次数。对船员素质进行评定打分，规定5年内通航次数越多的船员经验越丰富。

4.2 确定风险指标权重

指标权重确定的本质是通过对多位专家的经验判断与某一位专家判断的最大经验值进行量化对比，根据对比的差异性大小分析专家群经验判断的关联性。关联性越大，表明专家经验判断越具有一致性，该指标的重要程度越强，权重会越大。

假设有n个风险评价指标，m个专家经验判断，将风险评价指标与专家对各种风险指标的经验判断组成数据列，用矩阵可表示为

(10)

从矩阵数据列中选择一个最大的权重值作为参考权重值，并将各位专家的参考权重值与该值做比值，重新构成数据列，用公式可表示为

X0=(x0(1)，x0(2)，x0(3)，…，x0(m))

(11)

进一步求出各个风险评估指标序列与参考数据列之间的距离，用公式可表示为

(12)

最后求出各个风险评估指标的归一化权重，用公式可表示为

(13)

根据以上公式，可以计算出风险评价体系中各个风险指标的权重，结果如表1所示。

表1 风险指标权重

由于各个指标的获取难易程度不一样，本文分别对维利基茨基海峡、德朗海峡和红军海峡三个相对重要的海峡进行研究。采用经典投影指标求得三个海峡环境因子的投影方向。本文各个指标的合成采用加权综合法，用公式可表示为：

(14)

其中，Rk表示因子k的计算值；
Zh表示因子k的指标h标准化参数；
Qh表示指标h的权重大小；
n表示因子k的指标个数。结合指标特点与船舶通航环境的最低标准，船舶可否通过海峡与自然环境危险性满足的关系如表2所示。

表2 可否通过海峡与自然环境危险性关系

通过式(14)分别计算出维利基茨基海峡、德朗海峡和红军海峡从2009-2019年内8-11月份的通航风险性，如图2～图5所示。

图2 维利基茨基海峡风险度

图3 德朗海峡风险度

图4 红军海峡风险度

图5 海峡月平均风险度

从图中可以看出，3个海峡的通航风险性总体呈下降趋势。维利基茨基海峡9、10月份的通航风险性比8、11月份低，维利基茨基海峡自然环境风险较高，通航很困难，但没有达到无法通航的程度。德朗海峡9、10月份的通航风险比8、11月份低，有3/4的时间可以通航，通航状况较好。红军海峡8-11月份通航风险性整体比较高，基本无法通航，通航状况极差。综合比较三个海峡，红军海峡的通航风险性明显高于另外两个海峡，维利基茨基海峡通航条件最好，比较适合通航。

为了研究自然环境等因素对北极航道通航安全的影响，本文分析了船舶航行时的环境风险，特别是海冰、气温、风速和能见度等风险因素。为了能对北极航道更细致地进行风险评估，本文结合了模糊综合的评价方法。然后采用DSR模型对北极航道通航的安全性进行预测。最后将风险指标进行标准化处理，求出各个风险评估指标的归一化权重。实验结果表明影响船舶航行的主要风险因素由大到小为海冰密度、温度、能见温度。在每年的8-11月份间，海峡的自然环境风险呈现出下降趋势，有利于北极航道通航，这对北极航道的全面开通提供了有力开端。