（交通信息工程及控制专业论文）长江干线大桥水域通航环境安全评价的研究.pdf

武汉理t 大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展，长江干线上建桥越来越多。这些跨江大桥使得航道束 窄，不同程度的影响了通航环境，对船舶航行安全造成了一定的威胁。为改 善长江大桥水域通航安全状况，本文以长江干线大桥水域通航环境为研究对 象，对其对通航安全的影响丌展评价研究。根据安全系统工程的原理和方法， 确定桥区水域通航环境危险度的基本评价方法一一模糊综合评价。在分析长 江干线桥区水域环境因素的基础上综合其他学者的研究结论确定了评价指 标体系并建立多层的评价层次结构；在研究定权理论的基础上，结合评价工 作的实际需要提出一种简化的有序二元比较法确定权重，并应用该定权方法 确定了各评价层次指标因素集的权重集；根据国内外有关各评价指标因素对 通航安全影响的研究成果以及有关调查统计数据，设定各评价指标因素的危 险度评价标准；在此评价标准基础上研究确定了各评价指标因素的危险度评 价标准隶属度子集表；以隶属度子集表为模糊转换器，实现各指标因素危险 度在评价集上的模糊分布的量化描述，建立起单因素模糊评价模型；在单因 素模糊评价模型的基础上，结合各指标因素的权重分析，建立起多层次、多 指标的模糊综合评价模型。 应用建立的单因素模糊评价模型和模糊综合评价模型，在对武汉长江大 桥水域通航环境相关资料数据的调查、统计及分析的基础上，实现对武汉长 江大桥水域通航环境危险度的评价。得到较为合理的评价结果。通过安全评 价，我们能较好地了解和掌握武汉长江大桥水域通航环境危险程度和各指标 因素的危险状况，为海事管理部门改善桥区通航环境以及通航管理与控制等 方面提供科学的决策依据和参考，因而具有一定的实用价值。 关键词：桥区水域环境，危险度，安全分析，安全评价 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , m o r ea n dm o r eb r i d g e s ，w h i c ht h r e a t e n t r a f f i c s a f e t yg r e a t l yb e c a u s eo fm a k i n gc h a n n e ln a r r o wa n dd e t e r i o r a t i n g n a v i g a t i o ne n v i r o n m e n t ，w e r eb u i l to v e ry a n g t z er i v e r ，t oi m p r o v e t r a f f i cs a f e t y i na d j o i n i n gw a t e r so f b r i d g e sa n dt a k i n gn a v i g a t i o ne n v i r o n m e n ts y s t e ma si t s s u b j e c t ，t h ep r e s e n tp a p e rp r o b e si n t ot h es t u d yo ne n v i r o n m e n ta f f e c t i n gt r a f f i c s a f e t y b a s e d o nt h e t h e o r y a n dm e t h o do fs a f e t ys y s t e m se n g i n e e r i n g ，t h e m e t h o do ff u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ni s a p p l i e d t o s a f e t ye v a l u a t i o no f n a v i g a t i o n e n v i r o n m e n ti nw a t e r s a d j o i n i n gb r i d g e w h e na n a l y z i n g t h e e n v i r o n m e n tf a c t o r s a f f e c t i n gs a f e t yn a v i g a t i o n a n di t sr e l a t e d e x p e r t c o n c l u s i o n sa n dr e s u l t sb o t hi n a n do u t s i d e c h i n a ，t h ep a p e r d e t e r m i n e s e v a l u a t i o nf a c l o r sa n de s t a b l i s h e st h e h i b e r a r c h y f o r s a f e t ye v a l u a t i o n ；a p r e d i g e s t i n gs e q u e n t i a l p a i rw i s e c o m p a r i s o n m e t h o do f w e i g h t s d e t e r m i n a t i o n ，w h i c h i sc r e a t e di n p r a c t i c e b a s e do n s t u d y t h e t h e o r y o f d e t e r m i n a t i o no f w e i g h t s ，i sa p p l i e dt od e t e r m i n a t i o no fw e i g h t sc o l l e c t i o n sf o r e v e r yf a c t o r sc o l l e c t i o n ；b a s e do nr e l a t e ds t u d y i nt e r m so ff a c t o r sa f f e c t i n g s a f e t yn a v i g a t i o n b o t hi na n do u t s i d ec h i n aa n dt h ec o l l e c t e dd a t a ，t h e q u a n t i t a t i v ee v a l u a t i o ns t a n d a r do fd a n g e rd e g r e ef o re v e r yf a c t o ri sd e t e r m i n e d ； a n dt h e ns u b s e tl i s to fs u b j e e ld e g r e et ot h es t a n d a r do fd a n g e rd e g r e ef o re v e r y f a c t o r 、w h i c hi saf u z z yt r a n s f o r mu s e dt oc o n c l u d eq u a n t i t a t i v ed e s c r i b eo f d a n g e rd e g r e ef u z z yd i s t r i b u t i n ga m o n gt h ee v a l u a t i o ns e t ，i s e s t a b l i s h e da n d e d u c et h es i n g l e f a c t o rf u z z ye v a l u a t i o nm o d e l ；t h em u l t i l a y e ra n dm u l t i f a c t o r f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n m o d e li se s t a b l i s h e db a s e do ns i n g l e f a c t o r f u z z ye v a l u a t i o nm o d e la n da n a l y s i so f f a c t o r sw e i g h t s b a s e do nc o l l e c t e dd a t aa n di t sa n a l y s i s ，a p p l y i n gb o t he v a l u a t i o nm o d e l s m e n t i o n e da b o v et o n a v i g a t i o n e n v i r o n m e n ts a f e l ye v a l u a t i o ni n a d j o i n i n g w a t e r so fw u h a ny a n g t z er i v e rb r i d g ea n do b t a i n i n gar e a s o n a b l ec o n c l u s i o n t h es a f e t ya n a l y s i sa n ds a f e t ye v a l u a t i o nh a v ep r a c t i c a lv a l u ef o rc o n f i r m i n gt h e n a v i g a t i o ne n v i r o n m e n tl e v e lo fd a n g e rd e g r e ei na d j o i n i n g w a t e r so fw u h a n i l 武汉理工大学硕士学位论文 y a n g t z er i v e rb r i d g ea n dd a n g e rs t a t u so fe v e r ye v a l u a t i o nf a c t o ra n dp r o v i d i n g s c i e n t i f i cb a s i so fd e c i s i o nf o r i m p r o v i n gt h en a v i g a t i o ne n v i r o n m e n ti n t h e a d j o i n i n gw a t e r so f w u h a n y a n g t z er i v e rb r i d g e k e yw o r d ：n a v i g a i t i o ne n v i r o n m e n t i na d j o i n i n gw a t e r so f b r i d g e d a n g e rd e g r e es a f e t ya n a l y s i ss a f e t ye v a l u a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章前言 1 ，1 长江航运与跨江大桥建设的现状 长江航运，历史悠久，是长江流域经济兴旺发展的重要基础。进入二十 一世纪后。长江航运进入了新的发展肘期。长江于线航道，上起四川宜宾， 下至上海长江口，全长近3 0 0 0k m ，其中3 级以上航道2 6 8 8k 【1 1 ，占9 5 。长 江干线港口，已形成以重庆、宜昌、岳阳、武汉、九江、芜湖、南京、镇江、 南通等大中城市为依托的港口群，并有1 9 个港口对外轮开放。2 0 0 2 年，长 江干线主要港口货物吞吐量达到2 5 9 亿吨，同比增长1 3 8 。其中，外贸货 物吞吐量达到3 7 9 5 万吨，集装箱吞吐量达到1 0 9 万t e u ，同比分别增长 1 6 ，7 、3 7 3 。长江干线航运企业2 0 0 2 年发展到2 0 0 0 多家，船舶1 5 9 余 万艘，运力达到1 9 4 3 8 万载重吨，货运量达到3 0 5 亿吨，同比增长8 9 。 长江航运以其江海联运、铁水联运、干支直达和江海直达形成的区位优势成 为全国综合运输体系的重要组成部分。长江是一条焕发青春的“黄金水道”。 然而，建国五十余年来，长江航道的整治还十分落后，航道趋近于天然 状态，丽架桥河段却在不断增多。长江建辑的序幕由武汉长江大桥拉开，建 桥风却是从上个世纪9 0 年代中旬后刮起的。从1 9 5 7 年武汉长江大桥建成通 车到1 9 9 5 年，长江干流上的桥加起来不过8 座，而此后的8 年问，长江上 公路、铁路和公路铁路两用桥的数量激增至3 4 座。 据调查，在上起四川宜宾下至长江入海口的近3 0 0 0k r a 长江于流上。己 兴建的有宜宾、重庆白沙沱、湖北枝江3 座铁路桥和武汉、九江、南京3 座 公铁两用桥以及2 8 座公路桥，再加上近年内相继开工和正在进行可行性研 究和列入建设规划的大桥，未来1 0 年内，预计长江上的大桥将突破1 0 0 座， 平均桥距不足3 0l 皿。其中重庆市辖区2 3 座，湖北1 9 座( 武汉6 座) ，长江 下游的江苏1 2 座( 南京4 座) ，为长江干线建桥密度最高的三个区段i i 】。 1 2 跨江大桥对航运的影响 这些桥梁的建成通车，尽管解决了两岸的交通问题，为长江经济走廊的 武汉理工大学硕士学位论文 发展起到了不可替代的作用，但由于规划、设计、选址和桥墩等原因，过分 的建桥无疑给这条“黄金水道”的航运功能的发挥带来诸多障碍。 航道被占船难行，是对航运影响的最直接表现。长江是一条季节性的河 流，水位有涨有枯。一到枯水，那一座座长江大桥就犹如一只只“拦路虎”， 令驾驶人员忧心忡忡，让航道部门叫苦不迭。 武汉长江大桥施工期间，由于桥墩围堰、导向船定位及锚锭设施占据大 部分通航水域，船舶可航行宽度缩窄到l o o m 左右，加之施工船舶、供应船 舶穿梭，给船舶航行和避让造成很大困难。同时，随着施工进度的变化，通 航桥孑l 需要频繁变更，造成驾引人员难以熟悉和掌握水性、流态的变化规律， 增大了事故发生的几率。桥墩过多过密，更是影响了航道的畅通，增加了防 洪的压力。一位河流泥沙专家测量显示，洪水期桥墩至少抬高长江水位 0 0 3 m ，波及面达3 0 至5 0 公里。由于桥墩改变了江水流向，导致泥沙在桥 墩后淤积。武汉长江大桥的8 个水下桥墩总宽近百米，大桥建成后，泥沙就 ，r 始在汉阳桥头上方积淀，每年枯水期便形成隐约可见的边滩。2 0 0 1 年3 月，沙滩面积已达9 万平方米，使大桥航道的航宽不足8 0 m 、航深不足3 2 m 的最低极限。为此，航道部门不得不采取疏浚挖泥和实施主航道改( 桥) 孔 的办法引船过桥。 1 9 9 9 年，武汉白沙洲长江大桥施工，由于一孔主桥墩在南槽主航道中间， 使本不够宽敞的航道变得更为狭窄。从元月17 日至元月2 6 日1 0 天内，长 航集团南京长江油运公司的8 个原油船队先后在武汉滞留达8 天之久。因为 原油不能及时到达，中石化长岭炼油厂只得停产一部炼油装置。 在湖北境内的黄石长江大桥，由于大桥选址在水运繁忙且航段弯曲河 段，不足15 0 天内发生船桥相撞事故1 6 起，沉船9 艘，直接经济损失达数 百万元。 荆州长江大桥位于长江荆江河段沙市太平口水道新河口，这是一个不宜 建桥的江段。如果要建大桥，必须江中三八洲采取固滩措施，但建桥方一直 未兑现承诺，导致三八洲逐年变小，南北两汉江水水流变缓，泥沙淤积，不 能通航，出现了桥上尚未通车、桥下已难行船的被动局面。无奈之下，航道 部门只好花费大量人力、物力更改航道。 据长江海事局的不完全统计，迄今为止，长江干线大桥共发生船桥相撞 事故2 0 0 多起，其中，武汉长江大桥发生7 0 多起，南京大桥发生2 5 起。据 国际桥梁和结构工程协会记载，1 9 6 5 年至1 9 9 0 年全世界平均每年仅发生1 起船桥相撞事故，而武汉长江大桥年均发生事故已达1 7 起1 2 武汉理工大学硕士学位论文 严峻的现实我们不得不面对，如何改善大轿水域交通安全状况是非常具 有现实意义的工作。基于这一出发点，本文以长江干线大桥水域通航环境为 研究对象，通过研究其对航行安全的不利影响，以期建立桥区通航安全状况 的有效评估模型，一方面可对现有桥区通航安全状况作出有效评价，另一方 面也可为新建大桥进行通航安全论证提供有益的参考。 1 3 和本课题有关的研究理论和方法 综合分析目前对通航水域航行危险度的评价方法，从对数学方法的选用 角度，可以分为两种：一种是使用概率论和数理统计等数学方法建立精确的 数学模型，目前内河水域的通航安全评价工作基本上采用这种方法；另一种 方法是在系统信息不完备的情况下，很难建立精确的数学模型时，采用模糊 数学或灰色系统理论的方法对系统进行分析与评价。如我国学者吴兆麟就利 用模糊数学理论对厦门港港口水域的航行危险度的评估进行了探讨研究。 目前，在水上交通安全的定量分析研究中所使用的数学工具基本上是上 述两种。不同的数学方法在评价中各有优劣，因此，在具体的评价过程中， 要根据系统评价的目标、要求以及评价对象和指标体系的特点来选择恰当的 数学方法。下面就分别对上述方法进行概括性分析。 ( 1 ) 一般统计分析和数理统计分析的方法 一般统计分析即统计出各种原因导致的水上交通事故件数或加杈事故 换算件数( 如按事故的等级赋予权系数) ，求取各种原因导致的事故占事故总 件数的百分比。数理统计分析即对各种原因导致的事故进行回归分析、主成 份分析和相关分析等。目前关于我国内河通航水域的危险水平问题，许多学 者和海事管理部门都以该水域中实际发生的事故的件数为基础来进行推算。 使用数理统计的方法对系统进行分析评价时，要求有一定的样本量，随着样 本统计量的增加且达到一定数量时，频率分布才呈现稳定性，其模型和评价 结果才较可靠。 上述方法虽然在水上交通事故定量分析工作中发挥了重要作用，但也存 在一定的局限性：首先，统计各种原因导致事故的件数只能表示数值的绝对 多少，没有很好地反映出各类原因与事故发生的联系程度：其次，数理统计 分析方法要求的样本量大，而且要求有较好的样本分布，在实际工作中己积 累的事故数据要满足上述要求难度较大。另外，对于预测将来通航环境变化 所伴生的危险水平的变化，采用这种方法也难以达到目的。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 灰色系统理论 灰色系统理论是在控制论、信息论和系统论的影响下，在8 0 年代仞形 成的一门新理论，属于边缘学科范畴，其特点是对于部分信息已知、部分信 息不知的系统仍能够进行定量分析。灰色系统理论提出了一种新的系统分析 方法，即关联分析方法。它是根据因素之问发展态势的相似或相异程度，来 衡量因素间关联程度的方法。由于关联分析是按发展趋势作分析，因此对样 本量的多少没有过分要求，电不需要典型的分布规律，计算量小，即使是十 个变量( 序列) 的情况也可以手工计算；而且不致出现关联度的量化结果与定 性分析不致的情况。灰色系统理论般所解决的是对系统信息认识不完全 的系统，它能够通过对系统认识较少的信息对系统进行较深入的分析和研 究。 由于通航环境系统是由多因素构成的较复杂的系统，目前对系统各要素 间的相互关系作用还不十分清楚，另外加上水上交通事故的小概率性以及数 据难以收集等原因，导致它们既没有简单的物理原型和数学原型，其内部机 制关系也是模糊不确定的。它们在互相关系作用、程度和数据收集等方面均 符合灰色系统的概念。因此灰色系统理论在通航环境的危险度分析方面为许 多学者所采用。 但灰色系统理论还不是成熟理论系统，还存在许多不完善的地方。我国 学者何文章、郭鹏研究表明，对实际问题应用灰色理论，采用不同的无量纲 化方法，结论不同，这就很难令人信服用关联度分析得出的结论。另外，关 联度只能体现数据列的正相关关系，不能体现负相关关系，所以不能用关联 度代替相关系数，也不能用关联分析方法代替统计中的因素分析法。对某些 实际问题，还必须采用回归分析、主成分分析、正交设计等各种统计分析方 法。 ( 3 ) 模糊数学 模糊数学诞生于1 9 6 5 年，我国引进和研究这门学科仅十几年时间，但 因为模糊数学具有较强的生命力和渗透力，所以发展十分迅速。模糊数学是 用数学方法研究和处理具有“模糊性”现象的数学。模糊数学评价的基本方法 是从所评判的事物中选出几个所要考虑的因素，综合考虑该事物关于各个因 素的影响建立起评价指标体系，根据实际评价的需要确定各指标因素的评价 标准，确定各指标因素的隶属函数并进行单因素评价。然后按照各个因素的 不同权重，应用模糊变换原理、模糊识别的方法和相应的隶属原则，建立综 合评价的数学模型。依此数学模型实现对研究对象的综合评价工作。由于各 4 武汉理工大学硕士学位论文 个因素对水域危险性的影响没有一个明确的界定，因而在对不同水域或不同 航段的交通危险度作比较评判时，采用多因素模糊综合评判法被认为是比较 合理的。 目前对于模糊数学的应用研究。多局限于沿海港口航行水域，而对内河 水域航道危险度的评估应用研究则较为少见。本文也一是基于这一点出发， 将采用模糊数学理论和方法作为数学工具对内河大桥水域通航环境危险度 进行分析与评价的研究。 1 4 本文的研究方法和主要内容 1 4 1 本文的研究方法 结合以上分析，本文以长江干线大桥水域通航环境为研究对象，采用模 糊数学理论和方法作为数学工具对其对通航安全的影响开展评价工作，具体 研究方法如下所述： 根据安全系统工程的原理和方法，在分析桥区水域通舷环境因素的基础 上，综合其它学者的研究结论确定了评价指标体系并建立多层的评价层次结 构；在研究定权理论的基础上，结合评价工作的实际需要提出一种简化的有 序二元比较法并应用该定权方法确定了各评价层次指标因素集的权重集；根 据国内外有关各评价指标因素对通航安全影响的研究成果，以及专家访谈和 有关调查统计数据设定了各评价指标因素的危险度评价标准：在此评价标准 基础上研究确定了各评价指标因素的危险度评价标准隶属度子集表，应用模 糊数学理论的模糊变换原理和模糊识别的方法建立起单因素模糊评价模型： 在单因素模糊评价模型的基础上建立起多层次、多指标的模糊综合评价模 型。 1 ，4 2 本文的主要内容 根据以上分析，本人以长江干线大桥水域通航环境安全评价的研究 作为硕士论文的选题，就咀下内容进行研究； ( 1 ) 以系统安全工程的思想为指导，通过对对船舶航行安全有影响的桥区 通航环境因素的调查、分析，分析长江大桥水域船舶交通潜在的主要危险因 素及其危险程度，进而确定大桥水域通航环境危险度评价指标体系； ( 2 ) 在分析定权理论的基础上，综合考虑各种定权方法的特点及实际定权 武汉理工大学硕士学位论文 的需要，提出并应用简化的有序二元比较法，通过专家访谈和问卷调查，确 定各评价指标因素集的权重集； ( 3 ) 探讨模糊综合评价方法在桥区水域通航环境安全评价的应用，结合国 内外专家学者对船舶航行危险度评价的方法，根据长江干线大桥水域通航环 境的现状特点，采用数据分析和问卷调查相结合，确立各指标因素的危险度 评价标准，并以此评价标准为依据，在调查分析的基础上确定各指标因素危 险度评价标准隶属度子集表： ( 4 ) 对本文的模糊性对象大桥水域通航环境危险度，考虑各评价指标 因素，建立多层次、多指标模糊综合评价的数学模型。在收集和调查武汉长 江大桥水域通航环境资料的基础上，应用所建立的综合评价模型进行具体的 分析和评价，得到武汉长江大桥水域通航安全状况的客观结果，为桥区通航 安全管理提供科学的决策依据。 6 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章长江大桥水域通航环境系统的安全评价 方法 2 1 船舶通航环境安全评价及其评价原则 6 0 年代以来，航运发达国家一直在以实念调查及其定量分析为中心进行 船舶交通、通航环境的研究，对通航环境包括船人在内的船舶航行系统 的作用和联系进行评价。虽然取得了些研究成果，有的成果也已用到船舶 交通安全对策中去，但是就目前的情况来看，评价和使用上述成果的方法并 未得到充分的确认和研究。现在所研究的有关水上交通安全处于何种水平这 个问题，在船舶交通实态调查中是不能直接知道的。而关于某水域的危险水 平问题，许多学者和海事管理部门都以该水域中实际发生的事故的件数为基 础来进行推算。以过去的事故记录为根据来评价水域的危险程度当然也是一 种有利的手段，然而，要想预测将来通航环境变化所伴生的危险水平的变化 采用这种方法就难以达到目的了。 这里，我们认为，所谓事故就是在水域中本来就存在着潜在危险的可能 性。对这种可能性如果受到某种“触发”的作用，就会使这种可能性变为显在 性。那么，当我们要评价所研究水域的危险度的时候，需要明确该水域中潜 在危险的存在机制、可能性的大小，使该可能性显在的诱因种类和容易发生 的程度等因素，需要分析该水域中事故的显在事实的发展趋势。只有通过上 述评价步骤，才能具体地指出所应采取的有效对策和要点。 事实上，当评价给定通航环境下的潜在危险这一类问题时，不仅要着眼 于事故发生的事实，而且还要研究该水域所处的安全性水平，以及事故发生 的“潜在性的危险”的程度。i ”1 2 2 系统安全工程与通航环境安全评价 系统工程中的一些方法都可以用于解决安全问题。系统工程几乎综合了 各种学科的知识，其中，最重要的有运筹学、控制论、决策论。例如，应用 决策论可预测事故发生的可能性的大小和优化交通方案；利用排队论可以合 武汉理t 大学硕士学位论文 理安排交通规划，避免船舶交通事故；应用概率论( 统计、可靠性理论) ， 可以预测风险，分析事故发生的原因。 系统安全工程的根本任务就是预测、评价和控制危险。应用系统工程方 法，可识别出各因素及其间存在的危险性，预测事故发生。我们的目的就是 要识别、分析、预测、控制和消除船舶航行系统中的危险性，使之不致发展 成事故。利用系统可分割的属性，可揭示和消除事故隐患，优化安全状态。 船舶交通事故涉及到人船环境，我们就可以用人船环境系 统 程的方法，分析各因素中存在的危险性，预测船舶交通事故的可能性， 对该系统采取有效的控制。 应用系统工程方法，可了解各因素的相互关系，消除各因素由于互相结 合而产生的危险性。事故往往发生在子系统与子系统的界面及其相互作用的 时候。船舶交通事故中多因环境对人的心理影响和行为制约，以及环境对船 舶的物理作用而引发。对界面进行有效的控制，在很大程度上可以减少事故 的发生。 船舶交通事故具有随机性与突发性，它是多因素影响而成的，难以用 确定的数学模式进行准确的描述、预测和评价，也正是这个原因，引起众多 科学工作者的兴趣，进行多方面的研究，试图用系统的方法、定量与定性相 结合的方法、组合模型的方法来解决一些问题。船舶通航环境安全评价就是 其中的一个带有普遍性的问题。 2 3 评价方法分析 依据上述分析，本文将以系统安全工程的思想为指导，在对长江干线桥 区通航安全影响因素分析的基础上，建立长江大桥水域通航环境危险度评价 指标体系，根据各指标对安全影响程度的研究结论和专家调查结果分析而确 立通航环境危险度评价标准，应用模糊综合评价的方法实现对桥区通航环境 危险度的综合评价，从而掌握桥区通航环境的安全状况，为提出有效改善桥 区通航安全状况的措旌提供科学依据。 2 3 1 系统安全评价分析 系统安全评价是一种科学的分析方法，它以包括某种危险的系统为研究 对象，从该系统中排除危险或使危险降低到可以接受的程度，使系统安全性 武汉理工大学硕士学位论文 得以提高并以此作为目标，预测并评价该系统中潜在或固有的危险。通过系 统安全评价可以识别系统内的主要危险因素，确定事故的危险等级，从而可 以采取相应措施，避免或减少危险。系统安全评价由安全分析和安全评价两 个过程构成，其中安全分析包括危险识别和危险估计，而安全评价则包括危 险认可和危险回避。i l 刈 就安全评价的实施而占，可以认为是采用适当的评价指标和评价标准， 判定现有安全性的实际程度，选择使安全性得以提高的最优对策方案的优先 顺序的整个工作过程。在整个评价过程中，评价指标的开发、评价模型的规 划和丌发及评价标准的设定是决定评价结果优劣的关键。在系统安全评价过 程中如果涉及模糊因素，便是模糊综合评价。 2 3 2 模糊综合评价 美国著名系统科学专家l a z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出了模糊集合的概 念，为模糊集理论的发展奠定了基础。模糊数学是用数学方法研究和处理具 有“模糊性”现象的数学。我国引进和研究这门学科仅十几年时间，但因为模 糊数学具有较强的生命力和渗透力，所以发展十分迅速。在具体的研究工作 之前，先将本文涉及的模糊数学理论相关知识进行简要介绍。 2 3 2 1 模糊数学基础知识 ( 1 ) 模糊集合 1 ) 隶属度和隶属函数 一个元素( 或对象) x ，它对于某一论域u 的集合4 ，要么z a ，要 么z 茌a ，二者必居其一，绝不允许模棱两可。也就是说普通集合的“内涵” 和“外延”都是明确的。但是现实生活中绝大多数概念都没有明确的外延。例 如，对于m 性格稳重”等，某些人是否符合这一概念，很难给出完全肯定或完 全否定的答案，也就是说，在符合与不符合之间允许存在中间过度状态，这 类概念叫做模糊概念。 在模糊集合中，为了描述元素对模糊集合的从属程度，在普通集合特征 函数的基础上，引入隶属函数的概念，把特征函数的集合 o ，1 1 推广到闭区 间 0 ，l 】，即用f o ，】 中约一个实数去度量元素工，属于摸期集台的程度，这 个数就称为“隶属度”，用。( x 。) 表示。因为隶属度是随元素z 的不同而改 9 武汉理工火学硕士学位论文 变的，这个表示隶属度变化规律的函数叫做“隶属函数”，用儿( x ) 表示。 2 ) 模糊集合 定义：给定论域u ，对于任意工u 都指定了隶属函数d 。( j ) 的一个 值，将序对( 偶) 集 粤2 ( ，! ( x ) i x ) v _ u _ ( x ) 0 ，1 定义为论域u 上的一个模糊子集，简称模糊集。其中卢。( x ) 称为模糊 子集的隶属函数。i 2 0 l f 2 1 lf 2 2 儿2 3 1 ( 2 ) 模糊关系 1 ) 定义 设模糊集合4 ，曰的论域分别为z 、y ，则直积y = ( x ，y ) l z yej ， 中的模糊关系r ，是指以x y 为论域的一个模糊子集r ，其序偶( x y ) 的隶属函数为a r ( x ，y ) 。 2 ) 模糊关系的合威及性质 模糊关系的计算包括并、交、补及合成运算。设、y 、z 是论域，月 是x 到y 的一个模糊关系，s 是j ，到z 的一个模糊关系，则r 到s 的合成q 也 是一种模糊关系，记为q = 尺0 5 ，它的隶属函数为 u 。( x ，z ) 。v 【如( x ，y ) 八地( y ，z ) 】 如果爿i i 是有限集是，模糊关系合成运算和普通关系合成运算一样 可以利用模糊关系矩阵进行，即令g = r o s ，则 1 0 塾堡望三查羔堡主兰堡垒奎一一 m q = m 。= b 。j 。2 m ! 。m j 式中q 口= 墓( r , k 八) ，f ；l ，2 ，5 l ，2 ， ，j 2 1 ，2 ， p 。 2 3 2 2 模糊数学综合评价模型 模糊综合评价涉及到3 个要素：因素集、评价集和单因素评价。在单因 素评价的基础上，再进行多因素的模糊综合评价。 1 2 1 【2 1 1 ( 1 ) 因素集 因素集u 是由影响评价对象的各个因素所组成的集合，可表示为 u = ( “l ，心，“。) 其中，( f = 1 ，2 ，n ) 是若干影响因素。一股说来，各个因素在评价 中具有的重要程度不同，因而必须对各个因素“。按照重要程度的不同给出不 同的权重口，。 由权重d ，组成因素集a 是因素集u 上的模糊子集，可用模糊向量表示为 爿= 0 1 ，d 2 ，d 。) 其中，口，( f - l ，2 ，n ) 是因素“，对一的隶属度，即反映了各个因素在 综合中所具有的重要程度。通常应满足归一性和非负性的条件： q = 1 a ，之o i = l ( 2 ) 评价集 评价集是对评价对象可能作出的评价结果所组成的集合，可表示为 矿= ( v 。，v ：，v 。) 其中 d j ( ，= l ，2 ，m ) 是若干可能作出的评价结果。模糊综合评价的 目的就在于，通过对评价对象考虑所有影响因素，能够从评价集y 中获得一 个最佳的评价结果。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 模糊综合评价 因素集u 和评价集y 之间的模糊关系可用评价矩阵 璺= ( 9 ，冬 7 1 i1 2 r 2 1r 2 2 !，二!赫 表示，其中元素0 = 。( “，v ) ，0 5 茎1 表示对评价对象在考虑因素“。时 作出评价结果v ，的程度，于是，评价矩阵璺中 r ，= n 。，：，r ) 便表示考虑第i 个因素“的单因素评价集，它是评价集矿上的模糊子集。由 此可见，单因素评价集构成了多因素综合评价的基础。 当因素权重集爿和评价矩阵r 已知时，按照模糊矩阵的乘法运算，便得 到模糊综合评价集口，即 b = a o r = 0 l ，d 2 ，- 一，d 。) = ( 6 1 ，6 ：，6 。) 其中 6 ，2 二( 口，a 0 ) tr n r 2 lr 2 2 。 ，2 。 0 l 2 一 式中，b ，为模糊综合评价指标，它的含义是：在综合考虑所有影响因素的情 况下，评价对象对评价集y 中第_ ，个元素的隶属度。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 评价结果 求出评价指标b ，后，可采用如下两种方法确定最终的评价结果。 最大隶属度法 把与最大的评价指标相对应的评价集元素取为评价结果。 加权平均法 把以b j 为权重，对评价集元素叱进行加权平均得到的值作为评价结果 即 2 2 bj v i v 2 一 q 若评价指标6 ，已归一化，即y b ，= 1 ，则 ，= l v = 6 。v ， 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章长江干线大桥水域通航环境系统分析 3 1 桥区水域通航环境系统安全分析 3 1 1 水上交通系统构成 水上交通安全系统是一个由人一船一环境组成的多因素的复杂大系统。 其中驾驶员是行为的主体，船舶是操船的客体，环境是给操船行为和结果带 来影响的要因。在该系统中，表达了驾驶员在给定的环境条件下，将给定的 船舶安全高效地移动或停止到预定位罨的行为过程，它们三者之间以如下图 所示的链环式组成水上交通系统。 图3 - 1 人船环境构成的水上交通系统i ” 从图3 - 1 可以看出，在船舶交通系统中，通航环境因素子系统是通过对 人的心理影响及进一步的行动制约，以及对船舶的物理外力作用两个方面来 影响通航安全的。在通航环境子系统中，造成这两方面作用的影响因素众多， 正是这些影响因素的作用构成了通航环境予系统的潜在危险和危险形式。船 舶交通系统安全评价的重要工作之一，就是通过系统分析来识别这些危险因 素，为评价指标的开发作好准备。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 2 危险识别及主要危险因素分析 在桥区通航环境子系统中，影响通航安全的因素有很多，可分为自然环 境因素、人工环境因素和交通环境因素，其中包括航道、水文、气象、航标 配布、交通状况等航行条件。这些因素复杂多变，互相联系，驾驶员必须准 确地掌握各因素变化规律，及时准确定位，拟定正确航路，j 能确保航行安 全。在具体分析航行条件时，应考虑以下几个方面： 3 0 i 1 3 4 f 3 2 j 航道特征：桥区河段的地貌、河床形态、航道尺度、支汉河、与捷水道 分布及开放水位，河岸坡高及漫坪水位，河槽内碍航物分布及高度，滩险， 通航孔分布及其尺度等。 水文特征：航道水深、主流、缓流分布，不正常流态特征、分布及其对 航行船舶的影响。 助航标志：天然及人工助航标志的分布及应用航标配布原则，设标水 深及移动规律。 航道内船舶动态：船舶类型，出没时间、动态特征、活动规律、会让原 则等。 气象特征：桥区河段气象变化特征及其对航行的影响。 基于以上分析，在评价桥区通航环境危险度的影响因素分析时可做如图 3 2 的多层次分析。 图3 - 2 桥区通航环境危险度的影响因素层次 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 评价指标体系 3 2 1 评价指标的确定 综合3 1 节的分析，结合其他学者的研究结论，本文将桥区通航环境因 素归纳成为1 2 个评价指标因素，分别为风、能见度、水深、流、航道及通 航孔宽度、航道弯曲度、通航孔净高、交通密度、交通构成复杂度、助航标 志、碍航物及两桥间距。其中，交通构成复杂度主要是表现为船舶需要进出 码头、锚地、支汊河流、在横越区过河或船舶水上作业而产生的交叉船舶流。 为抓住主要因素和避免因评价工作过于复杂而导致错误的结论，结合其他学 者的研究方法，就评价指标相对评价对象的重要程度的定性分类的问题，在 专家访淡的同时进行了闯卷调查( 调查表见表3 1 ) 。该表要求专家凭借其经 验，对各指标因素对桥区通航安全的影响程度依重要性进行分类。分析整理 调查问卷，得出分类结果如表3 1 所示。 表3 1 评价指标重要程度分类 、 重要程度 因素 稍微重要重要 很重要绝对重要 风 能见度 0 水深 流 航道宽度及通航孔净宽 通航孔净空高度 、， 航道弯曲度 交通密度 交通构成复杂度 助航标志 碍航物 两桥间距 根据表3 - 1 的分类结果，本文选取其中重要程度在“重要”以上的9 个因 素作为桥区通航环境危险度的评价指标因素而构成整个评价指标体系，即评 1 6 武汉理丁大学硕士学位论文 价指标冈素集 u = 0 l ，“2 ，“3 ，“4 ，“5 ，“6 ，“，“b ，吣) ( 3 1 ) = ( 风，能见度，水深，流，航道及通航孔宽度，航道弯曲度，交通 密度，交通构成复杂度，助航标志) 3 2 2 评价集的确定 评价集是对评价对象可能作出的评价结果所组成的集合。本文的目的是 对桥区通航环境危险度作出评价，对于某一指标的危险程度来说，什么样的 程度是安全或危险的，危险达到了怎样的程度，危险程度该如何描述。根据 国外有关学者对航行危险度的主观评价值和操船环境压力值的相关研究，以 及我国有关学者进行的专家调查的结果，本文将危险度评价标准分为低危险 度、危险度较低、危险度一般、危险度较高、高危险度5 个等级，则评价集 可表示如下： = ( 低危险度，危险度较低，危险度一般危险度较高 3 2 3 各评价指标因素的分析与评价标准的确定 ( 3 2 ) 高危险度) 在3 2 1 节己确定了评价指标体系，现就各个指标因素对桥区通航安全 的影响程度进行分析并确定其危险度评价指标及其评价标准。 ( 1 ) 风 内河航道尺度虽然较海洋小，但风浪影响仍然是存在的。如在比较宽阔 的长江下游，4 5 级风所产生的浪，足以影响船队的安全航行，而7 8 级 以上的大风，对大型客货轮也会产生影响。在顺直河段和河口河段的风浪较 其它河段大，且大浪多出现在风、流同向时，此时风与流相撞击，会在整个 河段上掀起大浪。在水深、流速大的地方，浪头更大。内河船舶( 队) 具有 浅吃水，稳性差，抗风能力差的特点，风的影响不容忽视。大风使船舶( 队) 走锚，使航行的船舶( 队) 产生偏航，尤其在受限水域偏航将产生更大的危 险。同时由于大风使船舶、船队产生摇摆，会影响驾驶员对周围情况的观察 并使船舶操纵能力受到限制。在桥区航道宽度有着严格的限制，大风导致的 船位偏移，使得船舶( 队) 在通过大桥时碰撞桥墩的危险大大增加因此，在 对桥区通航危险度进行评价时，风是个重要的因素。 武汉理工大学硕士学位论文 风作为影响通航安全的重要因素，对干舷和上层建筑较高的航行船舶 ( 队) 有明显的影响，其对船舶( 队) 作用的程度和特征与船舶( 队) 受风 面积及风动力中心位置、干舷高度与吃水之比、风级及风舷角大小、船舶航 向与航速等诸多要素有关。风力越大，使船舶( 队) 产生倾斜、漂移、偏转 的程度就越大。 事故分析表明，不少事故是在作用于船上的风力大于3 4 级时发生的。 有关学者作过风对船舶航行安全的影响方面的研究。研究方法是在一定风速 情况下，利用事故数量的统计来评估风对事故的影响。统计结果分析表明， 相对事故数k 。，即在观测风的单位时间里，