基于AIS數(shù)據(jù)的海上?；芬苿语L(fēng)險源環(huán)境風(fēng)險評價模型研究與應(yīng)用

曹盛文，姜曉軼，宋麗麗，趙龍飛，李億紅

1.自然資源部海洋信息技術(shù)創(chuàng)新中心 天津 300171

2.國家海洋信息中心 天津 300171

3.國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心 上海 201206

據(jù)統(tǒng)計,我國約90%的進(jìn)出口貿(mào)易貨物運輸通過海上完成,其中危化品約占海上貨物運量的50%[1]。根據(jù)國標(biāo) 《危險化學(xué)品重大危險源辨識》(GB 18219-2009),?；肪哂幸妆⒁兹?、有毒和有害等特性,極易對人員、環(huán)境、設(shè)備等造成嚴(yán)重災(zāi)害,影響社會、環(huán)境和經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展。隨著近年來航運事業(yè)的迅速發(fā)展,?；沸孤┤牒Ｊ鹿实娘L(fēng)險也不斷增大。2018年11月4日,福建泉州碼頭的一艘石化產(chǎn)品運輸船發(fā)生泄漏,69.1 t碳九產(chǎn)品漏入近海,對港區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境造成了污染[2]；2012年3月,新加坡籍 “BARELI”輪在福州興化灣江陰港附近海域發(fā)生觸礁擱淺沉船事故,導(dǎo)致大量燃油和有機氯農(nóng)藥等?；沸孤┤牒?造成附近海域海洋生態(tài)損失[3]。為了有效應(yīng)對?；沸孤妒录L(fēng)險,我國先后發(fā)布實施了 《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》(主席令第13號)、《危險化學(xué)品重大危險源辨識》(GB 18218-2009)、《危險化學(xué)品安全管理條例》(國務(wù)院令第591號)和 《危險化學(xué)品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》(安監(jiān)總局令第40號)等法律法規(guī),規(guī)定了危化品重大危險源辨識方法,明確要求對?；分卮笪ｋU源進(jìn)行分級和定量風(fēng)險評估。

海上?；愤\輸過程復(fù)雜,影響其安全的因素較多,且具有較強的偶然性和隨機性,因此泄漏后產(chǎn)生的海洋環(huán)境危害更加難以預(yù)測,導(dǎo)致很難量化評判風(fēng)險。當(dāng)前,對海上?；愤\輸安全性的定量化評價研究主要采用相對比較法、層次分析法和模糊綜合評價法等[4-6],評估指標(biāo)主要是采用 “人、機、貨物、管理、環(huán)境”五大危險品運輸安全要素[7],選取的指標(biāo)是否合理將直接影響評價方法結(jié)果質(zhì)量；同時AIS數(shù)據(jù)能夠提供船舶的主要特征參數(shù)、航行狀態(tài)等信息,主要應(yīng)用在航道環(huán)境風(fēng)險[6,8,9]和船舶航行碰撞[10-11]兩方面,已成為海上交通安全風(fēng)險的重要研究方向。

以往文獻(xiàn)均未基于實時AIS數(shù)據(jù)主動挖掘海上?；愤\輸船舶,并圍繞船舶檔案和實時位置信息進(jìn)一步研究可能影響安全的指標(biāo)因素。本文主要針對海上?；吠话l(fā)事故對臨近海洋環(huán)境的影響,結(jié)合領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗,將船舶計劃航線、事故情況、最近檢修時間、吃水量、附近實時船舶密度、海洋功能區(qū)劃等因素納入海上?；芬苿语L(fēng)險源環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系中,并采用層次分析法計算評價模型的指標(biāo)權(quán)重,研究成果可對監(jiān)控海域上存在的危化品移動風(fēng)險源進(jìn)行實時識別和風(fēng)險等級預(yù)警,為決策者及時調(diào)整應(yīng)急監(jiān)測力量提供支撐。

1 AIS數(shù)據(jù)分析

1.1 AIS數(shù)據(jù)

AIS是由岸基 (基站)設(shè)施和船載設(shè)備共同組成的集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機技術(shù)和電子信息技術(shù)于一體的新型數(shù)字助航系統(tǒng)和設(shè)備。它通過船舶識別和動態(tài)信息收集功能,實現(xiàn)船岸之間的信息傳輸和交換,在航行安全、交通控制和海事管理等方面發(fā)揮十分重要的作用[12]。目前AIS普及應(yīng)用到所有船舶,AIS數(shù)據(jù)主要分為三類:靜態(tài)信息、動態(tài)信息和航次信息[13],見表1。

表1 AIS數(shù)據(jù)

表1中,航次信息中的危險貨物 (種類)是由航行開始時人工輸入,但不要求指明具體貨物和數(shù)量,可用來判斷船舶是否裝有危險貨物。其輸入?yún)?shù)由DG、HS、MP和X、Y、Z、OS組合而成[14]。其中,DG表示危險貨物、HS表示有害物質(zhì)、MP表示海洋污染物；X、Y、Z、OS是國際海事組織 (International Maritime Organization,IMO)規(guī)定的4種對海洋資源或人類健康產(chǎn)生危害的分類等級:X類表示重大危害、Y類表示產(chǎn)生危害、Z類表示較小危害、OS類表示無危害。例如,HS(Y)表示產(chǎn)生危害的有害物質(zhì)。

1.2 船舶檔案

船舶檔案收錄了全球300總噸以上的國際航行船舶、船東及管理公司、造船廠等信息。船舶檔案數(shù)據(jù)由國際海事組織IMO官方指定機構(gòu)——HS Markit Maritime & Trade負(fù)責(zé)收錄,被廣泛應(yīng)用于船舶租賃、港口引航、海事監(jiān)管、邊檢執(zhí)法、船舶服務(wù)等領(lǐng)域。船舶檔案數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括詳細(xì)的船舶和設(shè)備技術(shù)參數(shù)、建造情況、保賠協(xié)會、入級及PSC檢驗記錄、所有人、經(jīng)營人、買賣情況、事故情況等權(quán)威檔案資料[15],見表2。

表2 船舶檔案主要信息

1.3 數(shù)據(jù)分析

由表1、2可知,AIS和船舶檔案數(shù)據(jù)中蘊含著豐富的海上交通信息,利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),可以從這些信息中挖掘出與海上危化品移動風(fēng)險源相關(guān)的指標(biāo)因素。

(1)?；愤\輸船:根據(jù)AIS數(shù)據(jù)中的危險貨物種類可以準(zhǔn)確識別出運輸?；返拇昂拓浳镂：Φ燃?結(jié)合船舶檔案數(shù)據(jù),可以獲取船齡、是否發(fā)生事故、近期維修時間、公司名稱等信息。

(2)實時船舶位置:根據(jù)AIS數(shù)據(jù)中的船舶經(jīng)緯度數(shù)據(jù),可進(jìn)一步計算出航道信息、船舶密度,結(jié)合海洋功能區(qū)劃數(shù)據(jù),判斷船舶所處位置的用海信息。

2 指標(biāo)體系構(gòu)建

影響海上?；愤\輸安全的因素具有多層次、多因素等特點,為準(zhǔn)確地獲得評價結(jié)果,應(yīng)統(tǒng)籌考慮指標(biāo)覆蓋范圍、指標(biāo)間相互關(guān)系,以及指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的便捷性。綜合考慮海上?；愤\輸安全過程和相關(guān)安全因素,本文利用層次分析法[16],將評價指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)設(shè)定為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。其中,目標(biāo)層為構(gòu)建海上?；芬苿语L(fēng)險源環(huán)境指標(biāo)評價體系,準(zhǔn)則層考慮人為因素、船舶因素、航行環(huán)境、自然環(huán)境和風(fēng)險受體5個方面,指標(biāo)層進(jìn)一步細(xì)化為13項指標(biāo) (見圖1),為了便于計算,每個指標(biāo)分為3個等級。

圖1 海上?；芬苿语L(fēng)險源環(huán)境指標(biāo)評價體系

C1疲勞程度:根據(jù)船舶AIS中的航次信息可獲取計劃航線的開始時間,用于計算船舶已行駛時間。行駛時間越長,船員越容易疲勞,處理船舶突發(fā)事件的能力會下降,按照行駛時間≥15 d、5-10 d、<5 d分為3個等級。

C2海域熟悉程度:反應(yīng)船員提前規(guī)劃路徑的能力,根據(jù)船舶AIS實時位置信息,可識別該海域的管轄國家,并通過船舶IMO編號,可在船舶檔案數(shù)據(jù)中獲取該船舶公司的國籍。通常船員比較熟悉本國海域,如果國籍無法獲取按不確定處理,分為不熟悉、不確定、比較熟悉3個等級。

C3危險貨物種類:船舶是否裝載危險貨物是本指標(biāo)體系研究的重點,危險貨物對海洋環(huán)境危害等級越高,事故發(fā)生導(dǎo)致海洋環(huán)境危害性也越大,按照危險貨物種類X(重大危害)、Y(產(chǎn)生危害)、Z(較小危害)分為3個等級。

C4吃水量:反應(yīng)船舶載貨能力大小,吃水量越大,?；愤\輸量越大,事故發(fā)生導(dǎo)致海洋環(huán)境危害性也越大,按照船舶吃水量≥10 m、5-10 m、<5 m分為3個等級。

C5船齡:通過船舶IMO編號,可在船舶檔案數(shù)據(jù)中獲取該船交付日期,年限越長,設(shè)備使用磨損越嚴(yán)重,誘發(fā)船舶安全事件可能性越大,按照船齡≥10 y、5-10 y、<5 y分為3個等級。

C6船舶事故情況:通過船舶IMO編號,可在船舶檔案數(shù)據(jù)中獲取該船事故發(fā)生情況,反應(yīng)船舶整體風(fēng)險和控制狀況,按照發(fā)生事故統(tǒng)計數(shù)量≥3次、1-3次、<1次分為3個等級。

C7最近檢修時間:通過船舶IMO編號,可在船舶檔案數(shù)據(jù)中獲取該船最近檢修時間,檢修時間越近,設(shè)備越穩(wěn)定,誘發(fā)安全事件可能性越小,按照檢修時間≥3 y、1-3 y、<1 y分為3個等級。

C8近5年航道事故情況:通過船舶位置數(shù)據(jù)可獲取該航道名稱,并統(tǒng)計航道發(fā)生事故情況,反應(yīng)航道整體的風(fēng)險狀況,按照發(fā)生過重大事故、一般事故、無事故分為3個等級。

C9船舶密度:反應(yīng)當(dāng)時附近其他船舶數(shù)量,通過船舶位置數(shù)據(jù)可獲取1 km內(nèi)船舶密度,數(shù)量越多發(fā)生碰撞的概率越大,按照附近船舶數(shù)量≥5個、3-5個、<3個分為3個等級。

C10能見度:反應(yīng)當(dāng)時附近海域的海面可見距離,通過船舶位置數(shù)據(jù)可獲取該海域的海洋天氣預(yù)報,按照能見距離<1 km、2-5 km、≥5 km分為3個等級。

C11海況:通過船舶位置數(shù)據(jù)可獲取海域天氣預(yù)報,風(fēng)力等級共18個等級,按照風(fēng)力等級≥10級、6-10級、<6級分為3個等級。

C12環(huán)境敏感點距離:通過計算船舶所處位置與周邊海域功能區(qū)劃距離,反應(yīng)?；沸孤秾Ｑ蟓h(huán)境影響程度,按照<5 km、5-10 km、≥10 km的距離分為3個等級。

C13海洋功能區(qū)劃分類:反應(yīng)?；沸孤秾Σ煌暮Ｑ蠊δ軈^(qū)劃造成的海洋環(huán)境安全敏感程度,依據(jù)海洋溢油生態(tài)損害評估技術(shù)導(dǎo)則 (HY/T 095-200)將海洋生態(tài)環(huán)境劃分敏感區(qū)、亞敏感區(qū)和非敏感區(qū)分3個等級。

3 環(huán)境評價模型構(gòu)建

3.1 層次分析法原理與應(yīng)用

層次分析法是20世紀(jì)70年代初美國運籌學(xué)家薩蒂 (T. L. Saaty)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評價方法,提出的一種層次權(quán)重決策分析方法[17],適用于解決難以直接、準(zhǔn)確測量結(jié)果的復(fù)雜問題。

層次分析法原理如下:

(1)層次結(jié)構(gòu)模型構(gòu)造

對問題所涉及因素進(jìn)行分類,將復(fù)雜問題分為各個組成因素,從而構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型。

(2)判斷矩陣構(gòu)建

采用托馬斯·塞蒂的1～9標(biāo)度法,層次結(jié)構(gòu)中同一準(zhǔn)則層或指標(biāo)層內(nèi)各項因素之間兩兩相互比較重要程度,采用相對尺度見表3,盡可能減少性質(zhì)不同的諸多因素相互比較的困難,以提高準(zhǔn)確度[18]。

表3 1～9判斷矩陣標(biāo)度及含義

通過采用專家打分構(gòu)建一二級指標(biāo)的若干判斷矩陣,假設(shè)準(zhǔn)則層有若干個一級指標(biāo)B1,B2,…,Bn,對目標(biāo)層A的重要性比較判斷矩陣為

一級指標(biāo)Bn重要性比較判斷矩陣,記二級指標(biāo)Cni與Cnj相對Bn的重要程度為

(3)判斷矩陣的求解和一致性檢驗

使用和積法對矩陣進(jìn)行求解,計算步驟如下:

1)將矩陣中的每一項除以該所在列中每一項的和,將矩陣標(biāo)準(zhǔn)化,公式為

2)對新矩陣的每一行取均值,得到各因素的特征向量wi,公式為

3)由于專家打分帶有主觀因素,構(gòu)造的判斷矩陣存在不一致問題,需驗證每個矩陣的一致性,計算每個矩陣A的最大特征根,公式為

4)計算一致性指標(biāo)CI,公式為

5)當(dāng)CI=0時,表明矩陣一致,CI越大,表明矩陣不一致性程度越嚴(yán)重；由矩陣階數(shù)n查表4,可得隨機一致性指標(biāo)RI,計算一致性比率公式為

表4 隨機一致性指標(biāo)

6)當(dāng)CR<0.1時,表明矩陣的不一致性程度在容許范圍內(nèi),否則應(yīng)對前述構(gòu)建的判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整,直到通過一致性檢驗為止。

3.2 移動風(fēng)險源分析評價模型的判斷矩陣計算

基于已構(gòu)建的海上?；芬苿语L(fēng)險源環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系,采用1～9標(biāo)度法設(shè)計專家打分表。2019年10月至2020年1月,研究團(tuán)隊采用電子郵件、現(xiàn)場會議等方式,邀請國家海洋信息中心、國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心、上海海事局、國家海洋局東海環(huán)境監(jiān)測中心、國家海洋局北海預(yù)報中心、中國海洋大學(xué)、自然資源部第二海洋研究所、中國石化青島安全工程研究院等單位30位高級職稱專家填寫 “海上?；芬苿语L(fēng)險源環(huán)境風(fēng)險評價打分表”,研究領(lǐng)域涉及海洋化學(xué)、環(huán)境評價、風(fēng)險研究、海洋工程等,共收到了18位專家的打分表,分別去掉每一項指標(biāo)的最高分和最低分,計算指標(biāo)平均分,代入層次分析法公式(1)、(2)中,可得目標(biāo)層與準(zhǔn)則層判斷矩陣分別為:

根據(jù)公式 (3)、(4)、(5),可計算出特征向量wi、最大特征值λmax,見表5。

表5 最大特征值

根據(jù)公式 (6)、(7)一致性檢驗結(jié)果,各指標(biāo)層次的CR均<0.1,滿足一致性檢驗,見表6。

表6 判斷矩陣一致性檢驗

3.3 風(fēng)險評價模型權(quán)重計算結(jié)果與風(fēng)險

根據(jù)上述判斷矩陣計算的準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的各項因素最終權(quán)重結(jié)果,可得出海上?；芬苿语L(fēng)險源環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)體系中各項指標(biāo)因素的具體全局權(quán)重和排序,結(jié)果見表7。

表7 海上?；芬苿语L(fēng)險源評價指標(biāo)權(quán)重和排序

根據(jù)層次分析結(jié)果,船舶運輸?shù)奈ｋU貨物種類權(quán)重為0.270,海洋環(huán)境敏感點距離權(quán)重為0.234,分別在指標(biāo)層的綜合排序中占第1、第2,是海上?；芬苿语L(fēng)險源環(huán)境風(fēng)險評價關(guān)鍵指標(biāo)。

3.4 風(fēng)險等級劃分

根據(jù)指標(biāo)層13個風(fēng)險要素的高、中、低3個風(fēng)險等級,分別賦值為3分、2分、1分,結(jié)合表7中的每個風(fēng)險要素具體權(quán)重,可計算海上移動風(fēng)險源最終得分在5～15分之間,按照等分原則劃定如下移動風(fēng)險源等級標(biāo)準(zhǔn),見表8。

表8 海上危化品移動風(fēng)險源風(fēng)險等級劃分

4 環(huán)境風(fēng)險評價模型應(yīng)用

基于分布式數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)處理分析和GIS可視化技術(shù),將本文研究的海上?；芬苿语L(fēng)險源環(huán)境風(fēng)險評價指標(biāo)和模型在國家重點研發(fā)計劃項目海上危化品信息服務(wù)與輔助決策系統(tǒng)上進(jìn)行了集成和應(yīng)用,基本現(xiàn)實了對杭州灣北部附近海域危化品運輸船舶的實時動態(tài)監(jiān)控,并實時根據(jù)相關(guān)指標(biāo)因素變化調(diào)整移動風(fēng)險源風(fēng)險等級。

4.1 數(shù)據(jù)來源

實時AIS數(shù)據(jù)來源于交通運輸部東海航海保障中心,每間隔15 min更新1次,數(shù)據(jù)覆蓋范圍為杭州灣北部海域；海洋天氣預(yù)報數(shù)據(jù)來源于中國氣象局網(wǎng)站,船舶檔案歷史數(shù)據(jù)來源于國家海洋信息中心航運大數(shù)據(jù)項目。

4.2 實例應(yīng)用

以系統(tǒng)獲取的2021年3月30日9時開始數(shù)據(jù)為例,AIS數(shù)據(jù)經(jīng)系統(tǒng)處理和分析,共獲取95艘船舶,其中有7艘?；愤\輸船；當(dāng)天海面大霧,能見度不足1 km,風(fēng)力6級；海域附近存在客運碼頭、集裝箱碼頭、濱海濕地、海洋自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景旅游區(qū)、生活居住區(qū)、農(nóng)漁業(yè)區(qū)等多種海洋功能區(qū)劃；船舶采用4種顏色區(qū)分,高風(fēng)險紅色、中風(fēng)險橙色、低風(fēng)險黃色,無風(fēng)險淺黃色。

4.2.1 實時數(shù)據(jù)

基于上述已有船舶AIS、檔案和附近海域環(huán)境等數(shù)據(jù),利用環(huán)境風(fēng)險評價模型對7艘?；愤\輸船進(jìn)行了實時計算和等級劃分,低風(fēng)險5個、中風(fēng)險2個,如圖2所示；其中一艘IMO編號為27933XX(基于船舶安全原則,后2位用 ‘X'代替)?；愤\輸船舶的各風(fēng)險要素值如表9所示,該船9點整的指標(biāo)計算結(jié)果為8.92,屬于中風(fēng)險,其它?；反爸笜?biāo)計算結(jié)果如表10所示。

圖2 海上?；芬苿语L(fēng)險源9點整的分布和風(fēng)險等級

表9 船舶IMO編號為27933XX移動風(fēng)險源環(huán)境風(fēng)險狀況

表10 海上7艘?；愤\輸船9點整的等級劃分情況

4.2.2 連續(xù)數(shù)據(jù)

并針對一艘IMO編號為95469XX的?；反耙苿榆壽E進(jìn)行風(fēng)險等級動態(tài)計算,該船速度為20 km/h,航行2個小時,中途經(jīng)過沈家灣客運碼頭、洋山風(fēng)景區(qū)等海洋生態(tài)亞敏感區(qū),該船風(fēng)險等級逐漸從低-中-高-中-低發(fā)生變化,如圖3和表11所示。

表11 船舶IMO編號為95469XX移動風(fēng)險源9點至11點等級變化情況

圖3 IMO編號為95469XX的危化品船舶9點至11點的等級變化情況

5 結(jié)論

本文針對海上?；愤\輸安全風(fēng)險因素復(fù)雜和難以定量分析等問題,基于AIS數(shù)據(jù)挖掘危化品運輸船舶,對運輸過程中的人為因素、船舶因素、航行環(huán)境、自然環(huán)境、風(fēng)險受體五大風(fēng)險進(jìn)行綜合評估,運用層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重,建立了海上?；芬苿语L(fēng)險源環(huán)境風(fēng)險評價模型,并在海上?；吠话l(fā)事故應(yīng)急輔助系統(tǒng)上得到應(yīng)用,為海洋安全提供保障。

本文只針對海上?；愤\輸船建立了分類等級預(yù)警,而決策者通常更關(guān)注區(qū)域風(fēng)險,應(yīng)進(jìn)一步采用大數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù),結(jié)合AIS數(shù)據(jù)中的目的港、預(yù)計達(dá)到時間、船速等其它參數(shù),提前預(yù)判多艘?；愤\輸船同時經(jīng)過某海域的路線和時間,建立區(qū)域風(fēng)險等級預(yù)警,及時優(yōu)化管轄海域應(yīng)急監(jiān)測人員和物資布局,提前做好海洋環(huán)境污染防范更具有重要意義。