一种基于《地理信息系统》课程的海上油轮避难地选址方法设计

杨旗峥 王俊杰 郗仕诚 田海涛通讯作者

烟台大学

摘要：随着时代的高速发展，世界各行业对石油资源的需要不断提高。石油资源已经成为工业发展不可缺失的利器。世界海洋运输不断增强。大型油轮也不断增多。石油资源对海洋运输行业是必要的。这就造成石油泄漏成为主要问题。即使在风险控制能力和航运技术水平不断提高的时代，由于船舶技术不断发展，大型化、专业化船舶不断增多，仍无法有效避免船舶溢油事故。一旦渤海海域发生船舶事故，管理者面临的首要问题就是要将各种损失降到最低。此时如果船舶不能找到合适的避险地，极有可能会对沿海海洋生态环境造成严重的损害。本文建立基于地理信息系统的数值系统，对选取的指标标准化，然后根据层次分析法确定权重。选取锚地作为潜在避险地，根据锚地的分布位置，确定最终数值，进一步选取适合的避险地。

关键词：地理信息系统；海上油轮；石油泄漏；避难地址择选；层次分析法

1 引言

随着经济社会的发展，对石油的需求越来越高，导致海上石油运输越来越频繁。越来越多的大型油轮，导致海上事故性船舶溢油事故频发，石油成为污染海洋生态环境的主要污染源之一。根据国际油轮船东防污染联合会（International Tanker Owner Pollution Federation）统计数据显示，从1970年至2015年，全球范围内共发生溢油量700吨以上的溢油事故458起，溢油量7吨以上的船舶溢油事故1821起，频发的海洋船舶溢油事故严重污染了海洋生态环境，并给沿海地区造成了严重的经济损失[1]。我国同样面临着溢油灾害的严重威胁，进入新世纪以来，有多起溢油事故发生。2000年11月14日，“德航298”油轮与“BOW CECIL”轮在珠江口相撞，造成230立方米燃料油泄漏，污染水域390平方公里；2018年1月6日，伊朗油船“SANCHI”轮与香港籍散货船“CF CRYSTAL”轮在长江口以东约296公里处发生碰撞，并爆炸起火，最终导致“SANCHI”轮携带大量未燃尽的凝析油泄漏。船舶溢油具有相当的危害性，主要体现在以下方面：第一，船舶溢油会严重污染海洋环境，对海洋生态环境造成巨大危害。第二，溢油会威胁经济社会的发展。第三，溢油严重危害人类健康。

2油轮避难地选址方案研究

2.1 油轮避难地选址方法主要研究内容：

（1）确定在海域选取避险地的指标因素。运用综合评价方法，对海域船舶溢油事故发生后，影响船舶避难的因素进行分析，确定了主要的影响因素。

（2）通过层次分析法，对影响指标的综合分析，得到了船舶发生事故后，在渤海湾海域最适合避难的地点。

（3）通过对海域相关方面进行严谨、科学的分析和合评价，得出研究结论，并提出对能结合海域实际情况的，有针对性和可操作性的的意见和建议。

2.2 油轮避难地选址技术路线图

技术路线图如图1所示：

图1技术路线图

2.3 选址模型分析方法确定

将多种指标综合分析时，目前存在多种模型方法，包括层次分析（AHP）法、贝叶斯网络法、模糊综合评价法、人工神经网络法（ANN）等等。其中，层次分析法可以在对复杂问题的本质、影响因素及其内在关系进行深入分析，以此为基础对多目标、多准则的复杂问题提供简单的决策方法。该方法定性与定量结合，便于操作，被广泛应用于各相关领域。本研究在查阅前人资料以及结合本研究实际情况的基础上，选择层次分析法（AHP）作为选址模型构建方法。

在决策过程中，人们无法回避决策者的选择和判断所起的作用。基于此种事实，上世纪七十年代中期，美国著名运筹学家，匹茨堡大学教授提出了层次分析法（AHP），该方法是T.L.Saaty教授为美国国防部开展题为“电力在工业部门分配问题”的课题时，提出的一种层次权重决策分析方法。该方法将定性与定量结合，基于较少的信息，数学化决策中的思维过程，进而为多准则、多目标的复杂决策问题提供易于操作的决策方法。层次分析法的优点主要有：

（1）明确性：非常适用于无结构特征的系统评价，以及多目标、多准则、多时期等的系统评价；

（2）简洁实用：计算过程与结果简洁明确，容易为决策者了解和掌握；

（3）所需定量数据信息少：能处理许多用传统最优技术无法着手的实际问题。

本研究需采用相应方法确定指标权重，因此选用层次分析法作为确定指标权重的工具。

2.4 选址模型层次分析法

层次分析法的应用过程主要包括以下几个步骤。

（1）建立层次结构模型

首先将决策的问题分层，绘制层次结构图。最高层是目标层，主要指决策的目的或者要解决的问题，中间层是准则层，主要指要考虑的因素、决策的准则等，最低层是方案层，主要指决策时的备选方案。

（2）构造判断矩阵

构造判断矩阵时，一般采用1-9标度法，该方法能够将思维判断数量化。具体为：首先进行两两比较，确定两个因素之间的标度，然后列出代表其相对程度的判断矩阵。

表1判断矩阵的含义

标度	含义
1	两个因素相互比较，同样重要
3	两个因素相互比较，一个因素比另一个因素轻微重要
5	两个因素相互比较，一个因素比另一个因素明显重要
7	两个因素相互比较，一个因素比另一个因素特别重要
9	两个因素相互比较，一个因素比另一个因素极其重要
2,4,6,8	上述判断相邻的中间值

（3）层次单排序、一致性检验

假设对应于判断矩阵最大特征根的特征向量经过归一化后为W，W便为该层次的权值，经过这一过程，便完成了层次单排序。完成层次单排序的过程之后，需要进行一致性检验，公式如下：

若CI=0，表示完全一致；若CI与0接近，表示一致性较好；若CI较大，则表示一致性较差。

（4）层次总排序、一致性检验

层次总排序是某一层次所有因素对最高层的相对重要性的权值。设B层B1、B2、B3…Bn对上层中因素Aj的层次单排序一致性指标为CIj，随机一致性指标为RIj，层次总排序的一致性检验方法如下：

当CR<0.1时，通过一致性检验。

综上所述，针对多指标因素分析，目前已知存在多种模型方法。本章分别对贝叶斯网络法、模糊综合评价法、人工神经网络法（ANN）、层次分析（AHP）法等进行了简介，阐述了各种方法的优缺点。考虑到本研究自身的特性，结合各种方法的适用性，本研究在接下来的内容中以层次分析法（AHP）为基础，结合GIS技术，构建船舶避险地指标体系，提出船舶避险地多指标评估方法，目的在于最终确认目标海域的船舶避险地。

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3 船舶避险地选址方法

建立基于地理信息系统的数值系统，对选取的指标标准化，然后根据层次分析法确定权重。选取锚地作为潜在避险地，根据锚地的分布位置，确定最终数值，适合作为避险地的锚地数值高，不适合作为避险地的锚地数值低。

3.1确定避险地选址相关的指标

船舶避险地选取指标是评估恰当避险地地址的重要载体，也是避险地选址内容的外在表现，是进行避险地选址的基础。避险地指标有其特定的目标，所有指标均围绕该目标选择和设定。因此，选取指标时，应遵循以下原则：

（1）综合性原则。整个指标体系要能够反映渤海湾海域的整体情况；

（2）真实性原则。所选取的指标要确实能够反映渤海湾海域的真实状况，选取过程中要保证实事求是的态度；

（3）简洁性原则。在能够充分反映真实情况的前提下，选取的指标数量应尽量较少，以免失去头绪，从而忽略关键问题；

（4）可操作性原则。确保每一个指标都能获取相关数据，假如研究过程中不能搜集到相关资料，反而不利于最终评价。

基于以上考虑，参照前人研究[2]，成果选取的指标主要包括以下三个方面：

（1）溢油应急能力。能够在船舶发生溢油时提供紧急救助、应急救援等行动，包括防护能力、清污能力、转运能力、围控能力；

（2）自然环境因素。自然环境对溢油敏感的区域，不适合作为避险地，对溢油不敏感的区域，适合作为避险地。主要包括流场、海底坡度、水深、离岸距离、海底地址；

（3）社会经济因素。溢油发生后，会影响人类的生活，因此应选择人口密度代表。

3.2 基于GIS划分网格

地理信息系统（GIS）是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

3.3 克里金插值（Kriging）数据处理

空间插值，是指通过己知采样点的空间数据，以此估计未知区域处的空间数据值的一种方法[3]。空间插值法的主要作用是能够利用离散的实际数据，经过一系列数学方法的计算之后，计算结果能够连续的数据曲面，从而获取未知区域的空间属性数据[4]。

克里金法于上世纪50年代首次提出，最早被应用于采矿业当中，60年代以后逐渐成熟起来。克里金法的实质是以区域化变量理论为基础，利用己知的观测数据和变异函数对未知区域处的值进行最优线性无偏估计[5]。克里金插值法的类型大致有：简单克里金、普通克里金、贝叶斯克里金、指示性克里金、泛克里金等等。现在，克里金法的发展越来越完善，克里金插值方法已经被广泛地应用于各行各业：如生态[6]、林业[7]、海洋[8]、环境[9]、气象学[10]等等。

本研究利用克里金插值法，将渤海湾海域周边的溢油应急能力、人口密度等指标插值在海面上，以便进行指标综合评估。

3.4数据归一化

在多指标系统研究中，由于指标单位不同、数量级不同、量纲不一致，因此会对后期的综合分析造成不利影响。因此，为了统一各指标的标准，需要对每一个指标进行标准化处理，即将其转化成无量纲差别的标准分，然后再进行综合评价。

总结了以下10种不同计量单位的指标，但不同指标之间单位不同，为解决该问题，运用GIS对各指标的数据网格化，即通过ArcGIS建立每个指标对应的覆盖渤海湾海域的网格，网格中每个格子的大小为500m×500m。

随后，在已经建立的各个指标的网格的基础上，根据每个格子的实际值，将其归一化，每个指标中最大值为1，最小值为0。

3.5 层次分析法的使用

3.5.1构造判断矩阵

在评价理论中，有两个重要的组成部分，它们分别是因素评价集以及权重。权重是指某一指标相对于某一事物的重要程度，是用来表征评价指标相对重要性大小的度量值。在运用层次分析法综合评价时，权重对评价结果有重要影响。通过综合分析发现，海上船舶溢油

避险地选址是多因素、多指标影响的复杂问题，在评价过程中，若要科学合理的评价海上溢油船舶避险地所在地点，采用层次分析法计算各个评价指标的权重是非常必要的。

3.5.2 计算各指标权重

根据构造完成的判断矩阵，求出矩阵的最大特征值，随后计算出所对应的特征向量，计算方式如下所示:

AW=Wλmax

特征向量W就是判断矩阵中各个指标的权重。已有较为成熟的软件可以用来计算各指标的权重，本研究采用的是层次分析法软件yaahp。通过计算一致性比率，发现计算结果能够通过一致性检验，说明各项指标之间的权重能够相互协调，满足要求。

综上所述，本章通过参照王业保等人所采用的GIS方法与预先指定锚地，并结合层次分析法为指标赋予权重，提出了渤海湾海域船舶避险地选址方法。该方法能够有效运用现有工具，在理论层面解决船舶避险地的选址问题，可操作性较强。接下来，作者将以渤海湾海域的锚地为研究对象，把该方法应用于渤海湾海域，尝试在该海域确定船舶避险地，为船舶避难避险提供有力的理论支撑。

利用归一化方法，对不同的评价指标打分，并按照层次分析法确定的权重值将指标数值叠加，得到最终数值并排序。得到了最适合作为避险地的地点，以及最不适合作为避险地的地点。通过该方法，确定了海域的船舶避险地，对于现实情况中船舶的避难避险具有重要的指导意义。

4 结语

就目前的实际情况而言，在沿海国建立避险地制度较为困难，因为这项制度不仅需要在确保船舶安全和保护海洋环境保护之间找到一个平衡点，还与沿海国的主权利益相关，甚至牵涉到政治问题。但就中国而言，随着海运事业的发展，以及人民群众对海洋环境保护的重视日益提高，我国难以回避遇险船舶避险地选址问题。只要在船舶发生险情时，能够及时指定作为其避险地的地点，将遇险船舶带至合适的锚地进行处理，可以在某种程度上降低损害，促进我国经济社会的可持续发展。本研究提出了解决渤海湾海域船碰撞后，如何快速有效地寻找避难地的问题。通过参照之前的研究，发现研究结果可信度较高。该方法可为海事安全管理部门、危防部门等提供参考，具有较高的借鉴意义。

参考文献：

[1]王业保. 渤海海域船舶溢油风险及船舶避难地选取策略研究[D].中国科学院大学（中国科学院烟台海岸带研究所），2018.

[2]马甲益，舟山港船舶溢油事故风险评估研究.浙江海洋学院学报(自然科学版)，2012，31(2):182-187.

[3]赵海发，李小伟.基于空间插值算法在城市用水量预测中应用分析[J].科技通报，2012，28(10 ) : 34-36.

[4]徐刚.带断层的地层空间插值算法研究[J].中国新技术新产品，2009，12:91-92.

[5]王勇标.克里金算法的改进[D].长江大学，2012.

[6]卢龙辉，瓦哈甫·哈力克等.新疆克里雅绿洲地下水与表层土壤特征的最优插值[J].干旱区研究，2017，34(06):1304-1312.

[7]钱振华.基于GIS的多尺度农林生态环境空间分析及应用研究[D].上海交通大学，2009.

[8]王兴，刘莹等.海洋盐度分布的插值方法应用与对比研究[J].海洋通报，2016,35(03):324-330.

[9]李冬，汪传建等基于采样的草地生物量估算空间插值方法比较研究[J].江苏农业科学，2019，47(02):206-210.

[10]闫星光，吴琳娜等.喀斯特地区月均降水协克里金插值方法研究——以贵州省为例[J].云南大学学报（自然科学版），2017，39(03):432-439.

作者简介：

姓名：杨旗峥

学校：烟台大学海洋学院 轮机工程 学生

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通讯作者简介：

田海涛（烟台大学海洋学院，山东省烟台市邮编264005）
田海涛（1970.10--），男，汉族，山东邹平人，讲师，船舶轮机长，从事船舶管理教育
通讯地址及单位地址:山东省烟台市莱山区清泉路30号
邮编：264005

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