基于N-K模型的海上航标效能影响因素耦合分析.pdf

第44卷第2 期2023年6 月D0I:10.13340/j.jsmu.2023.02.013上海海事大学学报Journal of Shanghai Maritime UniversityVol.44No.2Jun.2023文章编号：16 7 2-9498(2 0 2 3)0 2-0 0 7 7-0 6基于 N-K模型的海上航标效能影响因素耦合分析宋绍珍，刘欢，高波，郑世昆，李建民，董吉友，杜育军1（1.北海航海保障中心青岛航标处，山东青岛2 6 6 0 0 0；2.大连海事大学航海学院，辽宁大连116 0 2 6）摘要：为研究海上航标失常事件的风险耦合特性，对失常事件进行风险分类和影响因素识别，基于系统论定性分析影响因素的耦合形式，并绘制航标效能影响因素耦合机理示意图。运用N-K模型对青岛辖区航标失常数据进行定量计算，获得影响因素在不同耦合形式下的耦合风险值。结果表明：多因素耦合会增加航标失常的概率；人和航标因素参与耦合产生的风险较高;N-K模型的分析结果客观准确,符合青岛辖区航标效能发挥的实际情况。关键词：航标效能；系统论；N-K模型；风险耦合中图分类号：U644.8Coupling analysis of influencing factors for efficiencyof marine aids to navigation based on N-K model文献标志码：ASONG Shaozhen,LIU Huan,GAO Bo,ZHENG Shikun,LI Jianmin,DONG Jiyou,DU Yujun(1.Qingdao Aids to Navigation Department,Northern Navigation Service Center,Qingdao 266000,Shandong,China;2.Navigation College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning,China)Abstract:In order to study the risk coupling characteristics of aids-to-navigation anomaly accidents,therisk classification and the identification of influencing factors of anomaly accidents are carried out,thecoupling modes of influencing factors are analyzed qualitatively based on the system theory,and thecoupling mechanism diagram of aids-to-navigation efficiency influencing factors is drawn.The N-K modelis used to quantitatively calculate the aids-to-navigation anomaly data in Qingdao area,and the couplingrisk values of influencing factors under different coupling modes are obtained.The result shows that:themulti-factor coupling can increase the probability of aids-to-navigation anomaly;the coupling of thehuman factor and the aids-to-navigation factor can bring higher risk;the analysis results of the N-K modelare objective and accurate,which is in line with the actual situation of the aids-to-navigation efficiency inQingdao area.Key words:aids-to-navigation efficiency;system theory;N-K model;risk coupling收稿日期：2 0 2 2-0 3-0 9修回日期：2 0 2 2-0 4-12作者简介：宋绍珍（198 6），男，山东菏泽人，工程师，硕士，研究方向为海上航标管理，（E-mail)；李建民（197 0 一），男，吉林长春人，教授，博士，研究方向为海上交通安全，（E-mail)http:/hyxb 780 引 言航标效能指航海用户或某一固定海域通过使用航标管理部门提供的助航信息设备、设施以及享受航标服务所获得的直接和间接的效益。随着航海保障技术的不断发展,航标效能虽然得到了明显提高，但航标失常事件时有发生，不仅给海上通航带来较大的安全隐患，还由此产生高额的维护费用。目前,在海上航标效能的研究中：文献2 采用IWRAPMKI软件对厦门港主航道航标进行了航标效能评估；文献3 对天津港主航道航标效能的影响因素进行分析，有针对性地提出了提高航标效能的对策；文献4 运用层次分析法建立评估模型对厦门湾水域的航标效能进行了评价；文献5从灯塔效能、设备技术规格和电源配置方面提出灯塔优化配置方案，提高了航标效能；文献6 从航标遥测遥控角度研究了提升航标管理效能的方法和建议；文献7 为降低航标配布中的不足，提高航标效能,采用分级理论对航标配布方案进行研究。目前研究集中于单一因素对航标效能发挥的影响，忽视了在海上复杂环境下多因素间的相互作用。通过对航标失常数据的分析可知,航标失常事件大多是由单一风险因素引起,再通过扩散导致系统内其他隐藏的风险发生连锁反应而导致的，多个风险因素的耦合作用更容易导致失常事件的发生。因此,更适合以系统论为基础,从风险耦合的角度研究多因素相互作用对海上航标效能发挥的影响。1海上航标效能影响因素耦合机理分析1.1海上航标效能影响因素从系统工程学和海上交通工程学角度出发，海上航标效能发挥的影响因素可分为人、航标、环境和管理等4类8 。为更准确地理清各因素间的作用关系,以航标效能发挥为视角,将航标使用者归为人因素研究,将航标管理者归为管理因素研究。人因素。航标维护保养人员和船舶驾驶人员共同影响航标效能的正常发挥。航标维护保养人员的专业技能不足、维护保养流程不规范等对航标效能发挥形成潜在风险。船舶驾驶人员的违章驾驶、航标保护意识淡薄容易对航标产生不利影响，并能放大维护保养的质量缺陷。如船舶对航标的刷蹭、渔船对航标的拖带,加速破坏了航标涂层和结构,造成航标效能发挥受限。航标因素。航标自身的稳定性包括浮体、锚链、http:/hyxb 上海海事大学学报电池、灯器等航标设备或附属设备的稳定性，也包括航标通信和监控系统的性能和状态稳定性，是影响海上航标效能正常发挥的重要因素。环境因素。环境因素通过降低航标稳定性影响航标效能的发挥，主要包括水文气象条件和航行水域交通条件。水文气象条件的影响指由海水腐蚀造成的标体结构不完整、锚链锈蚀增加了断裂风险，温度过高或过低增加了电池老化风险，水蒸气进人灯罩增加了灯光熄灭的风险，恶劣天气增加了航标移位风险；航行水域交通条件的影响指航标所在水域船舶流量、不同船型船舶对航标造成的碰撞和移位风险。管理因素。管理因素包括航标主管机关的对外监管和对内管理,是航标失常的决定性因素。对外监管包括航标法规和制度的完善性、航标保护的宣贯程度；对内管理包括质保体系的健全性、航标技能培训的规范性、航标工作人员的业务素养等。绘制航标效能影响因素作用图，见图1。图1中航标效能位于四面体的中心，航标效能发挥既受单一因素的影响,又受因素间耦合作用的影响。各因素间的相互作用对航标效能发挥的影响更适合从系统的角度进行研究。环境因素鲜7航标效能一人一航标耦合航标因素一航标一管理耦合，图1航标效能影响因素作用1.2海上航标效能影响因素耦合机理物理学中,2 个及以上的个体或运动形式相互影响、彼此作用称为“耦合”9。风险耦合指系统内各因素间相互作用对系统稳定性和风险水平产生改变的现象10 。影响因素耦合数量和耦合程度与系统不稳定性正相关,即影响因素耦合数量越多,耦合程度越大,系统稳定性越低,发生失常事件的概率就越大。从这个角度上看，风险耦合是系统内各因素间非线性作用的结果,可看作系统的一部分。因此,从影响因素耦合角度定性剖析人、航标、环境、管理在航标失常过程中的相互作用机理为进一步研究航标效能发挥过程中各影响因素间的作用关系,基于系统论提出航标效能影响因素第44卷境人因素管理因素第2 期耦合机理,见图2。图2 中,航标效能发挥不仅受系统中人、航标、环境和管理等因素的单独影响,还受各因素间耦合作用的影响。海上航标效能发挥过程中,当4个因素中的1个或几个因素内部出现功能失常产生负效应时，各因素内部的风险因子间的耦合造成系统风险水平上升，突破自身稳定状态，导致风险流蔓延；如果此时与其他因素的风险流相遇,就会产生双因素或多因素耦合；当耦合是正向耦合时航标效能影响因素风险累加人1因素航标航标因素效能管理因素单因素耦合双因素耦合图2 航标效能影响因素耦合机理发生失常事件的概率越大。2基于N-K模型的海上航标效能影响因素耦合分析N-K模型最早用于生物进化中基因组合问题的研究,并逐渐演变为研究复杂系统的通用模型12 。该模型基于数理统计方法,应用客观事故统计数据定量研究系统中各影响因素的耦合关系,度量影响因素间的关联度和耦合风险大小，被广泛应用于海上交通安全8 、航空13、道路运输14、海上深水井作业15 等领域。模型包含N和K两个参数,N代表系统中元素个数,K代表系统中相互作用、相互耦合的元素个数,若每个元素有n种状态,则共有 n种耦合形式,其中0 KN-116。运用N-K模型对航标失常数据进行耦合风险值（记为T）计算，通过T值的大小评价不同因素间的关联度和耦合风险大小，定量度量人、航标、环境、管理因素间的耦合作用对航标效能发挥的影响程度。T值的计算公式为T(a,b,c,d)=HIJK=式中:a、b、c、d 分别为人、航标、环境、管理因素;Phik表示当人、航标、环境、管理因素分别处于h、ii、状态时发生耦合的概率；.分别表示人、航标、环境、管理因素分别在h、ii、h 状态下的发生概率。T值越大，表明在该状态下航标效能越低，宋绍珍,等：基于N-K模型的海上航标效能影响因素耦合分析质变突破系统风险流双、多因素系统风险水平稳定状态蔓延耦合持续上升环境单因素风险系统水平因素耦合上升未突破系统系统系统稳定状态安全正常1三因素耦合四因素耦合2.1单因素耦合风险单因素耦合风险指单一因素内部的风险因子间相互作用产生的风险,其耦合作用风险会造成系统风险水平增加,航标失常概率增大。人、航标、环境、管理因素各自的耦合风险值分别记为T1、T i 2、TI3、T 142.2又双因素耦合风险双因素耦合风险指影响因素两两相互作用产生的风险,包括a与b、与c、与db与c、b 与d、c 与d的耦合风险,将其分别记为T21、T 2、T 2。、T 2 4、T 2 5、T26。以 T21为例,其公式为H式中,Ph为人因素和航标因素分别处于h和i状态时发生耦合的概率。2.3多因素耦合风险多因素耦合风险包括三因素耦合风险和四因素耦合风险。三因素耦合风险包括（a,b,c）、（a,b,d）、（a,c,d）、（b,c,d）的耦合风险,将其分别记为T31、T 32、T 33、T 34。四因素耦合风险记为T4。以T3i为例,其公式为Hhttp:/79系统风险会累加，在缺乏外界条件的调节作用下,系统正耦合效应会持续增强，风险累加由量变产生质变，系统由稳定状态突变为不稳定状态，超出系统整体的承受能力范围，发生航标失常事件。因此，寻找各风险因子间的作用规律，发掘关键因子并减少正耦合,是降低系统风险水平、减小航标失常频率的关键。风险耦合量变耦合结果突变系统失常hyxb 80式中,P表示人、航标和环境因素分别处于h、i i 状态时发生耦合的概率。3实例验证3.1数据来源为明确海上航标失常事件的原因及各影响因素的关联度，统计海事主管机关发布的2 0 19 年和2020年青岛辖区航行警告及航标动态报告中的航标失常数据,见表1。由统计数据可知，造成航标失常的原因有很多，主要包括灯浮标被撞、锚链断裂漂灯浮标锚链断链灯器电瓶线路浮标AIS太阳能板顶标雷达应答器电池箱 控制器北斗标架浮标类型被撞漂失故障亏电老化移位故障损坏丢失故障2019年352020年25单因素耦合耦合2019年形式m000001000370.123 30100600.200 00010410.136 7000190.030 03.2航标失常耦合风险值计算3.2.1各因素不同耦合形式下的风险概率以2 0 19年为例进行计算验证,包括单因素、双因素、三因素和四因素耦合概率计算,单因素以人因素未引发风险事件为例,其耦合概率为 Po.=Pooo+Polo0+Ppouo+Poo1+Poo+Poo+Po11+Po1=0.813 3。同理，可得P.=0.1867P-.=0.4700P.=0.530 0、p.0.=0.42 6 7 p.=0.57 3 3 P.=0.7100P.1=0.2900。双因素以人和航标因素未引发风险事件为例,其耦合概率Poo.=Pooo+Poo1o+Pool+Poou1=0.313 3。同理,可得 P1o.=0.156 7、Po-o.=0.280 0 P1-0.=0.146 7、Po-0 =0.56 0 0、P1.0=0.150 0 P-00.=0.160 0 P-.10.=0.266 7、P.o-=0.266 7 P.1-=0.443 3 P.-00=0.33 3、.0=0.376 7 Po.=0.500 0 P1.=0.030 0、Po.=0.533 3 P1.1.=0.040 0 Po.=0.253 3、P1.1=0.036 7/P.o1.=0.310 0 P.11.=0.263 3、http:/hyxb 上海海事大学学报失、灯器故障、电瓶亏电、线路老化、浮标移位等。结合航标监控系统失常数据，采用德尔菲法对航标失常数据按照人、航标、环境和管理进行分类统计，得出风险耦合次数m和耦合概率p，见表2。表2 中：耦合形式中的“0 表示某因素对航标失常未产生影响；“1 表示某因素对航标失常产生影响。举例来说,单因素耦合中0 0 0 0 表示4个因素均对航标失常未产生影响,双因素耦合中110 0 表示人因素和航标因素对航标失常产生影响。表12 0 192 0 2 0 年青岛辖区航标失常数据统计脱落故障终端故障损坏下况173485344022153647169416表220192020年青岛辖区航标失常事件风险耦合次数m和耦合概率p2020年耦合Pm00250.093 6590.221 0500.187 360.022.5第44卷起9415双因素耦合2019年2020年P形式m011001010100101100101001120耦合Pm30.010 020.006 720.006 7670.223 3150.050 0440.146 7P-1=0.203 3、P.1-1=0.0 8 6 7 P.-0 1=0.0 93 3、p.11=0.196 7。三因素以人、航标和环境因素未引发风险事件为例，其耦合概率 Ppoo.=Pooo+Pooo1=0.030 0。同理，可得 Ppo0.=0.030 0,Po10.=0.250 0、P10o.=0.130 0 P1ol.=0.026 7 Poo-0=0.136 7、Pol-0=0.423 3 P10-0=0.130 0 P1o-1=0.026 7、Po-0=0.200 0 Po-01=0.080 0 P1-00=0.133 3、Pl-o01=0.013 3 P-00=0.123 3 P-001=0.036 7、P.100=0.210 0,P-10101=0.056 7、P0.=0.2 8 3 3、Pl.=0.250 0 P10o.=0.016 7、P1.=0.0 13 3、Po-1=0.176 7 Pol-1=0.076 7 P11-0=0.020 0、P1-1=0.010 0 Po.10=0.360 0 Po.11=0.173 3、P1.10=0.016 7/P1-11=0.023 3、P-0 10 =0.143 3、P-o11=0.166 7 P.110=0.233 3 P-.11=0.030 0。3.2.2各因素不同耦合形式下的耦合风险将不同耦合形式下的风险概率分别代入对应的耦合风险计算公式，获得双因素和三因素不同耦合形式下的T值，见表3。对2 0 19年和2 0 2 0 年各耦30P形式m30.011 260.022 510.0037610.228 570.026 2290.108 6114多因素耦合2019年2020年Pm111030.0100110120.006 7101160.020 0011180.026 7111110.003 3421010.003 720.007 560.022.510.003 703P0.037 503第2 期合风险进行排序,分别为 T23T26T24T2sT2 T21 T34 T33 T32 T31 T4,T26 T23 T24 T2T21Ts3 T2s T34 T32T31T4。由计算结果可知，总体而言,双因素的T值 三因素的T值 四因素的T值。如图3所示：实线和虚线所形成的封闭区域整体偏向右上侧（多因素耦合方向），说明航标失常概率会随耦合的因素的种类和数量的T值T212019年0.0965 0.089 00.007 50.019 60.064 3 0.013 50.305 4 0.215 90.127 20.121 60.390 22020年0.04070.035 40.01070.032 00.053 80.007 70.237 60.131 80.051 60.092 20.267 2一2019年2020年T26T25T24T23图3航标效能影响因素耦合风险值示意图3.3结果分析在双因素耦合风险中,2 0 19年耦合风险排名前三的依次为人-航标、人-环境、航标-管理的耦合风险,2 0 2 0 年耦合风险排名前三的依次为航标-管理、人-航标、人-环境的耦合风险。在三因素耦合风险中,2 0 19年和2 0 2 0 年耦合风险排名前二的依次为人-航标-环境、人-航标-管理的耦合风险。由此可知：人因素参与得多且耦合风险偏大,说明人因素是导致海上航标失常的主要因素,航标因素和环境因素为次要因素;2 0 2 0 年人因素耦合参与程度有所降低，体现了2 0 2 0 年青岛辖区大力宣传航标保护知识、引进航标损坏赔偿机制在降低人因素耦合方面产生了一定的效果。航标稳定性有待加强，包括电池耐用性、灯器稳定性、锚链耐腐蚀程度、航标附属设备（AIS设备、北斗设备等）稳定性等有待加强。从实际工作看，海上恶劣环境对航标风险耦合影响宋绍珍,等：基于N-K模型的海上航标效能影响因素耦合分析表32 0 192 0 2 0 年不同耦合形式下的耦合风险T22T23T40.4T22T2181增加而增大，这也符合航标效能发挥的实际情况；2020年的T值整体小于2 0 19 年的T值，说明2 0 2 0年的航标失常频率小于2 0 19年的航标失常频率，体现了青岛辖区在2 0 2 0 年采取的一系列优化和提高航标效能的措施取得了一定成效,如辖区内大力普及一体化灯器，减少了因电瓶亏电、线路老化所产生的航标失常事件。T24T25T31T32T33T34T26较强，会加速降低航标稳定性，同时放大航标在管理过程中的不足和缺陷，造成失常事件的发生。综上可知,基于N-K模型的海上航标效能影响因素研究结果符合青岛水域航标效能发挥的整体情况,同时,该模型还能对导致航标失常的因素进行分类，深层次地剖析出导致航标失常的主要因素是人因素,次要因素为航标因素和环境因素,分析结果可以有针对性地为航标管理者提供管理参考。4 结 论基于系统论分析了人、航标、环境和管理等因素在海上航标失常事件中的耦合关系,绘制航标效能影响因素耦合机理示意图进行定性分析，构建航标效能风险耦合模型，代入航标失常数据进行定量研究,获得导致航标失常的主要因素为人因素,次要因素为航标因素和环境因素。因此,为有效降低航标效能耦合风险，提高航标助航效能,应加大对人因素和航标因素的管控：一是降低人因素与其他因素的耦合风险，例如，加大对中华人民共和国海上交通安全法的宣传，提高航标用户的法律意识和航标保护意识,加快制定和细化与航标损坏相关的处罚规定,加大破坏航标的处罚力度,加强对船舶驾驶人员的驾驶约束；二是提高航标稳定性，包括提高航标维护保养的质量以降低锈蚀损害的风险、增强重点水域的航标系固能力以降低浮标漂失的概率、丰富助航手段以加大航标助航效能的稳定性、丰富航标数字化监控手段以提高航标通信的稳定性。T31T32T33T34T4参考文献：【1】中华人民共和国交通行业标准海区航标效能验收规范：JT/T7592009S北京：中华人民共和国交通运输部，2 0 0 9：12.2 项鹭，张其毅，邵进兴，等基于船舶碰撞频率测算的青屿航段航标效能评估J集美大学学报（自然科学版），2 0 18，2 3（5）：349-353.D01:10.19715/j.jmuzr.2018.05.005.http:/hyxb 82【3 李建永，张卓义天津港水域影响航标效能因素分析及对策研究J中国水运，2 0 2 1，2 1（4）：11.【4李文锋，柴田厦门湾水域航标效能定量评估的应用研究J青岛远洋船员职业学院学报，2 0 17，38（1）：39-42.【5谢俊奎某大型灯塔航标效能和电源配置的计算和选择J中国水运，2 0 19（4）：42-43.D0I：10.136 46/j.c n k i.42-139 5/u.2019.04.017.【6】朱景鹏浅谈新形势下航标遥测遥控在提升航标管理效能方面几点思考J中国水运，2 0 19，19（6)：49-50.【7】张小才，赵丽宁，郭飞基于航标效能的内河航标分级方法及应用J上海海事大学学报，2 0 15，36（3）：2 4-2 8.D0I：10.13340/j.jsmu.2015.03.005.【8 王焕新，刘正江.基于N-K模型的海上交通安全风险因素耦合分析J.安全与环境学报，2 0 2 1，2 1（1）：56-6 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