基于GIS的船闸故障风险区域划分研究

来源:用户上传      作者:邹俊杰

　　摘要：船闸是航道通航的重要节点，一旦发生故障导致停航直接影响航道通航效率。为保证对船闸故障风险的应急管理，本文以江苏为例，在分析船闸故障影响因素的基础上，通过层次分析法建立单个船闸的风险值分析模型。同时考虑到建设成本，利用GIS的核密度分析法，在全省范围内划分风险区域，在风险较大的区域集中布置省级船闸应急保障基地。
　　关键词：船闸;故障风险;GIS;核密度分析
　　中图分类号：U641文献标识码：A文章编号：1006―7973（2022）08-0108-04
　　江苏省内河水运发展条件优越，规划省干线航道里程4010公里。通航环境复杂，全省干线航道网涉及长江、淮河、太湖和沂沭泗水系，共计建设有交通管理船闸42座。随着运输结构调整的推进，江苏内河水运在综合交通运输体系中地位愈发重要。2021年，全省干线航道仍然维持较为繁忙的水平，船闸过闸总量保持高位水平，共过闸船舶291.7万艘次，过闸货物22.9亿吨，开启74.8万闸次。为进一步保障正常船闸运行，提升水上应急保障能力[1]，需对单个船l可能出现故障的风险做定量分析，并在空间上划定故障风险较为集中的区域，以用有限的资金提供最高效的应急保障力量。
　　1船闸故障类型及主要影响因素分析
　　1.1船闸主要故障类型及特征
　　通过对江苏省现有船闸的实地调研，目前船闸故障可大致分为水下故障、机械故障、电气故障三大类，反映在故障现象上大多为闸、阀门不能正常启闭、出现异响、通信与电力异常、控制系统失灵等情况。
　　（1）水下故障呈现“数量占比多、专业要求高”的特征，该类故障占比约55%，常见情况为闸、阀门构件脱落、砂石混凝土、树根形成的水下障碍物引起闸阀门启闭异常。故障的处理较为简单，需要清除水下碍航物，但需要专业的潜水员下水手动作业。
　　（2）机械故障呈现“数量占比中等、处理难度大”的特征，该类故障占比约30%，常见情况为闸、阀门及构件故障，一般为闸门节杆弯曲、阀门阀件损坏以及油箱漏油等故障，以及由于水位上涨、暴雨造成的机械进水失灵。故障的处理相对复杂，处理时间长，对船闸影响较大，需要机械专业人员或者厂家技术人员进行处理。
　　（3）电气故障呈现“数量占比少、处理难度适中”的特征，该类故障占比约15%，常见情况为电气控制系统故障，PLC构件或模块损坏，开关或电缆等供电系统烧毁。故障的处理相对简单，大多仅需更换损坏的模块，但部分故障较为隐蔽的情况需厂家技术人员进行处理。
　　1.2船闸发生故障的主要影响因素
　　通过对船闸常见的水下故障、机械故障、电气故障的分析，故障发生的影响因素主要有船闸的运行、周边的通航环境、自身设备状况等3大类。
　　（1）船闸运行方面，具体表现为船闸开放闸次、船闸通过船舶大小、船闸未来年运行状态。船闸开放闸次越多，对应通过船舶数量越多，进而使得机械使用频次、磨损情况、掉落碍航物的可能越大，易发生水下故障、机械故障、电气故障。船闸通过船舶的吨位越大，使得船舶碰撞闸门等情况下发生水下故障或机械故障的概率越高，也使得修复难度、修复时间越长。此外未来年船闸位于江苏省干线航道主通道上，会使得开发闸次、通过船舶吨级越大，对应船闸发生故障的可能性越高。
　　（2）船闸通航环境方面，具体表现为船闸设计水头差、船闸周边水系情况。船闸设计水头差越大，对应船闸、阀门在每次启闭中承受的外界力越大，对相关构件磨损越大，一旦发生故障的维修难度也越大，易引发水下故障、机械故障。船闸周边水系情况，主要是江苏沿江、沿海口门船闸受潮汐的影响，受力情况更为复杂，更易引发相关故障。
　　（3）船闸设备状况方面，具体表现为船闸建设（大修）的年份，船闸建设（大修）年份越近的船闸，其供电设施、电气模块越为先进，其自身发生故障的概率越小。
　　2单个船闸故障风险值计算模型
　　2.1层次结构模型建立
　　通过层次分析法，将可能造成船闸故障风险的主要因素进行分组，每组视为1个层级，并将各层级视为目标层、第一准则层和第二准则层，进而构建了船闸故障风险影响因素层级结构模型。本文结合前文船闸发生故障的主要影响因素，从船闸运行风险、船闸通航环境风险、船闸设备状况风险3个层次构建了6个指标。
　　2.2指标权重计算
　　测算指标权重的确定可通过统计方法、成对比较方法、熵值法、AHP方法和专家估测法等等。其中，专家估测法渗入专家主观意识较多;运用熵值法与AHP法工作量较大，但所得结果较为客观。结合观测点布设方案评价指标体系，采用AHP方法确定评价指标的权重。
　　在层次分析法中，判断矩阵的权数可通过求出正规化的特征向量而得，采用算术平均法。计算步骤如下：
　　（1）将判断矩阵的每一列正规化
　　（2）按每一行进行加总
　　（3）在正规化加总后的，得权值
　　为了检验一致性，在各判断矩阵获得相应因素的全值后，需计算，CI
　　式中：为判断矩阵，为中各评价指标的两两比较值，表示向量的第i个分量。查找相对应的平均一致性指标进行一致性检验，通过一致性检验后，最终可获得各层次因素权重。
　　2.3指标计算方法
　　在上述指标的计算中，充分考虑指标与风险之间的相关关系，并采用定量计算与定性分析的方式对各指标进行数值化计算，各类指标的数据均来自于官方统计数据或规划，具备一定的公正性。各项指标计算具体计算方法如下：
　　（1）船闸现状每年开放闸次数u11的分值：某船闸2020年开放闸次数/全省船闸2020年开放闸次数量的最大值×该指标的权重。
　　（2）船闸现状每年通过船舶的平均吨位大小u12的分值：通过基础分与增项分求和。其中基础分得分为该指标权重×0.6;增项分通过所有船闸平均吨位的差值计算而得，得分为（某船闸2020年通过船舶的平均吨位-全省船闸通过船舶平均吨位的最小值）×[（该指标权重×0.4）/（全省船闸通过船舶平均吨位的最大值-全省船闸通过船舶平均吨位的最小值）]。

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