吕 靖，王 爽

（大连海事大学 交通运输管理学院，辽宁，大连116026）

我国海上运输关键节点安全评价研究

吕 靖*，王 爽

（大连海事大学 交通运输管理学院，辽宁，大连116026）

海上运输关键节点安全评价研究是保障我国海上运输通道安全的重要环节，为科学全面评价我国海上运输关键节点的安全状况，本文建立评价指标体系，引入投影寻踪方法构建安全评价模型，通过遗传算法求解，对关键节点的安全状况进行评价，并挖掘相关海峡的主要安全威胁.评价结果表明，涉及我国重要物资如石油、集装箱运输的霍尔木兹海峡、马六甲海峡、曼德海峡及苏伊士运河的安全水平相对较低，而且印尼地区的龙目海峡、巽他海峡及望加锡海峡的安全状况也相对较差.评价结果为我国制定保障海上运输安全措施及做出相关管理决策提供科学依据，对提高我国海上运输安全性与可靠性具有重要意义.

水路运输；安全评价；投影寻踪；关键节点；运输安全

1 引 言

保障海运通道安全是我国实现海洋强国战略的重要组成部分，而节点是影响海上运输安全畅通的关键因素，因此针对海上节点的安全性研究具有重要的现实意义与战略意义.近年来关于相关节点的研究也越来越多，Michael Leifer[1]、张杰[2]、Yaacov Y I Vertzberger[3]、PHAM J P[4]等分别结合马六甲海峡和霍尔木兹海峡的实际情况总结其安全影响因素.马晓宇[5]、史春林等[6]分别阐述了中国石油运输安全影响因素中马六甲海峡和霍尔木兹海峡的影响因素，并提出了缓解中国石油在相关海峡运输安全压力的措施建议.

田平[7]采用模糊综合评价方法分别对马六甲和新加坡海峡水域的通航环境安全性进行评价，为过往船只提供了一定的借鉴.Xiaobo Qu等[8，9]基于AIS数据对新加坡海峡船舶航行的安全风险进行了评价.zgecan S Ulusçu等[10]详细研究了伊斯坦布尔海峡的通行状况，建立了船舶流量、引航等各安全影响因素的回归模型，并提出保障海峡通行安全的措施建议.

杨仁飞[11]分别解读了马六甲海峡沿岸国之间、东盟国家之间及区域国家与沿岸国家之间安全合作模式的现状，并探讨了今后合作机制的可行性. Bingley Barrett等[12]论述了区域外日本、印度等国家通过加强和沿岸三国的关系以介入海峡的海上安全合作，从而保障本国在海峡的利益.Major Victor Huang[13]指出马六甲海峡安全需要国际合作，构建合作机制是保障各国利益的重要手段.

综上可知，对海峡安全的研究主要集中在安全影响因素的总结、应对安全威胁措施的提出、水域通航安全评价及探讨构建安全合作等方面，本文在前人研究的基础上，从我国主要物资海上运输安全角度出发，采用投影寻踪方法对我国海上运输关键节点安全状况进行科学综合评价，以便正确掌握与我国海上运输安全密切相关节点的安全现状及主要安全威胁，为相关部门做出管理决策及制定保障措施提供依据，对于提高我国海上运输安全，保障重要物资运输具有一定的实用价值.

2 我国海上运输关键节点安全评价指标体系构建

2.1 我国海上运输关键节点

海上节点是船舶在海上航行时经过的具有特殊地理位置或者特殊供给功能的特定海上区域，本文研究的是我国海运通道中关键的海峡及运河，它们是影响海上运输安全的重要因素.

2013年，海上运输分别承担我国2.54亿t的原油进口量、7.95亿t的铁矿石进口量、3.02亿t的煤炭进口量、0.75亿t的粮食进口量和3.24亿t的集装箱进出口量，完成我国90%以上战略物资或重要货物的运输，而海峡及运河是运输航线的重要组成部分，是上述货物运输的必经之地，如3/4的中国进口原油要通过马六甲海峡，因此依据我国原油、铁矿石、煤炭、粮食及集装箱等主要货种的海上运输航线，可以总结出我国海上运输20个关键的海峡及运河，如表1所示.

表1 我国海上运输20个关键海峡及运河Table 1 20 key straits and canals of China’s maritime transport

2.2 关键海峡及运河安全评价指标体系构建

遵循指标体系的构建原则，结合海峡及运河的安全影响因素，选择关键海峡及运河安全评价指标，评价指标体系如表2所示.

表2 关键海峡及运河安全评价指标体系Table 2 The safety evaluation index system of the key straits and canals

2.3 评价指标数据采集

本文的指标数据均为客观数据，主要从FP Marine Risks[14]、劳氏市场协会[15]、国际海事局（IMB）[16]、MarineTraffic[17]、Maritime Terrorism Research Center[18]等机构发布的资料收集整理而来.其中海峡/运河船舶流量指标是以2014年4月15日上午9时各海峡及运河的船舶流量作为数据来源，其余指标选取的是截止到2013年的数据.

3 关键海峡及运河安全评价

3.1 投影寻踪模型的构建

海上安全评价方法主要包括模糊综合评价法、灰色系统理论评价方法、因子分析法、云模型、投影寻踪模型等.本文安全评价的对象是20个关键海峡及运河，共有16项评价指标，目的是要科学全面评价关键海峡及运河的安全现状，并找出主要的安全威胁，因此需要挖掘各评价指标的特征，从而进行正确全面地评价.而投影寻踪方法正是利用投影技术，通过寻找最佳投影方向从而最大程度反映各指标的数据特征，把高维数据转化为低维数据，进而分析解决实际问题，因此本文选择投影寻踪方法进行建模.

建立关键海峡及运河的投影寻踪模型主要包括海峡及运河各评价指标归一化处理、构造海峡及运河的投影指标函数、估计海峡及运河各指标最佳投影方向和海峡及运河安全等级评价四个步骤.

（1）海峡及运河评价指标归一化处理.

海峡及运河各指标值的原始样本集为{x*(i,j),i=1,2,…,n,j=1,2,…,p}，其中i表示第i个海峡或运河；j表示第i个海峡或运河的第 j个指标；x*(i,j)表示第i个海峡或运河的第 j个指标值，其中n=20，p=16.为了消除海峡及运河的各个评价指标在量纲上的差异，需要对各指标进行归一化处理，正向指标和逆向指标分别对应不同的归一化方式.

①正向指标

②逆向指标

式中 x(i,j)——海峡及运河各指标归一化处理后的矩阵序列；

xmin(j)、xmax(j)——分别为海峡或运河第 j个指标的最小值和最大值.

（2）构造海峡及运河的投影指标函数.

构造海峡及运河的投影指标函数Q(a)，利用投影寻踪技术，将 p维数据综合成以a={a(1),a(2),a(3),…,a(p)}为投影方向的一维投影值z(i).

在优化投影指标值时，要求20个海峡和运河一维投影值z(i)的局部投影点尽可能密集，聚集成若干个点团，但是在整体上，投影的这些点团之间尽可能散开.因此，海峡及运河的投影指标函数可以表示为

式中 Sz——20个海峡及运河一维投影值z(i)的标准差；

Dz——一维投影值z(i)的局部密度，即

式中 E(z)——z(i)的平均值；

R——局部密度的窗口半径，可以根据实验来确定；

r(i,j)——各海峡或运河之间的距离，r(i,j)=|z(i)-z(j)|；

u(t)——一单位阶跃函数，函数在t≥0时取值为1，在t＜0时取值为0.

从式（4）–式（6）可以看出，投影指标函数中只有一个参数即R，密度窗宽.选取时既要使得包含在视窗内的样本点个数不能太少，以免样本滑动平均时的偏差太大，同时也不能使它随着样本数据的增大而增加太大.而且不同的密度窗宽取值会得到不同的投影方向，得到不同的结果，因此必须找到最优的密度窗宽才能找到最优的投影方向，研究显示，，通常可以取R=p.

（3）估计海峡及运河各指标最佳投影方向.

最佳投影方向可以最大程度反映海峡及运河的综合安全状况，通过求解投影指标函数最大值来寻找海峡及运河的最佳投影方向.

最大化目标函数

约束条件

（4）各海峡及运河安全等级评价.

将海峡及运河投影指标函数取得最大值时的投影方向a带入式（3），求得各海峡及运河的一维投影值z(i)，再将z(i)进行优劣排序.z(i)越大，说明海峡或运河的安全性相对越高，而且如果z(i)与z(j)越接近，则海峡或运河i与海峡或运河 j安全状况类似，越趋向于分为同一类.

3.2 遗传算法求解

从式（7）–式（10）可以看出这是一个以{a(j),j=1,2,…,p}为优化变量的复杂非线性优化问题，从计算的复杂程度来看是一个NP问题，用传统的优化方法处理较为困难，因此通过遗传算法来求解此问题，并运用matlab软件编程进行迭代求解，初始种群规模为n=400，交叉概率pc=0.8，变异概率pm=0.2，迭代1 000次后的收敛图如图1所示，结果收敛，可以有效地解决此问题.

图1 遗传算法收敛图Fig.1 Genetic algorithm converges map

3.3 评价结果

利用遗传算法求解投影寻踪模型得到最佳投影方向向量a，如表3所示.

将最佳投影方向a带入式（3），求得各海峡及运河的一维投影值z(i)即安全评价结果，如图2所示.并根据一维投影值z(i)的大小，对20个关键海峡及运河的安全状况进行排序，如表4所示.z(i)取值越大，说明海峡或运河的安全性越高，z(i)取值低，说明海峡或运河对于我国海上运输安全具有较大威胁.

表3 评价指标最佳投影方向Table 3 The best projection direction of evaluation index

表4 各海峡及运河的安全评价结果（投影指标值）Table 4 Safety evaluation results of the straits and canals(projection index value)

图2 20个关键海峡及运河的安全评价结果Fig.2 Safety evaluation results of 20 key straits and canals

3.4 评价结果分析

（1）20个关键海峡及运河安全状况分析.

从表4的各海峡及运河的安全评价结果可以看出，我国海上运输20个关键海峡及运河当中，台湾海峡和佛罗里达海峡的安全状况相对较好，其次是巴拿马运河、大隅海峡及朝鲜海峡，而关乎我国重要物资如石油、集装箱运输的霍尔木兹海峡、马六甲海峡、曼德海峡及苏伊士运河的安全水平相对较低，而且，印度尼西亚地区的龙目海峡、巽他海峡及望加锡海峡的安全状况也相对较差，对我国铁矿石、粮食海上运输安全产生一定威胁，同时龙目海峡和巽他海峡作为马六甲海峡的替代通道，其较差的安全状况会加重马六甲海峡的安全负担.

（2）相关海峡的主要安全威胁.

通过计算各海峡及运河各个指标的投影值可以找出安全状况较差海峡的主要安全影响因素.曼德海峡、霍尔木兹海峡、龙目海峡、巽他海峡及望加锡海峡的主要安全威胁如表5所示.

表5 曼德海峡、霍尔木兹海峡、龙目海峡、巽他海峡及望加锡海峡不安全因素投影指标值Table 5 The insecurity projection index value of the Peter Strait、Hormuz Strait、Lombok、Sunda and the Makassar Strait

从表5可以看出，对于曼德海峡，主要有海峡所在国政局相对不稳定、大国竞相争夺、所在国有发生军事冲突的风险、缺乏相关组织机构等不安全因素.而对于霍尔木兹海峡，不安全因素主要体现在水深较浅、缺少可替代通道、是世界各大国竞相争夺的海上要道等方面.此外，就龙目海峡、巽他海峡及望加锡海峡而言，海峡所在国政局相对不稳定、所在国有发生军事冲突风险、遭受海盗与海上恐怖主义袭击情况较为严重是其对我国海上运输造成较大安全威胁的重要原因.

4 研究结论

本文采用投影寻踪方法对与我国海上运输安全密切相关的20个关键海峡及运河进行安全评价.评价结果表明，霍尔木兹海峡、马六甲海峡、曼德海峡及苏伊士运河等与我国石油、集装箱运输紧密相关节点的安全水平相对较低，而且，马六甲海峡的替代通道龙目海峡、巽他海峡的安全状况也相对较差.关键海峡及运河的安全现状应引起国家相关组织机构的重视，从而构建保障机制、制定应对措施.同时，挖掘各海峡及运河的主要安全威胁可以为制定相关保障措施提供科学依据，从而更好地保障我国海上运输安全.

此外，本文评价指标数据是不断更新，动态变化的，而且随着世界经济的发展及国际局势的变化，评价指标集合也会随之变化.因此本文下一步还需不断收集相关指标数据，更新评价指标体系，动态评价各关键海峡及运河的安全状况.

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Safety Evaluation of China’s Maritime Transport Key Nodes

LV Jing,WANG Shuang
(School of Transportation Management,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning,China)

Safety evaluation of maritime transport key nodes is an important part of protecting China’s maritime transport passage.In order to play a scientific and comprehensive safety evaluation of the key nodes of China’s maritime transport,an index system is established,and the projection pursuit model and genetic algorithm are applied to evaluate the security of key nodes.Furthermore,the main security threats of the related straits are excavated.The evaluation results indicate that:the security situation of the Strait of Hormuz,Malacca,Peter and the Suez Canal is relatively poor,which have a very important impact on China’s maritime transportation of oil,container and other important materials;in addition,the Lombok Strait,the Sunda Strait and the Makassar Strait also have relatively low level of security,which are all in Indonesia.The evaluation results provide scientific basis for China to develop measures to protect the safety of maritime transport and make related management decisions,and have great significance to improve China’s maritime transport security and reliability.

waterway transport;safety evaluation;projection pursuit;key nodes;transportation safety

1009-6744（2015）01-0030-07

：U698

：A

2014-10-20

：2014-12-05录用日期：2014-12-15

国家自然科学基金项目(71473023)；“中央高校基本科研业务费专项资金资助”项目(3132014311-1).

吕靖（1959-），男，辽宁大连人，教授，博士生导师.*

：dlmulujing@163.com