北极海上救助应急响应复杂网络

范厚明， 赵琪琦， 刘益迎

(大连海事大学 a. 交通运输管理学院; b. 战略管理与系统规划研究所， 辽宁 大连 116026)

FAN Houminga,b， ZHAO Qiqia,b， LIU Yiyinga

北极海上救助应急响应复杂网络

范厚明a,b， 赵琪琦a,b， 刘益迎a

(大连海事大学 a. 交通运输管理学院; b. 战略管理与系统规划研究所， 辽宁 大连 116026)

北极区域内的航运、资源勘探和游船旅游等经济活动的逐年增多使得该区域内各类海上突发事件不断增多，若不能对其进行及时、有效的处理，将产生巨大危害。对此，在分析北极海上救助现状和应急响应网络特征的基础上，引入复杂网络理论，构建加权复杂网络，并对其拓扑性质进行研究，得到各国的北极海上救助响应强度及网络的关键节点。通过研究得出，该复杂网络具有明显的小世界特性，各国只有密切合作才能合理利用救助资源，高效开展救助工作。研究结果可为我国未来参与北极海上救助的相关决策提供参考。

水路运输； 北极； 海上救助； 应急响应； 加权复杂网络

FANHouminga,b，ZHAOQiqia,b，LIUYiyinga

Abstract: With the increase in Arctic commercial activities, such as shipping, resource exploitation and cruise tourism, the sea emergencies increases accordingly. On the basis of analyzing the condition of the Arctic maritime rescue arrangement and the characteristics of the complex network, a complex network is proposed to set up to ensure timely and effective Arctic maritime rescue activities. A weighted complex network for Arctic maritime rescue emergency response is conceptually devised and its topological properties are analyzed. The allocation of key nodes and service intensities of related countries are calculated. The study concludes that the complex network has an obvious small world feature, and the cooperation among involved countries is indispensable for effective rescue operation in the Arctic waters.

Keywords: waterway transportation; Arctic; maritime rescue; emergence response; weighted complex network

近年来，随着全球气候变暖，北极区域内的航运、资源勘探和游船旅游等经济活动逐年增多。但是，北极生态环境脆弱、通航环境恶劣，高风险的能源开发和大量商船的进入势必会使各类海上突发事件增多，给沿岸救助部门带来巨大压力。虽然环北极国家已签署北极搜救协议，但在面对复杂多样的突发事件时，具有不同救助力量和救助意愿的国家所提供救助的效果千差万别。因此，探索对北极海上突发事件进行合理有效救助的方式是北极资源开发利用和商业性通航的前提。

目前，国外学者[1-3]已从通航环境、地理历史和经济政治等角度对北极进行深入研究，但主要集中于北极航线开发利用的前景分析；国内学者[4-6]对北极的研究则主要集中在通航环境、通航意义、战略地位和法律法规等方面，对海上救助应急响应的研究较少。现有的针对北极的复杂网络研究以各利益相关国为节点，通过构成无向、无权的网络来分析各国的权益和政治格局，忽略连边权重的异质性，未能全面、客观地反映复杂系统的特征。

因此，在分析北极海上救助现状和应急响应网络特征的基础上，构建有向、含权的救助应急响应复杂网络，研究其拓扑性质，找出复杂网络的关键节点，并针对我国国情提出相应建议。

1 北极海上救助现状及应急响应复杂网络特征

1.1北极海上救助现状分析

1.1.1北极理事会成员国的海上救助现状

由于海上突发事件具有突发性强、危害性大的特点[7]，若不及时采取救助措施极易导致航道和港口阻塞及海上大面积污染等更为严重的后果，因此对海上突发事件的应急响应必须快速、高效。然而，面对北极广阔的海域面积和恶劣的通航环境，仅凭一国之力保障船舶安全航行难以实现。对此，北极理事会成员国于2011年5月签署《北极搜救协定》，对各成员国负责的搜救区域和应承担的责任进行划分。

在北极理事会成员国中，俄罗斯对其所管辖海域的救助投资力度最大，目前其共拥有34艘破冰船，包括8艘核动力重型破冰船和2艘常规动力重型破冰船。美国拥有2艘世界上最强的常规动力破冰船“北极星”号和“北极海”号，但其救助责任面积较大，且因大部分救助设施位于阿拉斯加南部而无法迅速对北极突发事件做出反应。加拿大拥有2艘重型破冰船和4艘中型破冰船，其主要救助设施位于南方，难以快速应对北部海区的海上事故；芬兰的海军均聚集在波罗的海，仅负责北极地区的内陆搜救和救助物资运送；瑞典只负责向北极运送破冰船等搜救设备；挪威的搜救体系相对完善，但对破冰船的研发较为落后；丹麦的搜救基础设施较为缺乏；冰岛海岸警卫队有4个雷达监测站，但北极海域未被雷达完全覆盖，需与其他国家合作完成搜救工作。[8]

目前，随着北极区域经济活动不断增加，沿岸海域的危险系数将相应增大，环北极国家的救助机构面临着巨大挑战。北极海上救助应急响应仍存在搜救责任面积广阔、技术落后、装备短缺、资源分布不尽合理及各国间沟通协调不足等问题。因此，大力建设北极基础设施、提高搜救能力、加强海军力量、增进国际合作已成为各国北极战略中的首要任务。

1.1.2非北极理事会成员国的海上救助参与现状

单从技术的角度考虑，任何一个有救助实力且符合救助时效条件的国家都可参与到北极海上救助活动中，但因北极理事会的排他性限制，目前没有非成员国参与北极海上救助的案例。然而，当前许多国家为维护自身利益都在积极争取其对北极事务的参与权，参与北极海上救助活动对非理事会成员国来说是一个很好的突破口，也是未来北极海上救助体系发展的必然趋势。

对我国而言，参与北极海上救助活动很有必要。

(1) 北极航线对我国的海运贸易和经济安全影响巨大，以后会有越来越多的我国船舶通过北极航线到达欧洲和美洲，参与北极海上救助活动可积累通航经验，为冰区船舶的研发提供帮助；

(2) 我国是国际海事组织A类理事国和《搜救公约》缔约国，参与北极海上救助活动不仅是我国应有的权利，更是作为大国应尽的责任。

1.2北极海上救助应急响应复杂网络特征

北极海上救助应急响应网络与规则网络和随机网络有很大差别,其事故发生区域和事件类型均有差异；不同救助国的救助力量、救助意愿、所得利益和救助效果不尽相同，且需要互助合作完成救助任务，具有其独有的特征。北极海上救助应急响应的复杂网络特征主要体现在节点的复杂性、结构的复杂性和各种复杂性因素的相互影响等3个方面。

1) 节点的复杂性是指一个网络中存在多种类型的节点，且节点大多具有复杂的时间演化行为。在北极海上救助应急响应网络中，救助点和事故点可能会随着时间的推移而有所增减。

2) 结构的复杂性是指网络的结构可随条件的变化而变化，表现为连接各节点的边的产生和删除。在该网络中，节点变化使得网络的边也随之产生演化现象，且相同节点间的连接也有可能因各国政策、战略及实力等因素的改变而发生变化。

3) 各种复杂性因素的相互影响是指网络会受到多种因素的影响，而这些因素间又相互作用，一个因素的改变将影响到其他因素，进而影响整个网络，产生联动效应。

因此，北极海上救助应急响应网络具有很强的复杂网络特征，可应用复杂网络理论，通过构建有向含权的复杂网络来分析各国参与北极海上救助活动的情况。

2 北极海上救助应急响应复杂网络模型构建

2.1北极海上救助应急响应复杂网络的构成

按图论的方法将北极海上救助应急响应的复杂网络定义为一个三元组G=(U,E,W)，其中：点集U主要由“救助点”和“事故点”构成，用Vi=(V1,V2,…,Vn)表示救助点的集合，用Aj=(A1,A2,…,An)表示事故点的集合；边集E由集合U中元素的有序对构成，表示救助点与事故点之间的海上通道；W为边集E到点集U上的映射，wij为各边权值。此外，D=(lij)为邻接矩阵，若2个节点间有关联，则lij=1，否则lij=0。具体的拓扑简化原则如下：

1) 北极海上救助应急响应复杂网络主要指对财产和环境救助的响应网络。

2) 救助点Vi由环北极国家及其他有经济实力和远洋救助能力的国家组成，即Vi=(V1,V2,…,V21)=(美国，加拿大，英国，爱尔兰，法国，西班牙，葡萄牙，意大利，希腊，荷兰，比利时，德国，丹麦，芬兰，挪威，瑞典，冰岛，俄罗斯，日本，中国，韩国)。

3) 事故点Aj在北极西北航线部分取海上事故发生密集区的中心位置；而在北极东北航线部分，由于目前需要破冰船协助且无准确的统计数据，因此仅选航线所经海域的中心位置，即Aj=(A1,A2,…,A11)=(巴伦支海，喀拉海，拉普捷夫海，东西伯利亚海，白令海峡，挪威海，斯瓦尔巴群岛，冰岛，哈得逊海峡，巴芬湾，波弗特海)，其中斯瓦尔巴群岛和冰岛分别为巴伦支海与挪威海的交汇处及冰岛周边海域。

4) 取该事故点到该国家沿岸区域最近的航线作为边。现阶段我国专业救助船的平均航速约为20 kn，而具备破冰功能的救助船的最大航速约为15 kn，因此假设一艘救助船以15 kn航速不间断地航行，按照海路的连通性测算出各事故点Aj与救助点Vi间的航行距离，将其作为边的距离。

5) 目前我国专业远洋救助船的续航力约为30 d，受救助船的续航力及遇难船所受海底吸附力的影响，考虑无补给状态下的往返油耗及救助的时效性，假定若抵达事故点所需航行时间>14 d，则舍去该连接。若救助点与事故点之间有边相连，则表示该救助点可前往相应事故点实施救援。

6) 虽然美国等国家拥有由志愿者组成的救助力量，但其船舶和救助装备并不专业，无法适应北极通航环境，因此不将志愿者组织考虑在内。

根据以上原则可得网络的邻接矩阵D，利用Ucinet软件得到一个由32个节点(21个救助点Vi，11个事故点Aj)和198条边构成的有向无权救助响应网络(见图1)。

2.2北极海上救助应急响应复杂网络结构测度

复杂网络是由节点与节点间错综复杂的关系共同构成的网络结构，加权复杂网络主要有点强度和权重分布的差异性、加权平均距离及加权集聚系数等3个拓扑性质。

2.2.1点强度和权重分布的差异性

图1 北极海上救助应急响应网络

(1) 点强度Si是无权网络中节点度的自然推广，节点Vi的点强度等于与其关联的边权之和，即

(1)

(2) 权重分布的差异性Yi表示与节点Vi相连的边权分布的离散程度，即

(2)

2.2.2加权平均距离

无权网络的平均距离指经历的平均边数量;而对于加权网络，平均距离还要考虑每条边的权重，其描述网络中节点的平均分离程度。当权值为相似权时，边的长度(加权距离)为

dij=1/wij

(3)

加权平均距离为

(4)

2.2.3加权集聚系数

加权集聚系数反映节点的各邻点之间联系的程度，集聚系数越大，说明该点的邻点之间联系越频繁。采用文献[9]中的定义，其表达式为

(5)

式(5)中：Vi和Vk通过2条权重分别为wij和wjk的边相连。

3 北极海上救助应急响应复杂网络实证分析

3.1加权网络的权值指标分析

考虑到海上突发事件的反应紧迫性特点、各国不同的救助实力及北极恶劣的气候，选取救助时效、救助实力和气象水文环境作为救助应急响应网络权值测定的关键指标。对各指标的描述如下。

3.1.1救助时效指标

救助时效是指在海上突发事件发生时实施救助行动的效果仅在一段时间内有价值，且该时间与效果呈反比。将救助方从本国出发抵达事故发生区的时间作为救助时效进行衡量，由于各国的救助执行力量均在其陆地沿岸分布，且有些国家实行不间断巡逻制度，因此在距离的测算上按航线的连通性测算该国距事故发生点的最近路径作为边的距离。视各国至其领海的距离为0。运用Google Earth软件测算统计，即可得到各国到事故点的航行时间。

3.1.2救助实力指标

海上救助实力是指各国在应对各类海上突发事件时所具有的救助能力。由于多数国家的专业救助力量主要来自于其国内海军，且一国的经济状况将直接影响其救助装备的购买力和科技研发水平，因此主要参考因素为各国的海军军事实力及经济实力。国家海军军事实力主要由海军作战装备的种类和数目决定，可用海军级别来描述；而经济实力的最好表征为GDP(Gross Domestic Product)总值。2013年各国海军级别和GDP总值统计见表1，其中海军级别是根据国际战略研究所公布的2013年全球军力统计结果[10]，应用全球海军力量九级划分法对救助国进行的级别划分。

3.1.3气象水文指标

在北极的气象水文环境中，温度和海冰是影响北极救助活动的主要因素。因此，通过气候、可通航期、冰况和平均水深来衡量气象水文指标。经过调查分析，得到各海域的气象水文条件见表2。

表1 救助国海军级别和GDP总值统计

表2 各海域气象水文条件

3.2权值指标测度

对描述上述3项指标的数据进行标准化处理，应用功效系数法将数据通过线性变换映射到区间[1,10]中，以实现数据的可比性和合理性。标准化公式为

(6)

式(6)中：xi为第i项的指标实际值；xi*为第i项的功效系数值；i=1,2,3,…。

对于救助时效，因其与救助时间呈反比关系，计算前先对救助时间进行预处理，改变其逆指标性质。

xi=M-ti

(7)

式(7)中：M为航行时间上限，取M=15；ti为实际航行时间；xi为第i个救助点的航行富余时间；i=1,2,…,21。对于冰况和气候条件，由于难以获得准确的数据资料，因此采用专家打分法，定性地按照极差、差、较好、良好和极好依次从1～5打分。经咨询专家，得到海军实力和经济实力占救助实力的权重分别为0.7和0.3。

为体现出节点间相互作用的强度差异，运用两两比较法，每边按照航行距离的长短、各国的救助实力及海上气象水文条件的影响程度赋予不同的权值。矩阵中元素aij的确定采用九标度判断尺度，所构建的正互反矩阵见表3。

表3 正互反矩阵

对表3中的矩阵进行求解，得到其特征值为3，特征向量为x=(0.912,0.403,0.076)，对x进行归一化处理得w=(0.66,0.29,0.05)，w向量中的各分量即为相应指标的权重。对经过标准化的各项数据进行加权平均之后得出的各边权值见表4。

表4 各边权值

各边权值wij为相似权，权值越大，两点间距离越小，关系越紧密，从而将网络变为赋权图(见图2)。

图2 北极海上救助应急响应加权复杂网络

图2中，节点的大小与其所有权值的大小有关，权值越大，节点越大，意味着该救助国在北极海上救助响应网络中的地位越重要。由该图可知，韩国、中国、希腊和意大利的权值较小，说明其在救助响应网络中处于边缘位置，作用较小；喀拉海、挪威海、冰岛沿岸海域和白令海峡的权值比其他事故点小，说明这些海域的救助条件较差，在海域内实施的救助效果不佳，亟待增强改善，应注重通航管理和基础设施的建设，从源头上避免海难事故发生。

3.3网络拓扑性质分析

由于所构建的加权复杂网络的边具有方向性，因此应从出和入2个角度分别对其进行探讨。但这里网络中边的方向均是从救助点指向事故点，因此下述分析中仅以救助点Vi为研究对象，所描述的点强度均指出强度，集聚系数则是针对经过转化后只含节点Vi的1-模网络的计算。通过计算得到网络的点强度和权重分布差异性见表5。

表5 点强度和权重分布差异性计算结果

由于所赋予的权值为相似权，因此点强度越大表示该救助点实际的救助响应强度越大，在北极救助网络中的地位越重要。由表5可知：俄罗斯在北极救助应急响应复杂网络中的救助响应强度最大，除了因为其在北极大力投资和地理位置优越之外，还有部分原因是其早期对东北航线的探索开发使其对北极的研究一直处于世界领先地位。美国的响应强度为91.61，与俄罗斯相差较小，因此美国和俄罗斯是整个网络的中心节点。我国因距离北极略远且救助实力不高而在响应强度上仅高于韩国，与环北极国家相差甚远。因此，目前我国在北极海上救助领域还存在诸多不足，除地理条件等客观因素之外，我国的海军军事实力还相对落后，海上救助设施仍有很大欠缺。

利用Ucinet软件将表4中的数据转化为“行模式”的1-模数据，计算得到该网络的集聚系数为0.964，平均距离为0.04，集聚系数较大，平均距离很小，具有典型的小世界特性，各救助国之间联系紧密、合作性强。其不同加权距离的概率分布见图3。

由图3可看出，加权距离的概率分布p(L)近似服从泊松分布p(L)～π(0.192)，符合小世界网络特征。

图3 不同加权距离的概率分布

4 结束语

应用加权复杂网络理论分析北极海上救助应急响应复杂网络的结构特征，保留边权的异质性；通过实证研究得到各国的北极海上救助响应强度，得出该复杂网络具有明显的小世界特性的结论。就我国现阶段参与北极海上救助而言：

(1) 应集中于对时效性要求较低的环境救助(如船舶溢油事故、钻井平台事故等)的后期参与，着力研发新型远洋救助船舶、装备，全面提升专业海上救助水平；

(2) 应继续加强海军建设、完善相关制度，贯彻落实海洋强国战略，为我国的航运安全和正当利益保驾护航。

当前，我国对北极海上救助的相关研究较少，缺乏经验，通过积极参与北极海上救助活动，可增进我国与相关技术较为成熟的国家之间的交流合作，积累北极救助和航行经验，增加我国在北极事务中的话语权，为我国船舶进入北极航线打下良好基础。

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ComplexNetworkforArcticMaritimeRescueEmergencyResponse

(a. College of Transportation Management; b. Institute of Transportation Strategy Management and Systematic Planning, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

U676.8

A

2016-02-05

国家自然科学基金(61473053)

范厚明(1962—)，男，山东蓬莱人，教授，博士生导师，研究方向为交通运输系统规划与设计、战略管理与系统规划。 E-mail: fhm468@163.com 赵琪琦(1992—)，女，吉林白山人，硕士生，研究方向为交通运输规划。E-mail: annanaqq@163.com

1000-4653(2016)02-0076-06