李術(shù)元 王 巖 徐言民 關(guān)宏旭 金 誠 陳 敏

(長江南京航道局1) 南京 210011) (武漢理工大學(xué)航運學(xué)院2) 武漢 430063)

基于云模型的長江南瀏段航標(biāo)效能評估軟件開發(fā)*

李術(shù)元1)王 巖1)徐言民2)關(guān)宏旭2)金 誠2)陳 敏2)

(長江南京航道局1)南京 210011) (武漢理工大學(xué)航運學(xué)院2)武漢 430063)

針對長江南瀏段航標(biāo)系統(tǒng)特點建立評估指標(biāo)體系，將AHP法和云模型相結(jié)合，建立航標(biāo)效能評估數(shù)學(xué)模型，并在MATLAB GUI環(huán)境下開發(fā)航標(biāo)效能評估可視化軟件.利用軟件對南瀏段航標(biāo)效能進行評估，并根據(jù)評估結(jié)果提出長江南瀏段航標(biāo)效能提升措施.

航標(biāo)效能； AHP ；云模型； MATLAB GUI； 可視化軟件

0 引 言

我國依托長江建設(shè)中國經(jīng)濟新支撐帶戰(zhàn)略的實施使得長江航道的重要性凸顯.航標(biāo)是支撐船舶安全航行的設(shè)施或系統(tǒng)[1]，航標(biāo)效能的有效發(fā)揮有利于保障船舶航行安全、減少船舶事故，提高航運效率以及經(jīng)濟效益.針對航標(biāo)效能進行評估，有利于找到制約其發(fā)揮的關(guān)鍵因素，為提高航標(biāo)效能提供科學(xué)的依據(jù)和思路.以往的航標(biāo)效能評估多依靠經(jīng)驗的、定性的方法進行.也有學(xué)者開展航標(biāo)效能定量研究，岳志偉[2]、王如政[3]運用模糊綜合評判和層次分析法相結(jié)合的方法進行航標(biāo)效能評估，但該方法在處理定性指標(biāo)與定量指標(biāo)間的轉(zhuǎn)化方面存在一定的局限性.云模型能構(gòu)成定性與定量的相互映射[4]，能反應(yīng)語言值中的不確定性，以及隨機性和模糊性之間的關(guān)聯(lián)度.另外，航標(biāo)系統(tǒng)的效能因時間、區(qū)域的不同而不同，人工計算繁瑣且難以保證正確率，所以，開發(fā)專用的航標(biāo)效能評估軟件非常必要.

1 航標(biāo)效能評估指標(biāo)體系

基于層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)的基本原理，遵循科學(xué)性、全面性、定量與定性相結(jié)合的原則，建立具有3個層次的長江南瀏段航標(biāo)效能評估指標(biāo)體系，見圖 1.

圖1 航標(biāo)效能評估指標(biāo)體系圖

2 航標(biāo)效能評估建模

2.1 云模型概念

假設(shè)U是一個用精確數(shù)值表示的定量論域，C為U上的定性概念，若有定量數(shù)值x，(x∈U)是定性概念C在定量論域U上的一次隨機實現(xiàn).用μ(x)(μ(x)∈[0,1])表示x對于C的確定度，μ(x)是一個具有穩(wěn)定傾向的隨機數(shù).表達(dá)式為：U→[0,1]，?x∈U，x→μ(x)則x在U上的分布就稱為云，每一個x就是一個云滴.

2.2 云模型的數(shù)字特征

在云模型理論中，定性概念的定量特征由期望Ex、熵En、超熵He表示，它們共同決定云的形狀，被稱為云模型的數(shù)字特征[5].期望Ex是最能代表定性概念的樣本.云滴在距離期望最近的地方集中.熵En表示定性概念可以被度量的粒度，即定性概念的模糊度及概率，熵越大這個定性概念越宏觀.超熵He表示熵的離散程度，反應(yīng)了每個數(shù)值代表這個語言值確定度的凝聚性.

2.3 云發(fā)生器

在云模型理論中，實現(xiàn)定性概念到定量概念的轉(zhuǎn)化過程稱為正向云發(fā)生器，反之稱為逆向云發(fā)生器.根據(jù)本文需要，將具體算法介紹如下.

一維正向云發(fā)生器實現(xiàn)算法.

輸入 定性概念云的3個數(shù)字特征和需要的云滴個數(shù)n.

輸出n個云滴drop(xi,yi).

3) 根據(jù)1)和2)計算x屬于C的確定度μ.

(1)

4) 重復(fù)第1)至第3)步，直至生成n 個云滴.

不需要確定度信息的逆向云發(fā)生器實現(xiàn)算法.

輸入 樣本點(即云滴)xi.

輸出 定性概念云模型的3個數(shù)字特征.

2.4 用云模型表示各指標(biāo)

用n組指標(biāo)評價結(jié)果組成決策的矩陣，通過云算法將這n個指標(biāo)用一個n維綜合云模型來表示，這個過程稱為云化[6].

韓語學(xué)習(xí)與國內(nèi)基礎(chǔ)學(xué)科的學(xué)習(xí)存在很多不同之處，具有較大的難度，所以在學(xué)習(xí)與教學(xué)過程中，需要很多教育資源與學(xué)習(xí)設(shè)備加以輔助。但就目前的情況來看，我國很多學(xué)校在韓語教學(xué)以及學(xué)習(xí)方面的資源與條件相對缺乏。很多學(xué)校在韓語教學(xué)中缺乏相關(guān)的語音媒體設(shè)施以及影像資料等。不同學(xué)習(xí)方向的韓語教材以及教學(xué)資料也較為缺乏，很多學(xué)習(xí)資料都是學(xué)校相關(guān)專業(yè)教師憑借教學(xué)經(jīng)驗以及相關(guān)知識進行編制。同時，學(xué)校的教學(xué)材料沒有根據(jù)實際情況進行更新，缺乏實時性，致使教材沒有足夠的實用性。此外，很多學(xué)校由于資金短缺等問題，不具備專門供韓語教學(xué)使用的多媒體語音教學(xué)設(shè)備，致使學(xué)生的韓語學(xué)習(xí)受到局限，學(xué)生的韓語水平得不到提高。

2.5 云重心表征系統(tǒng)狀態(tài)

當(dāng)n個指標(biāo)所反映的系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時，該n維綜合云的形狀和其重心會相應(yīng)變化.基于此，可用云重心向量T的變化情況反映系統(tǒng)狀態(tài)信息的變化情況.

T=(T1，T2,…,Tn)

(2)

Ti=ai×bi,(i=1,2,…,n)

(3)

2.6 用加權(quán)偏離度表征云重心的改變

(4)

2.7 評語集實現(xiàn)

采用11 級評語集V，即V={極差，非常差，很差，較差，差，一般，好，較好，很好，非常好，極好}，分別對應(yīng)0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1將其用連續(xù)的云模型來描述，構(gòu)成一個定性評測的云發(fā)生器，見圖 2.

圖2 云測評發(fā)生器

3 航標(biāo)效能評估軟件開發(fā)

將建立的數(shù)學(xué)模型通過MATLAB語言實現(xiàn)，采用MATLABGUI進行可視化軟件開發(fā)，首先利用GUI進行軟件界面設(shè)計，進而編制各菜單和控件的“CallBack”函數(shù).在軟件調(diào)試無誤后可進行激活和發(fā)布.該軟件包含5個模塊：航標(biāo)服務(wù)效能計算、航標(biāo)技術(shù)效能計算、維護管理效能計算、航標(biāo)總效能計算、單指標(biāo)云圖輸出.利用該軟件進行航標(biāo)效能評估的步驟如下.

步驟1 輸入評判矩陣、理想狀態(tài)值以及各指標(biāo)權(quán)重值，計算各三級指標(biāo)云模型特征參數(shù)及二級指標(biāo)效能值，生成二級指標(biāo)效能云測評圖.

步驟2 輸入二級指標(biāo)分效能和權(quán)重，計算總效能，生成航標(biāo)總效能云測評圖.

步驟3 輸入單個指標(biāo)的云模型特征參數(shù)，生成該指標(biāo)評價云圖.

4 長江南瀏段航標(biāo)效能評估實例

4.1 指標(biāo)值的獲取

在實際的研究工作中，邀請 5 位專家對定性指標(biāo)進行評判.采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法獲取定量指標(biāo)值.為保持評判矩陣維度一致.在獲取航標(biāo)用戶評價時，分別對海輪用戶、江輪用戶、海事人員、引航人員、航標(biāo)維護管理人員5類人群進行用戶滿意度調(diào)查；在獲取航標(biāo)正常率、航標(biāo)維護正常率時，將南瀏段航道分為5段分別統(tǒng)計(以2013年數(shù)據(jù)為例).各評估指標(biāo)評價值見表 1～2.

表1 航標(biāo)服務(wù)效能指標(biāo)評價表

表2 航標(biāo)技術(shù)效能及維護管理效能指標(biāo)評價表

4.2 指標(biāo)權(quán)重確定

通過AHP理論，獲得各二級指標(biāo)相對于一級指標(biāo)權(quán)重向量為：b=[0.450 9,0.197 6, 0.311 9]，三級指標(biāo)相對各二級指標(biāo)權(quán)重向量分別為：bV1=[0.085 6,0.314 5,0.150 5,0.112 1,0.187 1,0.052 9,0.047 3,0.049 9]，bV2=[0.469 0,0.104 0,0.278 6,1 484]，bV3=[0.315 7,0.071 9,0.073 1,0.125 2,208 9,0.205 2].

4.3 效能值計算及云測評圖生成

為節(jié)約篇幅，這里僅以航標(biāo)技術(shù)效能為算例進行展示.航標(biāo)服務(wù)效能及維護管理效能的計算過程與之類似.

根據(jù)評判指標(biāo)表得評判矩陣B1-B3，其中，航標(biāo)技術(shù)效能評判矩陣為B2.

表3 三級指標(biāo)云特征參數(shù)表

進一步點擊“云圖”按鈕，軟件自動將效能值輸入云測評發(fā)生器得到云測評圖.

經(jīng)計算，航標(biāo)服務(wù)效能值為0.729 33；航標(biāo)技術(shù)效能值為0.645 16；維護管理效能值為0.662 63.

總效能計算過程略有不同：只需輸入各二級指標(biāo)效能值及權(quán)重向量即可.經(jīng)計算，總效效能值為0.691 89.

4.4 單指標(biāo)云圖輸出

為了解單個指標(biāo)的評價情況，該軟件集成了單指標(biāo)云圖輸出功能.以水域生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性(V24)指標(biāo)為例，將其特征參數(shù)(0.660 0,0.110 3,0.028 9)輸入“單指標(biāo)云圖輸出”子界面即可繪出該指標(biāo)的評價云圖，見圖3.

圖3 單指標(biāo)云圖輸出子界面

4.5 評估結(jié)果分析

航標(biāo)服務(wù)效能介于較好和很好之間，趨向于較好；航標(biāo)技術(shù)效能、維護管理效能均介于好和較好之間；航標(biāo)總效介于好和較好之間，幾乎等于較好.

5 結(jié) 束 語

長江南瀏段航道在航標(biāo)技術(shù)效能和維護管理

效能方面稍弱.進一步分析可知：在航標(biāo)技術(shù)效能方面，主要是水域生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性和航標(biāo)新技術(shù)使用情況不夠理想；在維護管理效能方面，維護設(shè)施配套性、維護管理機制合理性、維護管理人員水平方面表現(xiàn)不足.

針對以上結(jié)果，提出長江南瀏段航標(biāo)效能提升措施如下：(1)適當(dāng)提升航標(biāo)維護設(shè)施及設(shè)備的性能及數(shù)量[7]；(2)進一步完善航標(biāo)維護管理機制，制定更加細(xì)化航標(biāo)應(yīng)急、維護管理方案；(3)在航標(biāo)遙測遙控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建智能航標(biāo)管理系統(tǒng)；(4)提高航標(biāo)維護管理人員數(shù)量及素質(zhì).

[1]王志英.航標(biāo)學(xué)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2011.

[2]岳志偉.基于航標(biāo)效能模糊綜合評價的川島水域航標(biāo)完善方案研究[D].大連:大連海事大學(xué)，2014.

[3]王如政.航標(biāo)效能定量評估方法[J].大連海事大學(xué)學(xué)報，2011(3)：39-43.

[4]LI D．Uncertainty reasoning based on cloud models in controllers [J].Computers and Mathematics with Applications, 1998(3):99-123.

[5]ZHANG Wenjin,LIU Shunli,SUN Bo,et al. A cloud model-based method for the analysis of accelerated life test data [J]. Microelectronics Reliability, 2014(10):55-60.

[6]許津閣,綜合艦橋系統(tǒng)效能評估[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[7]李術(shù)元,王 巖,徐言民，等.深水航道航標(biāo)船配置模型研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2014，28(3)：623-625.

Cloud-model-based Aids to Navigation Efficiency Evaluation Software Development of Yangtze River Nanjing—Liuhekou Section

LI Shuyuan1)WANG Yan2)XU Yanmin2)GUAN Hongxu2)JIN Cheng2)CHEN Min2)

(ChangjiangNanjingWaterwayBureau，Nanjing210098,China)1)(SchoolofNavigation，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063,China)2)

Aiming at the characteristics of the Yangtze River Nan-liu section an evaluation index system is set up. Combined the AHP method with the cloud model, a mathematics model of aids to navigation efficiency evaluation is established, then by using the MATLAB GUI tool the Aids to navigation the efficiency evaluation visualization software is developed. Finally, according to the evaluation results some improvements related to the efficiency of Aids to navigation are put forward.

aids to navigation efficiency; AHP; cloud model; MATLAB GUI; visualization software

2015-04-02

*國家自然科學(xué)基金項目(批準(zhǔn)號：51109173)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(批準(zhǔn)號：2013-Ⅱ-019)資助

U644

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.010

李術(shù)元(1975- )：男，高級工程師，主要研究領(lǐng)域為內(nèi)河航道維護管理