秦庭榮， 丁 寧， 胡勤友， 張曉東,2， 錢繼成

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306；2.上海海事局， 上海 200086)

QIN Tingrong1， DING Ning1， HU Qinyou1， ZHANG Xiaodong1,2， QIAN Jicheng1

基于證據(jù)理論的船舶應(yīng)急脆弱性評估

秦庭榮1， 丁 寧1， 胡勤友1， 張曉東1,2， 錢繼成1

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306；2.上海海事局， 上海 200086)

為解決船舶應(yīng)急能力脆弱性的定量評估問題，建立基于證據(jù)理論的船舶應(yīng)急脆弱性評估模型。該模型包括：建立船舶應(yīng)急脆弱性評估指標(biāo)體系,該體系考慮指標(biāo)的完備性和可量化性，為模型的計算奠定基礎(chǔ)；選取證據(jù)理論作為模型的評估方法，最終建立具體的船舶應(yīng)急脆弱性評估模型；進行應(yīng)急子系統(tǒng)的二次評估,進一步對子系統(tǒng)的敏感性和暴露性進行計算，并定量評估每個指標(biāo)的脆弱度。對該模型進行實例驗證，結(jié)果表明:所提出的基于改進證據(jù)理論的船舶應(yīng)急脆弱性評估模型具有較高的科學(xué)性和實用性，可在同類問題中加以應(yīng)用。

脆弱性；船舶應(yīng)急；證據(jù)理論；評估體系；合成規(guī)則

QINTingrong1，DINGNing1，HUQinyou1，ZHANGXiaodong1,2，QIANJicheng1

Abstract: To quantitatively evaluate the vulnerability of a water transportation system in ship emergency management is very difficult. The evidence theory into constructing of the vulnerability assessment model for ship emergency management is introduced. The index system for ship emergency vulnerability assessment is built, and the quantitativity of the indices and the completeness of the index system are checked. The Ship Emergency Vulnerability Assessment (SEVA) model is constructed based on the index system and the evidence theory. The sensitivity and exposure of each index are defined and the level of vulnerability concerning each index is calculated. The vulnerability for a ship emergency situation is evaluated with the proposed model for verification. The result indicates that the proposed model is of high accuracy and application value, and can be used in similar fields.

Keywords: vulnerability; ship emergency; evidence theory; evaluation system; combination rule

脆弱性(Vulnerability)的概念是由學(xué)者TIMMERMAN[1]首先提出的，隨后在多個領(lǐng)域中得到應(yīng)用。[2-4]目前業(yè)界較為公認的定義為：脆弱性是一個系統(tǒng)的固有屬性，是包含敏感、效率、暴露、應(yīng)對能力和脆性等眾多方面中的一個或多個概念的集合。

1 船舶應(yīng)急脆弱性

1.1船舶應(yīng)急脆弱性定義

不同于其他系統(tǒng)，船舶在海洋中航行期間是一個相對獨立的系統(tǒng)，外界對其應(yīng)急系統(tǒng)幾乎不產(chǎn)生影響。當(dāng)災(zāi)害事故發(fā)生時，船舶得不到外界的應(yīng)急救援，其應(yīng)急能力的大小只取決于自身系統(tǒng)的完善程度。此外，船舶應(yīng)急的獨立性使得船舶應(yīng)急具有一定的脆弱性。特別是在遠海，由于船舶較難及時得到外界救援，其應(yīng)急系統(tǒng)表現(xiàn)出對自身子系統(tǒng)過于依賴、對子系統(tǒng)的不利情況過于敏感的特性。例如,船舶應(yīng)急很可能因關(guān)鍵人員、設(shè)備等子系統(tǒng)異?；蚴С６鴮?dǎo)致整個應(yīng)急程序不能正常運行甚至崩潰。

綜合不同領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣愿拍畹睦斫鈁1-5]，并考慮船舶應(yīng)急獨有的特征，這里定義船舶應(yīng)急脆弱性是指船舶應(yīng)急系統(tǒng)容易受其子系統(tǒng)的不利影響甚至崩潰的習(xí)性，是系統(tǒng)本身的一種屬性。船舶應(yīng)急的這種脆弱性特點在很大程度上影響著船舶整體的應(yīng)急能力,因此這里對船舶應(yīng)急系統(tǒng)進行脆弱性評估，研究船舶的應(yīng)急水平。

船舶應(yīng)急評估主要包括船舶應(yīng)急整體脆弱性評估和船舶應(yīng)急子系統(tǒng)脆弱度分析(分析各子系統(tǒng)對整體應(yīng)急系統(tǒng)產(chǎn)生的影響)兩部分。

1.2船舶應(yīng)急脆弱性評估指標(biāo)

目前對船舶應(yīng)急評估方面的研究主要還停留在各種專項計劃上，江建華[5]首先提出對船舶應(yīng)急能力進行定量評估。參考不同領(lǐng)域脆弱性評估指標(biāo)選取原則，基于“人-機-環(huán)境-管理”系統(tǒng)理論和方法[6]，并與專家學(xué)者進行討論和不斷改進，建立船舶應(yīng)急脆弱性評估指標(biāo)體系(見圖1)。

圖1 船舶應(yīng)急脆弱性評估指標(biāo)體系

2 證據(jù)理論

證據(jù)理論依靠各證據(jù)積累產(chǎn)生證據(jù)聚焦效果，符合船舶應(yīng)急的脆弱性特點，即船舶應(yīng)急容易受到其子系統(tǒng)的不利影響的聚集而崩潰。鑒于此，將證據(jù)理論方法引入到船舶應(yīng)急脆弱性評估領(lǐng)域中。

2.1證據(jù)理論算法

證據(jù)理論是由DEMPSTER[7]及其學(xué)生G. Shafer提出的。此后該理論作為一種處理不確定性問題的完整理論和方法被廣泛應(yīng)用于人工智能[8]、檢測診斷和專家系統(tǒng)等領(lǐng)域中。該理論主要包括以下2方面內(nèi)容。

1)識別框架Θ和基本信任分配函數(shù)m。識別框架Θ包含問題的所有可能答案;基本信任分配函數(shù)m表示各個答案的可能性，是一個概率映射，且滿足

(1)

式(1)中：Φ為空集；m(A)為事件A的基本信任分配函數(shù)。

2)證據(jù)合成規(guī)則。對于同一識別框架上的2個證據(jù)m1和m2，若要將2個證據(jù)合成1個證據(jù)，則合成規(guī)則為

(2)

式(2)中：歸一化常數(shù)k為

以上是2個證據(jù)的合成規(guī)則，對于多個證據(jù)，其合成規(guī)使用同樣的處理方式。

2.2證據(jù)理論的改進

1984年ZADEH[9]對證據(jù)理論提出質(zhì)疑，提出證據(jù)合成規(guī)則在處理沖突證據(jù)時可能出現(xiàn)的悖論。此后，多種不同的改進方法[10-12]陸續(xù)被提出。這里采用王肖霞[13]提出的基于證據(jù)間相似系數(shù)的證據(jù)合成方法。該方法定義相似系數(shù)c12表示兩證據(jù)間的相似程度，表達式為

(3)

式(3)中:2個證據(jù)E1和E2相應(yīng)的基本信任分配函數(shù)為mi和mj。若證據(jù)數(shù)量為n，則得到一個相似矩陣

(4)

相似矩陣的每行相加可得各證據(jù)對Ei的支持度，即

(5)

式(5)中:Sup(mi)為證據(jù)Ei被其他證據(jù)所支持的程度。將證據(jù)的支持度歸一化，得到證據(jù)的可信度為

(6)

證據(jù)可信度Crd(mi)可看作是證據(jù)Ei的權(quán)重。用權(quán)重對證據(jù)的基本信任分配進行加權(quán)平均。用證據(jù)理論的合成規(guī)則合成加權(quán)平均證據(jù)，當(dāng)有n組證據(jù)時，將加權(quán)平均證據(jù)合成n-1次。相似系數(shù)法考慮證據(jù)間的差異程度，能有效解決證據(jù)沖突問題。

3 構(gòu)建評估模型

3.1船舶應(yīng)急整體脆弱性評估

船舶應(yīng)急整體脆弱性評估包括以下幾個步驟。

3.1.1確定識別框架和評估級

選取模糊評語集為H={H1(好),H2(一般),H3(差)}。將評語集量化為p(H)={a1,a2,a3}，其中a1～a3是在某個區(qū)間上的等級劃分，例如區(qū)間[0,1]或區(qū)間[0,100]等。

3.1.2分配基本可信度

將每個子系統(tǒng)看作是一條證據(jù)，則證據(jù)融合的結(jié)果即為系統(tǒng)的評估結(jié)果。這里“人-機-環(huán)境-管理”下各個子評估指標(biāo)為證據(jù)，共計16條。運用專家打分等方法獲得各底層因素的確信度mij及各級因素主觀權(quán)重Hum(該模型中的指標(biāo)權(quán)重若無先知條件，則采用AHP法獲得。限于篇幅，這里不再詳述)。

3.1.3求得證據(jù)可信度

如前文所述，子系統(tǒng)合成時選用改進的基于證據(jù)間相似系數(shù)的沖突證據(jù)合成方法。計算子因素下各2個證據(jù)間的相似系數(shù)c12并依次求出相似矩陣Sij和支持度Sup(mi)，歸一化支持度得到各指標(biāo)可信度Crd(mi)。

3.1.4合成綜合權(quán)重

3.1.5求平均證據(jù)

(7)

3.1.6得到綜合結(jié)果

利用證據(jù)理論合成加權(quán)平均證據(jù)，當(dāng)有n組證據(jù)時，合成n-1次，得到最終結(jié)果。

3.1.7量化結(jié)果

利用“3.1.1”節(jié)中的p(H)定義分別與各等級的可信度作積的累計，得到最終結(jié)果。計算式為

(8)

3.2船舶應(yīng)急子系統(tǒng)脆弱性評估

由于從船舶應(yīng)急系統(tǒng)的整體脆弱性上很難看出其各個子系統(tǒng)的指標(biāo)對整體脆弱性的影響，因此有必要對各個子系統(tǒng)進行二次評估，即應(yīng)急子系統(tǒng)脆弱性評估。該評估分為敏感性評估和暴露度評估，這里認為敏感度和暴露度對脆弱性所起的作用相同，可表示為：脆弱度=0.5×敏感度+0.5×暴露度。

3.2.1敏感度評估

敏感性是指應(yīng)急系統(tǒng)對于子系統(tǒng)不利變化敏感的程度，為應(yīng)急子系統(tǒng)對整個應(yīng)急系統(tǒng)的重要程度。研究發(fā)現(xiàn)，通過專家評分得到的主觀權(quán)重即為船舶應(yīng)急子系統(tǒng)的重要程度。為充分利用專家打分數(shù)據(jù)、簡化評估步驟，定義專家評分得到的主觀權(quán)重即為船舶應(yīng)急敏感度。

3.2.2暴露度評估

暴露度是指應(yīng)急子系統(tǒng)使船舶整體應(yīng)急處于不利地位的可能性，是子系統(tǒng)間的一個比較值。子系統(tǒng)的暴露程度可用子系統(tǒng)的應(yīng)急能力來表示。子系統(tǒng)的應(yīng)急能力越大，暴露度越??；子系統(tǒng)的應(yīng)急能力越小，暴露度越大。脆弱性的暴露度具體評估包括以下2步。

(1)量化各指標(biāo)的脆弱值，利用各專家對各指標(biāo)的確信度mij及式(8)求得各指標(biāo)的脆弱值；

(2)歸一化各指標(biāo)的脆弱值，得到各指標(biāo)暴露度。

船舶應(yīng)急脆弱性評估模型見圖2。

圖2 船舶應(yīng)急脆弱性評估模型

4 應(yīng)用

運用構(gòu)建的船舶應(yīng)急能力評估模型評估一艘具體船舶(A輪)的應(yīng)急水平。

4.1船舶整體應(yīng)急脆弱性評估

1)將模糊評語集量化在[0,1]區(qū)間上，定義p(H)={0，0.5，1}，即(好，一般，差)對應(yīng)的脆弱度為(0，0.5，1)。

2)通過專家打分法獲得各因素權(quán)重Hum和各底層因素的確信度mij?！叭?機-環(huán)境-管理”體系權(quán)重{E1,E2,E3,E4}={0.31，0.26，0.16，0.27}；E1層因素權(quán)重為{0.23，0.15，0.15，0.18，0.09，0.20}；E2層因素權(quán)重為{0.26，0.21，0.18，0.20，0.15}；E3層因素權(quán)重為{0.61，0.39}；E4層因素權(quán)重為{0.27，0.29，0.44}。專家對各底層因素的打分見表1。

表1 專家對各底層因素的打分

3)合成各子系統(tǒng)的確信度。

(1)計算系統(tǒng)中各2個證據(jù)間的相似系數(shù)c12并求出相似矩陣Sij。

(2)將每行相加得支持度Sup(mi)，歸一化Sup(mi)得各個證據(jù)的確信度Crd(mi)。

4)主客觀權(quán)重融合。綜合權(quán)重=0.5Hum(mi)+0.5Crd(mi)。

5)平均證據(jù)。用綜合權(quán)重對證據(jù)的基本信任分配進行加權(quán)平均得平均證據(jù)。用式(8)得平均證據(jù)=(0.335 087 659，0.357 668 005，0.312 462 593)。

6)證據(jù)融合得評估等級。利用證據(jù)理論合成平均證據(jù)，當(dāng)有16組證據(jù)時，合成15次，得到指標(biāo)融合結(jié)果=(0.249 371 802，0.663 242 307，0.087 385 891)。三者之中選取最大的概率0.66，即認為船舶應(yīng)急脆弱性的評估為“一般”等級。

7)量化結(jié)果得應(yīng)急能力。利用式(8)得到最終結(jié)果為S=0.419 007 044，即A輪船舶的整體應(yīng)急脆弱度為0.42。

4.2船舶子系統(tǒng)脆弱性評估

由上文分析可知，專家評分得到的主觀權(quán)重即為船舶應(yīng)急子系統(tǒng)脆弱性敏感度。船舶應(yīng)急脆弱性暴露度分為2步求出。利用船舶應(yīng)急子系統(tǒng)敏感度和船舶應(yīng)急子系統(tǒng)暴露度得到船舶應(yīng)急子系統(tǒng)脆弱度。整個過程可用表2表示。各指標(biāo)的脆弱度可用圖3表示。

表2 船舶應(yīng)急子系統(tǒng)脆弱度

圖3 各指標(biāo)脆弱度

將各指標(biāo)脆弱度與船舶整體應(yīng)急脆弱度相乘得到船舶應(yīng)急各子系統(tǒng)對船舶整體應(yīng)急的影響程度。船舶應(yīng)急系統(tǒng)的整體應(yīng)急脆弱度和各指標(biāo)對船舶整體應(yīng)急的影響程度可用圖4來表示(為使結(jié)果明了清晰，圖中將各數(shù)據(jù)與1 000相乘，擴大后脆弱度總值為1 000)。

圖4 船舶應(yīng)急系統(tǒng)總圖

從圖4中可明顯看出，“應(yīng)急演習(xí)”“救生設(shè)備”和“工作年限”所占比重最大，3項指標(biāo)共導(dǎo)致船舶損失108的應(yīng)急能力。若改善這3項指標(biāo),可將船舶整體應(yīng)急脆弱度從419降低到311。

5 結(jié)束語

利用證據(jù)聚焦的特點與船舶應(yīng)急脆弱性特點相符的屬性，將證據(jù)理論作為評估方法，并應(yīng)用改進的合成方法避免沖突證據(jù)融合時可能出現(xiàn)的悖論。研究成果如下：

1)從脆弱性的角度對船舶應(yīng)急進行分析，建立指標(biāo)體系,構(gòu)建船舶應(yīng)急脆弱性評估模型。

2)對船舶應(yīng)急子系統(tǒng)進行二次評估，包括暴露性和敏感性評估，并定量評估每個應(yīng)急子系統(tǒng)的脆弱度。

3)將該模型應(yīng)用于A輪的應(yīng)急脆弱性評估中，得到良好效果，表明所提出的基于證據(jù)理論的船舶應(yīng)急脆弱性評估模型具有一定的理論意義和實用價值。

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VulnerabilityAssessmentofShipEmergencyResponseBasedonEvidenceTheory

(1. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2. Shanghai Maritime Safety Administration, Shanghai 200086, China)

U676.1

A

2016-02-21

國家自然科學(xué)基金(51279099)；交通運輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2013329810300)；上海市科學(xué)技術(shù)委員會基金(12ZR1412500)；上海市教委科研創(chuàng)新基金資助重點項目(13ZZ124)；上海市教育委員會和上海市教育發(fā)展基金會“曙光計劃”基金(12SG40)

秦庭榮(1976—)，男，安徽馬鞍山人，講師，博士，研究方向為船舶安全管理、船舶風(fēng)險評估等。E-mail: trqin@shmtu.edu.cn

1000-4653(2016)02-0035-05