蒲艷陽，張慶年

（武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430061）

基于粗糙集的港口水域通航安全指標(biāo)約簡方法

蒲艷陽，張慶年

（武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430061）

港口作為國家和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)行業(yè)，在港口本身發(fā)展規(guī)模越來越大的同時(shí)，其背后隱藏的安全風(fēng)險(xiǎn)也顯而易見。港口安全評(píng)價(jià)是衡量港口各方面安全狀況的重要尺度，對(duì)當(dāng)前港口通航水域安全評(píng)價(jià)普遍使用到的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了梳理，并引入粗糙集理論，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的指標(biāo)進(jìn)行約簡，約簡后的評(píng)價(jià)指標(biāo)將使評(píng)價(jià)結(jié)果更科學(xué)、更精確。

港口水域；通航安全；粗糙集；指標(biāo)約簡

1 引言

在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，港口作為連接國內(nèi)外貿(mào)易的通道，對(duì)港口所在區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著非常重要的促進(jìn)作用。但是在港口經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的同時(shí)，也不能忽視港口水域通航的安全問題：船舶的增多和大型化使得通航密度增大，貨物種類的多樣化等問題也大大增加了港口環(huán)境安全的不確定性[1]。國內(nèi)外對(duì)于港口水域通航安全的評(píng)價(jià)有很多，可是評(píng)價(jià)方法中所使用到的評(píng)價(jià)指標(biāo)卻存在著一定的問題。指標(biāo)體系中指標(biāo)個(gè)數(shù)較多，使得指標(biāo)之間的相關(guān)性過高，造成指標(biāo)的冗雜，從而最終影響港口水域通航安全評(píng)價(jià)的結(jié)果。因此，需要尋求一種方法，將港口水域通航安全評(píng)價(jià)中的指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范，將多余、重復(fù)的指標(biāo)剔除，從而使得指標(biāo)體系更全面、更科學(xué)。

傳統(tǒng)的指標(biāo)篩選方法有模糊評(píng)價(jià)法、專家調(diào)研法、層次分析法、回歸分析、主成分分析等。模糊評(píng)價(jià)法、專家調(diào)研法和層次分析法的主觀性太強(qiáng)，會(huì)使得評(píng)價(jià)結(jié)果有失偏頗；而回歸分析和主成分分析法則需要大量的樣本和數(shù)據(jù)，否則計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際存在較大誤差?？紤]到上述缺點(diǎn)，本文利用粗糙集理論對(duì)安全評(píng)價(jià)中的指標(biāo)進(jìn)行約簡。

2 粗糙集理論

2.1 粗糙集理論概述

粗糙集理論是波蘭數(shù)學(xué)家Pawlak Z在1982年提出

的，它是一種處理含糊和不確定信息的新型數(shù)學(xué)工具。粗糙集理論將知識(shí)理解為對(duì)數(shù)據(jù)的劃分，每一個(gè)被劃分的集合稱為概念。其主要思想是利用已知的知識(shí)庫，將不精確或不確定的知識(shí)用已知的知識(shí)庫中的知識(shí)來（近似）描述[2]。屬性約簡是粗糙集理論的核心內(nèi)容之一。

2.2 知識(shí)與知識(shí)庫

設(shè)U≠?是我們感興趣的對(duì)象組成的有限集合，稱為論域。任何子集X?U，稱為U中的一個(gè)概念或范疇。為規(guī)范起見，認(rèn)為空集也是一個(gè)概念。U中的任何概念族稱為關(guān)于U的抽象知識(shí)，簡稱知識(shí)。本文主要是對(duì)在U上能形成劃分的那些知識(shí)感興趣。一個(gè)劃分f定義為：f=｛X1，X2，…，Xn｝；Xi?U，Xi≠?，Xi∩Xj=?。

U上的一族劃分稱為關(guān)于U的一個(gè)知識(shí)庫。

2.3 綜合評(píng)價(jià)信息系統(tǒng)和決策表

一個(gè)信息系統(tǒng)S是一個(gè)系統(tǒng)（U，A），其中U=｛u1，u2，…，u|U|｝是有限非空集，稱為論域或?qū)ο罂臻g，U中的元素稱為對(duì)象；A=｛a1，a2，…，a|A|｝也是一個(gè)有限非空集，A中的元素稱為屬性；對(duì)于每個(gè)a∈A，有一個(gè)映射a：U→a（U），且a（U）=｛a（u）|u∈U｝稱為屬性a的值域。

如果A=C∪D，C∩D=?，則稱信息系統(tǒng)（U，A）為一個(gè)決策表。決策表是一類特殊而重要的知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)，多數(shù)決策問題都可以用決策表形式來表達(dá)，這一工具在決策應(yīng)用中起著重要的作用。決策表可以根據(jù)知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)定義如下：

設(shè)S=（U，A，V，f）為一知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)，A=C∪D，C∩D=?，C稱為條件屬性集，D稱為決策屬性集。具有條件屬性和決策屬性的知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)稱為決策表。

2.4 知識(shí)約簡與區(qū)分矩陣

知識(shí)約簡是粗糙集理論的核心內(nèi)容之一。在知識(shí)庫中的知識(shí)（屬性）并不是同等重要的，甚至其中某些知識(shí)是冗余的。知識(shí)約簡就是在保持知識(shí)庫分類能力不變的條件下，刪除其中不相關(guān)或者不重要的知識(shí)（屬性）。

約簡和核是知識(shí)約簡中的兩個(gè)基本概念。為了便于理解，對(duì)其做出如下定義：

令R為一族等價(jià)關(guān)系，r∈R，如果ind（R）=ind（R-｛r｝），則稱r為R中不必要的；否則稱r為R中必要的。

如果每一個(gè)r∈R都為R中必要的，則稱R為獨(dú)立的；否則稱R為依賴的。

如果R是獨(dú)立的，P?R，則P也是獨(dú)立的。設(shè)Q?P，如果Q是獨(dú)立的，且ind（Q）=ind（P），則稱Q為P的一個(gè)約簡。P中所有必要關(guān)系組成的集合稱為P的核，記作core（P）。

知識(shí)約簡的方法有多種，利用區(qū)分矩陣進(jìn)行知識(shí)約簡有許多優(yōu)點(diǎn)，特別是它能容易地計(jì)算約簡和核。

令S=（U，V，A，f）是一個(gè)知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)，|U|=n，S的區(qū)分矩陣是一個(gè)n×n矩陣，其任意元素為α（x，y）=｛a∈A|f（x，a）≠f（y，a）｝。因此，α（x，y）是區(qū)別對(duì)象x和y的所有屬性的集合。在區(qū)分矩陣中，需要將核指標(biāo)納入到最終約簡指標(biāo)集中，將剩余指標(biāo)按約簡規(guī)則進(jìn)行相應(yīng)約簡，即可得到最終約簡指標(biāo)集。

3 港口水域通航安全影響因素分析

近年來，我國水路一直處于快速發(fā)展的態(tài)勢，航行船舶數(shù)量上漲，日益繁忙的港口也紛紛進(jìn)行擴(kuò)建，碼頭的數(shù)量和港口的泊位數(shù)都在增加，港口創(chuàng)造的效益也大大增加。慢慢地繁忙的港口背后所隱藏著的安全隱患漸漸暴露出來，開始陸續(xù)有學(xué)者對(duì)港口水域通航安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。在港口通航水域安全評(píng)價(jià)中，港口的通航水域安全狀況通常有三個(gè)方面的影響因素，分別是人為因素、船舶因素、環(huán)境因素，其中人為因素中還包含管理因素。

3.1 人為因素

船舶在航行過程中，人的因素是船舶是否能安全航行的主要因素之一。一般認(rèn)為人的因素中包括了生理、心理及能力三個(gè)方面。通過研究總結(jié)出，駕駛員在操縱船舶過程中遵循“刺激-感覺-判斷-行動(dòng)”這樣的行為過程，這種信息處理與判斷的過程是相互協(xié)調(diào)而又連貫的，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤或者忽視都有可能形成一連串的失誤，將細(xì)小的失誤不斷地放大，從而最后有可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。

根據(jù)國際海事組織的相關(guān)統(tǒng)計(jì)，水上交通事故中，至少有80%以上是由人為因素造成的。盡管船舶遭遇水上事故有多方面的原因，但是船員和船長的綜合素質(zhì)卻對(duì)船舶的安全航行有決定性的因素。所以在人員、船

舶、環(huán)境和管理這四個(gè)因素中，人員因素是最重要且復(fù)雜的。

人為因素包括心理?xiàng)l件、業(yè)務(wù)能力和生理?xiàng)l件。心理?xiàng)l件包括責(zé)任心、自信心和安全意識(shí)；業(yè)務(wù)能力包括學(xué)習(xí)能力、意志力、工齡和學(xué)歷；生理?xiàng)l件包括年齡結(jié)構(gòu)和疲勞程度。

管理因素是港口通航安全中的重要因素，有效的管理制度實(shí)現(xiàn)了船與人的協(xié)調(diào)運(yùn)作，有效減少事故的發(fā)生。

3.2 船舶因素

在港口水域通航，船舶是航道水域內(nèi)的主體，船舶的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)、可靠的船上設(shè)備是船舶正常航行的基礎(chǔ)，沒有適航的船舶，無論再好的駕駛環(huán)境都無法避免事故的發(fā)生。船舶因素包括船舶保養(yǎng)、船齡、船舶噸位、船舶操縱性能、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、船舶設(shè)備。

船舶保養(yǎng)是指針對(duì)船體整個(gè)結(jié)構(gòu)和船上設(shè)備的修理和保養(yǎng)，如果按照恰當(dāng)?shù)念l率對(duì)船舶進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，可以使船舶處于良好的適航狀態(tài)，有效地掌握船舶的技術(shù)狀況，從而延長船舶的使用壽命。船齡指船舶的使用時(shí)間，在某種程度上，船齡表明了船舶的現(xiàn)狀。一般超過15年以上的船會(huì)被認(rèn)定為失效期，進(jìn)入失效期的船體會(huì)由于老化等原因使故障發(fā)生的概率加大。

船舶噸位是表示船舶重量的一種計(jì)量單位。在考慮船舶安全狀況時(shí)，船舶噸位和船長都是重要的因素。在通常情況下，認(rèn)為船舶噸位與船長是成正比的，船長越大，船舶噸位越大。船舶噸位是影響船舶操縱性能的重要原因，船舶噸位越大，其尺度就越大，在港口通航水域中發(fā)生碰撞的概率就大。

船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和船舶設(shè)備對(duì)船舶航行安全至關(guān)重要。船體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)影響到船舶航行的穩(wěn)定性，是否能適應(yīng)變化的航行環(huán)境。失事船只也大多涉及到船體的破損，而這種破損也是導(dǎo)致人命、財(cái)產(chǎn)損失、海洋污染的直接原因。船舶設(shè)備包括船舶技術(shù)系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)等，良好的設(shè)備有助于船舶的正常航行，應(yīng)對(duì)變化的航行環(huán)境。

3.3 環(huán)境因素

船舶在港口通航水域中的航行環(huán)境比開闊的水面上航行更為復(fù)雜。所以港口通航水域的環(huán)境因素對(duì)船舶的航行安全也很重要。港口通航安全的環(huán)境因素分為三個(gè)方面：港口水域自然因素、港口水域航道因素和港口水域助航設(shè)施因素。

港口水域的自然因素包括能見度、風(fēng)和水流因素。良好的自然環(huán)境是船舶安全航行的基礎(chǔ)。

港口水域航道因素包括航道寬度、航道深度、航道長度、交匯處船舶數(shù)量和礙航物。港口水域內(nèi)船舶數(shù)量密集，所以，港口水域的合適航道狀況是船舶安全航行的保障。

港口水域助航設(shè)施因素包括泊位、錨地及其相關(guān)的助航設(shè)施。港口良好的助航設(shè)施可以更好地引導(dǎo)船舶，為其提供準(zhǔn)確的航道信息，幫助船舶安全順利地完成航行任務(wù)，到達(dá)港口。

4 基于粗糙集的港口水域通航安全指標(biāo)約簡

4.1 港口水域通航安全指標(biāo)約簡體系

4.1.1 指標(biāo)體系的確定。從上文可以看出，影響港口水域通航安全的因素有很多，從大部分文獻(xiàn)來看，學(xué)者更傾向于將港口水域通航安全的指標(biāo)重點(diǎn)放在船舶和環(huán)境因素當(dāng)中。在本文中，結(jié)合了人員、船舶和環(huán)境因素，構(gòu)成完整的港口水域通航安全指標(biāo)體系。

影響因素有三大塊，分為人為因素、船舶因素和環(huán)境因素。人為因素下轄指標(biāo)有：安全意識(shí)、意志力、學(xué)歷和疲勞程度。船舶因素下轄指標(biāo)有：船舶保養(yǎng)、船齡、船舶噸位、船舶操縱性能、船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、船舶設(shè)備。環(huán)境因素下轄指標(biāo)有：能見度、風(fēng)、水流、航道寬度、航道深度、航道長度、交匯處船舶數(shù)量、港口助航設(shè)施。

4.1.2 指標(biāo)語言的確定。評(píng)價(jià)指標(biāo)語言的確定關(guān)系到最終的評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性。本文中要求表現(xiàn)出港口水域通航安全存在的風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)參考文獻(xiàn)的研究以及對(duì)專家的咨詢，最終選擇從危險(xiǎn)角度出發(fā)，將評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)定為五個(gè)等級(jí)，分別是：低危險(xiǎn)、較低危險(xiǎn)、中等危險(xiǎn)、較高危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)，以下簡稱低、較低、中、較高、高，并且規(guī)定危險(xiǎn)度越高，分值越大。

4.1.3 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的確定。

（1）人為因素指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)文獻(xiàn)的查閱，目前在人為因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中還沒有完整的對(duì)其可以

量化的體系，大多數(shù)都停留在定性分析上。通過查閱專業(yè)的資料與咨詢專家，結(jié)合船公司對(duì)船員的心里測評(píng)結(jié)果，對(duì)船員的安全意識(shí)、意志力、學(xué)歷進(jìn)行百分制的打分，船員的疲勞程度按照連續(xù)操縱時(shí)間（h）確定。具體見表1。

表1 人為因素評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

（2）船舶因素指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。在之前的研究中，已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)船舶的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了深入考察，所以船舶因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)大都可以進(jìn)行量化。但是由于船舶本身的特點(diǎn)，其種類、噸位、尺度都各不相同，對(duì)船舶因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)不可能進(jìn)行具體細(xì)微的量化。船舶噸位和船齡可按照國際慣例的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，船舶保養(yǎng)因素按照船舶季保養(yǎng)次數(shù)計(jì)，其他船舶因素比如操縱性能、強(qiáng)度等根據(jù)相關(guān)專業(yè)資料以及專家經(jīng)驗(yàn)，得出船舶因素指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 船舶因素評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

（3）環(huán)境因素指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。船舶是否能在港口通航水域安全航行，環(huán)境因素對(duì)其影響很大。在查閱相關(guān)資料并詢問專家意見后，給出下列環(huán)境指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。其中能見度和風(fēng)用一年中不良天數(shù)表示，水流因素用最大有效流速表示，航道寬度和深度用相對(duì)數(shù)表示，航道長度用船舶以標(biāo)準(zhǔn)航速的航行時(shí)間表示，交匯處船舶數(shù)量用交通密度表示，港口助航設(shè)施按百分制打分表示。具體見表3。

表3 環(huán)境因素評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

經(jīng)過以上詳細(xì)分析，得出總體指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 港口水域通航安全指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4.2 基于粗糙集的指標(biāo)約簡

由于文中選取的指標(biāo)性質(zhì)不同，其單位也不同，所以在進(jìn)行指標(biāo)約簡之前先要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。首先利用SPSS軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，數(shù)據(jù)在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后依然呈連續(xù)型，但在粗糙集方法中要求數(shù)據(jù)為離散型，所以繼續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，并選擇A4為參考變量。處理結(jié)果見表5。

表5 港口通航水域安全指標(biāo)離散信息

因?yàn)锳4為參考變量，所以定義A=｛A1，A2，A3｝，U/ A4=｛｛a，b，c｝，｛d，e｝｝；U/A=｛a，b，c，d，e｝。

按照粗糙集理論，正域：POSA（A4）=｛a，b，c，d，e｝；

Method for Reduction of Navigation Safety Indicators on Harbor Waters Based on Rough Set

Pu Yanyang,Zhang Qingnian
(School of Transportation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430061,China)

In this paper,we went over the indicators universally used in the evaluation of the navigation safety on harbor waters available at the moment and introduced in the rough set theory to further reduce the indicators used and make the evaluation result more scientific and accurate.

harbor waters;navigation safety;rough set;indicator reduction

F224;F550.8

A

1005-152X(2016)10-0058-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.10.015

2016-09-13

蒲艷陽（1992-），女，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)交通學(xué)院碩士，主要研究方向：交通運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化、交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理；張慶年（1957-），男，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)交通學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：交通運(yùn)輸系統(tǒng)優(yōu)化與決策。