王 晨，江福才，馬全黨，馬 勇，鐘慶云，孟貝貝

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063；2.內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430063)

基于熵權(quán)物元模型的航道引航環(huán)境風險評價

王 晨1,2，江福才1,2，馬全黨1,2，馬 勇1,2，鐘慶云1,2，孟貝貝1,2

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063；2.內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430063)

為客觀、定量評價不同航道引航環(huán)境風險狀況，并確定其風險等級，以航道通航環(huán)境為評價主體，增添反映被引船舶狀況的客觀量化指標，構(gòu)建航道引航環(huán)境風險評價指標體系，并使用熵權(quán)物元模型對其進行評價。根據(jù)待評價航道引航環(huán)境的風險特征和評價需求，使用Visual C++6.0開發(fā)基于熵權(quán)物元模型的風險評價軟件，為引航作業(yè)和海事管理提供決策支持。在實例驗證中，選取長江江蘇段某4段航道，根據(jù)航道引航環(huán)境風險評價指標體系確定其指標客觀量化值，通過熵權(quán)物元模型處理得到其引航環(huán)境的風險等級。為對客觀量化的評價結(jié)果進行檢驗，邀請20位引航員根據(jù)定性的評價標準確定4段航道的指標主觀定性分數(shù)，通過風險評價軟件對4段航道的引航環(huán)境風險狀況進行重新評價，對比分析定性與定量評價的結(jié)果，驗證模型的可靠性和軟件的實用性。

引航環(huán)境；航道；風險評價；熵權(quán)；物元模型

目前關(guān)于船舶引航安全的研究大多針對某個引航過程，從人、船、環(huán)境和管理等4個方面進行考慮，采用綜合安全評價法(Formal Safety Assessment,FSA)[1-2]對引航員及船員、引航船舶類型、引航水域環(huán)境和引航站管理等方面的相關(guān)指標進行分析。在這些研究中：評價對象主體較為模糊，評價指標多為定性描述，未嘗試用客觀量化值來表示；指標權(quán)重采用層次分析法確定，評價結(jié)果受主觀因素的影響大；評價方法不具有普適性和可移植性，難以形成統(tǒng)一的標準，也難以得出具有實際參考價值的結(jié)論。

近年來，在針對船舶通航環(huán)境風險評價的研究中，對風險指標的描述已呈現(xiàn)出由定性[3-5]向定量發(fā)展的趨勢。描述的主體思想是將船員等難以定量描述的因素從通航風險影響因素中剝離，僅分析航道通航環(huán)境風險；或?qū)砷g接反映該因素風險狀況的可量化指標進行描述，如用船舶營運年份代替船舶操縱性能，用船舶違章狀況代替船員素質(zhì)等。此外，在定量評價航道通航風險的研究中，多采用物元模型。例如：張寶剛[6]和劉康[7]選用層次分析法確定指標權(quán)重，針對航道通航環(huán)境建立可拓物元模型；吳定勇等[8]用熵權(quán)法代替層次分析法計算物元模型中的指標權(quán)重，可在一定程度上消除不確定性和主觀判斷對結(jié)果的影響。

可拓物元理論及其應(yīng)用是一門集數(shù)學、思維科學和系統(tǒng)科學于一體的創(chuàng)新性交叉學科。物元模型作為對風險進行定量評價的模型，廣泛應(yīng)用于安全[9-10]及環(huán)境[11-12]等學科中。

船舶引航安全與船舶通航環(huán)境密切相關(guān)，這里基于定量評價船舶通航環(huán)境風險研究，擬以影響引航安全的可量化因素為評價指標，以航道通航環(huán)境為主體，結(jié)合被引船舶的狀況，采用熵權(quán)物元模型對長江江蘇段某4段航道的引航環(huán)境風險狀況進行評價，確定其風險等級，并使用Visual C++6.0開發(fā)基于熵權(quán)物元模型的風險評價軟件，為引航作業(yè)提供借鑒。

1 模型建立

物元分析法的主要思想是用“事物的名稱”“特征”及“量值”等3個要素對事物進行描述，并將其組成有序的基本單位，即物元。

設(shè)N為事物的名稱，C為特征，V為量值，則物元R可表示為

R=(N，C，V)

(1)

在運用物元模型時，通過以下流程(見圖1)確定熵權(quán)物元模型：

1) 根據(jù)評價對象的類型和擬選取的評價指標確定風險等級標準，并將其量化為經(jīng)典域和節(jié)域。

2) 選取評價對象，確定其指標值，計算該對象與各風險等級的單指標關(guān)聯(lián)度。

圖1 熵權(quán)物元模型求解流程

3) 確定各指標權(quán)重，得到評價對象與各風險等級的綜合關(guān)聯(lián)度。

1.1確定評價對象類型及等級標準

設(shè)Q為評價標準物元，Cj為第j個評價指標，Vj=(aj,bj)為評價標準物元在第j個指標的節(jié)域(節(jié)域是指某個指標在全體評價等級下的量值范圍，即該指標在各評價等級下經(jīng)典域的集合)。[8]

Q=(N,Cj,Vj)=(N,Cj,(aj,bj))

(2)

將評價標準設(shè)置為q個等級，設(shè)Qp為評價標準的p等級物元，Vjp=(ajp,bjp)(p=1,2,…,q)為評價標準物元的第j個指標在p等級下的經(jīng)典域(經(jīng)典域是指評價對象某指標在某等級下的量值范圍)。

Qp=(Np,Cjp,Vjp)=(Np,Cjp,(ajp,bjp))

(3)

因此，節(jié)域又可表示為

Vj=(aj1,bjq),p=1,2,…,q

(4)

明顯有Vjp?Vj。

1.2選取評價對象

根據(jù)評價對象的類型選取評價對象，并確定其評價指標值。在評價標準統(tǒng)一有效的前提下，熵權(quán)物元模型可對該類型的1個或多個對象進行評價。理論上，評價對象的所有量值均會在模型的節(jié)域內(nèi)。

設(shè)有m個評價對象，則第i個評價對象的物元可表示為

Yi=(Yi,Cij,vij)

(5)

式(5)中：Cij和vij分別為第i個評價對象的第j個指標及第j個指標值。

1.3計算評價對象的單指標等級關(guān)聯(lián)度

各評價對象的單指標等級關(guān)聯(lián)度的計算式為

(6)

|Vjp|=|bjp-ajp|

(7)

(8)

(9)

式(6)～式(8)中：ρ(vij,Vjp)為點vij與經(jīng)典域區(qū)間Vjp=(ajp,bjp)的距離；ρ(vij,Vj)為點vij與節(jié)域區(qū)間Vj=(aj,bj)的距離；vij，Vjp及Vj分別為第i個評價對象的第j個指標的物元量值、經(jīng)典域和節(jié)域；Kijp(Yij)為第i個評價對象的第j個指標與不同等級p的關(guān)聯(lián)度。

1) 當Kijp(Yij)>0時，待評價物元符合某級標準要求，其值越大，符合程度越高。

2) 當-1

3) 當Kijp(Yij)<-1時，待評價物元不符合某級評價標準要求，且不具備轉(zhuǎn)化為該級標準的條件，其值越小，表明與某級評價標準的差距越大。[10]

1.4熵權(quán)法確定指標權(quán)重

設(shè)有m個評價對象、n個評價指標，xij為第i個評價對象的第j個評價指標的取值，由此建立風險判斷矩陣A為

A=(xij)m×n,i=1,2,…,m；j=1,2,…,n

(10)

由于評價指標一般具有不同的量綱，因此需對評價指標進行無量綱化處理，計算式為

(11)

由此得到標準風險判斷矩陣B為

B=(bij)m×n,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(12)

1) 定義各評價指標的熵為

2) 計算各評價指標的熵權(quán)為

(15)

由此可得權(quán)重向量為

(16)

1.5計算綜合關(guān)聯(lián)度

計算各評價對象與各風險等級的綜合關(guān)聯(lián)度Kip(Yi)。

(17)

2 實例應(yīng)用

2.1確定評價對象類型及等級標準

以長江航道某引航河段的引航環(huán)境為研究對象，通過查閱文獻[4,6-8,13]和實地調(diào)研，并結(jié)合專家及引航員的工作經(jīng)驗，擬將該段航道的引航環(huán)境風險因素分為自然環(huán)境、航道條件、交通環(huán)境和被引船舶狀況等4個一級指標，將評價標準分為低風險度R1,較低風險度R2,中等風險度R3,較高風險度R4和高風險度R5等5個等級評價對象分別為能見度C1,風C2,最大流速C3,航道最小寬度C4,航道長度C5,航道彎曲度(最大轉(zhuǎn)向角)C6,與航道中心線最近礙航物距離C7,轉(zhuǎn)向點個數(shù)C8,航道內(nèi)礙航物個數(shù)C9,交通流量C10,交通事故量C11,導(dǎo)助航設(shè)施完善率C12,VTS覆蓋率C13,船舶類型C14,船舶尺度C15,船齡C16,引航事故C17。評價對象指標體系及指標值見表1，模型評價標準見表2。

表1 待評價對象指標體系及指標值

2.2計算單指標等級關(guān)聯(lián)度

建立航道引航環(huán)境物元，根據(jù)式(10)～式(12)將物元轉(zhuǎn)化為標準風險判斷矩陣，根據(jù)式(5)～式(8)得到各評價對象單指標等級關(guān)聯(lián)度。以待評價對象L1為例，得到其單指標等級關(guān)聯(lián)度見表3。

2.3確定評價指標權(quán)重

由式(9)～式(15)計算各評價指標權(quán)重，可得：ω1=0.049 2，ω2=0.068 2，ω3=0.061 7，ω4=0.066 6，ω5=0.055 6，ω6=0.059 1，ω7=0.056 4，ω8=0.051 0，ω9=0.092 3，ω10=0.049 48，ω11=0.058 3，ω12=0.052 8，ω13=0.050 4，ω14=0.052 0，ω15=0.050 1，ω16=0.055 0，ω17=0.069 2。

2.4計算綜合等級關(guān)聯(lián)度

根據(jù)式(16)計算各評價對象綜合等級關(guān)聯(lián)度(見表4)，可看出：max[K1p(Y1)]=K12(Y1)=-0.100 28，max[K2p(Y2)]=K22(Y2)=-0.129 37，因此L1和L2的引航環(huán)境風險處于R2等級，即“較低風險”；max[K3p(Y3)]=K33(Y3)=-0.135 18，max[K4p(Y4)]=K43(Y3)=-0.064 49，因此L3和L4的引航環(huán)境風險處于R3等級，即“一般風險”。

2.5計算綜合等級關(guān)聯(lián)度

為對同一等級內(nèi)的評價對象的風險大小進行判斷，引入級別變量特征值p*[8,14]。級別變量特征值表示失效程度，即偏離所在等級的程度。因此，相同等級內(nèi)的評價對象的級別變量特征值越小，與其對應(yīng)風險等級的吻合度越高。

(18)

(19)

經(jīng)計算可知:評價對象L1和L2的級別變量特征值分別為2.187 41及2.089 12，L2與R2等級的吻合度更高,而由L1的綜合等級關(guān)聯(lián)度可知,其較易轉(zhuǎn)化為R1等級,因此風險L2>L1；評價對象L3和L4的級別變量特征值為3.301 46及2.611 54，L4與L3等級的吻合度更高,而由L3的綜合等級關(guān)聯(lián)度可知,其較易轉(zhuǎn)化為R4等級,因此風險L3>L4。綜上可知，航道引航風險從大到小的排序為L3>L4>L2>L1。

3 軟件設(shè)計

3.1軟件需求分析

隨著南京以下12.5 m航道整治工程實施，長江江蘇段的通航和引航條件得到較大改善，但由于該航段自然環(huán)境復(fù)雜，交叉航段和彎曲航道眾多，引航環(huán)境風險依然較高。為對長江江蘇段引航環(huán)境進行由大到小的分航段評價，使用Visual C++6.0設(shè)計基于熵權(quán)物元模型的風險評價軟件。

圖2為評價對象劃分方法，軟件設(shè)計需滿足上述評價需求，即模型的適應(yīng)性和可移植性較好，從而對各航段引航環(huán)境進行整體到局部的評價，進而得到長江江蘇段從局部到整體的航道引航環(huán)境風險狀況。

表2 模型評價標準表

表3 L1的單指標等級關(guān)聯(lián)度K1jp(Y1j)

表4 各評價對象綜合等級關(guān)聯(lián)度

圖2 評價對象劃分方法

在該評價軟件的設(shè)計中，考慮到不同尺度下各航段引航環(huán)境條件相差較大，可能需建立不同的評價指標體系和等級標準，以對其風險狀況進行準確評價。因此，該軟件不對評價指標體系和等級標準進行前期設(shè)置，由使用者在對某類對象進行某次評價時確定，并將其輸入到軟件左側(cè)指標區(qū)面板即可。

在軟件右側(cè)參數(shù)區(qū)輸入各評價對象指標值，綜合考量長江江蘇段引航環(huán)境風險影響因素和航段劃分情況。軟件設(shè)置有至多20個評價指標和至多6個評價對象的容量。

3.2軟件功能設(shè)計

軟件主要包括數(shù)據(jù)輸入、檢測計算和結(jié)果輸出等3個模塊，其中數(shù)據(jù)輸入和檢測計算主要通過軟件輸入面板(見圖3)實現(xiàn)。

圖3 軟件輸入面板

軟件輸入面板包括指標區(qū)、參數(shù)區(qū)和功能區(qū)，其中,指標區(qū)和參數(shù)區(qū)主要用于數(shù)據(jù)輸入，功能區(qū)主要用于數(shù)據(jù)檢測及計算。

1) 在指標區(qū)內(nèi)，對于某評價指標來說，每個等級對應(yīng)一個數(shù)值區(qū)間，即熵權(quán)物元模型中的經(jīng)典域，其中最小風險等級的經(jīng)典域下限值和最大風險等級的經(jīng)典域上限值組成節(jié)域。當評價指標為反向風險指標(即數(shù)值越小風險越大的指標)時，為使其適應(yīng)本軟件算法，需將其評價標準和指標值轉(zhuǎn)變?yōu)橄喾磾?shù)輸入。

2) 在參數(shù)區(qū)內(nèi)，輸入值為評價對象的指標值，可同時對A,B,C,D,E,F等至多6個對象進行評價。

3) 功能區(qū)包括“初始化”“添加指標”和“計算”等3個按鈕。點擊“初始化”，面板所有輸入的數(shù)據(jù)清零，可進行下一次計算；當評價標準不變，需修改評價對象指標值輸入時，可點擊對應(yīng)的評價對象按鈕，清除對應(yīng)的評價對象指標值。點擊“添加指標”，可彈出指標擴展面板，該軟件至多可設(shè)20個評價指標。點擊“計算”，首先對數(shù)據(jù)進行檢測，若數(shù)據(jù)有誤，則彈出錯誤提示框；若數(shù)據(jù)無誤，則依據(jù)指標數(shù)據(jù)對各對象進行風險評價，彈出軟件輸出面板，顯示計算結(jié)果。圖4為軟件輸入面板(擴展)。

圖4 軟件輸入面板(擴展)

軟件輸出面板(見圖5)主要用于結(jié)果輸出，包括評價對象對R1～R5等5個等級的綜合關(guān)聯(lián)度和各對象的級別變量特征值。對于某個對象，關(guān)聯(lián)度最高的等級即為其所屬等級；而若有多個對象屬于同一等級，可通過級別變量特征值來區(qū)分同等級下不同對象的隸屬度。

圖5 軟件輸出面板

4 結(jié)果驗證

在實例應(yīng)用中，對4段航道引航風險狀況進行評價的依據(jù)是客觀量化指標值和相應(yīng)的等級標準。為對熵權(quán)物元模型的評價結(jié)果進行主觀性驗證，建立各評價指標的主觀評價標準，并邀請20位引航員根據(jù)該標準確定各評價對象的各項指標值，使用評價軟件對4段待評價航道的引航環(huán)境風險狀況進行評價。主觀評價標準見表5，20位引航員的主觀評價結(jié)果統(tǒng)計見表6。

表5 主觀評價標準

表6 20位引航員的主觀評價結(jié)果統(tǒng)計

5 結(jié)束語

1) 根據(jù)長江江蘇段引航環(huán)境風險特征，選取熵權(quán)物元模型進行評價。熵權(quán)物元模型是一種基于數(shù)學模型的評價方法，相比綜合評價方法，原理簡單、計算簡便，可靠性、適應(yīng)性和移植性較強。

2) 根據(jù)長江江蘇段引航環(huán)境風險特征和評價需求，使用Visual C++6.0設(shè)計基于熵權(quán)物元模型的航道引航環(huán)境風險評價軟件，針對長江江蘇段引航環(huán)境風險狀況進行從整體到局部的評價，為引航部門作業(yè)及海事部門監(jiān)管提供理論依據(jù)和決策支持。

3) 以航道為評價載體，以航道通航環(huán)境為評價主體，增添能反映航道引航船舶狀況的客觀量化指標，對航道引航環(huán)境進行客觀、獨立的風險評價；同時，采用熵權(quán)法確定指標權(quán)重，以摒棄主觀意識影響。

4) 在后續(xù)研究中，擬以航道引航環(huán)境為評價主體，增添環(huán)境實時狀態(tài)、被引船舶實時狀態(tài)、引航員及船員實時狀態(tài)等指標，對單艘船舶引航風險進行動態(tài)預(yù)測。此外，如何通過客觀量化指標對上述狀態(tài)的風險情況進行描述仍需進一步研究。

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EnvironmentRiskEvaluationforChannelPilotingBasedonEntropyWeightandMatter-ElementModel

WANGChen1,2,JIANGFucai1,2,MAQuandang1,2,MAYong1,2,ZHONGQingyun1,2,MENGBeibei1,2

(1.School of Navigation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430036,China;2.Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology,Wuhan 430036,China)

An index system reflecting the channel piloting risks associated with the channel conditions is established.The system involves both navigational environment of channels and the conditions of piloted ships,emphasizing the former.The entropy weight and matter-element model is used for evaluating the environmental risks to channel piloting.A risk evaluation software for supporting decision making in pilotage operations and maritime services is developed with Visual C++6.0 according to the risk characters and evaluation requirements.Four channels of Yangtze River are evaluated for illustration.The objective quantitative values of indexes for each channel are obtained by the proposed evaluation system.Meantime,20 experienced pilots are invited to give their subjective estimates of the channel condition indexes.The two sets of indexes are used for risk estimation respectively and the results are compared for verification.

piloting environment; channel; risk evaluation; entropy weight; matter-element model

U698;U675.98

A

2017-01-23

國家自然科學基金(51579202)；國家自然科學基金青年基金(51309186)

王 晨(1992—)，男，河北定州人,碩士生，從事水上交通安全與環(huán)境保障研究。E-mail:wangchenwut@foxmail.com

馬全黨(1984—)，男，河南周口人,實驗師，碩士，從事水上交通安全與環(huán)境保障研究。E-mail:qdmawhutedu@qq.com

1000-4653(2017)02-0044-06