劉高磊,戴 冉,黃富程, 曹 杰, 安天圣

(大連海事大學 航海學院， 遼寧 大連 116026)

所謂后評估,是指在項目已經(jīng)完成并運行一段時間后，對項目的目的、執(zhí)行過程、效益、作用和影響進行系統(tǒng)、客觀的分析和總結的一種技術經(jīng)濟活動。船舶定線制實施后評估的目的是通過對該水域實施定線制后的效果和存在的問題進行統(tǒng)計、比較和分析，判斷其是否在通航安全、通航秩序、經(jīng)濟效益和社會效益等方面得到改善，并根據(jù)實際情況提出改進意見。[1]

目前，已有的船舶定線制研究主要集中在實施前的方案設計和方案可行性評估方面，很少對定線制實施后的效益進行研究。隨著《全國沿海船舶定線制總體規(guī)劃》方案的不斷推進，實施船舶定線制的水域逐年增加，而實施后的船舶定線制是否適應該水域通航環(huán)境的遠期發(fā)展還有待進一步評估。目前業(yè)內(nèi)采用較多的評估方法有基于模糊數(shù)學理論的綜合評價法[2]、基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計的分析與評估方法[3]、基于交通流的分析與評判方法[4]、采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)和均方差法賦權等方法。這些方法大都屬于單一定性評估或定量分析，定性評估中多采用常權權重賦權理論，而在常權權重計算過程中,往往會弱化較差評估指標數(shù)據(jù)的響應，使得評估結果過于偏優(yōu)[5];同時，由于定線制水域通航環(huán)境具有很強的隨機性和模糊性，過多地依賴主觀因素會導致評估結果遭到一定的質疑；定量分析雖然能從數(shù)據(jù)層面客觀地分析定線制的實施效果，但定線制使用的主體是船舶和船員，僅從定量分析的角度很難反映出定線制的社會接受程度和真實通航感受。此外，上述研究的評估結果大都為單一數(shù)字或結論陳述，過于籠統(tǒng)，難以令人信服。

本文充分考慮到綜合評估指標數(shù)據(jù)的變化特征、定線制水域通航環(huán)境特殊性和以往研究成果的不足，綜合變權理論和云模型,提出一種既可考慮指標數(shù)據(jù)的變化特征,又能體現(xiàn)評估的雙重不確定性，可視化實現(xiàn)定性指標到定量指標轉化的基于變權云模型的定線制后評估方法。該方法能有效解決以往方法中存在的結果偏優(yōu)且單調和忽略雙重不確定性的問題，使評估結果更加合理、可信。

1 基于變權云分析理論的綜合評估模型構建

1.1 變權理論

變權強調評估指標權重隨著指標狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。[6]在利用常權綜合方法進行單層次綜合評估時，其指標權重不隨時間、環(huán)境和態(tài)勢的變化而變化，不能體現(xiàn)各指標之間的動態(tài)關系。根據(jù)目標狀態(tài)向量的動態(tài)變化來調整其在整體評估中的影響是變權的主要目的。[7]

1.1.1變權賦權模型

為彌補常權方法不能隨著指標數(shù)值特征的變化而變化的不足，在獲取綜合常權權重的基礎上，引入狀態(tài)變權向量對得到的常權權重進行修正，得到變權權重,其表達式為

ψ=C→(A,S,W)

(1)

式(1)中：ψ為指標集合C對應的變權綜合權重集，ψ=[ψ1,ψ2,…,ψi]T，C=[c1,c2,…,ci]T;(A,S,W)為獲取變權綜合權重的方法集，A為主觀權重賦值的層次分析法[8]，S為能降低人因干擾的客觀權重賦值法之變異系數(shù)法[9],W為變權分析法。[10]

1.1.2綜合常權權重求取

設主觀權重向量為As,客觀權重向量為So，H為A方法與S方法的綜合。假設有n個指標，根據(jù)加法集成原理，綜合主觀權重值和客觀權重值,得到綜合常權權重為

H=aAs+bSo

(2)

(3)

式(3)中:Pi為將主觀權重向量按遞增排序后由小到大的對應分量。[11]

1.1.3狀態(tài)變權向量構建

設目標屬性狀態(tài)向量為Q=(q1,q2,…,qn)，常權向量R=(r1,r2,…,rn)，目標屬性狀態(tài)向量與常權系數(shù)向量的函數(shù)即為變權向量ri(Q)[12]，滿足：

(1) 歸一性，各個權重值ri(Q)之和等于1；

(2) 連續(xù)性，ri(Q)關于每個狀態(tài)變量連續(xù)；

(3) 激勵性，ri(Q)關于qi單調遞增；

(4) 懲罰性，ri(Q)關于qi單調遞減。

同時滿足(1)～(3)，為激勵型狀態(tài)變權;同時滿足(1)、(2)、(4)，為懲罰型狀態(tài)變權。根據(jù)實際問題選擇合適類型的狀態(tài)變權，本文根據(jù)具體情況，選擇懲罰型狀態(tài)變權。

鑒于指數(shù)型狀態(tài)變量具有靈活、可擴展、能較好地體現(xiàn)評價要求等優(yōu)點，構建指數(shù)型懲罰狀態(tài)變權向量。[13]設狀態(tài)變權向量為

Y(X)=[Y1(X),Y2(X),…,Yn(X)]

(4)

式(4)中:X為指標狀態(tài)變量，X=[x1,x2,…,xn]；xj為第j項指標數(shù)據(jù)，j=1,2,…,n；βj為指標j的懲罰閥值；當j為定量指標時，βj為國家標準規(guī)定的指標技術合格線；當j為定性指標時，βj為指標合格分數(shù)線;α為懲罰水平，α>0,且α越大，懲罰效果越明顯，在實際評價中,可根據(jù)對不合格指標的懲罰力度靈活選??；γj,up和γj,down分別為指標j的合格區(qū)間的上界和下界。

1.1.4綜合變權權重求取

設常權向量H=[h1,h2,…,hn]，則變權權重向量ψ(X)=[ψ(x1),ψ(x2),…,ψ(xn)]可用ψ和Y(X)的歸一化的哈德曼乘積表示，即

(5)

1.2 云模型理論

1.2.1云簡介

1.2.1.1 云定義

“云”或“云滴”是云模型的基本單元。所謂“云”,是指其在論域U上的一個概率分布，可用(x,u)來表示，即對于?x∈U,存在一個具有平穩(wěn)傾向的隨機數(shù),使得μA(x)∈[0,1][14],其中:U為精確值組成的定量論域；A為U上的定性概念；μA(x)為x對A的隸屬度。

1.2.1.2 數(shù)字特征

云由期望Ex、熵En和超熵He等3個數(shù)字特征組成,由此反映定性概念，記作(Ex,En,He),主要分布在Ex±3En范圍內(nèi)。

1.2.2云發(fā)生器

云發(fā)生器是云模型實現(xiàn)定性概念與定量描述的轉化工具，包括正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器。[15]

1.2.2.1 正向云發(fā)生器

正向云發(fā)生器是最基本的運算法，能從定性信息中獲取定量數(shù)據(jù)范圍和分布規(guī)律，其算法流程見圖1。

圖1 正向云發(fā)生器流程

1.2.2.2 逆向云發(fā)生器

逆向云發(fā)生器是正向云發(fā)生器的逆運算，能有效實現(xiàn)定量的精確值轉換為恰當?shù)亩ㄐ哉Z言值(Ex,En,He)，是定量到定性的映射,其算法流程見圖2。

1.3 基于變權云模型綜合評估過程

變權云模型是在云模型的基礎上引入變權理論，通過構建狀態(tài)變權向量對常權權重云模型進行修正。變權云模型評估流程見圖3。

1) 根據(jù)評估對象，確定評價指標體系中的一級、二級和三級指標等多級指標。以上指標構成的集合即為因素集。

2) 由專家對以上指標進行評價，所有評價指標評語構成的集合即為評語集。

3) 結合云模型和AHP、變異系數(shù)法對專家給出的評語集進行指標權重的求取，獲得常權權重云模型，經(jīng)狀態(tài)變權向量修正，求取變權權重云模型。

4) 將定線制后評估的各級指標的權重與各級評價值相結合，可計算各級指標云模型為

(6)

將求得的云模型正向生成云圖與定線制后評估結果各等級云圖相比較，重合度最高的等級云圖即為最終評價結果。

2 實例驗證

以大連轄區(qū)大三山水道通航分隔制為例進行實例驗證。該定線制實施距今已有12 a，隨著船舶的大型化發(fā)展，尤其是國內(nèi)沿海航行船舶的大型化發(fā)展，定線制水域的交通流量日益增大。據(jù)遼寧海事局統(tǒng)計，2014年1月—2018年7月，該定線制水域共發(fā)生5起船舶交通事故,其中碰撞事故占80%。船舶定線制雖然在一定程度上加強了該水域的安全管理，但其面臨的安全問題仍較為突出，原船舶定線制方案實施效果亟待評估。

2.1 定線制后評估評價指標選取

根據(jù)國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)《船舶定線制的一般規(guī)定》關于定線制實施的9項內(nèi)容[16],基于文獻[17]的研究，考慮到船舶定線制實施效益取決于定線制的安全有效發(fā)揮,從定線制實施后的安全性和有效性兩方面進行定線制后評估研究。

評價指標選取結合大連轄區(qū)定線制水域的特點和實際運營情況及業(yè)內(nèi)專家學者的建議，從大三山水道定線制水域基本狀況、通航環(huán)境和安全保障等3個方面建立定線制后評估指標體系，包括安全性和有效性兩大二級指標及其附屬指標，見表1。對于E1～E7等7個方面發(fā)揮的效果和安全性,從數(shù)據(jù)統(tǒng)計的角度對定線制實施后在S1～S6等6個方面的表現(xiàn)進行定量化。

2.2 評估結果等級及云標尺的確定

為合理定量地對定線制水域的實施效果進行評定，借鑒以往的經(jīng)驗,將各指標劃分為很好、好、中、差和很差等5個等級。不同等級對應的指標評定值由資深海事專家組會議評定確定，見表2。根據(jù)評估等級建立匹配的云標尺，并生成相應的標準云模型,分別見表3、圖4和圖5。

2.3 評價指標的權重云模型建立

采用Delphi法了解大連轄區(qū)大三山水域定線制實施效果，此次受訪對象包括海事局、船舶交通服務(Vessel Traffic Service,VTS)、船長和大副等，共發(fā)放問卷114份，剔除無效問卷，有效回收112份。大三山水道分隔制有效性和安全性測評統(tǒng)計結果見圖6和圖7。在測評結果中，出現(xiàn)中等以下較不理想的評定結果。因此，需著重考慮這些評定因素對評估結果的影響。

表1 大三山水道定線制后評估指標體系

表2 指標評估等級

表3 評估結果等級云標尺

統(tǒng)計測評結果中所有各指標的相對重要程度評分，運用AHP對各級指標權重進行測算，結合云模型，求取各級指標的最終主觀權重云模型，經(jīng)變異系數(shù)法和狀態(tài)變權向量修正，得到各級指標的變權權重云模型。以二級指標有效性指標附屬指標E1為例，統(tǒng)計測評結果中每份問卷利用9標度法獲得的各指標評分，運用AHP求取每份問卷的各指標的相對權重值，結合云模型構建主觀權重云模型，再利用變異系數(shù)法和變權理論進行修正，最終得到指標E1的變權權重云模型(見表4)。其他指標權重云模型同理。

2.4 各級指標云模型

以二級指標有效性指標附屬指標E1為例，統(tǒng)計問卷中專家對其的主觀評分，結合云模型求取其最終云模型為(0.897 8，0.072 5，0.042 1)。同理可求取其他各指標云模型見表5。

由上述求取的各三級指標的指標值及其權重云模型可進一步求取上一級指標的云模型。以二級指標有效性確定為例，有效性各附屬指標云模型見表5，分別為C11～C17，則有效性的云模型計算方法[18]為

表4 各指標權重云模型

(7)

由式(7)可計算出有效性云模型為E(0.858 6，0.003 2，0.001 2)，其他各級指標云模型計算方法同理(見表5)。

2.5 各級指標云模型分析

經(jīng)上述云模型計算求出大三山水道船舶定線制的有效性云模型和安全性云模型，通過與標準等級評價云模型相比對，確定各指標的評估等級。大三山水道定線制有效性和安全性結果等級云圖分別見圖8和圖9。將求取的大三山水道船舶定線制有效性和安全性云模型與標準等級云圖組合相比對，由圖8和圖9可知:大三山水道船舶定線制有效性介于效果很好與效果較好之間，但偏向于效果較好；安全性評價結果介于比較安全與一般安全之間，但更接近一般安全。該結果與文獻[5]和文獻[19]所述方法的評價結果具有較好的一致性，表明該方法不僅能定性、定量地綜合考慮主客觀因素對評價結果的影響，還可有效直觀地反映各評價指標的等級，更有利于輔助決策者進行合理判斷。

表5 各指標云模型

由圖8和圖9可知:雖然大三山水道定線制能安全有效地規(guī)劃交通流保障船舶通航安全，但安全性等級相對有效性等級較低，表明該定線制水域安全問題較為突出，這主要是日益增長的交通流量和船舶大型化導致的。日益密集的交通流增大船舶碰撞的風險，導致碰撞事故的發(fā)生。碰撞事故是由于船舶會遇造成的，如果能有效減少或避免船舶會遇，尤其是交叉會遇，將會提高該定線制水域船舶通航的安全。

3 結束語

考慮到定線制實施效果評估中存在評定較差指標的現(xiàn)象和過程中出現(xiàn)的隨機性和模糊性，本文創(chuàng)新性地提出一種基于變權理論與云模型的后評估方法。通過引入變權理論,對指標數(shù)據(jù)特征進行監(jiān)控，避免出現(xiàn)偏優(yōu)的結果，并提高評估結果的可靠性。利用云模型處理效果評估中出現(xiàn)的雙重不確定性，將定性的評價合理地轉化為定量分析。同時,通過MATLAB軟件模擬仿真出評估結果的云圖，直觀地反映大三山水道船舶定線制各級指標的評估等級。該研究可作為其他地區(qū)定線制后評估參考，為定線制后評估研究提供新的理論方法。