李軍　劉杰　楊梓輝

摘要：

為評估高原庫區(qū)施工船舶安全并預(yù)警，構(gòu)建基于三角模糊層次分析法的綜合評價模型。運用三角模糊層次分析法確定各層指標權(quán)重，充分考慮各因素相對重要性比較中的模糊性。采用正態(tài)分布隸屬函數(shù)確定最低層指標隸屬度，運用模糊數(shù)學(xué)對專家評分進行模糊化處理，使得確定的隸屬度更加真實可信，最終評價結(jié)果也更準確可靠。以此模型為基礎(chǔ)設(shè)計基于VB.net語言的船舶安全預(yù)警系統(tǒng)軟件，并用實例驗證其科學(xué)性、合理性和實用性。

關(guān)鍵詞：

施工船舶; 安全; 三角模糊層次分析法; 正態(tài)分布隸屬函數(shù); 預(yù)警系統(tǒng); VB.net

中圖分類號：? U698.3

文獻標志碼：? A

Design of safety early warning system for construction ships in plateau

reservoir area based on triangular fuzzy analytic hierarchy process

LI Jun1， LIU Jie2， YANG Zihui2

（1.School of Transportation Engineering， Wuhan Institute of Shipbuilding Technology， Wuhan 430050，? China;

2.School of Energy and Power Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430063， China）

Abstract：

To evaluate the safety of construction ships in the plateau reservoir area and give early warnings， a comprehensive evaluation model based on the triangular fuzzy analytic hierarchy process is built. The weights of indicators on each level are determined by the triangular fuzzy analytic hierarchy process， where the fuzziness of relative importance comparison between factors is considered fully. The membership degrees of the bottom indicators are determined with the membership function of normal distribution， and expert scores are blurred by the fuzzy mathematics， which makes the determined degree of membership more authentic and credible， and the final evaluation results more accurate and reliable. Based on the model， the ship safety early warning system software is designed by VB.net language， and its scientificity， rationality and practicability are verified by examples.

Key words：

construction ship; safety; triangular fuzzy analytic hierarchy process; membership function of normal distribution; early warning system; VB.net

收稿日期： 2020-03-18

修回日期： 2020-07-30

基金項目： 青海省科技廳項目（2017-SF-138）

作者簡介：

李軍（1972—），男，湖北隨州人，副教授，碩士，研究方向為交通運輸安全、輪機管理，（E-mail）478036486@qq.com

0 引 言

青海省循化至隆務(wù)峽高速公路按照規(guī)劃需要穿越高原黃河庫區(qū)。該庫區(qū)位于國家級風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)

，其兩岸山崖陡峭、地形復(fù)雜。考慮到環(huán)保和成本兩方面的因素，公路建設(shè)施工方?jīng)Q定采用船舶運輸施工機械、廢渣和建材，但是船舶運輸潛在的安全風(fēng)險給施工方和海事主管機關(guān)帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，因此，有必要開發(fā)出針對施工船舶安全的預(yù)警系統(tǒng)。

目前有關(guān)船舶安全預(yù)警的研究主要有：熊兵等[1]以能見度為評判指標，以主管機關(guān)頒布的長江霧航規(guī)定為評判標準，創(chuàng)立了“二級預(yù)警、二級發(fā)布”的三峽霧情預(yù)警機制;GONG等[2]為減少船舶擱淺事故開發(fā)出擱淺預(yù)警模型，通過判斷船舶模型領(lǐng)域內(nèi)最小水深是否滿足安全要求來實現(xiàn)船舶擱淺預(yù)警;張寶[3]運用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）探究了跨?？瓦\渡船班線運營的安全狀態(tài)和風(fēng)險預(yù)警預(yù)控機制;姜丹[4]利用AHP和模糊綜合評價法對復(fù)雜天氣下三峽庫區(qū)船舶安全進行評估，依據(jù)評估結(jié)果和海事部門相關(guān)規(guī)定確定船舶安全預(yù)警等級及評判標準;劉德林[5]綜合運用AHP和模糊綜合評價法，利用MATLAB建立了黑龍江流域船舶安全預(yù)警系統(tǒng);吳兵等[6]為實現(xiàn)船舶撞橋前的安全預(yù)警及改進船舶過橋行為，提出一種基于模糊邏輯的船撞橋安全預(yù)警模型;陶陽[7]研究了連續(xù)橋區(qū)船舶過橋行為，分析船撞橋致因，建立了船撞橋模糊故障樹預(yù)警模型;桑凌志等[8]為保障內(nèi)河多橋梁水域通航安全，開發(fā)了實時可靠的內(nèi)河多

橋梁水域船舶安全預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時檢測出區(qū)域內(nèi)高風(fēng)險船舶并預(yù)警;ZHANG等[9]依據(jù)可拓理論，采用可拓工程方法建立多指標性能參數(shù)評價模型研究航運風(fēng)險等級評價問題。綜上可知，大部分學(xué)者在研究預(yù)警機理時綜合運用AHP和模糊數(shù)學(xué)理論，但是研究的深度和廣度還不夠，實際操作也較困難。傳統(tǒng)的AHP在比較兩個因素的相對重要性時，認為結(jié)果只有一種情況，將一個具有不確定性、模糊性的比較過程絕對化。此外，在運用模糊數(shù)學(xué)理論時，大部分隸屬函數(shù)的確定缺乏依據(jù)，與實際情況不符，并且定性因素較多，隸屬度的確定也不客觀。

針對上述問題，本文構(gòu)建基于三角模糊AHP的多級綜合評價模型。改進AHP，應(yīng)用三角模糊AHP計算指標權(quán)重，體現(xiàn)因素比較過程中的模糊性，使得因素權(quán)重的確定更為科學(xué)、合理。將定性因素通過多位專家評分方式進行量化，運用正態(tài)分布的隸屬函數(shù)插值計算隸屬度，充分體現(xiàn)模糊性，使得確立的隸屬度更為客觀、合理。最后以此模型為基礎(chǔ)開發(fā)基于VB.net語言的船舶安全預(yù)警系統(tǒng)軟件。

1 施工船舶及作業(yè)環(huán)境風(fēng)險分析

1.1 船型介紹

施工方為滿足物資和人員的周轉(zhuǎn)，先后投入3艘300總噸的汽車渡船，3艘50總噸的拖船，1艘50總噸的渡船，3艘交通船（其中2艘10人快艇，1艘1人應(yīng)急快艇）。施工船舶具體參數(shù)見表1。除平安3號應(yīng)急快艇采用汽油機驅(qū)動外，其他船舶均由柴油機驅(qū)動。

1.2 作業(yè)環(huán)境

（1）庫區(qū)航道由天然航道改造而成，航道寬度范圍為100～1 000 m，航道水深范圍為30～130 m，航道彎曲河段較多，彎曲半徑范圍為700～5 000 m，目前高原庫區(qū)航道被定位為B級航區(qū)6級航道。

（2）庫區(qū)兩岸屬于典型的高山峽谷地貌。地形復(fù)雜多樣，地勢陡峭;庫區(qū)內(nèi)地層構(gòu)造差異大，河流

兩岸多斷崖，易發(fā)生山體滑坡，在雨季尤其容易發(fā)生泥石流等災(zāi)害。

（3）庫區(qū)地處青藏高原東北部，位于中緯度內(nèi)陸高原，遠離海洋，具有典型的大陸氣候特征。查閱循化氣象站氣象資料可知，近7年庫區(qū)最低氣溫為-19.8 ℃，最大風(fēng)力為7級（能卷起0.9～1.0 m的巨浪）。

（4）庫區(qū)水源為上游大壩泄洪和降雨，流向自西向東，流速3.02 m/s，年徑流量約9億m3。7月、9月強降雨易形成洪水，一次洪水過境約40 d，洪型矮胖，單峰型為主，峰、量匹配較好。在正常氣候條件下，庫區(qū)水位基本保持不變，水流緩慢;當庫區(qū)有強降雨或大壩泄洪時，庫區(qū)水位變化較快。為便于施工船舶裝卸貨物，對接施工場地，施工方沿高速公路施工線路在高原庫區(qū)建了5個臨時碼頭。

2 三角模糊AHP綜合評價模型構(gòu)建

2.1 評估指標體系設(shè)計

科學(xué)、有效的評價指標體系是預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮作用的重要前提，科學(xué)地甄別風(fēng)險源是構(gòu)建指標體系的關(guān)鍵。影響高原庫區(qū)施工船舶安全的因素眾多，在甄別風(fēng)險源時既要充分考慮施工船舶所處的特殊環(huán)境，又要考慮施工船舶船員、當?shù)睾Ｊ鹿芾頇C關(guān)和海事專家的意見。構(gòu)建預(yù)警指標體系時，以“人-機-環(huán)境-管理”理論為基礎(chǔ)，運用AHP搭建施工船舶安全風(fēng)險評估三級指標體系，見表2。

該評估指標體系充分考慮了高原庫區(qū)特殊的地理環(huán)境、惡劣的氣象條件、寬窄不一的天然航道、復(fù)雜的通航秩序和人的因素對航行安全的影響。

2.2 評價集確定

采用五等級劃分法對施工船舶的安全狀況進行科學(xué)、合理的評價，用1、2、3、4、5分別代表安全、較安全、臨界、較危險、危險。因此，確定的評價集為

z={z1，z2，z3，z4，z5}=

{1，2，3，4，5}。

2.3 評估指標權(quán)重的確定

傳統(tǒng)的AHP是專家按照1～9標度法通過兩兩比較得到若干因素的相對重要性大小，然后構(gòu)建判斷矩陣，再運用運籌學(xué)的方法計算各因素權(quán)重。該方法僅僅考慮專家判斷的兩種極端情況，沒有考慮專家判斷的模糊性和主觀性，導(dǎo)致評價結(jié)果的準確性有偏差[10]。為彌補AHP的不足，本文采用三角模糊AHP計算各因素權(quán)重，充分考慮專家對若干因素進行兩兩比較時的模糊性，用三角模糊數(shù)代替實數(shù)作為判斷矩陣元素。三角模糊數(shù)自定義區(qū)間[l，u]能夠反映專家判斷的模糊性，區(qū)間越大專家對結(jié)果的判斷越模糊，區(qū)間越小專家對結(jié)果的判斷越清楚。[11-13]總之，三角模糊AHP充分考慮了專家對結(jié)果判斷的模糊性，并且計算權(quán)重的過程較AHP更簡單，不需要一致性檢驗。

2.3.1 三角模糊數(shù)基本理論

（1）三角模糊數(shù)定義。設(shè)M為實數(shù)域R上的一個模糊數(shù)，當M的隸屬函數(shù)u（x）M（從

R到[0，1]

的連續(xù)映射）滿足

u（x）M=x-lm-l，l≤x

u-xu-m，m≤x≤u （1）

那么M就是一個三角模糊數(shù)，記為M=（l，m，u），其中l(wèi)為下限值，m為中值，u為上限值。

（2）三角模糊數(shù)運算法則。兩個三角模糊數(shù)Mi=（li，mi，ui）與Mj=（lj，mj，uj）的運算法則如下：

2.3.2 三角模糊AHP確定權(quán)重

（1）構(gòu)建模糊判斷矩陣。專家對某級的n個指標進行兩兩比較，并用三角模糊數(shù)表達比較結(jié)果，當專家給出n（n-l）/2個模糊判斷后便構(gòu)建模糊判斷矩陣：

式中：i，j=1，2，…，n;aij=（lij，mij，uij），其中l(wèi)ij、mij和uij分別為三角模糊數(shù)的悲觀值、可能值和樂觀值。對于多個專家的判斷結(jié)果，可以運用三角模糊數(shù)的運算法則取平均值作為綜合三角模糊數(shù)。

（2）指標權(quán)重確定。根據(jù)三角模糊數(shù)定理一得

據(jù)此計算某級指標i的三角模糊數(shù)權(quán)重Di，再依據(jù)三角模糊數(shù)定理二得

計算Di≥Dj可能度，根據(jù)三角模糊數(shù)定理三得該級指標實數(shù)權(quán)重：

最后歸一化處理后即可得到最終權(quán)重W。

2.4 建立評價指標隸屬函數(shù)及確立隸屬度

2.4.1 建立評價指標隸屬函數(shù)的方法

模糊數(shù)學(xué)認為，當對某因素進行相對于評價集元素的評價時，其隸屬度應(yīng)該是[0，1]，而不是絕對的“0”或者“1”。影響施工船舶安全風(fēng)險的指標既有定性指標也有定量指標，對于定性指標需要分區(qū)間量化評價等級和定性指標，以便構(gòu)建隸屬函數(shù)。在評價定性指標時，首先劃定各評價等級對應(yīng)的評分區(qū)間，根據(jù)評分區(qū)間確立各等級區(qū)間隸屬函數(shù)，然后由專家評分給出指標具體量化值，最后把量化值代入各區(qū)間隸屬函數(shù)就可計算對應(yīng)的隸屬度。在此過程中，劃分評價等級評分區(qū)間和確立隸屬函數(shù)很關(guān)鍵，評價等級評分區(qū)間劃分規(guī)則見表3。對于定量指標，采用專家調(diào)查法，經(jīng)過多輪征詢、充分反饋，獲取指標的隸屬度。鑒于專家的意見存在主觀性和差異性，邀請海事院校、航運企業(yè)和海事主管機關(guān)等多個單位的專家，以確保評分過程的合理性和科學(xué)性。

2.4.2 正態(tài)分布隸屬函數(shù)及參數(shù)的確立

由表3可知，專家評估某一指標時給出的量化值越靠近區(qū)間中點，指標隸屬于該等級的程度越高，越靠近區(qū)間邊緣，指標隸屬于該等級的程度越低，甚至可能隸屬其他等級。因此，選用正態(tài)分布函數(shù)為各區(qū)間隸屬函數(shù)：

式中：x為專家對某一指標進行評價時給出的量化值;x0為各等級區(qū)間中點。顯然，當專家給出的量化值為x0時，隸屬度為1。當專家給出的量化值為區(qū)間端點時，模糊性最大，很難確定究竟隸屬于哪個等級區(qū)間，對相鄰兩區(qū)間的隸屬度分別為0.5，則有

式中：x1和x2為等級區(qū)間的兩個端點。依據(jù)表3可知，x1-x2=20，由式（11）可求得參數(shù)σ=12.05。

2.4.3 正態(tài)分布隸屬函數(shù)的修正

由第2.4.2節(jié)可知，正態(tài)分布隸屬函數(shù)特點為：越靠近區(qū)間中點隸屬度越高;越遠離區(qū)間中點隸屬度越低。但是兩端區(qū)間例外，例如：[100，80）和（20，0]兩個區(qū)間，越靠近100或者0兩個端點隸屬度越高，最高隸屬度為1。因此，兩端區(qū)間的隸屬函數(shù)需要修正，對兩端區(qū)間的隸屬函數(shù)分別采取降低半梯度和抬升半梯度方法進行修正，使其變?yōu)槠街钡木€段，使隸屬度為1。修正后的各等級區(qū)間隸屬函數(shù)如下：

由式（11）計算各等級區(qū)間隸屬函數(shù)參數(shù)值，見表4。

綜上可知，在專家給出某級某一指標的量化值后，可以依據(jù)式（12）～（16）計算出該指標隸屬度，該級所有指標隸屬度組成隸屬度矩陣行R，本文僅計算三級指標隸屬度矩陣行。

3 實例驗證

3.1 計算各級指標權(quán)重

以三級指標“風(fēng)、雨、霧、氣溫”為例闡述各級指標權(quán)重的計算過程。首先從海事主管部門、航運企業(yè)和海事院校各邀請一名專家，對該級指標進行判斷，依據(jù)式（6）構(gòu)建模糊判斷矩陣，然后根據(jù)式（2）和（5）計算出綜合模糊判斷矩陣，見表5。

再根據(jù)式（7）計算該級指標三角模糊數(shù)權(quán)重，例如：

同理，DU112=（0.16，0.17，0.25），DU113=（0.41，0.43，0.60），

DU114=（0.06，0.08，0.13）。

根據(jù)式（8）計算DU111≥DU11j（j=1，2，3，4）可能度，

V（DU111≥DU111）=1，V（DU111≥DU112）=1，V（DU111≥DU113）=0.79，V（DU111≥DU114）=1。

根據(jù)式（9）計算U111實數(shù)權(quán)重dU111=min（1，1，0.79，1）=0.79，同理dU112=0.27，dU113=1，dU114=0.75。最后歸一化處理后得到該級指標權(quán)重WU11=

（0.28，

0.10，0.35，0.27）。其他各級指標權(quán)重也用上述方法計算。

3.2 確立三級指標隸屬度

仍以三級指標“風(fēng)、雨、霧、氣溫”為例闡述指標隸屬度的確立方法。風(fēng)、雨、氣溫為定量指標，可以從氣象部門獲取這3個指標的數(shù)據(jù)，并采用專家調(diào)查法經(jīng)過反復(fù)征詢確定其對各等級的隸屬度;霧為

定性指標，由專家給出其量化值，然后應(yīng)用式（12）～

（16）計算該指標對各等級的隸屬度。例如，專家對霧給出的量化值為33，則其對等級4的隸屬度為

同理可計算霧對其他等級的隸屬度。對各指標隸屬度歸一化處理后構(gòu)建隸屬度矩陣行RU11，見表6。

3.3 模糊綜合評價

求得三級指標“風(fēng)、雨、霧、氣溫”的隸屬度矩陣行RU11和權(quán)重WU11，選擇合適的模糊算子即可求得評價結(jié)果SU11=WU11RU11，該評價結(jié)果也是二級指標“氣象”的隸屬度。同理求得其他二級指標的隸屬度，組成隸屬度矩陣行。運用三角模糊AHP求得二級指標權(quán)重，應(yīng)用矩陣的乘法求得二級指標評價結(jié)果，該結(jié)果也是一級指標的隸屬度。以此類推求得最終評價結(jié)果

SU=（0.19，0.05，0.16，0.28，0.32）。

按照隸屬度最大化原則，可知最終評價結(jié)果中的最大值0.32對應(yīng)評價集中“危險”項，說明在此條件下庫區(qū)施工船舶處于危險狀態(tài)，需要就近拋錨或者?？看a頭。

4 施工船舶安全預(yù)警系統(tǒng)軟件的設(shè)計與應(yīng)用

4.1 預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計

考慮到預(yù)警系統(tǒng)軟件既可以在施工船舶上單機使用，也可以在施工方、海事局和施工船舶上聯(lián)網(wǎng)使用，故采用單機和網(wǎng)絡(luò)兩種模式，在單機模式時采用Access 2003、SQL Server 2008版本以上數(shù)據(jù)庫工具，在網(wǎng)絡(luò)版本下采用SQL Server 2008版本及以上數(shù)據(jù)庫，運用VB.net語言，選擇微軟公司的Visual Studio 2017開發(fā)工具平臺在Window 10操作系統(tǒng)下完成系統(tǒng)軟件的開發(fā)。依據(jù)預(yù)警系統(tǒng)擔任的任務(wù)，設(shè)計由基礎(chǔ)信息管理、評估體系管理、日常評估模塊、評估數(shù)據(jù)管理、安全預(yù)警管理、系統(tǒng)管理等6個模塊組成的預(yù)警系統(tǒng)，見圖1。

4.2 預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計完成后，需要對系統(tǒng)的科學(xué)性、準確性和可行性進行檢驗。從當?shù)貧庀蟛块T采集庫區(qū)氣象數(shù)據(jù)，從地質(zhì)部門獲取庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，從水利局獲取庫區(qū)水文數(shù)據(jù)，從海事局獲取航道數(shù)據(jù)，通過雷達獲取施工船舶航行狀態(tài)指標數(shù)據(jù)，見表7。

運行高原庫區(qū)施工船舶安全風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)，得到的安全預(yù)警結(jié)論為“危險”，與實例驗證的結(jié)果一致，證明了該預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計的科學(xué)性和合理性。分析其原因發(fā)現(xiàn)：“霧”使得能見度不良，駕駛員無法看清航道航標，不能提前規(guī)避周圍礙航物，可能導(dǎo)致碰撞、擱淺等海事事故;駕駛員已經(jīng)連續(xù)駕駛8 h以上，身心俱疲，應(yīng)急處理能力變差，也會導(dǎo)致海事事故;“經(jīng)常性缺檢”表明船舶維護管理不良，

這也是海事事故發(fā)生的原因之一。因此，綜合評估

施工船舶處于危險狀態(tài)符合此時實際情況。

5 結(jié) 論

施工船舶的安全狀況不僅事關(guān)高速公路施工進程，還威脅人命、財產(chǎn)安全。高原庫區(qū)自然環(huán)境惡劣、水文條件復(fù)雜、航道等級低等特點，決定了施工船舶安全風(fēng)險因素的識別和評價工作的復(fù)雜性和特殊性。建立一套適合高原庫區(qū)的施工船舶安全評價體系是進行船舶安全管理的基礎(chǔ)。本文根據(jù)高原庫區(qū)施工船舶的實際情況構(gòu)建了施工船舶安全風(fēng)險評估三級指標體系（包括4個一級指標、10個二級指標和23個三級指標）。該評估體系運用模糊層次分析法（AHP）計算各級指標權(quán)重，充分考慮了各因素相對重要性比較中的模糊性，使得判斷矩陣的形成更加具有可操作性，權(quán)重的確立更加科學(xué)、合理。借助專家豐富的專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗對三級指標進行評分，并運用正態(tài)分布的隸屬函數(shù)對評分進行模糊處理，使得隸屬度的確立更加可信、符合實際，也使得評價結(jié)果更加準確。通過實例驗證評估體系的科學(xué)性、合理性和實用性，以此評估體系為基礎(chǔ)設(shè)計了基于VB.net語言的預(yù)警系統(tǒng)軟件，解決了實用性難題。

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（編輯 賈裙平）