基于證據理論的龍口港引航安全評價

從“人-機-環-管”四方面建立龍口港引航安全系統分析模型，針對引航安全系統安全評價中的不確定性問題，采取證據理論的方法表達和處理不確定信息，提出具體的算法，驗證了該方法的可行性與有效性。

港口引航作為船舶交通運輸的一部分，其安全評價至關重要。港口引航安全評價系統主要包含“人-機-環境-管理”四大方面。從目前研究成果來看，針對港口引航安全系統的評價大部分采用定量或半定量的方法。在實際過程中，港口引航安全評價過程中會遇到評價因素的隨機性、模糊性以及事故的歷史統計數據缺乏等不確定問題，目前在處理此類不確定問題上存在不足。證據理論是研究不確定性問題的一種重要工具，經過無數研究者的改進和發展，已成為表達和處理不確定信息的有效方法，目前它在數據融合等領域獲得了廣泛運用，主要用來解決專家評判、智能決策、人才評價和風險評價等問題。因此，將證據理論應用于港口引航安全評價中顯得非常重要。

港口引航安全系統是一個時間連續、空間廣闊、組成元素眾多、關系復雜、安全概率要求非常高的一個動態系統。本文采用“人-機-環境-管理”的系統綜合評價方法。整個港口引航安全系統的安全狀況由4個子系統的安全狀況綜合得到，而每個子系統的安全狀況由各子系統的安全狀況綜合得到，如圖1所示。這個綜合過程采用證據理論的證據結合準則來實現，對于每個底層因素的安全性一般由專家根據經驗和知識給出，這里將安全等級分為“好”、“較好”、“一般”、“較差”、“差”。用證據理論分析評價整個港口引航系統安全性如圖2所示。

港口引航安全評價系統證據融合算法

在證據理論中，通常將一個樣本空間稱作一個“識別框架”，記作θ，一個基本命題記作Hq（=1，2， …，z），Hq?哿θ，Hq（q = 1，2， …，z）之間是相互獨立的。并引入基本可信度分配、信度函數、焦元等定義，在此基礎上給出證據合成規則，據此對系統進行評價。

基于基本可信度分配、信度函數、焦元等定義，給出Dempster證據合成規則。設有兩個證據是完全獨立的，它們在識別框架θ上的集函數表示分別為和。由下式定義的函數

對于多個信度的合成（融合），令m1-m2表示n個信息的信度分配，如果它們是由獨立的信息推得的。則融合后的信度函數表示為：

設m1，m2，…，mn所對應證據集為：F1，F2，…，Fn，證據集i和j之間的沖突大小為kij，則：

定義ε為證據可信度 ，其中 ，i，j?燮n，n為證據源的個數。k是n個證據集中每對證據集總和的平均，反映證據兩兩之間的沖突程度。?著是k的減函數，反映了證據的可信度。

合成公式如下：

m(?準)=0

m(A)=p(A)+k*?著*q(A)，A≠?準，X

m(X)=p(X)+k*q(X)+k(1-?著)

其中：

上式又可寫成如下形式：

其中1-k和k是加權系數。當k較小時，即證據沖突較小，式中第一項起主要作用，合成結果近似于D-S合成結果。當k=0時，新的合成公式等同于D-S的合成公式；當k→1時，即證據高度沖突時，合成結果將主要由式中的?著*q(A)決定。?著為證據可信度，q(A)為證據對的平均支持度。

在評價過程中，首先由專家和決策者給出評語集的模型評價值和底層各因素的對評語集的準信度表示，然后由Dempster證據合成法則逐層合成，得到整個系統的安全狀況的量化值。具體為：

步驟1：確定各層指標因素的權重及底層因素層關于Hq的準信度 ，一般是由決策者和專家根據自己的經驗和偏好得出。

步驟2：確定各層指標因素的基本概率賦值（集函數值）。對各指標因素集稱權重最大的指標為關鍵指標，其他為非關鍵指標。若決策者和專家對底層元素 關于Hq的確信度為 ，那么對于關鍵指標 的基本概率賦值如下

其中 表示完全不確知的基本概率賦值； 表示決策者和專家對于關鍵指標 的偏好系數，一般取值為0.9 ≤?琢jk≤1。若?琢jk是非關鍵指標，其基本概率賦值構造如下

其中：Wjn為關鍵指標的權重； 稱為因素 在中的權重規范化值。

步驟3：綜合各子系統中各層指標的基本概率賦值，利用證據合成公式進行計算分別求得綜合子系統可信度mi(i=1，2，3，4)。

步驟4：同理可由步驟3的公式綜合子系統因素Ei，(i=1，2，3，4)的集函數，得到整個系統的集函數。

步驟5：最后可由公式 得出全系統的安全狀態量化值，該值為模型的輸出。

龍口港引航安全評價算例

由于影響龍口港引航安全的因素很多，從每個子系統因素中各自選取幾個子因素指標為例，說明如何使用證據理論來解決評價問題。這里選取的模糊評語集H={差(H1)，較差(H2)，一般(H3)，較好(H4)，好(H5)}，其模糊價值為p(H)={p(H1)，p(H2)，p(H3)， p(H4)，p(H5)}={0.2，0.4， 0.6，0.8，1}。給出影響龍口港引航安全的因素集，E={E1，E2，E3，E4}={人為因素，設備因素，環境因素，管理因素}，E1={e11， e12，e13}={心理素質，技術熟練程度，生理狀況}，E2={e21，e22}={運行狀況，保養狀況}，E3={e31，e32，e33，e34，e35}={航道條件，水文條件，氣象條件，人工設施，通航秩序}，E4={e41，e42，e43，e44}={規章制度建設，培訓管理，安全文化教育，海事現場管理}。參考文獻[5，6]這里取各因素的權重為：子系統因素權重（w1，w2，w3，w4）={0.4，0.1，0.15，0.35}，人為因素各子因素權重（w11，w12，w13）={0.3，0.4，0.3}，設備因素各子因素權重（w21，w22）={0.6，0.4}，環境因素各子因素權重（w31，w32，w33，w34，w35）={0.2，0.2，0.3，0.1，0.2}，管理因素各子因素權重（w41，w42，w43，w44）={0.3，0.2，0.2，0.3}。算法中的偏好系數α取0.9，由算法中的步驟2可得子系統因素權重規范化值為λ=（0.9，0.225，0.3375，0.7875），人為因素權重規范化值為λ1=（0.675，0.9，0.675），設備因素權重規范化值為λ2=（0.9，0.6），環境因素權重規范化值為λ3=（0.6，0.6，0.9，0.3，0.6），管理因素權重規范化值為λ4=(0.9，0.6，0.9，0.6)。下面給出底層各子因素的確信度，如表1所示。

由給出的算法，可求得各子系統因素的可信度分配表，如人為因素可信度分配表、設備因素可信度分配表、環境因素可信度分配表、管理因素可信度分配表，由得到的各個子系統的綜合可信度，用算法步驟4得到整個系統可信度分配，如表2所示。

整個系統的安全性屬于較差的信用度為0.0017，屬于一般的信任度為0.0182，屬于較好的信任度為0.9657.由算法步驟5可得整個系統的安全狀態為：

由0.6＜0.7841＜0.8可知，系統的安全狀況處于一般和較好之間，偏向于較好。

結語

嘗試性的將證據理論運用于龍口港引航安全評價中，處理評價過程中的不確定性問題，并且建立了相應的分析模型和提出具體算法。采用算例驗證了該方法的可行性、有效性和實用性。

（作者單位：龍口港引航分站）