基于DEMATEL與ISM集成方法的水上交通系統脆性影響因素研究

陸夢

(上海海事大學 交通運輸學院，上海 201306)

0 引 言

隨著世界經濟的快速發展，水上運輸、旅游事業日益繁榮，水上交通事故也時有發生.水上交通事故具有爆發的不確定性、事故的連鎖性、時間的緊迫性、環境的特殊性、救援的艱難性、事態的嚴重性、影響的深遠性等特性，因此，研究水上交通系統的脆性影響因素，有助于完善水上應急管理體系，減少水上突發事件以及人員傷亡，減少國家和企業的經濟損失，促進社會的穩定團結和經濟的持續發展.

近年來國內外學者運用結構分析法[1-4]、系統科學法[5]、管理與數學工具[6-9]等對系統內部影響因素以及風險識別進行研究,但這些方法(工具)難以有效分析結構要素之間的內在影響機制的不足.比較眾多分析方法發現，解釋結構模型(Interpretative Structure Modeling,ISM)法和決策試驗和評價實驗室(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory,DEMATEL)法的有效結合不僅可以彌補上述不足，而且能滿足研究水上交通系統應急能力結構要素的相關性、層次性、可操作性等要求.

本文在對水上交通系統脆性進行數學描述的基礎上，從人、物、環境和管理等4個方面分析其脆性影響因素，吸取IMS法和DEMATEL法的優點，將復雜的因素關系轉化為直觀的具有良好層次結構關系的模型，即水上交通系統脆性影響因素多層遞階結構模型，探討水上交通系統脆性構成要素之間相互影響的內在運行機制和層次關系，找出水上交通系統脆性最直接、最根本的影響因素.

1 水上交通系統脆性影響因素分析

1.1 水上交通系統脆性的數學描述

水上交通系統是一個具有開放性、復雜性、隨機性、層次性、動態性、自適應性的復雜巨系統.在這個系統中，源自外界或系統內部的一個小的擾動，往往可能導致整個系統的崩潰，引起整個系統崩潰的那一部分要素即為脆性源.

脆性這一概念起源于對自然災害的研究.[10]近年來，國內外不同研究領域的學者對不確定環境中動態行為的研究越來越多，脆性思想已在無形中被屢屢提及和應用.脆性術語已經成為分析人地相互作用程度、機理與過程、區域可持續發展的一個非常基礎性的科學知識體系.[11]因此，水上應急系統脆性的數學描述可表示如下：

1.2 水上交通系統脆性影響因素分析

由于事故原因的復雜性和行動實施的艱巨性，需要用安全系統工程的方法分析水上交通事故發生的各種潛在危險因素.根據4M原則，可以將水上交通系統脆性的成因分為人、物、環境和管理等4個方面.

1.2.1 人的因素

有關統計顯示，80%以上的海事事故與人的因素有關.在國際海事組織(IMO)的《海事調查員示范教程》第8部分“人的因素”中，也強調人的因素與事故有關.[12]1993—2002年，在我國發生的海事事故中，存在人的因素的事故比例超過92%，其中1996年、1998年、1999年和2001年的比例均在96%左右，其他年份的比例也都不低于90%.從總體上看，事故和災害給人類造成的損失并沒有因為經驗增多而明顯下降,反而有上升趨勢.[13]

這里的“人”主要指船員和引航員等人員.人的因素主要包括人的自身內因和環境外因.人的自身內因主要包括心理、生理和行為因素.在心理因素方面，船員作為一個特殊的職業群體，特定的工作環境使他們要受到許多與常人不同的復雜因素的影響；在生理因素方面，艱苦的生活環境要求船員(特別是遠洋船員)具有良好的身體素質，航海業的危險性和突發性要求船員具有較高的應急素質；在行為因素方面，船舶工業、航海技術的日新月異，對船員的知識和技能提出更高的要求.其次在人的環境外因方面，當人在某種不良的客觀環境(船舶交通量大、水面建筑、港灣形狀的變化等)下進行船舶操縱和避讓時，其失誤概率會大大提高.[14]

1.2.2 物的因素

物的因素也是水上交通事故的主要成因之一.物的因素分為船舶因素和貨物因素兩部分.

船舶因素主要指船齡、船舶尺寸、結構和操縱性、船舶的機械設備、航海資料以及消防、救生設備等.[15]貨物(尤其是危險品和特種貨物)由于其特質不同也會直接影響水上交通的安全.一些貨物可能易爆易燃、毒性劇烈或帶有輻射，裝載時需要特別注意.

1.2.3 環境因素

環境因素主要包括自然條件因素、航道因素、社會條件因素等.除不可抗力外，它是事故發生的主要促成因素，也可能成為擴大損失的主要因素.

自然因素是指氣象、海象等自然現象，如風、浪、流、霧、雨、雪、臺風、沙暴、冰山等自然現象.航道因素是指航道的水文、地理、環境等，如航道的寬度、彎曲度、礁巖、淺灘等障礙物，風、流、潮汐的變化及航標位置等影響船舶航行的因素.社會條件因素主要是指船舶通航的密集程度、港口配套設施建設和信息系統建設.不同水域的交通密度差異和季節的變換也會給船舶航行帶來風險.

1.2.4 管理因素

管理因素主要是指船舶管理、船員管理、法規管理、安全目標管理、航行秩序管理、安全教育管理等方面的管理水平.船公司管理水平的優劣直接影響到航行安全和航行效率.當前國內船舶安全管理存在一定的問題，例如船舶管理公司經常只收取管理費而不對船舶負責，不能為船舶提供應有的安全管理服務和技術支持，船舶嚴重脫離管理公司的體系，容易發生事故.[16]因此，強化管理水平對降低水上交通風險和提高航行質量有很大幫助.

2 集成DEMATEL/ISM的多級遞階結構模型構建

水上交通系統脆性影響因素復雜，且這些影響因素之間相互關聯、相互作用，形成復雜的遞階因素鏈.應用ISM法進行定性和定量分析，可以從眾多影響因素以及復雜的因素鏈中找出影響水上交通安全的各層次影響因素.ISM屬于概念模型，最初由沃菲爾德教授開發，應用十分廣泛.[17-18]鑒于當系統影響因素較多時，單獨使用ISM法存在矩陣運算量大、運算效率低等問題，周德群等[19]綜合考慮ISM法和DEMATEL法，運用集成DEMATEL/ISM法分析系統層次結構.

本文通過集成DEMATEL/ISM法構建水上交通系統脆性影響因素結構模型，模型構建原理參見文獻[18].該方法的使用在保證分析準確性的基礎上能夠更加簡潔、系統地對水上交通系統脆性影響因素進行剖析.

步驟1確定系統的主要影響因素和不同因素間的直接影響程度，得到系統直接影響矩陣F(F=(fij)n×n，其中fij表示因素ai對aj的直接影響程度，fij=0(i=j)).

步驟2規范化直接影響矩陣

(1)

步驟3計算系統影響因素間的綜合影響矩陣T(T=(tij)n×n)，T=F+F2+…+Fn，由于fij∈[0,1]，當n→∞時，fn-1→∞，則有

T=F(E-F)-1

(2)

E為單位矩陣.

步驟4計算各因素的影響度ki和被影響度li.

(3)

(4)

步驟5計算各因素的中心度pi和原因度qi.

pi=ki+li，i=1,…,n

(5)

qi=ki-li，i=1,…,n

(6)

步驟6利用笛卡爾坐標系繪制原因-結果圖，通過分析各因素的重要性，得到關鍵致因.

步驟7在以上計算的基礎上，計算系統整體影響矩陣H(H=(hij)n×n)，

H=T+E

(7)

步驟8依據系統整體影響矩陣H確定可達矩陣U(U=(uij)n×n)：根據實際情況設定閾值λ，當uij≥λ(i=1,…,n;j=1,…,n)時，取uij=1;當uij<λ(i=1,…,n;j=1,…,n)時,取uij=0.

步驟9確定各因素的可達集合Ri以及前項集合Ai.

步驟10驗證下式是否成立.若成立則說明其對應的因素ai為底層因素，并在矩陣U中劃除i行和i列.Ri=Ri∩Ai,i=1,…,n.

步驟11重復步驟9和10，直到所有的因素均被劃去.

步驟12按照因素被劃去的順序，建立因素的層次結構.

3 算例應用

3.1 水上交通系統脆性影響因素層次結構

針對水上交通系統脆性特點，提取16個影響因素(a1,…,a16),以DEMATEL法作為ISM法的優化，構建水上交通系統脆性影響因素模型.水上交通系統脆性影響因素框架見圖1.

圖1 水上交通系統脆性影響因素框架

在調研水上交通系統相關部門人員和專家的基礎上，對以上16個影響因素進行打分，得到直接影響矩陣F為

式中:0表示兩個要素之間沒有直接影響關系；1表示兩個因素之間的關系較弱；2表示兩個因素之間的關系一般；3表示兩個因素之間的關系較強.

通過DEMATEL法求解，結果見表1.

表1 DEMATEL法求解結果

續表1

取閾值λ=0.1，根據式(9)可計算得到可達矩陣U為

經計算分析可見，水上交通系統脆性影響因素具有多級遞階結構的特點.本模型可分為4個層次，各級影響因素集為：第1層次L4={a1,a3,a6,a14,a16};第2層次L3={a2,a7,a8,a11,a12,a13};第3層次L2={a9,a15};第4層次L1={a4,a5,a10}.

3.2 水上交通系統脆性影響因素DEMATEL/ISM結構模型分析

通過以上分析,可以將水上交通系統脆性影響因素的多級遞階結構模型表示如圖2.

圖2能夠更加清晰、條理地描述各影響因素間的層次關系.從圖2可見：在水上交通系統中,人的心理、人的行為、船上應急設施、船公司的管理和其他機構的管理是導致系統脆性的直接影響因素，這些因素從根本上對水上交通事故的發生產生影響，可能成為水上交通系統崩潰的主要誘因.第2層因素(人的生理、貨物自身特征、貨物積載情況、通航密度、配套設施建設和信息系統建設)對第1層因素產生直接影響.同時，第2層因素、第3層因素(自然條件和海事機構的管理)和第4層因素(人的環境、船舶因素和航道因素)之間是相互影響、相互制約的，成為造成水上交通系統脆性的直接或間接影響因素.

圖2 水上交通系統脆性影響因素的多級遞階結構模型

4 結束語

將DEMATEL法與ISM法相結合對水上交通系統脆性影響因素進行分析，能夠深入挖掘水上交通事故發生的關鍵因素和這些因素之間的相互影響、層次關系，找出避免水上交通事故發生的關鍵問題和改善水上交通環境的措施方案，從根本上降低水上交通系統脆性的崩潰系數.

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