基于可變模糊集的區域內河航道健康發展評價研究

吳鳳平,吳 征,周進梅

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

基于可變模糊集的區域內河航道健康發展評價研究

吳鳳平,吳 征,周進梅

(河海大學商學院,江蘇 南京 211100)

以航道運行效果、安全性、支持保障性和環境友好性為評價要素,建立14個評價指標的區域內河航道健康發展評價指標體系。以宿遷市內河航道2014年統計數據為基礎,采用可變模糊評價法對宿遷市內河航道健康發展水平進行測算。研究結果顯示,不同參數組合下的宿遷市內河航道健康發展水平等級一致,14個指標評價結果等級可分為三類,評價結果基本符合當前宿遷市內河航道發展的客觀情況,可將建立的評價指標體系和可變模糊評價法引入內河航道健康發展水平的評價中。

區域內河航道;健康發展評價;可變模糊評價;宿遷市

作為綜合交通運輸體系的一個重要組成部分,內河航道不僅發揮其基礎作用,而且在促進現代工業、農業發展,改善人民生活,促進區域經濟轉型和推動文化交流中也扮演著重要角色。近年來,內河水運發揮的重要作用引起了中央和各級政府的高度重視。2011年《關于加快長江等內河水運發展的意見》的出臺,凸顯了我國對內河水運發展的關注,明確了內河水運在我國綜合發展中的戰略地位。交通部隨后出臺了關于貫徹《國務院關于加快長江等內河水運發展的意見》的實施意見。2013年《關于印發加快推進長江等內河水運發展行動方案(2013—2020年)的通知》則更加細致地提出了今后我國內河水運發展的目標、任務和措施,力爭到2020年建成現代化的內河水運體系——暢通、高效、平安、綠色。2014年通過的《中華人民共和國航道法》對航道的規劃、建設、養護、保護等做出了明確的規定,《中華人民共和國航道法》的實施將會促使內河航運在一個有法可依的環境下更好、更健康地發展,對開發、節約、利用和保護好有限的航道資源,充分發揮內河航運的天然優勢,推進建成更高標準、更高效率的綜合交通體系有重要的作用。內河航道發展規模的加大和速度的加快,要求內河航道的發展必須走健康發展之路,在減少能源消耗的同時盡可能地充分利用土地資源,避免對生態環境造成過多的負面影響,形成與社會、經濟、環境協調發展的局面。

近年來,國外學者對內河航道的研究主要集中于內河水運的環境效益及其可持續發展上。如Pires等[1]從分配效率、區域發展和環境影響入手,采用多準則法定量分析了內河航道基礎設施的投資項目對內河航道發展的影響。Van Lier等[2]用生命周期理論(life-cycle assessment)全面評估了內河航道運輸對環境的影響,認為內河航道運輸給環境帶來的影響主要與船舶運行、船隊構建、船舶維護以及航道基礎設施有關。Keuken等[3]采用線源模型將內河船舶排放對空氣質量產生的影響量化,指出需要采取措施來減少內河運輸的排放。Rohacs等[4]認為可持續發展交通運輸體系是未來一個重要的發展方向,內河航道運輸作為一種可與其他運輸方式相互替代的運輸方式,其在綜合交通貨運中占了很大的份額,且內河航道運輸將會促進可持續交通運輸體系的發展。Mihic等[5]認為多瑙河目前的運輸方式不利于實現長久的水運可持續發展,指出只有實行有效的信息系統等管理措施才能實現多瑙河水運穩定、長久的可持續發展。在國內,孫建設[6]采用模糊綜合評價法構建數學模型,對內河航道外部性的主要影響因子進行分析、量化,確認了內河航道外部性的數量區間和內部化政策的邊界,明確了政府在航道整治過程中應扮演的角色。王晨等[7]以長江江蘇段4段航道為實例,運用熵權TOPSIS模型,求得各評價對象的風險貼近度并進行排序,以此為依據評判各段航道引航的環境風險。侯玨等[8]提出航道建設期和運營期綠色水平評價指標體系,并將熵權法和灰色關聯分析法相結合運用到航道建設水平的評價中。阮思陽等[9]針對流域航運發展在航道治理、港口建設、港口管理以及社會安全方面存在的問題,提出航道沿岸各國應進一步加大整治，維護運河航道的力度,加強自身港口設施以及制度建設。劉均衛[10]分析了長江航道建設的生態效益與影響,定義了生態航道的概念,并提出包括水生生態調查與監測、航道工程生態化、船舶工程生態化及船舶通航生態化等長江生態航道四方面的建設內容。周業付等[11]從長江航道建設和流域經濟兩個子系統出發,采用主成分分析法研究了長江黃金水道建設與流域經濟發展的協調關系。于黎等[12]在可持續發展的基礎上,界定了內河航運在社會、經濟、生態三方面的主要特征,并進行了定量分析。

從以上綜述可以看出,雖然目前對內河航道的評價較多,但大多數研究集中在內河航道建設項目評價,航道網規劃方案評價,航道整治、維護評價以及航道可持續發展評價等方面,對于區域內河航道健康發展評價的研究較為少見。內河航道運輸作為最具有資源節約、環境友好、生態良好比較優勢的綠色運輸方式,選擇健康發展勢在必行[13],因此確定航道健康發展的定量化評價指標體系,客觀評價航道發展的健康程度,具有重要的現實意義。

1 區域內河航道健康發展評價指標體系構建

健康發展的度量最初萌芽于生態系統領域。目前,對生態系統健康發展的評估指標主要以生態指標為主,對生態系統健康的評價已被廣泛應用于濕地、草原、湖泊、森林、河流等生態系統[14]。若內河航道沒有得到很好的治理,缺乏有效的管理手段也會出現各種健康問題。鑒于此,本文在前人研究的基礎上界定區域內河航道健康發展的內涵:區域內河航道運行狀況良好,各項功能和效益可以正常發揮,與其他運輸方式協調發展;內河航運過程中能夠有效應對各種外來干擾確保運輸安全性;內河航道具有完善的支持保障體系來支撐其運行;內河航道與區域生態環境保持友好,與內河航運相關的環境目標不斷提高或改進。

為使構建的區域內河航道健康發展指標體系既能體現區域內河航道發展的健康狀況,又不失指標的可測性、可代表性和可比性,且易于獲得和量化,選取以下4個維度共同組成區域內河航道健康發展評價體系。

a. 運行效果性準則:著重從內河航道對區域社會經濟貢獻的視角來評判區域內河航道健康發展狀況。內河航道的良好運行,是保證內河航運各系統功能得到正常發揮的前提。內河航道的運行效果可以從航道投資、航道結構以及內河航運在綜合交通運輸體系中的地位等方面來體現。

b. 運輸安全性準則:著重從行業安全的視角來評判區域內河航道健康發展狀況。安全性是航道發展的生命線,健康的內河航道需要有相應的風險防范能力來減少事故的發生次數、相應的應急能力來降低事故的損失金額,以打造安全文明航道。

c. 支持保障性準則:著重從持續發展的視角來評判區域內河航道健康發展狀況。支持保障性準則指內河航運過程中需要有相應的運營管理手段、信息化水平和政策制度來保障內河航道的健康發展。

d. 環境友好性準則:著重從生態視角來評判區域內河航道健康發展狀況。環境友好性準則指內河航道建設、航道運輸對區域生態環境和資源綜合利用的影響。綜合以上因素,構建區域內河航道健康發展評價指標體系,見表1。

2 區域內河航道健康發展評價方法

2.1 相對差異函數與相對隸屬度

(1)

設

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:V稱為U的模糊可變集合;A+為V的吸引域,A-為V的排斥域;A0為漸變式質變界。

圖1 點x、M與區間X0、X位置關系

表1 區域內河航道健康發展評價指標體系

(7)

當x在區間[M,d]內時,其相對差異函數模型為

(8)

當x處于X區域外時,其相對差異函數模型為

(9)

(10)

2.2 權重的確定

二元對比法是由陳守煜教授提出的一種權重確定法[17]。該方法改進了層級分析法在語義上的不完全合理狀況,可用于指標間的重要性和優越性比較。在實際的案例研究過程中,同時將論域U中所有元素進行比較難度較大,更無法在此基礎上確定各個元素的相對隸屬度。而二元對比法則是依次選取論域中的兩個元素相比較,且將兩兩比較結果用數量的形式表示出來,并以此為基礎確定權重,直到論域中所有的元素完成兩兩對比[17-19]。

a. 假定區域內河航道健康發展共有m個評價目標,構成目標集P={p1,p2,…,pm},將目標集中元素pi與pj進行重要性排序后做二元比較,構成矩陣

即目標集P關于重要性的有序二元比較矩陣。

矩陣中元素滿足:①0≤θij≤1,i≠j;②θij+θji=1;③θij=0.5,i=j。

b. 二元比較矩陣θ明確了目標集pi與pj的模糊標度,在此基礎上構建目標集的相及矩陣Φ:

取矩陣中第一列元素表示目標集P中各目標對重要性的相對隸屬度,以向量φ表示:

(11)

(12)

c. 根據向量φ,對目標集重要性的相對隸屬度進行歸一化處理,以歸一化處理的結果值作為目標集的權重,以向量β表示:

(13)

2.3 航道健康發展評價模型

設區域內河航道健康發展評價構成的評價對象集為U,評價對象下的指標屬性值構成指標特征值向量x=[x1,x2,…,xm]=xi,xi為第i個評價指標。對指標集中的定性指標采取三角模糊數兩級比例量化法進行定量化處理。建立基于可變模糊集理論的區域內河航道健康發展的評價模型，具體步驟如下。

步驟1:規范化處理評價指標值,利用二元對比法確定準則層和指標層權重,再融合確定評價指標的綜合權重W=(ω1,ω2,…,ωm)。

步驟2:對定性指標和定量指標分別依據三角模糊數兩級比例量化法和有關規劃、規范、標準的形式建立c級評價標準,建立區域內河航道健康發展等級區間矩陣Z=(zjh)m×c。

步驟3:在c個評價等級區間的標準值基礎上,構建區域內河航道健康發展評價指標體系的吸引區間[a,b]矩陣Iab和指標體系排斥區間[c,d]矩陣Icd:

式中:j=1,2,…,m;h=1,2,…,c;[a,b]jh、[c,d]jh分別為指標j在級別h下的關于吸引區間[a,b]和排斥區間[c,d]的標準區間值,根據級別定義的物理概念確定指標i級別h的點值矩陣IM:

表2 區域內河航道健康發展評價指標分級標準

(14)

(15)

則對象u對于等級h的綜合相對隸屬度為

(16)

α與p分別取值1或2。作為進一步優化評價模型而設置的準則參數α和距離參數ρ可有4種組合方式,再對每種組合方式下的可變模糊評價結果取均值,該方法的優點是使評價結果所反映的內容更加真實可靠。

模糊綜合評價法所遵循的最大隸屬度原則在分等級條件下會出現因評判值差別較小而出現不適應的情況[17,20-21]。為避免該問題,應用級別特征值向量公式:

(17)

變換可變模糊集中α與p的參數組合,確定特征值H的變動范圍,分析H的穩定性,最終確定區域內河航道健康發展水平的級別。

3 案例研究

3.1 評價對象及數據來源

以江蘇省宿遷市內河航道健康發展狀況作為評價案例。宿遷市處于長江三角洲經濟帶之中,也是淮海經濟帶重要城市之一,屬于沿海、沿江的中間城市,受周邊發達城市的經濟輻射,是江蘇省最年輕的城市,也是黃淮地區新興的城市。宿遷市擁有洪澤湖、駱馬湖等重要湖泊,內有京杭大運河、徐洪河、淮河、沂河、沭河等重要河道,區域內水網密布,航道眾多。為確保研究結果的客觀性和可比性,相關數據均來源于《2014年宿遷市統計年鑒》、《宿遷市交通統計年鑒》、《江蘇航道船閘統計資料匯編》以及《2014年宿遷市水資源公報》,相關定性指標數據通過案卷研究、專家咨詢、實地調研等方法收集,并選用三角模糊數兩級比例量化法對定性指標進行量化。

3.2 評價等級區間的建立

為使評價結果能相對真實、客觀地反映航道健康發展的實際水平,避免出現對同一評價對象因主觀因素影響而導致評價結果差距較大,通過查閱國家和江蘇省航道相關部門的規劃報告、管理規范以及與航道發展有關的研究成果資料,在區域內河航道健康發展評價過程中建立5級評價標準。各指標的評價等級劃分見表2。

3.3 案例計算

步驟1:根據式(11)～(13)確定各維度指標的權重。各層指標權重計算結果見表3。

表3 指標權重計算結果

步驟2:根據表2構建吸引區間矩陣Iab、排斥區間矩陣Icd:

步驟3:根據實際問題的物理概念確定點值矩陣IM,確定標準為:①1、2級中的M點取其吸引域[a,b]的左極點a;②3級中的M點由其吸引域[a,b]的中點(a+b)/2確定;③4、5級中的M點取其吸引域[a,b]的右極點b。

據此得到標準點值矩陣IM為

步驟5:根據式(14)～(16)計算參數α與p不同取值情形下的綜合相對隸屬度并進行歸一化處理,同時應用式(17)計算內河航道健康發展可變模型評價結果,見表4。

表4 不同參數組合的模糊評價結果

3.4 評價結果分析

從不同的參數組合計算結果可以看出,宿遷市內河航道健康發展的總體水平處在一般偏向健康區間,顯示出宿遷市內河航道整體發展呈現健康趨勢,但是航道健康發展的程度相對較低,這與宿遷市內河航道在當前江蘇省航道建設發展的實際狀況相符。通過實證分析,一方面,表明該市內河航道健康發展取得了一些效果,但也存在內河航道交通發展投資不足、地方政府重視程度不夠等問題；另一方面,表明采用可變模糊評價方法評價航道發展的健康程度具有可行性,也驗證了模型的合理性與有效性。

4 結 語

a. 以區域內河航道健康發展水平為核心,綜合考慮航道運行效果、安全性、保障性和環境友好性等因素對內河航道健康發展水平的影響作用,建立了4個維度的評價準則,以及14個評價指標的區域內河航道健康發展評價指標體系。從實證分析結果可以看出,該指標體系能較為全面地反映航道健康發展的客觀狀況。選用二元對比法對評價準則和指標賦權,結果表明,該權重確定方法更符合思維邏輯習慣,具有較好的適用性。

b. 可變模糊集法被廣泛應用于具有模糊性和不確定性的多層次、多目標評價問題。區域內河航道健康發展評價體系是一個關系復雜、動態多變的體系,存在著許多不確定性因素,具有明顯的模糊性,并且對于評價結果的優劣沒有絕對分明的界限,采用精確的數學方法研究這一模糊問題困難較大。而可變模糊評價法可以有效解決評價指標標準區間值對評價結果的影響,通過變化模型參數,合理地確定評價指標對各級指標標準區間的相對隸屬度,進而提高評價結果的可信度。宿遷市內河航道的實證研究顯示,變化不同的參數組合所得的整體級別特征值大致相同,健康水平等級一致,基本符合當前宿遷市內河航道發展的健康水平。表明可變模糊集理論對該類問題有較好的適用性,可引入內河航道健康發展水平的評價中,為合理開發利用內河航道提供決策參考依據。

[ 1 ] PIRES JR F C M,DE CARVALHO F S. Multicriteria analysis of inland waterway transport projects:the case of the Marajo Island waterway project in Brazil[J]. Transportation Planning & Technology,2013,36:435-449.

[ 2 ] VAN LIER T,MACHARIS C.Assessing the environmental impact of inland waterway transport using a life-cycle assessment approach:the case of Flanders[J]. Research in Transportation Business & Management,2014,12:29-40.

[ 3 ] KEUKEN M P,MOERMAN M,JONKERS J,et al. Impact of inland shipping emissions on elemental carbon concentrations near waterways in the Netherlands[J].Atmospheric Environment,2014,95:1-9.

[ 5 ] MIHIC S,GOLUSIN M,MIHAJLOVIC M.Policy and promotion of sustainable inland waterway transport in Europe-Danube River[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews,2011,15(4):1801-1809.

[ 6 ] 孫建設.內河航道外部性實證研究與對策建議[J]. 現代經濟探討,2009(2):54-58.

[ 7 ] 王晨,江福才,馬全黨.基于熵權TOPSIS模型的航道引航環境風險評價[J].安全與環境學報,2016(3):33-37.

[ 8 ] 侯玨,劉芳,陳征.基于熵權和灰色關聯分析的航道綠色水平綜合評價方法[J].大連海事大學學報,2016,42(3):56-62.

[ 9 ] 阮思陽,李宇薇.瀾滄江—湄公河國際水運通道建設研究[J].廣西社會科學,2016(6):52-57.

[10] 劉均衛.長江生態航道發展探析[J].長江流域資源與環境,2015(增刊1):9-14.

[11] 周業付,羅晰.長江黃金水道建設與流域經濟發展協調關系研究:基于主成分分析[J].華東經濟管理,2015(8):67-70.

[12] 于黎,王多銀,汪承志. 內河航運可持續發展評價內容分析[J].中國水運,2013，13(6):23-26.

[13] 權美香.內河水運投資對區域經濟增長的貢獻研究:以江蘇省為例[D].南京:河海大學,2013.

[14] 郭坤榮.大汶河生態健康評價研究[D].濟南:山東師范大學,2007.

[15] 陳守煜.系統模糊決策理論與應用[M].大連:大連理工大學出版社,1994.

[16] 陳守煜.可變模糊集理論與模型及其應用[M].大連:大連理工大學出版社,2009.

[17] 陳守煜.復雜水資源系統優化模糊識別理論與應用[M].長春:吉林大學出版社,2002.

[18] 陳守煜.工程模糊集理論與應用[M].北京:國防工業出版社,1998.

[19] 曹永強,王本德,劉金祿.基于二元對比定權法的水質評價模型及其應用[J].水電能源科學,2002,20(3):19-21.

[20] 陳守煜,胡吉敏.可變模糊評價法及在水資源承載能力評價中的應用[J].水利學報,2006,37(3):264-271.

[21] 陳守煜,于雪峰.相對隸屬度理論及其在地下水水質評價中應用[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2003,22(5): 691-694.

國家社會科學基金重大項目(12&ZD214)

吳鳳平(1964—),男,教授,主要從事規劃與決策、水利經濟研究。E-mail:wu_feng_pin@163.com

10.3880/j.issn.1003-9511.2017.02.002

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1003-9511(2017)02-0005-06

2016-07-20 編輯：胡新宇)