基于熵權物元模型的航道引航環境風險評價

王 晨，江福才，馬全黨，馬 勇，鐘慶云，孟貝貝

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063；2.內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063)

基于熵權物元模型的航道引航環境風險評價

王 晨1,2，江福才1,2，馬全黨1,2，馬 勇1,2，鐘慶云1,2，孟貝貝1,2

(1.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063；2.內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063)

為客觀、定量評價不同航道引航環境風險狀況，并確定其風險等級，以航道通航環境為評價主體，增添反映被引船舶狀況的客觀量化指標，構建航道引航環境風險評價指標體系，并使用熵權物元模型對其進行評價。根據待評價航道引航環境的風險特征和評價需求，使用Visual C++6.0開發基于熵權物元模型的風險評價軟件，為引航作業和海事管理提供決策支持。在實例驗證中，選取長江江蘇段某4段航道，根據航道引航環境風險評價指標體系確定其指標客觀量化值，通過熵權物元模型處理得到其引航環境的風險等級。為對客觀量化的評價結果進行檢驗，邀請20位引航員根據定性的評價標準確定4段航道的指標主觀定性分數，通過風險評價軟件對4段航道的引航環境風險狀況進行重新評價，對比分析定性與定量評價的結果，驗證模型的可靠性和軟件的實用性。

引航環境；航道；風險評價；熵權；物元模型

目前關于船舶引航安全的研究大多針對某個引航過程，從人、船、環境和管理等4個方面進行考慮，采用綜合安全評價法(Formal Safety Assessment,FSA)[1-2]對引航員及船員、引航船舶類型、引航水域環境和引航站管理等方面的相關指標進行分析。在這些研究中：評價對象主體較為模糊，評價指標多為定性描述，未嘗試用客觀量化值來表示；指標權重采用層次分析法確定，評價結果受主觀因素的影響大；評價方法不具有普適性和可移植性，難以形成統一的標準，也難以得出具有實際參考價值的結論。

近年來，在針對船舶通航環境風險評價的研究中，對風險指標的描述已呈現出由定性[3-5]向定量發展的趨勢。描述的主體思想是將船員等難以定量描述的因素從通航風險影響因素中剝離，僅分析航道通航環境風險；或對可間接反映該因素風險狀況的可量化指標進行描述，如用船舶營運年份代替船舶操縱性能，用船舶違章狀況代替船員素質等。此外，在定量評價航道通航風險的研究中，多采用物元模型。例如：張寶剛[6]和劉康[7]選用層次分析法確定指標權重，針對航道通航環境建立可拓物元模型；吳定勇等[8]用熵權法代替層次分析法計算物元模型中的指標權重，可在一定程度上消除不確定性和主觀判斷對結果的影響。

可拓物元理論及其應用是一門集數學、思維科學和系統科學于一體的創新性交叉學科。物元模型作為對風險進行定量評價的模型，廣泛應用于安全[9-10]及環境[11-12]等學科中。

船舶引航安全與船舶通航環境密切相關，這里基于定量評價船舶通航環境風險研究，擬以影響引航安全的可量化因素為評價指標，以航道通航環境為主體，結合被引船舶的狀況，采用熵權物元模型對長江江蘇段某4段航道的引航環境風險狀況進行評價，確定其風險等級，并使用Visual C++6.0開發基于熵權物元模型的風險評價軟件，為引航作業提供借鑒。

1 模型建立

物元分析法的主要思想是用“事物的名稱”“特征”及“量值”等3個要素對事物進行描述，并將其組成有序的基本單位，即物元。

設N為事物的名稱，C為特征，V為量值，則物元R可表示為

R=(N，C，V)

(1)

在運用物元模型時，通過以下流程(見圖1)確定熵權物元模型：

1) 根據評價對象的類型和擬選取的評價指標確定風險等級標準，并將其量化為經典域和節域。

2) 選取評價對象，確定其指標值，計算該對象與各風險等級的單指標關聯度。

圖1 熵權物元模型求解流程

3) 確定各指標權重，得到評價對象與各風險等級的綜合關聯度。

1.1確定評價對象類型及等級標準

設Q為評價標準物元，Cj為第j個評價指標，Vj=(aj,bj)為評價標準物元在第j個指標的節域(節域是指某個指標在全體評價等級下的量值范圍，即該指標在各評價等級下經典域的集合)。[8]

Q=(N,Cj,Vj)=(N,Cj,(aj,bj))

(2)

將評價標準設置為q個等級，設Qp為評價標準的p等級物元，Vjp=(ajp,bjp)(p=1,2,…,q)為評價標準物元的第j個指標在p等級下的經典域(經典域是指評價對象某指標在某等級下的量值范圍)。

Qp=(Np,Cjp,Vjp)=(Np,Cjp,(ajp,bjp))

(3)

因此，節域又可表示為

Vj=(aj1,bjq),p=1,2,…,q

(4)

明顯有Vjp?Vj。

1.2選取評價對象

根據評價對象的類型選取評價對象，并確定其評價指標值。在評價標準統一有效的前提下，熵權物元模型可對該類型的1個或多個對象進行評價。理論上，評價對象的所有量值均會在模型的節域內。

設有m個評價對象，則第i個評價對象的物元可表示為

Yi=(Yi,Cij,vij)

(5)

式(5)中：Cij和vij分別為第i個評價對象的第j個指標及第j個指標值。

1.3計算評價對象的單指標等級關聯度

各評價對象的單指標等級關聯度的計算式為

(6)

|Vjp|=|bjp-ajp|

(7)

(8)

(9)

式(6)～式(8)中：ρ(vij,Vjp)為點vij與經典域區間Vjp=(ajp,bjp)的距離；ρ(vij,Vj)為點vij與節域區間Vj=(aj,bj)的距離；vij，Vjp及Vj分別為第i個評價對象的第j個指標的物元量值、經典域和節域；Kijp(Yij)為第i個評價對象的第j個指標與不同等級p的關聯度。

1) 當Kijp(Yij)>0時，待評價物元符合某級標準要求，其值越大，符合程度越高。

2) 當-1

3) 當Kijp(Yij)<-1時，待評價物元不符合某級評價標準要求，且不具備轉化為該級標準的條件，其值越小，表明與某級評價標準的差距越大。[10]

1.4熵權法確定指標權重

設有m個評價對象、n個評價指標，xij為第i個評價對象的第j個評價指標的取值，由此建立風險判斷矩陣A為

A=(xij)m×n,i=1,2,…,m；j=1,2,…,n

(10)

由于評價指標一般具有不同的量綱，因此需對評價指標進行無量綱化處理，計算式為

(11)

由此得到標準風險判斷矩陣B為

B=(bij)m×n,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(12)

1) 定義各評價指標的熵為

2) 計算各評價指標的熵權為

(15)

由此可得權重向量為

(16)

1.5計算綜合關聯度

計算各評價對象與各風險等級的綜合關聯度Kip(Yi)。

(17)

2 實例應用

2.1確定評價對象類型及等級標準

以長江航道某引航河段的引航環境為研究對象，通過查閱文獻[4,6-8,13]和實地調研，并結合專家及引航員的工作經驗，擬將該段航道的引航環境風險因素分為自然環境、航道條件、交通環境和被引船舶狀況等4個一級指標，將評價標準分為低風險度R1,較低風險度R2,中等風險度R3,較高風險度R4和高風險度R5等5個等級評價對象分別為能見度C1,風C2,最大流速C3,航道最小寬度C4,航道長度C5,航道彎曲度(最大轉向角)C6,與航道中心線最近礙航物距離C7,轉向點個數C8,航道內礙航物個數C9,交通流量C10,交通事故量C11,導助航設施完善率C12,VTS覆蓋率C13,船舶類型C14,船舶尺度C15,船齡C16,引航事故C17。評價對象指標體系及指標值見表1，模型評價標準見表2。

表1 待評價對象指標體系及指標值

2.2計算單指標等級關聯度

建立航道引航環境物元，根據式(10)～式(12)將物元轉化為標準風險判斷矩陣，根據式(5)～式(8)得到各評價對象單指標等級關聯度。以待評價對象L1為例，得到其單指標等級關聯度見表3。

2.3確定評價指標權重

由式(9)～式(15)計算各評價指標權重，可得：ω1=0.049 2，ω2=0.068 2，ω3=0.061 7，ω4=0.066 6，ω5=0.055 6，ω6=0.059 1，ω7=0.056 4，ω8=0.051 0，ω9=0.092 3，ω10=0.049 48，ω11=0.058 3，ω12=0.052 8，ω13=0.050 4，ω14=0.052 0，ω15=0.050 1，ω16=0.055 0，ω17=0.069 2。

2.4計算綜合等級關聯度

根據式(16)計算各評價對象綜合等級關聯度(見表4)，可看出：max[K1p(Y1)]=K12(Y1)=-0.100 28，max[K2p(Y2)]=K22(Y2)=-0.129 37，因此L1和L2的引航環境風險處于R2等級，即“較低風險”；max[K3p(Y3)]=K33(Y3)=-0.135 18，max[K4p(Y4)]=K43(Y3)=-0.064 49，因此L3和L4的引航環境風險處于R3等級，即“一般風險”。

2.5計算綜合等級關聯度

為對同一等級內的評價對象的風險大小進行判斷，引入級別變量特征值p*[8,14]。級別變量特征值表示失效程度，即偏離所在等級的程度。因此，相同等級內的評價對象的級別變量特征值越小，與其對應風險等級的吻合度越高。

(18)

(19)

經計算可知:評價對象L1和L2的級別變量特征值分別為2.187 41及2.089 12，L2與R2等級的吻合度更高,而由L1的綜合等級關聯度可知,其較易轉化為R1等級,因此風險L2>L1；評價對象L3和L4的級別變量特征值為3.301 46及2.611 54，L4與L3等級的吻合度更高,而由L3的綜合等級關聯度可知,其較易轉化為R4等級,因此風險L3>L4。綜上可知，航道引航風險從大到小的排序為L3>L4>L2>L1。

3 軟件設計

3.1軟件需求分析

隨著南京以下12.5 m航道整治工程實施，長江江蘇段的通航和引航條件得到較大改善，但由于該航段自然環境復雜，交叉航段和彎曲航道眾多，引航環境風險依然較高。為對長江江蘇段引航環境進行由大到小的分航段評價，使用Visual C++6.0設計基于熵權物元模型的風險評價軟件。

圖2為評價對象劃分方法，軟件設計需滿足上述評價需求，即模型的適應性和可移植性較好，從而對各航段引航環境進行整體到局部的評價，進而得到長江江蘇段從局部到整體的航道引航環境風險狀況。

表2 模型評價標準表

表3 L1的單指標等級關聯度K1jp(Y1j)

表4 各評價對象綜合等級關聯度

圖2 評價對象劃分方法

在該評價軟件的設計中，考慮到不同尺度下各航段引航環境條件相差較大，可能需建立不同的評價指標體系和等級標準，以對其風險狀況進行準確評價。因此，該軟件不對評價指標體系和等級標準進行前期設置，由使用者在對某類對象進行某次評價時確定，并將其輸入到軟件左側指標區面板即可。

在軟件右側參數區輸入各評價對象指標值，綜合考量長江江蘇段引航環境風險影響因素和航段劃分情況。軟件設置有至多20個評價指標和至多6個評價對象的容量。

3.2軟件功能設計

軟件主要包括數據輸入、檢測計算和結果輸出等3個模塊，其中數據輸入和檢測計算主要通過軟件輸入面板(見圖3)實現。

圖3 軟件輸入面板

軟件輸入面板包括指標區、參數區和功能區，其中,指標區和參數區主要用于數據輸入，功能區主要用于數據檢測及計算。

1) 在指標區內，對于某評價指標來說，每個等級對應一個數值區間，即熵權物元模型中的經典域，其中最小風險等級的經典域下限值和最大風險等級的經典域上限值組成節域。當評價指標為反向風險指標(即數值越小風險越大的指標)時，為使其適應本軟件算法，需將其評價標準和指標值轉變為相反數輸入。

2) 在參數區內，輸入值為評價對象的指標值，可同時對A,B,C,D,E,F等至多6個對象進行評價。

3) 功能區包括“初始化”“添加指標”和“計算”等3個按鈕。點擊“初始化”，面板所有輸入的數據清零，可進行下一次計算；當評價標準不變，需修改評價對象指標值輸入時，可點擊對應的評價對象按鈕，清除對應的評價對象指標值。點擊“添加指標”，可彈出指標擴展面板，該軟件至多可設20個評價指標。點擊“計算”，首先對數據進行檢測，若數據有誤，則彈出錯誤提示框；若數據無誤，則依據指標數據對各對象進行風險評價，彈出軟件輸出面板，顯示計算結果。圖4為軟件輸入面板(擴展)。

圖4 軟件輸入面板(擴展)

軟件輸出面板(見圖5)主要用于結果輸出，包括評價對象對R1～R5等5個等級的綜合關聯度和各對象的級別變量特征值。對于某個對象，關聯度最高的等級即為其所屬等級；而若有多個對象屬于同一等級，可通過級別變量特征值來區分同等級下不同對象的隸屬度。

圖5 軟件輸出面板

4 結果驗證

在實例應用中，對4段航道引航風險狀況進行評價的依據是客觀量化指標值和相應的等級標準。為對熵權物元模型的評價結果進行主觀性驗證，建立各評價指標的主觀評價標準，并邀請20位引航員根據該標準確定各評價對象的各項指標值，使用評價軟件對4段待評價航道的引航環境風險狀況進行評價。主觀評價標準見表5，20位引航員的主觀評價結果統計見表6。

表5 主觀評價標準

表6 20位引航員的主觀評價結果統計

5 結束語

1) 根據長江江蘇段引航環境風險特征，選取熵權物元模型進行評價。熵權物元模型是一種基于數學模型的評價方法，相比綜合評價方法，原理簡單、計算簡便，可靠性、適應性和移植性較強。

2) 根據長江江蘇段引航環境風險特征和評價需求，使用Visual C++6.0設計基于熵權物元模型的航道引航環境風險評價軟件，針對長江江蘇段引航環境風險狀況進行從整體到局部的評價，為引航部門作業及海事部門監管提供理論依據和決策支持。

3) 以航道為評價載體，以航道通航環境為評價主體，增添能反映航道引航船舶狀況的客觀量化指標，對航道引航環境進行客觀、獨立的風險評價；同時，采用熵權法確定指標權重，以摒棄主觀意識影響。

4) 在后續研究中，擬以航道引航環境為評價主體，增添環境實時狀態、被引船舶實時狀態、引航員及船員實時狀態等指標，對單艘船舶引航風險進行動態預測。此外，如何通過客觀量化指標對上述狀態的風險情況進行描述仍需進一步研究。

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EnvironmentRiskEvaluationforChannelPilotingBasedonEntropyWeightandMatter-ElementModel

WANGChen1,2,JIANGFucai1,2,MAQuandang1,2,MAYong1,2,ZHONGQingyun1,2,MENGBeibei1,2

(1.School of Navigation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430036,China;2.Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology,Wuhan 430036,China)

An index system reflecting the channel piloting risks associated with the channel conditions is established.The system involves both navigational environment of channels and the conditions of piloted ships,emphasizing the former.The entropy weight and matter-element model is used for evaluating the environmental risks to channel piloting.A risk evaluation software for supporting decision making in pilotage operations and maritime services is developed with Visual C++6.0 according to the risk characters and evaluation requirements.Four channels of Yangtze River are evaluated for illustration.The objective quantitative values of indexes for each channel are obtained by the proposed evaluation system.Meantime,20 experienced pilots are invited to give their subjective estimates of the channel condition indexes.The two sets of indexes are used for risk estimation respectively and the results are compared for verification.

piloting environment; channel; risk evaluation; entropy weight; matter-element model

U698;U675.98

A

2017-01-23

國家自然科學基金(51579202)；國家自然科學基金青年基金(51309186)

王 晨(1992—)，男，河北定州人,碩士生，從事水上交通安全與環境保障研究。E-mail:wangchenwut@foxmail.com

馬全黨(1984—)，男，河南周口人,實驗師，碩士，從事水上交通安全與環境保障研究。E-mail:qdmawhutedu@qq.com

1000-4653(2017)02-0044-06