海上救助船舶模糊相似優(yōu)選方法

吳曉林， 蘭培真

(1.集美大學 海上交通安全研究所，福建 廈門 361021；2.交通安全應急信息技術(shù)國家工程實驗室，福建 廈門 361021)

海上救助船舶模糊相似優(yōu)選方法

吳曉林1,2， 蘭培真1,2

(1.集美大學 海上交通安全研究所，福建 廈門 361021；2.交通安全應急信息技術(shù)國家工程實驗室，福建 廈門 361021)

為使船舶在遇險后能得到及時、快速、有效的救援，根據(jù)遇險船舶的類型、可提供的救助船舶的性能和當時的水文氣象條件，建立救助船舶模糊相似優(yōu)先比模型來選擇最合適的救助船舶參與救助行動。以人命救助時選擇救助船舶來確定優(yōu)選指標，應用絕對距離構(gòu)建單個指標模糊相似優(yōu)先比矩陣，通過λ-截矩陣確定單個指標的待選船舶方案與最優(yōu)船舶方案的相似程度次序，根據(jù)各指標的優(yōu)選結(jié)果對所有待選船舶方案進行綜合排序優(yōu)選。實例結(jié)果符合實際救助工作的要求，從而驗證將模糊相似優(yōu)先比模型應用到海上救助船舶的優(yōu)選上是合理的、有效的。

船舶遇險；搜尋救助；模糊相似優(yōu)先比；優(yōu)先方法

隨著經(jīng)濟全球化的快速推進和海洋資源開發(fā)程度的不斷加深，人類在海上的活動越來越頻繁，海上船舶遇險事故發(fā)生率隨之不斷上升。[1]船舶遇險之后，最關(guān)鍵的是要得到及時、快速、有效的救援。目前美國、日本和英國等發(fā)達國家的救助機構(gòu)在船舶遇險之后更多的是借助現(xiàn)代化的信息管理系統(tǒng)和完善的海上救助決策系統(tǒng)(如VHF-FM災難應急網(wǎng)絡系統(tǒng)、全球衛(wèi)星搜救系統(tǒng)、船舶互動救助系統(tǒng)、救助信息評估系統(tǒng)和COSPAS/SARAT系統(tǒng)等)來選擇救助方式。通過利用這些先進的現(xiàn)代化信息管理系統(tǒng)對遇險船舶的信息要素進行綜合分析，在5 min內(nèi)即可作出救助指揮命令，能準確、快速、科學地選擇出最合適的救助力量參與救援行動。國內(nèi)的救助機構(gòu)大多依靠人的經(jīng)驗來選擇救助方式，認為選擇距離遇險船舶最近的救助船舶參與救助效果最好，未對遇險船舶的遇險類型、可提供的救助力量及當時的水文氣象等信息進行綜合分析，以致影響救助效果、浪費救助資源，甚至影響遇險人員的及時救助?？梢姡诖坝鲭U之后正確選擇救助船舶對保證整個救助行動的成功起到至關(guān)重要的作用。朱玉柱等[2]通過對海上船舶遇險類型及可能造成的后果進行分析，構(gòu)建海上救助船舶的擇優(yōu)選擇模型，并驗證模型的有效性。周江華[3]根據(jù)現(xiàn)代化決策理論和模糊數(shù)學綜合評判方法，采用3種多目標優(yōu)選方法，在給出多種可參與救助船舶的前提下，選擇最合適的救助力量。黃躍峰[4]利用MATLAB軟件建立三層神經(jīng)網(wǎng)絡模型對海上人命救助的困難度進行評價，得到比較準確可信的結(jié)果，為救助工作提供參考依據(jù)。邢勝偉等[5]建立海上搜尋力量0-1決策模型，對可參與搜尋力量的優(yōu)化選擇進行判斷，通過分析不同船舶總量限制條件下各種方案的最優(yōu)值與最優(yōu)成本之間的關(guān)系，得出經(jīng)濟、可行的搜尋方案。楊東霞[6]采用層次分析法建立海難事故救助船舶優(yōu)選模型，提出一種判斷矩陣一致性調(diào)整的新方法，對最矛盾的元素進行調(diào)整，達到優(yōu)化的目的。這里以人命救助為例，根據(jù)遇險船舶的類型和可提供的救助船舶的性能建立救助船舶模糊相似優(yōu)先比模型，為科學地選擇最合適的救助船舶提供一種有效的方法，使救助行動更快速、更有效。

1 救助船舶優(yōu)選指標及權(quán)重的確定

1.1 救助船舶優(yōu)選指標的選取

船舶在海上的遇險形式主要有碰撞、觸礁、擱淺、觸碰、火災、爆炸、傾覆、沉沒、冰損、漂浮、浸(進)水、浪損、失控、棄船和未指明等15種。[7]船舶遇險之后可能會造成船體受損、船舶機械故障、艙室進水、沉沒傾覆、人員傷亡和落水等后果。[8]救助力量應根據(jù)救助行動的要求來選擇最合適的救助方式。在實踐中，實施救助的方式包括撤離傷員、救助落水人員、送醫(yī)生上船、醫(yī)生指導救助傷員、排水、堵漏、拖航、運送備件、減載、滅火和破冰等。

人命和財產(chǎn)(船舶、貨物)是海上救助的主要對象，無論是在時間上、救助方式上，還是在經(jīng)濟上，人命救助與財產(chǎn)救助均有較大差距，因此救助船舶的方法應從人命救助和財產(chǎn)救助這2方面進行確定。在選擇救助船舶時，應對遇險船舶的遇險類型、可提供的救助力量和水文氣象條件等進行綜合分析，以確保所選擇參與救助的船舶是最合適的，且能在不良的海況下高速、平穩(wěn)地前進。例如：噸位小、抗風力差的船舶不適宜在惡劣的氣象和海況下參與救助；油船和?；反灰藚⑴c滅火救助；吃水深的船舶無法靠近觸碰、觸礁和擱淺的船舶；干舷過高的船舶不便收放水上救生設備及救起落水人員；滿載船舶無法幫助擱淺和觸碰的船舶卸貨減載；航速小、沒有船醫(yī)和醫(yī)療設施的船舶不利于及時搶救落水者和受傷者等。具體的救助行動要求需依據(jù)遇險船舶的遇險性質(zhì)及遇險程度來決定。救助行動的總原則是“安全、迅速、經(jīng)濟”，這就要求救助機構(gòu)在選取能參與救助行動的船舶時，依照“需要的救助工作→遇險船舶的遇險類型→可參與的救助力量”的思路進行擇優(yōu)選取。這里以人命救助為例，通過查閱文獻資料、咨詢相關(guān)專家和對救助部門進行實地調(diào)研，確定在選擇救助船舶時應考慮的主要因素有救助船舶到達遇險船舶所在位置所需的時間、船舶噸位、船舶種類、船醫(yī)、干舷高度、航速和目的港等7個，記為

X={x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7}

(1)

綜合考慮這7項指標來選擇最合適的救助船舶是合理的、科學的，滿足實際救助工作的需要。

1.2 救助船舶優(yōu)選指標權(quán)重的確定

救助船舶的不同優(yōu)選指標對優(yōu)選結(jié)果的影響程度有所不同，這里采用層次分析法來確定各優(yōu)選指標的權(quán)重。[9]以進行人命救助時對救助船舶的優(yōu)選應考慮的因素為對象，通過咨詢專家，救助船舶優(yōu)選指標兩兩比較的得分結(jié)果為

(2)

計算得出判斷矩陣B中CR=0.08<0.1，當CR<0.1時，判斷矩陣B可通過一致性檢驗。判斷矩陣B歸一化之后，得到權(quán)重為

W=[0.542,0.024,0.172,0.097,0.047,

0.086,0.032]

(3)

得出的權(quán)重結(jié)果與文獻[1]中的結(jié)果相同，從而可驗證權(quán)重確定的準確性。從權(quán)重的分布來看，在人命救助中，各指標在救助船舶優(yōu)選中所起到的作用不盡相同，相對而言，救助船舶到達遇險船舶所在位置需要的時間所起的作用最大，船舶種類次之，噸位最小。

2 救助船舶模糊相似優(yōu)先比模型

相似優(yōu)先比是模糊性度量的一種形式，通過將任意2個待選方案與固定方案作比較來確定哪個待選方案與固定方案更相似，從而選擇出與固定方案相似度最大的方案。[10]應用絕對距離建立單個指標模糊相似優(yōu)先比矩陣，通過λ-截矩陣(0≤λ≤1)確定單個指標的待選船舶方案與固定船舶方案的相似程度次序，最后根據(jù)各指標的優(yōu)選結(jié)果對所有待選船舶進行綜合排序優(yōu)選。

2.1 救助船舶模糊相似優(yōu)先比矩陣

假設可參與救助的船舶為

Y={y1,y2,…,yn}

(4)

Rp=(rpij)n×n,rpij∈[0,1],1≤p≤7

(5)

(6)

式(6)中：1≤p≤7,1≤i,j≤n；0≤rpij≤1，且rpii=1；rpij+rpji=1,i≠j。

2.2 單指標救助船舶優(yōu)先排序法

模糊相似優(yōu)先比矩陣直接反映Y中任意2個待選船舶方案與最優(yōu)船舶方案比較時，接近最優(yōu)船舶方案的相對優(yōu)先程度。為進一步確定在單個指標下Y中各待選船舶方案與最優(yōu)船舶方案比較的相似程度，對Rp建立λ-截矩陣，即

式(7)和式(8)中：1≤p≤7；0≤λ≤1；1≤i；j≤n。

以λ從大到小逐個檢查Rpλ，若Rpλ中第i行元素均為1，則yi即為與y*最相似的船舶方案，將原矩陣中最相似船舶所在的行和列劃去，得到1個新矩陣，重復上述步驟，即可依次得到次相似船舶方案。

2.3 綜合指標救助船舶優(yōu)先排序法

若Y中有m個指標，則需首先對各指標進行排序，然后根據(jù)得分多少對這m個指標進行綜合排序。多指標綜合排序常用的方法有以下2種：

1)總分法。其排序標準為m個指標的得分總和，即

(9)

2)加權(quán)平均法。根據(jù)每個指標的權(quán)重值αp，其排序標準為m個指標得分的加權(quán)總和，即

(10)

3 實例應用

某海區(qū)冬季發(fā)生船舶遇險事故，風力較大，環(huán)境較為惡劣，遇險船舶附近可參與救助的船舶有10艘，各救助船舶的指標值見表1。

表1 10個船舶方案的指標值

表1中，考慮到不同船舶所能勝任的某種救助工作的能力，海事局巡邏艇等勝任能力較強的船舶取值為5，專業(yè)拖船取值為3，其他船舶取值為2。在實際使用時，船舶救助的勝任能力可依據(jù)優(yōu)先適合度進行合理的調(diào)整。

3.1 單指標救助船舶優(yōu)先排序

由表1，以各指標中10艘船舶的最優(yōu)指標值建立最優(yōu)船舶方案，有

y*=(0.6,4 190,5,0.48,5,30,15)

(11)

對于表1中的各指標xp∈X(1≤p≤7)，根據(jù)式(6)建立單指標救助船舶相似優(yōu)先比矩陣Rp，即分別對時間、噸位、船舶種類、干舷高度、船醫(yī)、航速和目的港等7個指標建立7個優(yōu)先比矩陣R1，R2，R3，R4，R5，R6及R7。例如，時間x1指標的優(yōu)先比矩陣R1為

(12)

由優(yōu)先比矩陣R1的第7行全為1.00，易得船舶方案y7絕對比其他船舶方案優(yōu)先，即船舶方案y7的時間指標與最優(yōu)船舶方案最相似。λ值從1.00開始，由大到小逐個檢查R1λ，若R1λ中第i行元素均為1.00，則該行對應的船舶方案為最相似船舶方案。根據(jù)優(yōu)先比矩陣R1可判斷船舶方案y7優(yōu)于其他船舶方案，將第7行和第7列劃去得到新的矩陣。

當λ=0.75，λ-截矩陣R1λ=0.75第9行元素全為1.00，說明船舶方案9僅次于船舶方案7，同樣地將第9行和第9列劃去。以同樣的方法取λ-的截集，重復上述步驟，即可依次得到次相似船舶方案。最后得到各船舶方案的第1項指標時間排序為

x1:y7>y9>y6>y3>y5>y1>y2>y4>y10>y8

(13)

同理，可求得余下各指標中10艘船舶與最優(yōu)船舶的6個模糊相似優(yōu)先比矩陣，以同樣的方法對各船舶方案的其余指標進行排序，得各指標中船舶方案排序為

x1:y7>y9>y6>y3>y5>y1>y2>y4>y10>y8

(14)

x2:y3>y5>y7>y9>y8>y10>y4>y2=y6>y1

(15)

x3:y6=y7=y9>y3=y5>y1=y2=y4=y8>y10

(16)

x4:y1>y2=y6>y4>y10>y8>y9>y7>y5>y3

(17)

x5:y3=y5>y7=y9>y8=y10>y1=y2=y4>y6

(18)

x6:y7>y9>y6>y3>y1=y2=y5>y4>y8=y10

(19)

x7:y8>y10>y4>y9>y2>y1=y7>y5>y3>y6

(20)

3.2 綜合指標救助船舶優(yōu)先排序

根據(jù)“3.1”節(jié)中單指標10艘救助船舶的排序結(jié)果，歸納出10艘救助船舶的相似程度排序加權(quán)得分見表2?？紤]到7個指標的權(quán)重不同，采取加權(quán)平均法進行綜合指標救助船舶優(yōu)先排序。船舶方案排序得分遵循的規(guī)則是第1名得1分、第2名得2分，以此類推，若名次相同，則平均給分。名次越靠前，相應的得分越小，加權(quán)和也就越小，即加權(quán)和最小者最相似。根據(jù)表2中的加權(quán)和排序結(jié)果，將各船舶方案按優(yōu)選排序為y7>y9>y6>y3>y5>y1>y2>y4>y10>y8。

由模糊相似優(yōu)先比方法的排序結(jié)果可判斷船舶方案7和船舶方案9是優(yōu)先考慮的救助方案，船舶方案7是最合適的救助方案，而船舶方案8和船舶10是不予考慮的救助方案。實例結(jié)果與救助機構(gòu)多位有多年海上救助經(jīng)驗的救助人員對本案例分析總結(jié)出的結(jié)果是一致的，船舶方案7在此次救助行動中的救助效果最佳，從而驗證將模糊相似優(yōu)選方法應用到海上救助船舶優(yōu)選上是有效的、合理的。

表2 10艘救助船舶的相似程度排序加權(quán)得分

4 結(jié)束語

在發(fā)生海難之后，及時采取救援行動是非常關(guān)鍵的，這就需救助機構(gòu)在接到海上搜救中心發(fā)來的遇險船舶求助信息之后，在最短的時間內(nèi)做出判斷并派出最合適的救助船舶開展救援行動。本文以人命救助為例，基于對整個海難事故的類型和救助船舶的性能的綜合分析，建立模糊相似優(yōu)先比模型來優(yōu)選救助船舶，從而科學地選擇出最合適的救助方式，使救助行動更加快速、有效。

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FuzzySimilarityOptimizationMethodforSelectingSalvageShip

WUXiaolin1,2，LANPeizhen1,2

(1. Maritime Traffic Safety Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2. National Engineering Laboratory for the Emergency Information Technology of Traffic Safety, Xiamen 361201, China)

To make the ship in distress get timely, rapid, effective rescue, the most suitable salvage ship should be sent. For that purpose, the fuzzy similar priority ratio model of salvage ships is set up based on the types of the ship, available performance of salvage ships, and hydrology-weather condition, so as to ensure the best choice of assistance is provided in the rescue activity. The principle is that saving life has the highest priority. A single index matrix of fuzzy similarity priority ratio is established according to the absolute distance to determine the similarity degree sequence of ship scheme concerning single indicator. The comprehensive ranking of all alternative ship schemes, which is to guide the ship choice, are found based on all the indicators. The method is verified in practical tasks.

ship in distress； search and rescue； fuzzy priority similarity ratio； prior method

2018-01-12

交通運輸部應用基礎研究項目(2014329208290)；福建省教育廳項目(JAT160278)

吳曉林(1991—)，男，廣東潮州人，碩士生，研究方向為交通運輸規(guī)劃與管理。E-mail：xiaolnwu@163.com

蘭培真(1962—)，女，福建古田人，教授，博士，研究方向為交通信息工程及控制、海上交通安全保障。E-mail：peizlan@163.com

1000-4653(2018)01-0074-04

U676.8+1

A