基于物元法的船舶定線制實施后水域通航安全評價

李志榮，朱金善，朱景林，黃 成

(大連海事大學航海學院，遼寧 大連 116026)

隨著我國“海運強國”戰略的推進，大型高速船舶的通航密度越來越大，加之海上養殖和漁船的活動越來越頻繁等因素的影響，使得通航環境更加復雜，同時也增加了海上安全航行隱患。因此，船舶定線制的作用越來越明顯。根據國際海事組織(Intemational Maritime Organization,IMO)發布的《關于船舶定線制的一般規定》，船舶定線制作為一種使船舶在某水域航行應遵守的海事管理制度[1]，對船舶航行安全、海上人命安全、通航效率以及海洋資源利用和保護等都有著重要的意義。

由于船舶的大型化和航行的快速化、定線制水域內船舶交通流量的增大以及海上光污染的加重，船舶定線制水域所面臨的安全問題日益突出，原有的船舶定線制方案實施后的通航安全亟待評價。目前，針對船舶定線制實施后水域通航環境評估方面已有大量的研究。如崔娟[2]采用時間序列分析法評價了船舶定線制實施后的安全效果；范中洲[3]采用可拓理論和模糊神經網絡理論建立了船舶定線制評價模型；黃常海等[4]采用組合賦權-未確知理論建立了船舶定線制水域航行安全評價模型；馮自儉[5]構建了基于改進層次分析法的船舶定線制模糊綜合評價模型，對珠江口水域船舶定線制實施后的安全性和有效性進行了評價；劉紹滿[6]采用基于人為因素的動態四元船舶領域模型對船舶定線制的通航能力進行了評價，為航道的擴寬提供了技術支持；孫浩[7]運用改進的均差法并考慮指標間的內在聯系，對實施后的擔桿水道船舶定線制進行了評估研究；Ulus?u等[8]將進程調度的數學模型運用于船舶定線制水域，進而提高了船舶在該水域的通航效率；Szlapczynski[9]基于進化算法研究了船舶定線制實施后水域船舶的最佳航跡；Jensen等[10]通過對交通流進行分析，評價了分道通航制實施后水域的船舶通航效率；Pietrzykowski等[11]利用AIS數據建立了分道通航制實施后水域的船舶領域模型。

但上述研究未對船舶定線制實施后水域通航環境變化進行有針對性的研究，尤其是船舶定線制實施后船舶交叉會遇局面和航路的變更以及海上光污染的出現等，且在對船舶定線制水域通航安全進行評價的過程中，指標的主觀因素會導致評價結果的主觀性過強，影響了決策結果，而物元法可將物元量值反映到[+∞,-∞]實軸上以客觀表述評價對象的實質，從而減弱了評價結果的主觀性。因此，本文從船舶定線制實施后的通航安全評價出發，篩選船舶交叉會遇局面和航路的變更以及海上光污染的出現等具有代表性的評價指標，引入AHP-熵值法綜合賦權法確定評價指標的綜合權重，以克服因主觀性過強而導致客觀信息丟失的不足，同時還不丟失決策者的主觀信息，并基于物元法綜合評價各評價指標對船舶定線制水域通航安全的影響程度，通過關聯度計算安全性綜合評價等級，從而得到更加客觀且準確的評價結果。

1 船舶定線制實施后水域通航安全評價模型的建立

1.1 船舶定線制實施后水域通航安全評價指標體系的構建

船舶定線制水域通航環境是“人-船-環境-管理”構成的復雜系統，系統中的各因素相互影響和制約。隨著船舶的大型化和航行的快速化、定線制水域內船舶密度的增大以及定線制水域沿岸背景光的增強等，導致定線制水域內影響船舶航行安全的危險源增加且更加復雜。為了更好地評價定線制實施后各影響因素對船舶航行安全的影響程度，參考有關船舶定線制、船舶定線制后評價以及船舶航行安全評價方面取得的研究成果[2-7,12-14]，遵循“代表性、可操作性、科學性”的評價指標體系構建原則，并結合船舶定線制的一般規定，以對船舶航行安全為評價目標，將各個指標評價等級分為5個等級，分別為非常危險、較危險、一般安全、較安全、非常安全，依次對應I～V級，最終構建了船舶定線制實施后水域通航安全評價指標體系和各指標評價等級閾值，詳見表1。

表1 船舶定線制實施后水域通航安全評價指標體系和各指標評價等級閾值

1.2 基于AHP-熵值法的評價指標權重確定

設有m個評價水域，每個水域有n個評價指標，組成原始的數據矩陣X[15]:

(1)

式中:xij為第i個評價水域第j項評價指標值。

(2)

式中:ej≥0;k=lnm,k>0。

根據公式(2)求得每個評價指標的熵值權重為

(3)

式中:gj為第j項評價指標的差異性系數，gj=1-ej。

由于通過熵值法確定評價指標權重時缺乏主觀性，因此可利用層次分析法(AHP)來修正熵值法的該缺點，同時也優化了AHP法在確定評價指標權重時存在主觀性較強的問題。因此，本文采用加法集成原理利用AHP-熵值法對各評價指標進行綜合賦權:

W=aWs+bWo

(4)

1.3 基于物元法的船舶定線制實施后水域通航安全評價模型的建立

物元法是分析在特定條件下無法達到理想效果的某些不相容問題的一種方法。該方法根據某元素的特征值大小判斷所屬某集合的影響程度，并通過關聯函數的大小衡量元素和集合間的關系。

設對象為N，特征為c，量值為x，則它們可構成的有序三元組M=(N,c,x)作為描述事物的基本元，簡稱一維物元，N、c、x稱為物元M的三元素。若對象N有n(n>1)個特征，n個特征Cn=[c1,c2,…,cn]及其對應描述的量值Xn=[x1,x2,…,xn]，則稱n維物元，構成的矩陣為

(5)

1.3.1 構建經典域物元矩陣

船舶定線制實施后水域通航安全評價的經典域物元矩陣Mab為

(6)

式中：Nj為船舶定線制實施后對應船舶通航安全的評價等級(j=1，2，…，5)；Ci為評價船舶定線制后通航安全所構建的6個特征指標，分別為船舶密度、船舶會遇交叉局面、航路變更、漁船航行、障礙物和附近水域或沿岸背景燈光亮度；Xji分別為各個評價等級Nj所對應關于評價指標Ci的量值范圍〈aji,bji〉，即為經典域。

1.3.2 構建節域物元模型

物元節域為所確定的評價指標能夠滿足的基本要求，包括標準和可轉換為標準的事物。船舶定線制實施后水域通航安全評價的節域物元矩陣Mp為

(7)

式中：P為船舶定線制水域通航安全評價等級的全體；xpi為船舶定線制實施后水域通航安全評價等級P關于其全體特征指標Ci的量值范圍，即節域〈api,bpi〉，其取值為船舶定線制實施后水域通航安全不同評價等級的量值范圍。

1.3.3 構建待評物元模型

(8)

式中：Xi為船舶定線制實施后水域通航安全評價等級P關于其評價指標Ci的量值范圍，即為待評船舶定線制實施后水域通航安全評價等級所得各評價指標的指數。

1.3.4 關聯度的計算

船舶定線制實施后水域通航安全性對應評價等級的關聯度計算公式[16]為

Kj(xi)=ρ(xi,xji)/D(xi,xji,xpi)

(9)

其中：

(i=1,2,…,n)

確定船舶定線制實施后水域通航安全評價等級對應的關聯度時，由于不同評價指標的權重大小不同可得到不同的關聯度，則綜合關聯度為

(10)

式中：Kj(P0)為待評船舶定線制水域P0相對于船舶通行安全評價等級j的關聯度；wi為評價指標Ci的權重分配系數。

1.3.5 確定評價等級

在確定待評船舶定線制水域P0相對于船舶通行安全各評價等級的關聯度Kj(P0)后，結合最大關聯度原則可得:

(11)

可斷定待評P0船舶定線制后水域P0通航安全評價等級為j0級。Kj(P0)∈[1,+∞)表示待評船舶定線制水域P0超過了標準對象的要求程度；Kj(P0)∈[0,1)表示待評船舶定線制水域P0屬于某安全評價等級，符合標準對象的要求程度，數值越大表示符合程度越高；Kj(P0)∈(-1,0)表示待評船舶定線制水域P0不屬于任何安全評價等級范圍，不符合標準對象的要求程度，但可轉換為標準對象；Kj(P0)∈[-∞,1)表示待評船舶定線制水域P0不符合標準對象的要求程度且不能轉換為標準對象。若令:

(12)

可得評價等級的基本變量特征值j*為

(13)

可通過基本變量特征值j*來判斷船舶定線制水域通航安全評價等級偏向某一級別的程度。

2 老鐵山水道船舶定線制實施后水域的通航安全評估

根據遼寧海事局事故統計，在老鐵山水道及其附近海域近五年發生了9起海上交通事故，其中有6起為船舶碰撞事故，2起為船舶主機故障，1起為船舶火災事故。船舶碰撞事故是影響老鐵山水域船舶通行安全的最主要原因。碰撞事故的發生前提是當事船舶在海上會遇，如果減少或避免了船舶會遇，尤其是交叉會遇，就會增進老鐵山水道的船舶航行安全。因此，有必要對老鐵山水道船舶定線制實施后水域的通行安全進行評價。

2.1 船舶定線制的實施概況

2.1.1 基本情況

《老鐵山水道船舶定線制》正式實施于2006年6月1日，該水道船舶定線制由分隔帶、通航分道和警戒區構成,其中間設立了寬1 n mile、長9 n mile的分隔帶，兩側各為寬2.25 n mile的船舶通航分道，西行船舶走北側分道，主流向為300°(真航向)，東行船舶走南側分道，主流向為120°(真航向)，嚴格禁止船舶穿越通航分道；此外，鑒于西部進出水道的船舶航向比較復雜，西部端口還設有一個半徑為5 n mile的警戒區，提醒船舶謹慎駕駛，詳見圖1。

圖1 老鐵山水道船舶定線制示意圖

2.1.2 基本功能

根據IMO《關于船舶定線制的一般規定》[1]中列明的船舶定線制的一般作用(見圖2)，以及在充分考慮老鐵山水道自然、水域和交通環境的特點前提條件下，我國海事主管機關要求老鐵山水道船舶定線制具有以下功能：①分隔老鐵山水道西行和東行方向的交通流；②減少穿越船舶對通航分道中船舶的碰撞危險；③確定并簡化匯聚區域的交通流模式；④組織水上設施附近的交通流，以提高船舶的通航效率；⑤組織航行危險區域的交通流，以提高船舶航行的安全性；⑥水深不確定區指導船舶降低擱淺風險；⑦指導或組織船舶讓清或通過捕魚區。

圖2 船舶定線制的作用示意圖

2.2 水域通航安全評價

2.2.1 評價指標權重的確定

指標權重是通過問卷調查形式確定，共發放問卷114份，回收有效問卷105份(其中40份來自船員，36份來自引航員，29份來自遼寧海事局或大連船舶交通服務中心的工作人員)，并通過SPSS軟件得出水域通航安全評價指標的信度系數為0.834，因信度系數在0.70以上，則表明該問卷數據的可信度高。

(1) AHP法確定評價指標的權重：根據已建立的船舶定線制后水域通航安全評價指標體系，通過問卷調查數據建立評價指標的判斷矩陣為

根據構造的判斷矩陣，結合相對權重的計算步驟，可得評價指標的權重為

Ws=[0.264,0.082,0.089,0.142,0.380,0.043]

最后，通過一致性檢驗，求得老鐵山水道船舶定線制實施后水域通航安全評價指標的CI=0.093、RI=1.26，兩者的比值CR=0.074≤0.1，表明一致性較好。

(2) 熵值法確定評價指標的權重：根據已建立的船舶定線制后水域通航安全評價指標體系，通過問卷調查的方式對評價指標由好到差依次賦值5～1，最后得到各評價指標的總體平均值為

X=[3.762,4.190,4.267,2.905,3.875,4.250]

根據熵值法的計算步驟，求得老鐵山水道船舶定線制后水域通航安全各評價指標的熵值權重向量為

W0=[0.109,0.236,0.262,0.003,0.134,0.256]

(3) 確定評價指標的綜合權重：根據綜合賦權法的計算步驟，將評價指標主觀權重從大到小進行重新排序為

W0=[0.043,0.082,0.089,0.142,0.264,0.380]

通過a、b的關系，求得a=0.620、b=0.380，并根據公式(4)求得評價指標的綜合權重為

W=[0.205,0.141,0.155,0.089,0.287,0.123]

2.2.2 水域通航安全評價等級

根據老鐵山水道的相關研究成果[17-19]，并結合實際的測量數據，獲得各評價指標的量值。在已構建的船舶定線制后水域通航安全評價模型的基礎上，分別對評價指標關于各安全評價等級的關聯函數值進行計算，得出老鐵山水道船舶定線制實施后水域通航安全各評價指標關于各安全評價等級的關聯度，見表2。

表2 老鐵山水道船舶定線制實施后水域通航安全評價指標關于各評價等級的關聯度

由表2可知，可確定老鐵山水道船舶定線制后水域通航安全各評價指標所屬于的安全評價等級如下：其中無評價指標屬于I級(非常危險)和V級(非常安全)；漁船航行、障礙物以及附近水域或沿岸背景燈光亮度屬于II級(較危險)；船舶交叉會遇局面屬于III級(一般安全)；船舶密度屬于IV級(較安全)。

根據綜合關聯度的計算公式(10)，結合老鐵山水道船舶定線制實施后水域通航安全各評價指標的綜合權重，求得老鐵山水道船舶定線制實施后水域通航安全關于評價等級I級、II級、III級、IV級、V級的綜合關聯度Kj(P0)，并結合公式(11)、(12)、(13)可計算得出老鐵山水道船舶定線制實施后水域通航安全各評價等級的基本變量特征值j*，見表3。

表3 老鐵山水道船舶定線制實施后水域通航安全評價等級的關聯度和特征值

由表3可知，老鐵山水道船舶定線制實施后的通航安全評價等級屬于II級(較危險)，偏向III級(一般安全)，且K2(P0)∈[0,1)，則符合標準對象的要求程度，與文獻[17]、[19]對老鐵山水道船舶定線制實施后水域通航安全的評價結果具有較好的一致性?？梢?，物元法可直觀地反映各評價指標的安全評價等級，且其評價結果綜合考慮了主客觀信息，克服了主觀因素對決策結果的影響。

3 結 論

本文在分析船舶定線制一般規定的基礎上，通過對比相關文獻確定了船舶定線制實施后水域通航安全評價的相應指標，并引入了海上光環境背景亮度對船舶夜航安全的影響指標，使得船舶定線制實施后的安全評價更加客觀、準確且具有代表性。在利用AHP-熵值法綜合賦權的基礎上，本文將物元法應用到船舶定線制實施后水域通航安全的評價，通過對各個評價指標量值關于評價等級關聯度的計算，從而判斷船舶定線制實施后水域通航安全的評價等級。

通過對已實施12年之久的老鐵山水道船舶定線制水域通航安全的評價，結果表明：該定線制水域的通航安全評價等級為II級(較危險)，偏向III級(一般安全)；各評價指標所屬于的安全等級為漁船航行、障礙物以及附近水域或沿岸的背景燈光屬于II級(較危險)，船舶交叉會遇局面屬于III級(一般安全)，船舶密度屬于IV級(較安全)；現行的該船舶定線制對于改善船舶通航安全性方面相對較好。另外，可根據指標的安全評價結果找到其存在問題，進而為改進該定線制提供具體的參考依據，如加強對漁船的管理、擴寬水域寬度、控制海上背景光對船舶夜航安全的影響等。本文建立的船舶定線制實施后水域通航安全評價模型，可運用于其他水域的船舶定線制安全評價，為重新規劃已實施多年的船舶定線制提供一定的參考價值。