基于正態云可拓理論的錨泊安全評價

魯峰 李偉 寧君 于仁海

摘要：為提高錨泊安全評價精度，保障船舶錨泊安全，針對傳統錨泊安全評價方法未考慮評價等級界限的不確定性和模糊性等問題，將正態云可拓理論應用于錨泊安全評價中。采用層次分析法和基于可拓學的簡單關聯函數確定權重的方法分別確定錨泊安全評價指標的主觀和客觀權重，通過經驗因子將主觀與客觀權重進行結合。構建基于正態云可拓理論的錨泊安全評價模型，計算待評物元與標準可拓物元的關聯度，通過信息熵理論確定錨泊安全等級。根據信息熵理論定義可信因子，使得評價結果的可信度易于定量計算。實例計算驗證了本模型的有效性和優越性。

關鍵詞： 錨泊安全; 綜合評價; 綜合權重; 云模型; 可拓模型; 信息熵理論

Abstract： In order to improve the accuracy of anchoring safety evaluation， ensure the ship anchoring safety and solve the problem that the traditional anchoring safety evaluation method does not consider the uncertainty and fuzziness of the evaluation grade restriction， the normal cloud extension theory is adopted to evaluate anchoring safety. The analytic hierarchy process and the method for determining weights based on the simple correlation function of the extenics are used to determine the subjective and objective weights of the anchoring safety evaluation indexes， respectively. The empirical factor is used to combine the subjective and objective weights. The anchoring safety evaluation model based on the normal cloud extension theory is constructed， and the correlation degree between the evaluated matter-element and the standard extension matter-element is calculated. The anchoring safety level is determined by the information entropy theory. The credibility factor is defined according to the information entropy theory， so that the credibility of the evaluation result is easy to be quantitatively calculated. The effectiveness and superiority of the model are verified by the example calculation.

Key words： anchoring safety; comprehensive evaluation; comprehensive weight; cloud model; extension model; information entropy theory

0 引 言

由于最近幾年全球經濟的不景氣，航運市場慘淡，運價持續走低，很多船舶公司處于虧損經營狀態，處于停運或半停運狀態的船舶數量持續增加，這也造成部分錨地擁擠，增加了錨泊危險性。近年來，錨泊安全事故時有發生，而且大部分造成了嚴重的后果。因此，對錨泊安全進行評價顯得極為重要。目前國內外學者對錨泊安全進行了很多研究：文獻[1]利用AIS的歷史數據對暴風雨天氣下錨泊船的狀況進行分析，通過船舶行為動態分析來研究船舶走錨的實際情況;文獻[2]進行了考慮錨鏈力的動態計算，并與通過懸鏈線法獲得的結果進行比較，最后構建了一種再現船舶在風和波浪中走錨和擱淺的新算法;文獻[3]提出一種船載監控系統，用人工神經網絡方法根據操作參數準確估計靜態橫傾角，從而評估錨泊船在拋錨操作過程中的穩定性;文獻[4]比較系統、全面地分析了影響錨泊安全的因素，構建出模糊綜合評價模型，最后運用到兩艘實船的錨泊安全評價中，結果與實際情況比較相符，但指標權重的確定較為主觀;文獻[5]首次將錨泊密度補充到評價指標中，并建立了錨泊安全可拓綜合評價模型進行實例驗證，評價結果與用模糊綜合評價模型得到的結果一致;文獻[6]根據錨泊安全出鏈長度、安全錨泊距離的分析結果及海洋氣象服務業務流程，提出走錨風險評估業務應用模型，應用該模型能夠實時獲取未來若干小時內大風可能造成錨泊船走錨的預警等級;文獻[7]從GPS數據入手對船舶的偏蕩運動特征進行分析，采用最小二乘法對錨泊船的偏蕩軌跡數據進行擬合得到錨位，比較錨位的變化來推測船舶是否發生走錨，對于船舶的錨泊狀態監控和錨泊安全預警具有一定的借鑒意義。

在有關安全評價方法的研究中，文獻[8]首次將云模型引入物元理論中，構造出一種能夠實現定性描述與定量描述相結合的基于云模型的物元綜合評價方法，并將其運用到潛艇損傷等級的評估中。而后在云模型與可拓模型的結合運用上：文獻[9]采用物元與云模型集成的方法來加強設備保障性評估，研究表明云物元評價模型有助于解決定性評估問題;文獻[10]針對引航環境風險評價指標的隨機性和模糊性，建立了引航環境風險評價的標準正態云物元模型，計算待評物元與標準正態云物元之間的關聯度，并引入置信度準則識別風險等級;文獻[11]建立了基于可拓云理論的電力市場運行效率評價模型，引入可信度因子和風險因子反映評估結果的可信度和風險信息;文獻[12]提出一種基于變權云物元分析理論的船舶定線制實施效果綜合評估方法，引入變權理論突出較差指標對評估結果的影響，同時運用云物元分析理論構建船舶定線制實施效果綜合評估模型，該模型可同時給出評估結果和可信度。

鑒于云可拓理論已有大量的實際應用，同時考慮到錨泊安全的評估過程中存在不確定性和模糊性，用傳統的錨泊安全評估方法難以反映評估過程中存在的不確定性和模糊性，本文將正態云可拓理論應用于錨泊安全評價中：采用層次分析法和基于可拓學的簡單關聯函數確定權重的方法分別計算主觀和客觀權重，然后計算錨泊安全評價指標基于經驗因子α的綜合權重，以求最大程度地減少主觀因素的影響;構造標準云模型，并在計算可拓物元模型關聯度時運用該模型的不確定性和隨機性建立錨泊安全的正態云可拓評價模型;最后為使評價結果更準確、更客觀，通過信息熵理論計算評價結果的可信因子σ，得到可信度信息。

1 錨泊安全評價指標體系

為能夠詳細分析影響錨泊安全的因素，對大量國內外相關研究文獻資料進行閱讀和總結，發現大部分研究人員習慣將錨泊中的船舶作為一個由船、環境和人組成的系統進行研究。根據船舶錨泊的特點及實踐經驗，參考文獻[4-5，13-14]制定出錨泊安全評價指標體系和評價標準，并將此評價指標體系和評價標準以調查問卷的形式向不同單位共11位航海專家和學者征求相關建議。最后，結合11位航海專家和學者的經驗、建議確定錨泊安全評價指標體系，見表1;以對錨泊安全的影響程度為評價目標，將錨泊安全等級分為安全、較安全、一般危險、危險和高危險，各等級對應的具體評價標準見表1。

2 基于正態云可拓理論的錨泊安全評價模型

2.1 云模型

將定性概念中的隨機性、模糊性和不確定性三者相結合，同時實現定量與定性間的轉換的模型被稱之為云模型[15]。云模型主要包括正態云模型、三角形云模型和對稱云模型等。[16]當今最重要且應用最廣泛的是正態云模型，其普遍適用性已經在科學技術、生產活動、社會現象和自然現象中得到證明。[17]本文采用正態云模型對錨泊安全等級區間進行劃分。

正態云模型由期望值Ex、熵En和超熵He體現其數字特征。期望值Ex是云圖中的云重心，也是最能夠代表事物定性概念的點，錨泊安全就是基于此值進行的等級區間劃分;熵En是事物不確定性的度量，由事物的隨機性和模糊性共同決定，既可以反映錨泊安全評價指標值的隨機性，又可以體現待評物元的數據可以被錨泊安全等級節域接受的模糊性;超熵He是熵En的不確定性度量，即熵的熵，表示影響錨泊安全各因素隨機性與模糊性的關聯程度。為削弱錨泊安全評價過程中的隨機性和模糊性，利用期望值Ex、熵En和超熵He構造云關聯度函數。

2.2 可拓物元模型

由事物名稱N、事物特征C、事物特征量值V有序三元組構造的事物基本元被稱為可拓物元模型[8]，記為R=（N，C，V）。傳統的可拓物元模型中未考慮V的隨機性和事物的模糊性，因此本文將V用正態云模型（Ex，En，He）代替。錨泊安全等級界限的模糊性由En表示，錨泊安全評價指標數據的隨機性由He表示。經過改進后的可拓物元模型表示為

2.3 確定綜合權重

為使評價結果更準確、更科學，在錨泊安全評價指標權重的確定中，先運用層次分析法確定主觀權重P，再利用基于可拓學的簡單關聯函數確定客觀權重Q[18]。為弱化主客觀賦權法各自的缺點，采用主客觀相結合的思想確定錨泊安全評價指標的權重。將主觀權重P與客觀權重Q通過經驗因子α聯系起來，構造出綜合權重A，即

經驗因子α為主客觀偏好系數，本文取0.5。

2.4 確定錨泊安全等級

根據對錨泊安全的影響程度，將錨泊安全等級劃分為5個等級，錨泊安全二級評價指標分為13項，依據信息熵理論和云關聯系數定義云熵H（kj）為σ值可以體現評價結果的隨機性，其值越小說明評價結果越集中且可信度越高，反之可信度越低。

3 實例分析

經查閱相關資料，咨詢航海專家建議，得到“育龍”號船和“翠洲”號船錨泊安全評價指標值，其中“育龍”號船為滿載狀態，“翠洲”號船為壓載狀態。具體數據見表3。

分別通過層次分析法和基于可拓學的簡單關聯函數確定主觀權重P和客觀權重Q，然后通過式（6）確定綜合權重A。各評價指標的各類權重見表4。

求取這2艘錨泊船的待評物元與標準云物元之間的關聯度，然后根據式（11）～（13）確定各錨泊船的錨泊因素對錨泊安全的影響等級及可信因子，同時運用文獻[4]的模糊綜合評判方法和文獻[5]的傳統可拓評價方法對實例進行計算。

本文通過“育龍”號船和“翠洲”號船驗證所建立模型的有效性。圖1和2分別給出了“育龍”號船和“翠洲”號船通過不同賦權法得到的權重值。從圖中可以看出，通過經驗因子α綜合主、客觀權重所得到的綜合權重，吸收了主客觀賦權方法的優點，同時又克服了層次分析法主觀因素影響大的缺點，以及基于可拓學的簡單關聯函數方法太過客觀的缺點，得到的權重值更加可靠。

表5給出了“育龍”號船和“翠洲”號船通過其他評估方法得到的評價結果，可知采用本文的正態云可拓評價模型得到的評價結果與用其他兩種方法得到的評價結果一致，這表明本文方法有效，同時也證明正態云可拓評價模型在錨泊安全評價領域應用的有效性。本模型除了可以準確計算出評價結果外，還能夠計算出評價結果的可信因子σ。計算后得出的可信因子較小，說明本方法的計算結果可信度較高。

分析評價結果并對比2艘船的錨泊狀態可知，評價結果與2艘船的錨泊安全實際情況具有較好的一致性。“育龍”號船評價結果為較安全，與當時該船錨地的流速較小的實際情況相符，同時與在該錨地出鏈節數和風力級數相一致的經驗吻合，船舶發生走錨的概率較小;“翠洲”號船在錨地水深20 m、風力5級的條件下出鏈6節，但由于錨地的流速較大，評價結果為一般危險，符合當時該船實際，船舶有發生走錨的風險。針對這一情況，“翠洲”號船上值班人員應密切監視錨位，或者適當增加出鏈長度，防止船舶因流速大而發生走錨。

4 結 論

本文將層次分析法、基于可拓學的簡單關聯函數確定權重的方法運用到錨泊安全評價指標的權重確定中，同時通過經驗因子α將主、客觀權重結合為綜合權重，吸收了主、客觀賦權法的優點，確定的指標權重更加科學合理，更加符合實際情況，削弱了偶然因素對評價結果的影響，而且該方法具有普遍適用性。

將基于正態云可拓理論的評價模型引入錨泊安全應用中，既可以減少確定錨泊安全等級區間時的隨機性和模糊性，又可以將定量與定性指標融合為綜合評價模型。采用本文構建的評價模型，計算出評價結果的可信因子σ，更易于定量計算出評價結果的可靠性。本評價模型計算出的可信因子較小，說明其可靠程度較高。

本評價模型無須依賴大樣本數據，計算過程較簡單，編程容易實現，具有較強的可行性，可運用到航海領域的其他評價中。

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（編輯 賈裙平）