基于熵權(quán)模型的引航風(fēng)險評價研究

龔小飛，高志華，郭顏斌

（1.長江引航中心張家港引航站，江蘇 蘇州 215633；2.長江引航中心，江蘇 江陰 214400）

長江深水航道建設(shè)所形成的新通航環(huán)境，以及進出船舶快速化、專業(yè)化、大型化的趨勢，長江江蘇段的船舶引航風(fēng)險急劇提升。在此背景下，辨識引航面臨的主要風(fēng)險，通過定性與定量結(jié)合的方式，計算求出引航風(fēng)險大小，對引航安全管理至關(guān)重要。

目前涉及船舶引航風(fēng)險的研究對象主要為沿海港口，對內(nèi)河引航安全的研究較少，而采用的研究方法多為綜合安全評估（FSA）[1-2]。方全根等人系統(tǒng)介紹了FSA 的概念及方法，并將其引入船舶引航風(fēng)險的評價中[3]。集對分析法是一種聯(lián)系模糊數(shù)學(xué)和系統(tǒng)不確定性的方法，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域[4-5]。賦權(quán)的作用是在不同級別的風(fēng)險指標(biāo)中賦予不同的重要性數(shù)值，常用的主觀賦權(quán)有層次分析法和專家調(diào)查法等[6-7]。客觀賦權(quán)方法主要有熵權(quán)法、可拓法、主成分分析方法和因子法等等。孟貝貝等利用熵權(quán)模糊模型對董家口航道的通航安全進行評價[8]。郝國柱綜合了突變理論和主成分分析的多元統(tǒng)計，建立了長江三峽庫區(qū)通航環(huán)境安全態(tài)勢的辨識[9]。

1 風(fēng)險辨識理論

1.1 風(fēng)險辨識概述

引航安全中的風(fēng)險要素通常從人員、船舶、環(huán)境和管理四方面進行歸納[10]。

（1）人員。與人員相關(guān)的風(fēng)險主要涉及三大類，職業(yè)道德類主要包括引航員對于職業(yè)的責(zé)任心，自身的安全意識等等。技術(shù)素質(zhì)類主要指引航員自身的專業(yè)技能、知識水平等方面的能力。第三類是身心素質(zhì)類，主要包括引航員身體和心理方面的健康程度。

（2）船舶。船舶一般認(rèn)為由船體、動力系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)，以及導(dǎo)助航設(shè)備系統(tǒng)組成。本文主要考慮的是被引航船舶以及協(xié)助拖輪的船舶影響因素。

（3）環(huán)境。通航環(huán)境主要包括兩方面，其中自然環(huán)境包括引航船舶所在航段的風(fēng)、流、能見度等因素；交通環(huán)境一般指港口與航道的布置、船舶交通流量、航段中的導(dǎo)助航設(shè)施等。

（4）管理。管理因素自身涵蓋的范圍較廣，涉及海事主管機關(guān)和船公司管理情況以及相應(yīng)的運行體系。

1.2 風(fēng)險評價方法

（1）頭腦風(fēng)暴法。頭腦風(fēng)暴法，主要經(jīng)由與研究航段相關(guān)的航運業(yè)專家和優(yōu)秀引航員進行討論、座談，由群體思維和決策搜尋和探索已存在或潛在的船舶引航風(fēng)險源。專家小組成員一般包括海事部門、航道部門、業(yè)界高校專家和具有多年航行經(jīng)驗的船員，通過詢問或問卷調(diào)查的形式，發(fā)現(xiàn)或評估已存在的引航風(fēng)險。原則上專家小組成員的覆蓋面和絕對數(shù)量應(yīng)具有一定規(guī)模，以保證評估數(shù)據(jù)的有效質(zhì)量。

（2）預(yù)先危險性分析。預(yù)先危險性分析對可能存在風(fēng)險源進行分析挖掘，確定深層次影響引航安全的因素。針對引航風(fēng)險評價，可以根據(jù)一線工作人員的引航經(jīng)驗，進行座談口述或者紙面書寫，以期全方位掌握風(fēng)險源。

2 長江深水航道引航風(fēng)險評價模型

2.1 引航風(fēng)險指標(biāo)體系

本文中建立起兩級共16 個二級指標(biāo)的長江深水航道引航風(fēng)險評價指標(biāo)體系并進行量化處理，如圖1 所示。

圖1 長江深水航道引航風(fēng)險指標(biāo)體系

2.2 熵值指標(biāo)賦權(quán)

目前熵權(quán)法是應(yīng)用最為廣泛的客觀賦權(quán)方法之一，其主要依據(jù)樣本數(shù)據(jù)量和相互間的差異度來判定指標(biāo)的重要程度。如果某項風(fēng)險指標(biāo)各樣本的觀測值間的差異很小，表示此項指標(biāo)體現(xiàn)的信息量較小，其熵值也就越大，其在指標(biāo)體系中所占據(jù)的比例就較小。一般基于熵權(quán)的指標(biāo)賦權(quán)包括以下幾個步驟：

（1）對于具有m 個指標(biāo)、n 個評判等級的評價體系，構(gòu)造評價指標(biāo)值的判斷矩陣：

（2）各項評價指標(biāo)值的量綱一般不同，進行歸一化處理，有標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)險判斷矩陣：

（3）定義風(fēng)險評價指標(biāo)的熵，如果：

2.3 物元指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

物元分析對事物的主要描述為“名稱”“特征”和“數(shù)值”3 個要素，并將其組成事物序列的基本單位，稱為物元。設(shè)N 為事物名稱，C 為其特征，V 為其數(shù)值，則物元的表達式表示為：

通過物元分析進行引航風(fēng)險評價模型的步驟包括：（1）若Q 為評價標(biāo)準(zhǔn)物元，對于第j 個評價指標(biāo)的值域，根據(jù)以上描述，有

若評價標(biāo)準(zhǔn)有q 個等級，Qp為評價標(biāo)準(zhǔn)的第p 等級的物元，則有

對于第p 等級、第j 個評價指標(biāo)的物元，有值域

（2）選取評價的對象集，對于第i 個評價對象，有其物元

（3）計算評價對象單指標(biāo)等級的關(guān)聯(lián)度，其計算公式為

單評價指標(biāo)的等級關(guān)聯(lián)程度判斷標(biāo)準(zhǔn)可以參照以下標(biāo)準(zhǔn)：

2.4 綜合關(guān)聯(lián)風(fēng)險等級

計算得到各分項指標(biāo)的權(quán)重，以及單評價指標(biāo)的等級關(guān)聯(lián)程度后，可以得到各評價對象與各風(fēng)險等級的綜合風(fēng)險風(fēng)級：

得到各評價指標(biāo)關(guān)于各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度后，可比較評價指標(biāo)對于各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度數(shù)值，當(dāng)數(shù)值為正時，其數(shù)值越大表示符合程度越高；當(dāng)數(shù)值為負(fù)值時，表示評價指標(biāo)不符合本級別的判斷標(biāo)準(zhǔn)。最終某項評價指標(biāo)落在某級別的判定，可參考級別變量特征值，定義為j*，定義為

3 長江深水航道典型航段引航風(fēng)險評價

引航風(fēng)險評價體系存在4 個一級指標(biāo)，16 個二級指標(biāo)，應(yīng)對每個指標(biāo)設(shè)置評價集，評價集中分為“較低”“低”“一般”“高”“較高”五個等級，根據(jù)長江深水航道以及相關(guān)文獻的資料，對各劃分指標(biāo)的等級邊界進行認(rèn)定，得到長江深水航道引航風(fēng)險評價指標(biāo)等級表，如表1 所示。

表1 長江深水航道引航風(fēng)險評價指標(biāo)等級表

3.1 福姜沙航段引航風(fēng)險評價

評價指標(biāo)體系中包含危化品船比例、船舶長度及風(fēng)浪流等客觀評價指標(biāo)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)由現(xiàn)場觀測和相關(guān)單位調(diào)研獲取，對于不易量化的船員、引航人員業(yè)務(wù)水平、助航標(biāo)志完備程度等主觀指標(biāo)，借由專家打分以及問卷調(diào)查的方式獲取統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其各項指標(biāo)數(shù)值見表2。

表2 福姜沙水道引航風(fēng)險評價指標(biāo)

根據(jù)表2 中的指標(biāo)數(shù)值，建立各分項指標(biāo)的綜合風(fēng)險關(guān)聯(lián)等級，表征評價航段的各項指標(biāo)隸屬各個風(fēng)險評價等級的程度，再經(jīng)過歸一化和式風(fēng)險級別判定，最終得到福姜沙水域各個評價指標(biāo)的級別變量特征值，如表3 所示。

表3 福姜沙水道引航風(fēng)險級別變量特征值

從引航風(fēng)險級別變量特征值上來看，福姜沙航段的最大流速、最大船寬與航道寬比、航段最大彎曲角度、日均船舶流量和航道交叉情況的風(fēng)險特征值均超過4.0，介于較高與高風(fēng)險之間，這與福姜沙水道復(fù)雜的航路交匯、較大的航道彎曲較有直接關(guān)系。引航員業(yè)務(wù)水平、VTS 人員業(yè)務(wù)水平、船舶長度和助航標(biāo)志完備程度指標(biāo)的風(fēng)險特征值相對較低，風(fēng)險等級位于較低和一般之間。

3.2 和暢洲航段引航風(fēng)險評價

長江水流在和暢洲的作用下，分成兩股水流，形成左右兩汊河道，由于河道的復(fù)雜性，本航段內(nèi)水流變化較快，在洲頭、洲尾處存在較強的橫流和掃彎水，其航道彎曲度和航道交叉情況是本航段的主要引航風(fēng)險來源。同理，依據(jù)上述方法最終得到和暢洲水域各個評價指標(biāo)的級別變量特征值，如表4 所示。

表4 和暢洲水道引航風(fēng)險級別變量特征值

和暢洲航段的較高風(fēng)險指標(biāo)與福姜沙類似，最大流速、最大船寬與航道寬比、航段最大彎曲角度、日均船舶流量和航道交叉情況的風(fēng)險特征值均超過4.0，介于較高與高風(fēng)險之間。主觀性指標(biāo)，即引航員、被引船員、拖輪船員、VTS 人員的風(fēng)險變量特征值相對平均，由于代表船型和大型海輪對吃水的要求，和暢洲水道的航道富裕水深風(fēng)險特征值超過3，介于一般與較高之間。

4 結(jié)論

本文采用熵權(quán)物元分析法，針對長江深水航道新通航環(huán)境下的引航風(fēng)險進行風(fēng)險評估。采用專家咨詢以及文本數(shù)據(jù)挖掘的主客觀分析方法，確定深水航道新通航環(huán)境下的風(fēng)險評價指標(biāo)體系，針對長江下游最復(fù)雜的福姜沙和尹公洲航段進行了引航風(fēng)險評價，并給出了各項風(fēng)險指標(biāo)的風(fēng)險級別變量特征值。