基于層次分析-熵權(quán)法的海砂運(yùn)輸船舶通航安全評價(jià)分析

摘 要：海砂開采船舶對海上海砂資源開采起到至關(guān)重要的作用，船舶航道是海上交通運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵連接紐帶，有船舶交通流量大、航線密集等特點(diǎn)。本文結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法對“人、船、環(huán)境、管理”4個(gè)方面的因素進(jìn)行分析，該分析方法完善了海上交通安全評價(jià)體系，最終得出了海砂開采船舶運(yùn)行航道的安全性等級，并針對安全風(fēng)險(xiǎn)制定了相應(yīng)的措施，對保障船舶航道通航安全有重要意義。

關(guān)鍵詞：海砂運(yùn)輸；通航安全；層次分析法；熵權(quán)法；灰色模糊綜合分析

中圖分類號(hào)：U 69" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

航道通航安全作為一個(gè)不確定性的研究對象，其本身具有灰色性、模糊性等特征。同時(shí)，從“人、船、環(huán)境、管理”共同組成的水上交通安全體系來看，影響航道通航安全性的因素很多，但是目前對航道通航進(jìn)行安全評價(jià)時(shí)只針對某些因素進(jìn)行深入研究，導(dǎo)致影響因素考慮不全面，使最終的評價(jià)結(jié)果不準(zhǔn)確。當(dāng)對航道通航安全進(jìn)行綜合評價(jià)時(shí)，評價(jià)模型選取不合理會(huì)導(dǎo)致最終的評價(jià)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。因此選取一個(gè)全面的評價(jià)指標(biāo)體系和適用的評價(jià)模型對航道通航安全進(jìn)行評價(jià)是非常必要的[1]。

1 汕尾礦區(qū)海域通航環(huán)境概況

汕尾海砂礦區(qū)位于汕尾市管轄海域碣石灣施公寮島東南側(cè)，礦區(qū)內(nèi)水深整體呈北高南低的趨勢，海底地形相對平坦，地形標(biāo)高為-12.10～-17.49m，該區(qū)域離生態(tài)紅線保護(hù)岸線最近距離8.3km，大于3.5n mile。距離最近錨地活動(dòng)半徑外102m，距碣石航道保護(hù)寬度（994m）880m。礦區(qū)水運(yùn)交通繁忙，來往船只較多。礦區(qū)地處北回歸線以南的低緯度地帶，南海北部的廣東沿海，受季風(fēng)的影響，冬季盛行東北風(fēng)，夏季盛行東南風(fēng)。本地區(qū)易受臺(tái)風(fēng)影響，雷暴天氣多。本區(qū)域潮汐屬不規(guī)則半日潮型。年最高潮位3.37m，平均高潮位2.78m。其中汕尾港是半封閉港，在汕尾港最西邊僅有一個(gè)西北向的入口，為沙舌和陸岸所夾，形狀狹長。

2 通航安全特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)因素分析

2.1 通航安全特點(diǎn)分析

為保障運(yùn)砂船舶在航道內(nèi)安全航行，需要對船舶通航安全進(jìn)行評價(jià)，并采取應(yīng)對措施，對運(yùn)砂船航行特點(diǎn)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。1）不確定性。由于海砂運(yùn)輸船在航道內(nèi)的通航安全主要受到人為因素、自然環(huán)境、航道環(huán)境、交通環(huán)境等的影響，且航道內(nèi)的通航信息不清晰，因此無法準(zhǔn)確預(yù)測船舶通航安全事故的發(fā)生概率。2）灰色性。很難用客觀原型解釋船舶通航安全事故的發(fā)生概率或事故是否重大的內(nèi)部作用原理，內(nèi)在影響因素?zé)o法辨識(shí)或各因素間關(guān)系復(fù)雜隱蔽，很難確切地掌握影響因素的發(fā)生特點(diǎn)及相互影響關(guān)系，形成了一種錯(cuò)綜復(fù)雜的灰色系統(tǒng)。3）模糊性。船舶通航安全的指標(biāo)概念并不明確，它是一種船舶航行的客觀狀態(tài)屬性。當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，難以用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)船舶通航安全，因此航道通航安全評價(jià)具有模糊性。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)因素分析指標(biāo)體系

影響海砂開采區(qū)域船舶通航安全的風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，為精準(zhǔn)確定風(fēng)險(xiǎn)影響因素，本文將“人、船、環(huán)境、管理”組成一個(gè)影響船舶航行的外部環(huán)境系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)，遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、全面性、可操作性、可比性的原則，分類別選取風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)。以保證評價(jià)指標(biāo)可以全面反映影響評價(jià)對象的真實(shí)情況。對眾多風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析對比，最終確定風(fēng)險(xiǎn)因素評價(jià)指標(biāo)見表1。

表1 通航安全評價(jià)指標(biāo)

目標(biāo)層 一級指標(biāo) 二級指標(biāo) 三級指標(biāo)

海砂開采通航安全 人為因素1 生理1 身體狀態(tài)1

精神狀態(tài)2

行為2 判斷能力3

技術(shù)水平4

船舶因素2 船舶數(shù)據(jù)3 船齡5

船舶噸級6

船舶性能4 船舶設(shè)備7

操縱性能8

環(huán)境因素3 水文氣象5 風(fēng)向9

洋流10

航道環(huán)境6 航道規(guī)模11

礙航物12

交通流7 限制航速13

交通量14

管理因素4 港口管理8 助航標(biāo)志15

拖輪情況16

行船管理9 管理制度17

維護(hù)情況18

2.3 航道通航安全評價(jià)指標(biāo)的量化準(zhǔn)則

根據(jù)總結(jié)得出風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系逐項(xiàng)分析指標(biāo)的量化考核標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，統(tǒng)計(jì)收集數(shù)據(jù)，對可用具體數(shù)據(jù)量化的指標(biāo)進(jìn)行直觀定量評價(jià)，對不易獲取直觀數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)的指標(biāo)，采用考核得分評價(jià)的方式進(jìn)行定量評價(jià)，得到各指標(biāo)的量化準(zhǔn)見表2。根據(jù)各因素評價(jià)得分情況或者直接數(shù)據(jù)量化評價(jià)情況將評價(jià)結(jié)果分為安全、比較安全、一般、比較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)5個(gè)等級[2]。

3 基于AHP-EW模型的通航安全分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)分析方法概述

3.1.1 層次分析法

當(dāng)利用層次分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，將評價(jià)系統(tǒng)分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層3個(gè)層次，建立多層次結(jié)構(gòu)模型。并建立相應(yīng)的比例標(biāo)度以達(dá)到建立兩兩指標(biāo)間比較判斷矩陣的目的，將每層次各元素與上層次各元素進(jìn)行比較判斷。利用特征根法確定單一準(zhǔn)則下元素的相對權(quán)重，根據(jù)自上而下的原則，對逐層進(jìn)行總的一致性檢驗(yàn)，最終得到各層元素對總目標(biāo)的相對權(quán)重，主要有以下步驟。1）建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型。2）確定判斷矩陣。3）層次單排序及一致性檢驗(yàn)，使用特征根法計(jì)算各因素權(quán)重，并以向量形式表示[3]。

3.1.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方式，在信息論中，如果指標(biāo)的信息熵值越小，那么表明該指標(biāo)的信息量就越大，在評價(jià)中權(quán)重也就越大。使用熵權(quán)法進(jìn)行客觀賦權(quán)主要包括以下3個(gè)步驟。1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。為進(jìn)行統(tǒng)一運(yùn)算，將各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。2）求各指標(biāo)熵值。熵值可以度量任意指標(biāo)信息的利用價(jià)值，當(dāng)熵值為0時(shí)，表明該指標(biāo)所能提供的信息多。當(dāng)熵值為1時(shí)，表明基本不能提供有用信息。3）求取各指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)所求得的指標(biāo)熵值可以計(jì)算對應(yīng)指標(biāo)權(quán)重[4]。

3.2 汕尾海砂礦區(qū)通航安全評價(jià)分析

根據(jù)分析得到的通航安全風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)體系，按圖1建立通航安全評價(jià)模型。

3.2.1 確定評價(jià)對象、評價(jià)因素及評價(jià)等級

根據(jù)表1中分析建立的評價(jià)指標(biāo)體系可知：汕尾海砂礦區(qū)船舶通航安全評價(jià)指標(biāo)因素分為三級，并將其分別組成不同集合。分析模型中的評價(jià)對象為海砂開采航道通航安全，用B表示。同時(shí)建立航道通航安全的評價(jià)等級為危險(xiǎn)、較危險(xiǎn)、一般、較安全、安全5個(gè)等級，不同評價(jià)等級對應(yīng)不同的影響程度取值，如公式（1）所示。

θ=（1，3，5，7，9） " （1）

各級評價(jià)因素為指標(biāo)體系中各指標(biāo)組成的集合，如公式（2）～公式（4）所示。

Bi={b1，b2，b3，b4} （2）

Bij={b11，b12，b23，b24，b35，b36，b37，b48，b49} （3）

Bijk={b111，b112，b123，b124，......，b4815，b4816，b4917，b4918} " " " （4）

式中：θ為影響程度取值集合；Bi為一級指標(biāo)評價(jià)因素集合；Bij為二級指標(biāo)評價(jià)因素集合；Bijk為三級指標(biāo)評價(jià)因素集合；i為一級指標(biāo)個(gè)數(shù)；j為二級指標(biāo)中屬于一級指標(biāo)的個(gè)數(shù)；k為三級指標(biāo)中屬于二級指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

3.2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

基于AHP-EW模型的權(quán)重確定方法須分為兩步：利用層次分析法確定各風(fēng)險(xiǎn)分析指標(biāo)的主觀權(quán)重；利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的客觀權(quán)重，具體步驟如圖2所示。

將因素a、b進(jìn)行比較判斷，在各準(zhǔn)則下的判斷矩陣用公式（5）表示。

D=（dab）n×n，（a=1，2，...，n；b=1，2，...n） （5）

式中：dabgt;0；dab=。當(dāng)各因素與自身相比較時(shí)，數(shù)值為1，即dab=1。隨dab增加，影響因素a對因素b的重要性也越來越大。D為因素判斷矩陣；a、b為不同因素；n為因素個(gè)數(shù)；dab為因素重要性比。計(jì)算主觀權(quán)重如公式（6）所示。

Dg=λmaxg " （6）

式中：Dg為權(quán)重；g為主觀向量；λmax為最大特征值。確定主管權(quán)重后，根據(jù)最大特征值計(jì)算一致性檢驗(yàn)指標(biāo)，若其計(jì)算值不大于0.1，則通過檢驗(yàn)，否則須調(diào)整判斷矩陣，直至通過檢驗(yàn)，如公式（7）所示。

（7）

式中：CR為檢驗(yàn)系數(shù)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)；n為判斷矩陣階數(shù)。結(jié)合本文建立的航道通航安全評價(jià)指標(biāo)體系，根據(jù)層次分析法中的“1～9級標(biāo)度法”編制問卷調(diào)查表，問卷包括各指標(biāo)間的影響以及重要程度。共發(fā)放200份調(diào)查問卷，收回184份，全部為有效問卷。對調(diào)查問卷進(jìn)行分析，得到各層指標(biāo)的判斷矩陣并針對各層指標(biāo)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。再利用EW法確定客觀權(quán)重。假設(shè)有m個(gè)評價(jià)組針對n項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，則可構(gòu)成的評價(jià)數(shù)據(jù)矩陣為W=（wqp）m×n。通過歸一化處理后計(jì)算第q項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，如公式（8）所示。

（8）

式中：Wq為歸一化后的權(quán)重；Ppq為p個(gè)指標(biāo)下第q項(xiàng)指標(biāo)的比重；m為評價(jià)組個(gè)數(shù)；n為指標(biāo)項(xiàng)數(shù)。通過層次分析法得到主觀權(quán)重，并結(jié)合EW法得到客觀權(quán)重。將二者歸一化進(jìn)行耦合，得到AHP-EW模型賦權(quán)公式（9）。

（9）

式中：Wj為組合權(quán)重；αj為主觀權(quán)重；βj為客觀權(quán)重；n為指標(biāo)數(shù)量[5]。最終得到汕尾海砂礦區(qū)船舶通航安全評價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重見表3。

3.2.3 灰色模糊綜合評價(jià)

采用調(diào)查問卷法分別對18個(gè)評價(jià)指標(biāo)對航道通航安全的影響程度進(jìn)行評分，并對每個(gè)評價(jià)指標(biāo)建立評價(jià)樣本矩陣。根據(jù)評價(jià)灰類和白化權(quán)函數(shù)計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)系數(shù)，對評價(jià)系數(shù)之和進(jìn)行歸一化處理，得到各評價(jià)因素灰色評價(jià)權(quán)向量，再根據(jù)求三級評價(jià)因素集中各評價(jià)因素的灰色評價(jià)權(quán)重值，得到三級評價(jià)因素集的灰色模糊綜合評價(jià)矩陣[6]。將三級評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重與對應(yīng)的三級灰色模糊矩陣相乘，得到對應(yīng)的二級評價(jià)指標(biāo)結(jié)果，以此類推得到一級評價(jià)指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果，如公式（10）所示。

（10）

求目標(biāo)層的最終評價(jià)結(jié)果如公式（11）所示。

R=Wr（0.137，0.176，0.207，0.251，0.228） （11）

通過目標(biāo)層最終評價(jià)結(jié)果分析可知，評價(jià)結(jié)果中的最大值為0.251，結(jié)合灰色模糊理論中最大隸屬度原則，目標(biāo)層的評價(jià)等級達(dá)到4，因此汕尾海砂礦區(qū)船舶通航安全等級為“較安全”。

4 結(jié)論

本文分析了汕尾海砂礦區(qū)船舶通航中“人、船、環(huán)境、管理”4個(gè)方面的影響因素，并基于PCA進(jìn)行篩選得到評價(jià)指標(biāo)體系，將層次分析法和熵權(quán)法結(jié)合，分析通航安全影響因素權(quán)重，并利用灰色模糊綜合模型對汕尾海砂礦區(qū)船舶通航安全進(jìn)行分析，得出結(jié)論，汕尾海砂礦區(qū)通航安全處于“比較安全”的級別。

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