港口水域风险评估结论一致性分析模型

郭冲，方泉根，胡甚平，陈辰

(上海海事大学商船学院，上海 201306)

0 引言

多年来，船舶安全一直是国际航运界的热门重要研究课题与内容，始终受到国内外航运单位和海事管理部门的重视.为了促进和改善海上安全工作，在20世纪90年代中期，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)采纳英国海事安全局的建议，将综合安全评估(Formal Safety Assessment，FSA)的方法和概念应用于海事分析，并要求会员国积极开展船舶安全领域的应用研究.

FSA是一种结构性的、系统的评估方法，通过运用风险和费效评估，提出有针对性的风险控制措施，达到提高海上安全、环境保护和反恐水平的目的.FSA由5个步骤组成:风险识别、风险评估、风险控制方案、费效评估和提出供决策参考的建议.［1]

风险评估，又称危险性评价或安全评价，是指在对系统辨识和安全分析的基础上，对系统的危险性或安全性按相关标准、规范、安全指标予以衡量，对危险程度进行分级，进而结合现有科学技术水平和经济条件提出控制系统危险的安全措施.［2]风险评估是FSA步骤中的核心和关键，做好风险评估对后面的风险控制和决策分析具有重要意义.［3-4]由于不同评估方法的侧重点和处理角度的不同，必然导致评估中产生分歧，本文利用一致性指数法分析沿海10个港口航行风险排序结果的一致性，然后再用聚类分析方法分析建模，并对两种模型进行比较分析.

1 评价方法一致性

1.1 一致性指数法

IMO采纳国际船级社协会(IACS)提出的一致性指数方法，供FSA研究使用.［5]该方法基于Kendall和谐系数，通常用于非参数统计，表达式为

式中:J为评价方法总数;I为港口总数;xij为第j种方法给第i个港口的排序;W为评价方法一致性指数，W=0表示评价方法不一致，W=1表示评价方法评估得出的结论完全一致.

IMO规定:0＜W＜0.5时，不可接受，一致性存在较大分歧;0.5＜W＜0.7时，一致性达到最低可接受水平;0.7＜W＜1.0时，可以接受，一致性非常好.

1.2 评价方法一致性计算

文献［6-7]用主成分分析法、因子分析法、逼近理想解排序法、模糊理论、灰色理论及证据理论等6种方法对上海、烟台、青岛等10个港口的航行风险进行评估，并对这10个港口的航行危险度进行排序，则式(1)中风险评价方法总数J=6，港口总数I=10.危险度排序见表1.基于表1，利用一致性指数法进行计算，得到6种评价方法的一致性指数为W=0.759，一致性令人满意［6].在文献［5]中也给出一些利用上述方法计算一致性的例子，均表明这种方法是可行的.通过分析可以发现，可以理解一致性指数为测量不同的评价方法之间的距离.

表1 6种方法对10个港口风险的排序

1.3 进一步分析

进一步分析这6种方法的一致性，运用式(1)，对6种评价方法进行两两比较，计算其一致性指数，结果见表2.

表2 6种方法两两比较的一致性指数

从表2可以看出，6种方法中任意两种方法之间的一致性指数W的变化范围为0.630～0.982，变化幅度比较大.从6种方法中再任选3种或4种方法进行比较，所得W值见图1.

图1 2种、3种、4种方法分别比较的一致性指数

从图1中可以看出，当分别取2种、3种、4种方法进行比较时，使用的方法越多，一致性就越趋于稳定(即一致性指数越接近).因此，笔者建议，对港口进行风险评估时应尽量全面考虑问题，使用较多的方法进行评估，然后综合各种方法评估得出的结论得出最后更准确的结论.

2 评价方法的模糊聚类

IMO推荐的一致性指数法可以表明各种评估方法结果的一致程度，但仅仅这样还不够，为了更加进一步确定他们之间的相似程度，更适当地选择评估方法，本文利用模糊聚类分析方法对各种评价结果之间的相似程度进行讨论.

2.1 模糊聚类分析

采用模糊数学语言对事物按一定的要求进行描述和分类的数学方法称之为模糊聚类分析.聚类分析主要经过标定和聚类两个步骤［8-9]，其中，繁琐的工作是求模糊相似矩阵和计算传递闭包.

2.1.1 标定(建立模糊相似矩阵)

设样本集合 X={x1，x2，…，xn}，n 为样本数目，每一个样本 xi由一组特征数据(xi1，xi2，…，xim)表示，则样本的特性指标矩阵为

建立模糊相似矩阵R，主要是确定其相似系数rij，即xi与xj的相似程度.求相似系数的方法很多，这里使用绝对值减数法［10]:

式中:0≤c≤1.适当选取 c值，使得 rij在［0，1]中分散开，从而得到样本的模糊相似关系矩阵

2.1.2 聚类(对样本集合进行分类)

使用传递闭包法聚类:对标定的模糊相似矩阵R，依次用平方法计算，R2，R4，…，R2t，…，当第一次出现Rk◦Rk=Rk时，则称Rk=(tij)为传递闭包，记为t(R).

在传递闭包 t(R)=(tij)中，0≤tij≤1(i，j=1，2，…，n).令 λ 为 tij中某一值(从高到低取值)，记Rλ=(λij)，其中

称Rλ为t(R)的λ截矩阵.Rλ的列向量对应于样本集合 X={x1，x2，…，xn}中的元素.X 中某些样本为同一类，必须且仅需Rλ中对应的列向量相等.［7]所以，如果将样本分成若干类，只要选取合适的λ，求出Rλ即可.

2.2 评价方法的聚类分析

对表1中的数据进行聚类分析，按照绝对值减数法建立模糊相似矩阵，取 c=0.01［11]，得到模糊相似矩阵

用平方法求传递闭包

然后根据不同的λ值，得到不同的截矩阵，再进行聚类，结果如下.

0≤λ≤0.90时，所有方法归为一类:{主成分分析法，因子分析法，逼近理想解排序法，模糊理论，灰色理论，证据理论}.0.90＜λ≤0.92时，分为2类:{主成分分析法};{因子分析法，逼近理想解排序法，模糊理论，灰色理论，证据理论}.0.92＜λ≤0.94时，分为4类:{主成分分析法};{因子分析法，逼近理想解排序法，证据理论};{模糊理论};{灰色理论}.0.94＜λ≤0.96 时，分为5 类:{主成分分析法};{因子分析法};{逼近理想解排序法，证据理论};{模糊理论};{灰色理论}.0.96 ＜ λ≤1.00 时，分为6类:{主成分分析法};{因子分析法};{逼近理想解排序法};{模糊理论};{灰色理论};{证据理论}.

3 结束语

通过上面两种一致性模型的分析可以看出:运用一致性方法得到的结果相对精确，而且可以进行互相比较，但数据量要求较高，计算相对复杂繁琐;运用模糊聚类方法对数据量要求较低，计算简便，但λ的取值相对主观，而且无法进行互相比较.在实际运用过程中，可以使用模糊聚类进行初步的聚类分析，然后利用一致性分析方法进行具体分析，以确保结果更加准确、可靠.从一致性的检验分析结果来看，针对同一问题进行评价时，最好能采用3种以上的方法，经过检验后获得的评价结论比较准确可靠.两种方法评价后不仅表现出评价结论差异可能较大，而且一致性检验的结果也不稳定.

［1]IMO.Guidelines for Formal Safety Assessment(FSA)for Use in the IMO Rule-Making Process［S].MSC/Cir.1023 MEPC/Cir.392，2002.

［2]卢有杰，卢家仪.风险分析与决策［M].北京:清华大学出版社，1998.

［3]胡甚平，方泉根，张锦朋，等.沿海水上交通安全的风险评估研究［J].中国航海，2010，33(1):50-55.

［4]张欣欣，席永涛，黄常海，等.基于证据推理的沿海水域交通安全评估［J].上海海事大学学报，2011，32(2):37-41.

［5]IMO.Formal Safety Assessment［S].MSC78/19/3，2004.

［6]秦庭荣，陈伟炯，郝育国，等.综合安全评价(FSA)方法［J].中国安全科学学报，2005，15(4):88-92.

［7]葛育英，陈伟炯，秦庭荣.证据理论在海上风险评价中的应用［C]//2006(沈阳)国际安全科学与技术学术研讨会论文集.

［8]高洁.上海港集装箱运输竞争力评价［J].上海海事大学学报，2005，26(4):67-72.

［9]张兆民.模糊C-均值聚类在内陆无水港选址中的应用［J].上海海事大学学报，2008，29(4):34-38.

［10]罗承忠.模糊集引论［M].北京:北京师范大学出版社，2000:105-111.

［11]蔡垚，刘正江，吴兆麟.综合安全评估危险识别中专家意见一致性分析［J].大连海事大学学报，2007，33(S1):113-115.