基于熵权物元模型的航道引航环境风险评价

王 晨，江福才，马全党，马 勇，钟庆云，孟贝贝

(1.武汉理工大学 航运学院，武汉 430063；2.内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063)

基于熵权物元模型的航道引航环境风险评价

王 晨1,2，江福才1,2，马全党1,2，马 勇1,2，钟庆云1,2，孟贝贝1,2

(1.武汉理工大学 航运学院，武汉 430063；2.内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063)

为客观、定量评价不同航道引航环境风险状况，并确定其风险等级，以航道通航环境为评价主体，增添反映被引船舶状况的客观量化指标，构建航道引航环境风险评价指标体系，并使用熵权物元模型对其进行评价。根据待评价航道引航环境的风险特征和评价需求，使用Visual C++6.0开发基于熵权物元模型的风险评价软件，为引航作业和海事管理提供决策支持。在实例验证中，选取长江江苏段某4段航道，根据航道引航环境风险评价指标体系确定其指标客观量化值，通过熵权物元模型处理得到其引航环境的风险等级。为对客观量化的评价结果进行检验，邀请20位引航员根据定性的评价标准确定4段航道的指标主观定性分数，通过风险评价软件对4段航道的引航环境风险状况进行重新评价，对比分析定性与定量评价的结果，验证模型的可靠性和软件的实用性。

引航环境；航道；风险评价；熵权；物元模型

目前关于船舶引航安全的研究大多针对某个引航过程，从人、船、环境和管理等4个方面进行考虑，采用综合安全评价法(Formal Safety Assessment,FSA)[1-2]对引航员及船员、引航船舶类型、引航水域环境和引航站管理等方面的相关指标进行分析。在这些研究中：评价对象主体较为模糊，评价指标多为定性描述，未尝试用客观量化值来表示；指标权重采用层次分析法确定，评价结果受主观因素的影响大；评价方法不具有普适性和可移植性，难以形成统一的标准，也难以得出具有实际参考价值的结论。

近年来，在针对船舶通航环境风险评价的研究中，对风险指标的描述已呈现出由定性[3-5]向定量发展的趋势。描述的主体思想是将船员等难以定量描述的因素从通航风险影响因素中剥离，仅分析航道通航环境风险；或对可间接反映该因素风险状况的可量化指标进行描述，如用船舶营运年份代替船舶操纵性能，用船舶违章状况代替船员素质等。此外，在定量评价航道通航风险的研究中，多采用物元模型。例如：张宝刚[6]和刘康[7]选用层次分析法确定指标权重，针对航道通航环境建立可拓物元模型；吴定勇等[8]用熵权法代替层次分析法计算物元模型中的指标权重，可在一定程度上消除不确定性和主观判断对结果的影响。

可拓物元理论及其应用是一门集数学、思维科学和系统科学于一体的创新性交叉学科。物元模型作为对风险进行定量评价的模型，广泛应用于安全[9-10]及环境[11-12]等学科中。

船舶引航安全与船舶通航环境密切相关，这里基于定量评价船舶通航环境风险研究，拟以影响引航安全的可量化因素为评价指标，以航道通航环境为主体，结合被引船舶的状况，采用熵权物元模型对长江江苏段某4段航道的引航环境风险状况进行评价，确定其风险等级，并使用Visual C++6.0开发基于熵权物元模型的风险评价软件，为引航作业提供借鉴。

1 模型建立

物元分析法的主要思想是用“事物的名称”“特征”及“量值”等3个要素对事物进行描述，并将其组成有序的基本单位，即物元。

设N为事物的名称，C为特征，V为量值，则物元R可表示为

R=(N，C，V)

(1)

在运用物元模型时，通过以下流程(见图1)确定熵权物元模型：

1) 根据评价对象的类型和拟选取的评价指标确定风险等级标准，并将其量化为经典域和节域。

2) 选取评价对象，确定其指标值，计算该对象与各风险等级的单指标关联度。

图1 熵权物元模型求解流程

3) 确定各指标权重，得到评价对象与各风险等级的综合关联度。

1.1确定评价对象类型及等级标准

设Q为评价标准物元，Cj为第j个评价指标，Vj=(aj,bj)为评价标准物元在第j个指标的节域(节域是指某个指标在全体评价等级下的量值范围，即该指标在各评价等级下经典域的集合)。[8]

Q=(N,Cj,Vj)=(N,Cj,(aj,bj))

(2)

将评价标准设置为q个等级，设Qp为评价标准的p等级物元，Vjp=(ajp,bjp)(p=1,2,…,q)为评价标准物元的第j个指标在p等级下的经典域(经典域是指评价对象某指标在某等级下的量值范围)。

Qp=(Np,Cjp,Vjp)=(Np,Cjp,(ajp,bjp))

(3)

因此，节域又可表示为

Vj=(aj1,bjq),p=1,2,…,q

(4)

明显有Vjp⊂Vj。

1.2选取评价对象

根据评价对象的类型选取评价对象，并确定其评价指标值。在评价标准统一有效的前提下，熵权物元模型可对该类型的1个或多个对象进行评价。理论上，评价对象的所有量值均会在模型的节域内。

设有m个评价对象，则第i个评价对象的物元可表示为

Yi=(Yi,Cij,vij)

(5)

式(5)中：Cij和vij分别为第i个评价对象的第j个指标及第j个指标值。

1.3计算评价对象的单指标等级关联度

各评价对象的单指标等级关联度的计算式为

(6)

|Vjp|=|bjp-ajp|

(7)

(8)

(9)

式(6)～式(8)中：ρ(vij,Vjp)为点vij与经典域区间Vjp=(ajp,bjp)的距离；ρ(vij,Vj)为点vij与节域区间Vj=(aj,bj)的距离；vij，Vjp及Vj分别为第i个评价对象的第j个指标的物元量值、经典域和节域；Kijp(Yij)为第i个评价对象的第j个指标与不同等级p的关联度。

1) 当Kijp(Yij)>0时，待评价物元符合某级标准要求，其值越大，符合程度越高。

2) 当-1

3) 当Kijp(Yij)<-1时，待评价物元不符合某级评价标准要求，且不具备转化为该级标准的条件，其值越小，表明与某级评价标准的差距越大。[10]

1.4熵权法确定指标权重

设有m个评价对象、n个评价指标，xij为第i个评价对象的第j个评价指标的取值，由此建立风险判断矩阵A为

A=(xij)m×n,i=1,2,…,m；j=1,2,…,n

(10)

由于评价指标一般具有不同的量纲，因此需对评价指标进行无量纲化处理，计算式为

(11)

由此得到标准风险判断矩阵B为

B=(bij)m×n,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n

(12)

1) 定义各评价指标的熵为

2) 计算各评价指标的熵权为

(15)

由此可得权重向量为

(16)

1.5计算综合关联度

计算各评价对象与各风险等级的综合关联度Kip(Yi)。

(17)

2 实例应用

2.1确定评价对象类型及等级标准

以长江航道某引航河段的引航环境为研究对象，通过查阅文献[4,6-8,13]和实地调研，并结合专家及引航员的工作经验，拟将该段航道的引航环境风险因素分为自然环境、航道条件、交通环境和被引船舶状况等4个一级指标，将评价标准分为低风险度R1,较低风险度R2,中等风险度R3,较高风险度R4和高风险度R5等5个等级评价对象分别为能见度C1,风C2,最大流速C3,航道最小宽度C4,航道长度C5,航道弯曲度(最大转向角)C6,与航道中心线最近碍航物距离C7,转向点个数C8,航道内碍航物个数C9,交通流量C10,交通事故量C11,导助航设施完善率C12,VTS覆盖率C13,船舶类型C14,船舶尺度C15,船龄C16,引航事故C17。评价对象指标体系及指标值见表1，模型评价标准见表2。

表1 待评价对象指标体系及指标值

2.2计算单指标等级关联度

建立航道引航环境物元，根据式(10)～式(12)将物元转化为标准风险判断矩阵，根据式(5)～式(8)得到各评价对象单指标等级关联度。以待评价对象L1为例，得到其单指标等级关联度见表3。

2.3确定评价指标权重

由式(9)～式(15)计算各评价指标权重，可得：ω1=0.049 2，ω2=0.068 2，ω3=0.061 7，ω4=0.066 6，ω5=0.055 6，ω6=0.059 1，ω7=0.056 4，ω8=0.051 0，ω9=0.092 3，ω10=0.049 48，ω11=0.058 3，ω12=0.052 8，ω13=0.050 4，ω14=0.052 0，ω15=0.050 1，ω16=0.055 0，ω17=0.069 2。

2.4计算综合等级关联度

根据式(16)计算各评价对象综合等级关联度(见表4)，可看出：max[K1p(Y1)]=K12(Y1)=-0.100 28，max[K2p(Y2)]=K22(Y2)=-0.129 37，因此L1和L2的引航环境风险处于R2等级，即“较低风险”；max[K3p(Y3)]=K33(Y3)=-0.135 18，max[K4p(Y4)]=K43(Y3)=-0.064 49，因此L3和L4的引航环境风险处于R3等级，即“一般风险”。

2.5计算综合等级关联度

为对同一等级内的评价对象的风险大小进行判断，引入级别变量特征值p*[8,14]。级别变量特征值表示失效程度，即偏离所在等级的程度。因此，相同等级内的评价对象的级别变量特征值越小，与其对应风险等级的吻合度越高。

(18)

(19)

经计算可知:评价对象L1和L2的级别变量特征值分别为2.187 41及2.089 12，L2与R2等级的吻合度更高,而由L1的综合等级关联度可知,其较易转化为R1等级,因此风险L2>L1；评价对象L3和L4的级别变量特征值为3.301 46及2.611 54，L4与L3等级的吻合度更高,而由L3的综合等级关联度可知,其较易转化为R4等级,因此风险L3>L4。综上可知，航道引航风险从大到小的排序为L3>L4>L2>L1。

3 软件设计

3.1软件需求分析

随着南京以下12.5 m航道整治工程实施，长江江苏段的通航和引航条件得到较大改善，但由于该航段自然环境复杂，交叉航段和弯曲航道众多，引航环境风险依然较高。为对长江江苏段引航环境进行由大到小的分航段评价，使用Visual C++6.0设计基于熵权物元模型的风险评价软件。

图2为评价对象划分方法，软件设计需满足上述评价需求，即模型的适应性和可移植性较好，从而对各航段引航环境进行整体到局部的评价，进而得到长江江苏段从局部到整体的航道引航环境风险状况。

表2 模型评价标准表

表3 L1的单指标等级关联度K1jp(Y1j)

表4 各评价对象综合等级关联度

图2 评价对象划分方法

在该评价软件的设计中，考虑到不同尺度下各航段引航环境条件相差较大，可能需建立不同的评价指标体系和等级标准，以对其风险状况进行准确评价。因此，该软件不对评价指标体系和等级标准进行前期设置，由使用者在对某类对象进行某次评价时确定，并将其输入到软件左侧指标区面板即可。

在软件右侧参数区输入各评价对象指标值，综合考量长江江苏段引航环境风险影响因素和航段划分情况。软件设置有至多20个评价指标和至多6个评价对象的容量。

3.2软件功能设计

软件主要包括数据输入、检测计算和结果输出等3个模块，其中数据输入和检测计算主要通过软件输入面板(见图3)实现。

图3 软件输入面板

软件输入面板包括指标区、参数区和功能区，其中,指标区和参数区主要用于数据输入，功能区主要用于数据检测及计算。

1) 在指标区内，对于某评价指标来说，每个等级对应一个数值区间，即熵权物元模型中的经典域，其中最小风险等级的经典域下限值和最大风险等级的经典域上限值组成节域。当评价指标为反向风险指标(即数值越小风险越大的指标)时，为使其适应本软件算法，需将其评价标准和指标值转变为相反数输入。

2) 在参数区内，输入值为评价对象的指标值，可同时对A,B,C,D,E,F等至多6个对象进行评价。

3) 功能区包括“初始化”“添加指标”和“计算”等3个按钮。点击“初始化”，面板所有输入的数据清零，可进行下一次计算；当评价标准不变，需修改评价对象指标值输入时，可点击对应的评价对象按钮，清除对应的评价对象指标值。点击“添加指标”，可弹出指标扩展面板，该软件至多可设20个评价指标。点击“计算”，首先对数据进行检测，若数据有误，则弹出错误提示框；若数据无误，则依据指标数据对各对象进行风险评价，弹出软件输出面板，显示计算结果。图4为软件输入面板(扩展)。

图4 软件输入面板(扩展)

软件输出面板(见图5)主要用于结果输出，包括评价对象对R1～R5等5个等级的综合关联度和各对象的级别变量特征值。对于某个对象，关联度最高的等级即为其所属等级；而若有多个对象属于同一等级，可通过级别变量特征值来区分同等级下不同对象的隶属度。

图5 软件输出面板

4 结果验证

在实例应用中，对4段航道引航风险状况进行评价的依据是客观量化指标值和相应的等级标准。为对熵权物元模型的评价结果进行主观性验证，建立各评价指标的主观评价标准，并邀请20位引航员根据该标准确定各评价对象的各项指标值，使用评价软件对4段待评价航道的引航环境风险状况进行评价。主观评价标准见表5，20位引航员的主观评价结果统计见表6。

表5 主观评价标准

表6 20位引航员的主观评价结果统计

5 结束语

1) 根据长江江苏段引航环境风险特征，选取熵权物元模型进行评价。熵权物元模型是一种基于数学模型的评价方法，相比综合评价方法，原理简单、计算简便，可靠性、适应性和移植性较强。

2) 根据长江江苏段引航环境风险特征和评价需求，使用Visual C++6.0设计基于熵权物元模型的航道引航环境风险评价软件，针对长江江苏段引航环境风险状况进行从整体到局部的评价，为引航部门作业及海事部门监管提供理论依据和决策支持。

3) 以航道为评价载体，以航道通航环境为评价主体，增添能反映航道引航船舶状况的客观量化指标，对航道引航环境进行客观、独立的风险评价；同时，采用熵权法确定指标权重，以摒弃主观意识影响。

4) 在后续研究中，拟以航道引航环境为评价主体，增添环境实时状态、被引船舶实时状态、引航员及船员实时状态等指标，对单艘船舶引航风险进行动态预测。此外，如何通过客观量化指标对上述状态的风险情况进行描述仍需进一步研究。

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EnvironmentRiskEvaluationforChannelPilotingBasedonEntropyWeightandMatter-ElementModel

WANGChen1,2,JIANGFucai1,2,MAQuandang1,2,MAYong1,2,ZHONGQingyun1,2,MENGBeibei1,2

(1.School of Navigation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430036,China;2.Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology,Wuhan 430036,China)

An index system reflecting the channel piloting risks associated with the channel conditions is established.The system involves both navigational environment of channels and the conditions of piloted ships,emphasizing the former.The entropy weight and matter-element model is used for evaluating the environmental risks to channel piloting.A risk evaluation software for supporting decision making in pilotage operations and maritime services is developed with Visual C++6.0 according to the risk characters and evaluation requirements.Four channels of Yangtze River are evaluated for illustration.The objective quantitative values of indexes for each channel are obtained by the proposed evaluation system.Meantime,20 experienced pilots are invited to give their subjective estimates of the channel condition indexes.The two sets of indexes are used for risk estimation respectively and the results are compared for verification.

piloting environment; channel; risk evaluation; entropy weight; matter-element model

U698;U675.98

A

2017-01-23

国家自然科学基金(51579202)；国家自然科学基金青年基金(51309186)

王 晨(1992—)，男，河北定州人,硕士生，从事水上交通安全与环境保障研究。E-mail:wangchenwut@foxmail.com

马全党(1984—)，男，河南周口人,实验师，硕士，从事水上交通安全与环境保障研究。E-mail:qdmawhutedu@qq.com

1000-4653(2017)02-0044-06