基于物元法的船舶定线制实施后水域通航安全评价

李志荣，朱金善，朱景林，黄 成

(大连海事大学航海学院，辽宁 大连 116026)

随着我国“海运强国”战略的推进，大型高速船舶的通航密度越来越大，加之海上养殖和渔船的活动越来越频繁等因素的影响，使得通航环境更加复杂，同时也增加了海上安全航行隐患。因此，船舶定线制的作用越来越明显。根据国际海事组织(Intemational Maritime Organization,IMO)发布的《关于船舶定线制的一般规定》，船舶定线制作为一种使船舶在某水域航行应遵守的海事管理制度[1]，对船舶航行安全、海上人命安全、通航效率以及海洋资源利用和保护等都有着重要的意义。

由于船舶的大型化和航行的快速化、定线制水域内船舶交通流量的增大以及海上光污染的加重，船舶定线制水域所面临的安全问题日益突出，原有的船舶定线制方案实施后的通航安全亟待评价。目前，针对船舶定线制实施后水域通航环境评估方面已有大量的研究。如崔娟[2]采用时间序列分析法评价了船舶定线制实施后的安全效果；范中洲[3]采用可拓理论和模糊神经网络理论建立了船舶定线制评价模型；黄常海等[4]采用组合赋权-未确知理论建立了船舶定线制水域航行安全评价模型；冯自俭[5]构建了基于改进层次分析法的船舶定线制模糊综合评价模型，对珠江口水域船舶定线制实施后的安全性和有效性进行了评价；刘绍满[6]采用基于人为因素的动态四元船舶领域模型对船舶定线制的通航能力进行了评价，为航道的扩宽提供了技术支持；孙浩[7]运用改进的均差法并考虑指标间的内在联系，对实施后的担杆水道船舶定线制进行了评估研究；Ulusçu等[8]将进程调度的数学模型运用于船舶定线制水域，进而提高了船舶在该水域的通航效率；Szlapczynski[9]基于进化算法研究了船舶定线制实施后水域船舶的最佳航迹；Jensen等[10]通过对交通流进行分析，评价了分道通航制实施后水域的船舶通航效率；Pietrzykowski等[11]利用AIS数据建立了分道通航制实施后水域的船舶领域模型。

但上述研究未对船舶定线制实施后水域通航环境变化进行有针对性的研究，尤其是船舶定线制实施后船舶交叉会遇局面和航路的变更以及海上光污染的出现等，且在对船舶定线制水域通航安全进行评价的过程中，指标的主观因素会导致评价结果的主观性过强，影响了决策结果，而物元法可将物元量值反映到[+∞,-∞]实轴上以客观表述评价对象的实质，从而减弱了评价结果的主观性。因此，本文从船舶定线制实施后的通航安全评价出发，筛选船舶交叉会遇局面和航路的变更以及海上光污染的出现等具有代表性的评价指标，引入AHP-熵值法综合赋权法确定评价指标的综合权重，以克服因主观性过强而导致客观信息丢失的不足，同时还不丢失决策者的主观信息，并基于物元法综合评价各评价指标对船舶定线制水域通航安全的影响程度，通过关联度计算安全性综合评价等级，从而得到更加客观且准确的评价结果。

1 船舶定线制实施后水域通航安全评价模型的建立

1.1 船舶定线制实施后水域通航安全评价指标体系的构建

船舶定线制水域通航环境是“人-船-环境-管理”构成的复杂系统，系统中的各因素相互影响和制约。随着船舶的大型化和航行的快速化、定线制水域内船舶密度的增大以及定线制水域沿岸背景光的增强等，导致定线制水域内影响船舶航行安全的危险源增加且更加复杂。为了更好地评价定线制实施后各影响因素对船舶航行安全的影响程度，参考有关船舶定线制、船舶定线制后评价以及船舶航行安全评价方面取得的研究成果[2-7,12-14]，遵循“代表性、可操作性、科学性”的评价指标体系构建原则，并结合船舶定线制的一般规定，以对船舶航行安全为评价目标，将各个指标评价等级分为5个等级，分别为非常危险、较危险、一般安全、较安全、非常安全，依次对应I～V级，最终构建了船舶定线制实施后水域通航安全评价指标体系和各指标评价等级阈值，详见表1。

表1 船舶定线制实施后水域通航安全评价指标体系和各指标评价等级阈值

1.2 基于AHP-熵值法的评价指标权重确定

设有m个评价水域，每个水域有n个评价指标，组成原始的数据矩阵X[15]:

(1)

式中:xij为第i个评价水域第j项评价指标值。

(2)

式中:ej≥0;k=lnm,k>0。

根据公式(2)求得每个评价指标的熵值权重为

(3)

式中:gj为第j项评价指标的差异性系数，gj=1-ej。

由于通过熵值法确定评价指标权重时缺乏主观性，因此可利用层次分析法(AHP)来修正熵值法的该缺点，同时也优化了AHP法在确定评价指标权重时存在主观性较强的问题。因此，本文采用加法集成原理利用AHP-熵值法对各评价指标进行综合赋权:

W=aWs+bWo

(4)

1.3 基于物元法的船舶定线制实施后水域通航安全评价模型的建立

物元法是分析在特定条件下无法达到理想效果的某些不相容问题的一种方法。该方法根据某元素的特征值大小判断所属某集合的影响程度，并通过关联函数的大小衡量元素和集合间的关系。

设对象为N，特征为c，量值为x，则它们可构成的有序三元组M=(N,c,x)作为描述事物的基本元，简称一维物元，N、c、x称为物元M的三元素。若对象N有n(n>1)个特征，n个特征Cn=[c1,c2,…,cn]及其对应描述的量值Xn=[x1,x2,…,xn]，则称n维物元，构成的矩阵为

(5)

1.3.1 构建经典域物元矩阵

船舶定线制实施后水域通航安全评价的经典域物元矩阵Mab为

(6)

式中：Nj为船舶定线制实施后对应船舶通航安全的评价等级(j=1，2，…，5)；Ci为评价船舶定线制后通航安全所构建的6个特征指标，分别为船舶密度、船舶会遇交叉局面、航路变更、渔船航行、障碍物和附近水域或沿岸背景灯光亮度；Xji分别为各个评价等级Nj所对应关于评价指标Ci的量值范围〈aji,bji〉，即为经典域。

1.3.2 构建节域物元模型

物元节域为所确定的评价指标能够满足的基本要求，包括标准和可转换为标准的事物。船舶定线制实施后水域通航安全评价的节域物元矩阵Mp为

(7)

式中：P为船舶定线制水域通航安全评价等级的全体；xpi为船舶定线制实施后水域通航安全评价等级P关于其全体特征指标Ci的量值范围，即节域〈api,bpi〉，其取值为船舶定线制实施后水域通航安全不同评价等级的量值范围。

1.3.3 构建待评物元模型

(8)

式中：Xi为船舶定线制实施后水域通航安全评价等级P关于其评价指标Ci的量值范围，即为待评船舶定线制实施后水域通航安全评价等级所得各评价指标的指数。

1.3.4 关联度的计算

船舶定线制实施后水域通航安全性对应评价等级的关联度计算公式[16]为

Kj(xi)=ρ(xi,xji)/D(xi,xji,xpi)

(9)

其中：

(i=1,2,…,n)

确定船舶定线制实施后水域通航安全评价等级对应的关联度时，由于不同评价指标的权重大小不同可得到不同的关联度，则综合关联度为

(10)

式中：Kj(P0)为待评船舶定线制水域P0相对于船舶通行安全评价等级j的关联度；wi为评价指标Ci的权重分配系数。

1.3.5 确定评价等级

在确定待评船舶定线制水域P0相对于船舶通行安全各评价等级的关联度Kj(P0)后，结合最大关联度原则可得:

(11)

可断定待评P0船舶定线制后水域P0通航安全评价等级为j0级。Kj(P0)∈[1,+∞)表示待评船舶定线制水域P0超过了标准对象的要求程度；Kj(P0)∈[0,1)表示待评船舶定线制水域P0属于某安全评价等级，符合标准对象的要求程度，数值越大表示符合程度越高；Kj(P0)∈(-1,0)表示待评船舶定线制水域P0不属于任何安全评价等级范围，不符合标准对象的要求程度，但可转换为标准对象；Kj(P0)∈[-∞,1)表示待评船舶定线制水域P0不符合标准对象的要求程度且不能转换为标准对象。若令:

(12)

可得评价等级的基本变量特征值j*为

(13)

可通过基本变量特征值j*来判断船舶定线制水域通航安全评价等级偏向某一级别的程度。

2 老铁山水道船舶定线制实施后水域的通航安全评估

根据辽宁海事局事故统计，在老铁山水道及其附近海域近五年发生了9起海上交通事故，其中有6起为船舶碰撞事故，2起为船舶主机故障，1起为船舶火灾事故。船舶碰撞事故是影响老铁山水域船舶通行安全的最主要原因。碰撞事故的发生前提是当事船舶在海上会遇，如果减少或避免了船舶会遇，尤其是交叉会遇，就会增进老铁山水道的船舶航行安全。因此，有必要对老铁山水道船舶定线制实施后水域的通行安全进行评价。

2.1 船舶定线制的实施概况

2.1.1 基本情况

《老铁山水道船舶定线制》正式实施于2006年6月1日，该水道船舶定线制由分隔带、通航分道和警戒区构成,其中间设立了宽1 n mile、长9 n mile的分隔带，两侧各为宽2.25 n mile的船舶通航分道，西行船舶走北侧分道，主流向为300°(真航向)，东行船舶走南侧分道，主流向为120°(真航向)，严格禁止船舶穿越通航分道；此外，鉴于西部进出水道的船舶航向比较复杂，西部端口还设有一个半径为5 n mile的警戒区，提醒船舶谨慎驾驶，详见图1。

图1 老铁山水道船舶定线制示意图

2.1.2 基本功能

根据IMO《关于船舶定线制的一般规定》[1]中列明的船舶定线制的一般作用(见图2)，以及在充分考虑老铁山水道自然、水域和交通环境的特点前提条件下，我国海事主管机关要求老铁山水道船舶定线制具有以下功能：①分隔老铁山水道西行和东行方向的交通流；②减少穿越船舶对通航分道中船舶的碰撞危险；③确定并简化汇聚区域的交通流模式；④组织水上设施附近的交通流，以提高船舶的通航效率；⑤组织航行危险区域的交通流，以提高船舶航行的安全性；⑥水深不确定区指导船舶降低搁浅风险；⑦指导或组织船舶让清或通过捕鱼区。

图2 船舶定线制的作用示意图

2.2 水域通航安全评价

2.2.1 评价指标权重的确定

指标权重是通过问卷调查形式确定，共发放问卷114份，回收有效问卷105份(其中40份来自船员，36份来自引航员，29份来自辽宁海事局或大连船舶交通服务中心的工作人员)，并通过SPSS软件得出水域通航安全评价指标的信度系数为0.834，因信度系数在0.70以上，则表明该问卷数据的可信度高。

(1) AHP法确定评价指标的权重：根据已建立的船舶定线制后水域通航安全评价指标体系，通过问卷调查数据建立评价指标的判断矩阵为

根据构造的判断矩阵，结合相对权重的计算步骤，可得评价指标的权重为

Ws=[0.264,0.082,0.089,0.142,0.380,0.043]

最后，通过一致性检验，求得老铁山水道船舶定线制实施后水域通航安全评价指标的CI=0.093、RI=1.26，两者的比值CR=0.074≤0.1，表明一致性较好。

(2) 熵值法确定评价指标的权重：根据已建立的船舶定线制后水域通航安全评价指标体系，通过问卷调查的方式对评价指标由好到差依次赋值5～1，最后得到各评价指标的总体平均值为

X=[3.762,4.190,4.267,2.905,3.875,4.250]

根据熵值法的计算步骤，求得老铁山水道船舶定线制后水域通航安全各评价指标的熵值权重向量为

W0=[0.109,0.236,0.262,0.003,0.134,0.256]

(3) 确定评价指标的综合权重：根据综合赋权法的计算步骤，将评价指标主观权重从大到小进行重新排序为

W0=[0.043,0.082,0.089,0.142,0.264,0.380]

通过a、b的关系，求得a=0.620、b=0.380，并根据公式(4)求得评价指标的综合权重为

W=[0.205,0.141,0.155,0.089,0.287,0.123]

2.2.2 水域通航安全评价等级

根据老铁山水道的相关研究成果[17-19]，并结合实际的测量数据，获得各评价指标的量值。在已构建的船舶定线制后水域通航安全评价模型的基础上，分别对评价指标关于各安全评价等级的关联函数值进行计算，得出老铁山水道船舶定线制实施后水域通航安全各评价指标关于各安全评价等级的关联度，见表2。

表2 老铁山水道船舶定线制实施后水域通航安全评价指标关于各评价等级的关联度

由表2可知，可确定老铁山水道船舶定线制后水域通航安全各评价指标所属于的安全评价等级如下：其中无评价指标属于I级(非常危险)和V级(非常安全)；渔船航行、障碍物以及附近水域或沿岸背景灯光亮度属于II级(较危险)；船舶交叉会遇局面属于III级(一般安全)；船舶密度属于IV级(较安全)。

根据综合关联度的计算公式(10)，结合老铁山水道船舶定线制实施后水域通航安全各评价指标的综合权重，求得老铁山水道船舶定线制实施后水域通航安全关于评价等级I级、II级、III级、IV级、V级的综合关联度Kj(P0)，并结合公式(11)、(12)、(13)可计算得出老铁山水道船舶定线制实施后水域通航安全各评价等级的基本变量特征值j*，见表3。

表3 老铁山水道船舶定线制实施后水域通航安全评价等级的关联度和特征值

由表3可知，老铁山水道船舶定线制实施后的通航安全评价等级属于II级(较危险)，偏向III级(一般安全)，且K2(P0)∈[0,1)，则符合标准对象的要求程度，与文献[17]、[19]对老铁山水道船舶定线制实施后水域通航安全的评价结果具有较好的一致性。可见，物元法可直观地反映各评价指标的安全评价等级，且其评价结果综合考虑了主客观信息，克服了主观因素对决策结果的影响。

3 结 论

本文在分析船舶定线制一般规定的基础上，通过对比相关文献确定了船舶定线制实施后水域通航安全评价的相应指标，并引入了海上光环境背景亮度对船舶夜航安全的影响指标，使得船舶定线制实施后的安全评价更加客观、准确且具有代表性。在利用AHP-熵值法综合赋权的基础上，本文将物元法应用到船舶定线制实施后水域通航安全的评价，通过对各个评价指标量值关于评价等级关联度的计算，从而判断船舶定线制实施后水域通航安全的评价等级。

通过对已实施12年之久的老铁山水道船舶定线制水域通航安全的评价，结果表明：该定线制水域的通航安全评价等级为II级(较危险)，偏向III级(一般安全)；各评价指标所属于的安全等级为渔船航行、障碍物以及附近水域或沿岸的背景灯光属于II级(较危险)，船舶交叉会遇局面属于III级(一般安全)，船舶密度属于IV级(较安全)；现行的该船舶定线制对于改善船舶通航安全性方面相对较好。另外，可根据指标的安全评价结果找到其存在问题，进而为改进该定线制提供具体的参考依据，如加强对渔船的管理、扩宽水域宽度、控制海上背景光对船舶夜航安全的影响等。本文建立的船舶定线制实施后水域通航安全评价模型，可运用于其他水域的船舶定线制安全评价，为重新规划已实施多年的船舶定线制提供一定的参考价值。