基于正态云可拓理论的锚泊安全评价

鲁峰 李伟 宁君 于仁海

摘要：为提高锚泊安全评价精度，保障船舶锚泊安全，针对传统锚泊安全评价方法未考虑评价等级界限的不确定性和模糊性等问题，将正态云可拓理论应用于锚泊安全评价中。采用层次分析法和基于可拓学的简单关联函数确定权重的方法分别确定锚泊安全评价指标的主观和客观权重，通过经验因子将主观与客观权重进行结合。构建基于正态云可拓理论的锚泊安全评价模型，计算待评物元与标准可拓物元的关联度，通过信息熵理论确定锚泊安全等级。根据信息熵理论定义可信因子，使得评价结果的可信度易于定量计算。实例计算验证了本模型的有效性和优越性。

关键词： 锚泊安全; 综合评价; 综合权重; 云模型; 可拓模型; 信息熵理论

Abstract： In order to improve the accuracy of anchoring safety evaluation， ensure the ship anchoring safety and solve the problem that the traditional anchoring safety evaluation method does not consider the uncertainty and fuzziness of the evaluation grade restriction， the normal cloud extension theory is adopted to evaluate anchoring safety. The analytic hierarchy process and the method for determining weights based on the simple correlation function of the extenics are used to determine the subjective and objective weights of the anchoring safety evaluation indexes， respectively. The empirical factor is used to combine the subjective and objective weights. The anchoring safety evaluation model based on the normal cloud extension theory is constructed， and the correlation degree between the evaluated matter-element and the standard extension matter-element is calculated. The anchoring safety level is determined by the information entropy theory. The credibility factor is defined according to the information entropy theory， so that the credibility of the evaluation result is easy to be quantitatively calculated. The effectiveness and superiority of the model are verified by the example calculation.

Key words： anchoring safety; comprehensive evaluation; comprehensive weight; cloud model; extension model; information entropy theory

0 引 言

由于最近幾年全球经济的不景气，航运市场惨淡，运价持续走低，很多船舶公司处于亏损经营状态，处于停运或半停运状态的船舶数量持续增加，这也造成部分锚地拥挤，增加了锚泊危险性。近年来，锚泊安全事故时有发生，而且大部分造成了严重的后果。因此，对锚泊安全进行评价显得极为重要。目前国内外学者对锚泊安全进行了很多研究：文献[1]利用AIS的历史数据对暴风雨天气下锚泊船的状况进行分析，通过船舶行为动态分析来研究船舶走锚的实际情况;文献[2]进行了考虑锚链力的动态计算，并与通过悬链线法获得的结果进行比较，最后构建了一种再现船舶在风和波浪中走锚和搁浅的新算法;文献[3]提出一种船载监控系统，用人工神经网络方法根据操作参数准确估计静态横倾角，从而评估锚泊船在抛锚操作过程中的稳定性;文献[4]比较系统、全面地分析了影响锚泊安全的因素，构建出模糊综合评价模型，最后运用到两艘实船的锚泊安全评价中，结果与实际情况比较相符，但指标权重的确定较为主观;文献[5]首次将锚泊密度补充到评价指标中，并建立了锚泊安全可拓综合评价模型进行实例验证，评价结果与用模糊综合评价模型得到的结果一致;文献[6]根据锚泊安全出链长度、安全锚泊距离的分析结果及海洋气象服务业务流程，提出走锚风险评估业务应用模型，应用该模型能够实时获取未来若干小时内大风可能造成锚泊船走锚的预警等级;文献[7]从GPS数据入手对船舶的偏荡运动特征进行分析，采用最小二乘法对锚泊船的偏荡轨迹数据进行拟合得到锚位，比较锚位的变化来推测船舶是否发生走锚，对于船舶的锚泊状态监控和锚泊安全预警具有一定的借鉴意义。

在有关安全评价方法的研究中，文献[8]首次将云模型引入物元理论中，构造出一种能够实现定性描述与定量描述相结合的基于云模型的物元综合评价方法，并将其运用到潜艇损伤等级的评估中。而后在云模型与可拓模型的结合运用上：文献[9]采用物元与云模型集成的方法来加强设备保障性评估，研究表明云物元评价模型有助于解决定性评估问题;文献[10]针对引航环境风险评价指标的随机性和模糊性，建立了引航环境风险评价的标准正态云物元模型，计算待评物元与标准正态云物元之间的关联度，并引入置信度准则识别风险等级;文献[11]建立了基于可拓云理论的电力市场运行效率评价模型，引入可信度因子和风险因子反映评估结果的可信度和风险信息;文献[12]提出一种基于变权云物元分析理论的船舶定线制实施效果综合评估方法，引入变权理论突出较差指标对评估结果的影响，同时运用云物元分析理论构建船舶定线制实施效果综合评估模型，该模型可同时给出评估结果和可信度。

鉴于云可拓理论已有大量的实际应用，同时考虑到锚泊安全的评估过程中存在不确定性和模糊性，用传统的锚泊安全评估方法难以反映评估过程中存在的不确定性和模糊性，本文将正态云可拓理论应用于锚泊安全评价中：采用层次分析法和基于可拓学的简单关联函数确定权重的方法分别计算主观和客观权重，然后计算锚泊安全评价指标基于经验因子α的综合权重，以求最大程度地减少主观因素的影响;构造标准云模型，并在计算可拓物元模型关联度时运用该模型的不确定性和随机性建立锚泊安全的正态云可拓评价模型;最后为使评价结果更准确、更客观，通过信息熵理论计算评价结果的可信因子σ，得到可信度信息。

1 锚泊安全评价指标体系

为能够详细分析影响锚泊安全的因素，对大量国内外相關研究文献资料进行阅读和总结，发现大部分研究人员习惯将锚泊中的船舶作为一个由船、环境和人组成的系统进行研究。根据船舶锚泊的特点及实践经验，参考文献[4-5，13-14]制定出锚泊安全评价指标体系和评价标准，并将此评价指标体系和评价标准以调查问卷的形式向不同单位共11位航海专家和学者征求相关建议。最后，结合11位航海专家和学者的经验、建议确定锚泊安全评价指标体系，见表1;以对锚泊安全的影响程度为评价目标，将锚泊安全等级分为安全、较安全、一般危险、危险和高危险，各等级对应的具体评价标准见表1。

2 基于正态云可拓理论的锚泊安全评价模型

2.1 云模型

将定性概念中的随机性、模糊性和不确定性三者相结合，同时实现定量与定性间的转换的模型被称之为云模型[15]。云模型主要包括正态云模型、三角形云模型和对称云模型等。[16]当今最重要且应用最广泛的是正态云模型，其普遍适用性已经在科学技术、生产活动、社会现象和自然现象中得到证明。[17]本文采用正态云模型对锚泊安全等级区间进行划分。

正态云模型由期望值Ex、熵En和超熵He体现其数字特征。期望值Ex是云图中的云重心，也是最能够代表事物定性概念的点，锚泊安全就是基于此值进行的等级区间划分;熵En是事物不确定性的度量，由事物的随机性和模糊性共同决定，既可以反映锚泊安全评价指标值的随机性，又可以体现待评物元的数据可以被锚泊安全等级节域接受的模糊性;超熵He是熵En的不确定性度量，即熵的熵，表示影响锚泊安全各因素随机性与模糊性的关联程度。为削弱锚泊安全评价过程中的随机性和模糊性，利用期望值Ex、熵En和超熵He构造云关联度函数。

2.2 可拓物元模型

由事物名称N、事物特征C、事物特征量值V有序三元组构造的事物基本元被称为可拓物元模型[8]，记为R=（N，C，V）。传统的可拓物元模型中未考虑V的随机性和事物的模糊性，因此本文将V用正态云模型（Ex，En，He）代替。锚泊安全等级界限的模糊性由En表示，锚泊安全评价指标数据的随机性由He表示。经过改进后的可拓物元模型表示为

2.3 确定综合权重

为使评价结果更准确、更科学，在锚泊安全评价指标权重的确定中，先运用层次分析法确定主观权重P，再利用基于可拓学的简单关联函数确定客观权重Q[18]。为弱化主客观赋权法各自的缺点，采用主客观相结合的思想确定锚泊安全评价指标的权重。将主观权重P与客观权重Q通过经验因子α联系起来，构造出综合权重A，即

经验因子α为主客观偏好系数，本文取0.5。

2.4 确定锚泊安全等级

根据对锚泊安全的影响程度，将锚泊安全等级划分为5个等级，锚泊安全二级评价指标分为13项，依据信息熵理论和云关联系数定义云熵H（kj）为σ值可以体现评价结果的随机性，其值越小说明评价结果越集中且可信度越高，反之可信度越低。

3 实例分析

经查阅相关资料，咨询航海专家建议，得到“育龙”号船和“翠洲”号船锚泊安全评价指标值，其中“育龙”号船为满载状态，“翠洲”号船为压载状态。具体数据见表3。

分别通过层次分析法和基于可拓学的简单关联函数确定主观权重P和客观权重Q，然后通过式（6）确定综合权重A。各评价指标的各类权重见表4。

求取这2艘锚泊船的待评物元与标准云物元之间的关联度，然后根据式（11）～（13）确定各锚泊船的锚泊因素对锚泊安全的影响等级及可信因子，同时运用文献[4]的模糊综合评判方法和文献[5]的传统可拓评价方法对实例进行计算。

本文通过“育龙”号船和“翠洲”号船验证所建立模型的有效性。图1和2分别给出了“育龙”号船和“翠洲”号船通过不同赋权法得到的权重值。从图中可以看出，通过经验因子α综合主、客观权重所得到的综合权重，吸收了主客观赋权方法的优点，同时又克服了层次分析法主观因素影响大的缺点，以及基于可拓学的简单关联函数方法太过客观的缺点，得到的权重值更加可靠。

表5给出了“育龙”号船和“翠洲”号船通过其他评估方法得到的评价结果，可知采用本文的正态云可拓评价模型得到的评价结果与用其他两种方法得到的评价结果一致，这表明本文方法有效，同时也证明正态云可拓评价模型在锚泊安全评价领域应用的有效性。本模型除了可以准确计算出评价结果外，还能够计算出评价结果的可信因子σ。计算后得出的可信因子较小，说明本方法的计算结果可信度较高。

分析评价结果并对比2艘船的锚泊状态可知，评价结果与2艘船的锚泊安全实际情况具有较好的一致性。“育龙”号船评价结果为较安全，与当时该船锚地的流速较小的实际情况相符，同时与在该锚地出链节数和风力级数相一致的经验吻合，船舶发生走锚的概率较小;“翠洲”号船在锚地水深20 m、风力5级的条件下出链6节，但由于锚地的流速较大，评价结果为一般危险，符合当时该船实际，船舶有发生走锚的风险。针对这一情况，“翠洲”号船上值班人员应密切监视锚位，或者适当增加出链长度，防止船舶因流速大而发生走锚。

4 结 论

本文将层次分析法、基于可拓学的简单关联函数确定权重的方法运用到锚泊安全评价指标的权重确定中，同时通过经验因子α将主、客观权重结合为综合权重，吸收了主、客观赋权法的优点，确定的指标权重更加科学合理，更加符合实际情况，削弱了偶然因素对评价结果的影响，而且该方法具有普遍适用性。

将基于正态云可拓理论的评价模型引入锚泊安全应用中，既可以减少确定锚泊安全等级区间时的随机性和模糊性，又可以将定量与定性指标融合为综合评价模型。采用本文构建的评价模型，计算出评价结果的可信因子σ，更易于定量计算出评价结果的可靠性。本评价模型计算出的可信因子较小，说明其可靠程度较高。

本评价模型无须依赖大样本数据，计算过程较简单，编程容易实现，具有较强的可行性，可运用到航海领域的其他评价中。

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（编辑 贾裙平）