基于云模型的战时海上运输风险评估研究

董 鹏，张其霄，史博元，石怀斌

（海军工程大学管理工程与装备经济系，武汉 430033）

0 引言

海上运输补给是海上后勤保障的重要任务之一。但在运输过程中，受到各种因素的影响，特别在战时情况下，很容易发生危险事故，从而导致运输任务的失败，因此，运输风险水平是此时首要也是必须予以考虑的问题。通过构建风险评估指标体系，利用综合云模型对船舶海上运输风险进行评估，从而可以根据风险等级判定运输补给任务分配情况。

关于风险评估研究，主要有定量和定性两种思路。Clark 等基于概率统计思想，采用潜在类分析（LCA）数据库、贝叶斯网络模型以及对数线性模型进行风险危害分析和评估；Gheorghe 等基于遏制频率损失和CCDF 互补累积分布函数，构建了针对危险品铁路运输的风险值计算模型，并试图将损失后果和遏制原因相结合，运用软件平台确定风险情况；Georlandt 等提出了海上交通系统风险分析的两阶段评估框架，首先利用贝叶斯网络进行概率风险量化，再基于全面证据评估进行协商不确定性判断，对某海域因交通事故而发生原油泄漏的风险进行评估；Soeanu 等基于组合马尔科夫决策过程（MDP）对运输任务进行建模，通过概率模型检验对以MDP表示的运输任务进行评价，并用概率时态逻辑表示风险相关属性的评估；Genserik 等提出了一种基于多标准分析和概率的半定量危险物运输风险分析工具（TRANS）。国内方面，汪子恒等针对汽车客运班线，建立风险控制贝叶斯网络结构模型，分别进行前向和后向预测得到运输风险等级评估结果；周荣义等基于区间AHP 法和集对分析法（SPA）建立风险评估模型，有效地对具有不确定性和动态随机性的危险品道路运输风险进行计算；吴鹏等引入可信度概念，基于FPN 理论有效处理了易流态化物海上运输风险评估的不确定性和模糊性，使评估结果更加准确客观；吴建军等采用Baum-Welch 算法计算对隐性Markov 模型（HMM）进行参数估计，对变量的关联性进行特征刻画，结合前向算法建立了易流态化物船运风险态势定量预测模型。

1 运输风险判定评估流程

敌方的袭扰打击是经过预先策划，并且会在过程中根据实际环境情况进行调整的，风险源具有智慧和适应性的特点，有很强的不确定性和模糊性。同时，由于无法详细获知敌方相关作战信息，基于风险概率分析的评估方法难以得出较为客观有效的结果。选用云模型作为工具来解决战时风险因素所存在的模糊性和不确定性，并对基本模型进行适当改进，以更好地贴近实际问题，对海上运输风险进行科学评估。评估判定流程如图1 所示。

图1 风险评估流程

2）确定评价集合。将风险划分等级，并确定不同风险等级的云表示；

3）对指标进行打分。咨询相关单位和运投部门负责人员，由其对指标进行打分，得到评分矩阵：

5）综合评价。根据打分结果，计算评价指标云参数，结合指标权重，生成评价结果云，根据其与标准云的相似度判断所属评价等级，确定该任务运输风险等级，仅在风险等级较低时将运输任务交由民方承担。

2 基于综合云模型的运输风险评估方法

2.1 基本原理及概念

首先采用综合云模型对运输风险评估区间型指标进行集结和量化；其次分别利用层次分析法和改进熵权法确定主、客观权重，并基于合作博弈的均衡思想，协调权重确定过程中存在的矛盾冲突，从而更加合理地计算组合权重；最后根据指标权重和各指标合成得到的综合云，得到最终反映运输风险等级的结果云，判断其与评价等级标准云的相似关系，从而确定船舶战时海上运输风险隶属等级。

2.1.1 综合云模型

图2 一维正态云

2.1.2 改进熵权法

一个指标的信息熵越小，其变异程度越小，则包含的信息越多，在评价时该指标权重占比就应当越大。具体过程如下：

2.1.3 基于合作博弈的组合权重计算

人为设定或平均分配组合权重的方式难以客观反映真实情况，从而导致产生较大的误差，这里基于合作博弈的思想，对权重进行博弈均衡，构建以离差和最小为目标的优化函数，通过求解优化问题得到权重偏离系数，进而确定主客观相结合的组合权重

2.2 评估指标体系构建

2.2.1 运输风险评价指标体系构建原则

构建评估指标体系是进行评价的基础内容，根据评估对象对指标进行合理筛选，是影响评估结果正确性的关键。构建指标体系应遵循以下基本原则：

1）系统性原则。运输风险评估涉及因素众多，是一个复杂的系统，必须以系统学思想为指导，全面衡量海上运输安全性的各项影响因素，科学客观进行筛选，以较好反映实际情况。

2）目的性原则。明确评价目的，坚持以海上运输安全为目标，客观反映研究对象的真实情况，判断运输风险高低的主要标准就是物资是否安全，补给工作能否顺利进行。

3）可操作性原则。进行海上运输风险评估的基础是对海运风险的量化，选择客观可测的指标，易于获取和处理，可以大大降低评价工作难度。

2.2.2 战时海上运输风险影响因素识别

战场态势随机变化，海上运输风险的高低水平其实是战争双方博弈结果的一种反映。因此，影响战时船舶海上运输风险的因素总体可从风险产生和风险抵御两方面考虑。其中，风险产生因素根据风险的定义可分为袭击发生的可能性和严重性两类，风险抵御因素分为主观和客观因素两类。通过咨询专家并查阅相关文献，综合考虑各层指标要素的特征及相互关系，从易受击性、损失严重性、客观物质因素和主观管理因素4 个方面，构建如图3 所示指标体系。

图3 战时海上运输风险评估指标体系

2.3 民船海上运输风险评估及等级判定

战时的民船海上运输风险评估，具体可分为以下5 个步骤：

1）对风险指标进行评价。根据战时海上运输风险评估指标体系，邀请相关领域的专家对影响运输风险的不同因素，依据评分范围标准进行打分。

2）确定评价等级的云表示。云理论中确定云标尺的方法主要有基于云变换的数据驱动法和基于黄金分割率的模型驱动法，其中，黄金分割是被广泛应用的反映自然规律的最优分割模型，可合理、科学地对自然语言评价值进行定量转化，避免人为给定评价集的主观影响。

将论域U=［X，X］对称分成两半，将前一朵云与最后一朵云的期望值Ex 分别作为线段的两个端点，取靠近论域最中间云C（Ex，En，He）的线段的0.382 倍对应的数值作为后一朵云的期望值，前一朵云与后一朵云熵En 和超熵He 的比例为0.618。据此可生成云的数字特征，步骤如下：

Step 1：生成Ex

依此同理生成其余云的He。

给定论域为［0，1］，He=0.05，根据上述步骤将论域分为5 个评价等级，该5 朵云的数字特征如下页表1 所示。

表1 评价等级的云表示

评价等级的一维标准云图如下页图4 所示。

图4 评价等级云图

3）计算评价结果云的数字特征。采用逆向云发生器，根据评分数据求取正态云的数字特征，从而生成评价结果云，算法如下：

3 示例分析

假设现需对某区域某岛礁进行油料补给，以某典型计划运输航线为背景，选取3 艘具有一定代表性的军地船型：XX1 号油船（5 000 t 级）、XX2 号（5 000 t 级）以及某作战保障单位XX3 号油船，分别对其在非常态化该海域环境特点下（敌方军事力量入侵），进行海上物资运输补给的风险等级进行评估，从而合理选择运输力量，为任务分配和防御资源调配提供指导和依据。

3.1 集结处理评价信息

表2 XX1 号战时海上运输风险指标评价值

表3 XX2 号战时海上运输风险指标评价值

表4 XX3 号战时海上运输风险指标评价值

根据式（8）～式（11），由上表中评分数值的上下界可分别得到12 个指标的左云y和右云y，根据式（1）、式（2）可集结两云得到指标综合云Y。如对于指标C，求得y（0.625，0.031，0.017）、y（0.785，0.035，0.010），集结得综合云Y（0.699 0，0.028 7，0.019 7）。同理可得3 艘舰船的C～C指标综合云，如表5～表7 所示。

表5 XX1 号战时海上运输风险评价指标综合云

表6 XX2 号战时海上运输风险评价指标综合云

表7 XX3 号战时海上运输风险评价指标综合云

3.2 指标权重计算

利用AHP 法计算C～C指标的主观权重W，表8～下页表13 为一名专家所给判断矩阵。

表8 风险产生判断矩阵

表9 风险抵御判断矩阵

表10 易受击性判断矩阵

表11 损失严重性判断矩阵

表12 物质因素判断矩阵

表13 管理因素判断矩阵

同理，对所有专家给出的判断矩阵进行一致性检验，并集结结果。这里取每位专家意见权重相同，通过对8 位专家所给的权重进行平均，得到指标综合主观权重。再利用改进熵权法（式（6）），根据3 艘舰船所有评分数据计算指标客观权重W，得到两种权重结果如表14 所示。

表14 战时海上运输风险评价指标权重

以离差和最小为目标构造偏离系数θ 的优化函数，利用Matlab 优化函数求解式（7）得到偏离系数θ=0.614，再由式（12）可得组合权重W=（0.164 6，0.128 4，0.039 1，0.030 6，0.071 2，0.173 7，0.089 5，0.053 1，0.121 0，0.043 4，0.026 5，0.058 9）。

3.3 计算结果云

结合表5～ 表7 中12 个指标的云参数及其组合权重W，根据式（13）求得最终3 艘舰船运输风险的综合评估结果云Y=（0.715 4，0.033 6，0.021 1），Y=（0.633 0，0.035 5，0.017 1），Y=（0.470 6，0.049 2，0.018 4），其云图表示如图5 所示。

图5 评价等级结果云图

由图可知，XX1 号和XX2 号的运输风险评估结果云同“较高”评价云图形基本重合，相似度较高，因此，两船评估结果均隶属于等级“较高”；XX3 号船运输风险评估结果云与“中等”评价云相似度更高，其运输风险评价为“中等”，运输任务应由该船执行。从该结果可以看出，在战时环境特点下，民船的海上运输风险偏高，在不进一步强化军事化加改装程度或安排战斗舰船护卫的情况下，该运输补给任务须交由军方建制运输力量承担。

4 结论

针对战时环境下海上运输过程存在的风险问题，基于综合云模型分别对战时环境下军舰和民船的海上油料运输风险进行评估，对区间指标的随机性和模糊性进行合理量化，同时利用多种方法计算指标的组合权重，求得可以综合反映指标评价的综合云，从而判断战时不同型号类别的舰船执行物资运输补给任务的风险等级，为运输任务分配提供理论指导。