基于层次分析-熵权法的海砂运输船舶通航安全评价分析

摘 要：海砂开采船舶对海上海砂资源开采起到至关重要的作用，船舶航道是海上交通运输的关键连接纽带，有船舶交通流量大、航线密集等特点。本文结合层次分析法和熵权法对“人、船、环境、管理”4个方面的因素进行分析，该分析方法完善了海上交通安全评价体系，最终得出了海砂开采船舶运行航道的安全性等级，并针对安全风险制定了相应的措施，对保障船舶航道通航安全有重要意义。

关键词：海砂运输；通航安全；层次分析法；熵权法；灰色模糊综合分析

中图分类号：U 69" " 文献标志码：A

航道通航安全作为一个不确定性的研究对象，其本身具有灰色性、模糊性等特征。同时，从“人、船、环境、管理”共同组成的水上交通安全体系来看，影响航道通航安全性的因素很多，但是目前对航道通航进行安全评价时只针对某些因素进行深入研究，导致影响因素考虑不全面，使最终的评价结果不准确。当对航道通航安全进行综合评价时，评价模型选取不合理会导致最终的评价结果不够准确。因此选取一个全面的评价指标体系和适用的评价模型对航道通航安全进行评价是非常必要的[1]。

1 汕尾矿区海域通航环境概况

汕尾海砂矿区位于汕尾市管辖海域碣石湾施公寮岛东南侧，矿区内水深整体呈北高南低的趋势，海底地形相对平坦，地形标高为-12.10～-17.49m，该区域离生态红线保护岸线最近距离8.3km，大于3.5n mile。距离最近锚地活动半径外102m，距碣石航道保护宽度（994m）880m。矿区水运交通繁忙，来往船只较多。矿区地处北回归线以南的低纬度地带，南海北部的广东沿海，受季风的影响，冬季盛行东北风，夏季盛行东南风。本地区易受台风影响，雷暴天气多。本区域潮汐属不规则半日潮型。年最高潮位3.37m，平均高潮位2.78m。其中汕尾港是半封闭港，在汕尾港最西边仅有一个西北向的入口，为沙舌和陆岸所夹，形状狭长。

2 通航安全特点及风险因素分析

2.1 通航安全特点分析

为保障运砂船舶在航道内安全航行，需要对船舶通航安全进行评价，并采取应对措施，对运砂船航行特点进行分析，得到以下结论。1）不确定性。由于海砂运输船在航道内的通航安全主要受到人为因素、自然环境、航道环境、交通环境等的影响，且航道内的通航信息不清晰，因此无法准确预测船舶通航安全事故的发生概率。2）灰色性。很难用客观原型解释船舶通航安全事故的发生概率或事故是否重大的内部作用原理，内在影响因素无法辨识或各因素间关系复杂隐蔽，很难确切地掌握影响因素的发生特点及相互影响关系，形成了一种错综复杂的灰色系统。3）模糊性。船舶通航安全的指标概念并不明确，它是一种船舶航行的客观状态属性。当外界环境变化时，难以用统一标准评价船舶通航安全，因此航道通航安全评价具有模糊性。

2.2 风险因素分析指标体系

影响海砂开采区域船舶通航安全的风险因素众多，为精准确定风险影响因素，本文将“人、船、环境、管理”组成一个影响船舶航行的外部环境系统，并以此为基础，遵循科学性、系统性、全面性、可操作性、可比性的原则，分类别选取风险因素指标。以保证评价指标可以全面反映影响评价对象的真实情况。对众多风险因素进行分析对比，最终确定风险因素评价指标见表1。

表1 通航安全评价指标

目标层 一级指标 二级指标 三级指标

海砂开采通航安全 人为因素1 生理1 身体状态1

精神状态2

行为2 判断能力3

技术水平4

船舶因素2 船舶数据3 船龄5

船舶吨级6

船舶性能4 船舶设备7

操纵性能8

环境因素3 水文气象5 风向9

洋流10

航道环境6 航道规模11

碍航物12

交通流7 限制航速13

交通量14

管理因素4 港口管理8 助航标志15

拖轮情况16

行船管理9 管理制度17

维护情况18

2.3 航道通航安全评价指标的量化准则

根据总结得出风险评价指标体系逐项分析指标的量化考核标准，结合相关文献，统计收集数据，对可用具体数据量化的指标进行直观定量评价，对不易获取直观数据进行评价的指标，采用考核得分评价的方式进行定量评价，得到各指标的量化准见表2。根据各因素评价得分情况或者直接数据量化评价情况将评价结果分为安全、比较安全、一般、比较危险、危险5个等级[2]。

3 基于AHP-EW模型的通航安全分析

3.1 风险评价分析方法概述

3.1.1 层次分析法

当利用层次分析法进行数据分析时，将评价系统分解为目标层、准则层、方案层3个层次，建立多层次结构模型。并建立相应的比例标度以达到建立两两指标间比较判断矩阵的目的，将每层次各元素与上层次各元素进行比较判断。利用特征根法确定单一准则下元素的相对权重，根据自上而下的原则，对逐层进行总的一致性检验，最终得到各层元素对总目标的相对权重，主要有以下步骤。1）建立递阶层次结构模型。2）确定判断矩阵。3）层次单排序及一致性检验，使用特征根法计算各因素权重，并以向量形式表示[3]。

3.1.2 熵权法

熵权法是一种客观赋权方式，在信息论中，如果指标的信息熵值越小，那么表明该指标的信息量就越大，在评价中权重也就越大。使用熵权法进行客观赋权主要包括以下3个步骤。1）数据标准化处理。为进行统一运算，将各指标数据进行标准化处理。2）求各指标熵值。熵值可以度量任意指标信息的利用价值，当熵值为0时，表明该指标所能提供的信息多。当熵值为1时，表明基本不能提供有用信息。3）求取各指标权重。根据所求得的指标熵值可以计算对应指标权重[4]。

3.2 汕尾海砂矿区通航安全评价分析

根据分析得到的通航安全风险因素指标体系，按图1建立通航安全评价模型。

3.2.1 确定评价对象、评价因素及评价等级

根据表1中分析建立的评价指标体系可知：汕尾海砂矿区船舶通航安全评价指标因素分为三级，并将其分别组成不同集合。分析模型中的评价对象为海砂开采航道通航安全，用B表示。同时建立航道通航安全的评价等级为危险、较危险、一般、较安全、安全5个等级，不同评价等级对应不同的影响程度取值，如公式（1）所示。

θ=（1，3，5，7，9） " （1）

各级评价因素为指标体系中各指标组成的集合，如公式（2）～公式（4）所示。

Bi={b1，b2，b3，b4} （2）

Bij={b11，b12，b23，b24，b35，b36，b37，b48，b49} （3）

Bijk={b111，b112，b123，b124，......，b4815，b4816，b4917，b4918} " " " （4）

式中：θ为影响程度取值集合；Bi为一级指标评价因素集合；Bij为二级指标评价因素集合；Bijk为三级指标评价因素集合；i为一级指标个数；j为二级指标中属于一级指标的个数；k为三级指标中属于二级指标的个数。

3.2.2 确定指标权重

基于AHP-EW模型的权重确定方法须分为两步：利用层次分析法确定各风险分析指标的主观权重；利用熵权法确定各指标的客观权重，具体步骤如图2所示。

将因素a、b进行比较判断，在各准则下的判断矩阵用公式（5）表示。

D=（dab）n×n，（a=1，2，...，n；b=1，2，...n） （5）

式中：dabgt;0；dab=。当各因素与自身相比较时，数值为1，即dab=1。随dab增加，影响因素a对因素b的重要性也越来越大。D为因素判断矩阵；a、b为不同因素；n为因素个数；dab为因素重要性比。计算主观权重如公式（6）所示。

Dg=λmaxg " （6）

式中：Dg为权重；g为主观向量；λmax为最大特征值。确定主管权重后，根据最大特征值计算一致性检验指标，若其计算值不大于0.1，则通过检验，否则须调整判断矩阵，直至通过检验，如公式（7）所示。

（7）

式中：CR为检验系数；RI为随机一致性指标；n为判断矩阵阶数。结合本文建立的航道通航安全评价指标体系，根据层次分析法中的“1～9级标度法”编制问卷调查表，问卷包括各指标间的影响以及重要程度。共发放200份调查问卷，收回184份，全部为有效问卷。对调查问卷进行分析，得到各层指标的判断矩阵并针对各层指标进行一致性检验。再利用EW法确定客观权重。假设有m个评价组针对n项指标进行评价，则可构成的评价数据矩阵为W=（wqp）m×n。通过归一化处理后计算第q项评价指标的权重，如公式（8）所示。

（8）

式中：Wq为归一化后的权重；Ppq为p个指标下第q项指标的比重；m为评价组个数；n为指标项数。通过层次分析法得到主观权重，并结合EW法得到客观权重。将二者归一化进行耦合，得到AHP-EW模型赋权公式（9）。

（9）

式中：Wj为组合权重；αj为主观权重；βj为客观权重；n为指标数量[5]。最终得到汕尾海砂矿区船舶通航安全评价指标组合权重见表3。

3.2.3 灰色模糊综合评价

采用调查问卷法分别对18个评价指标对航道通航安全的影响程度进行评分，并对每个评价指标建立评价样本矩阵。根据评价灰类和白化权函数计算评价指标的评价系数，对评价系数之和进行归一化处理，得到各评价因素灰色评价权向量，再根据求三级评价因素集中各评价因素的灰色评价权重值，得到三级评价因素集的灰色模糊综合评价矩阵[6]。将三级评价指标的权重与对应的三级灰色模糊矩阵相乘，得到对应的二级评价指标结果，以此类推得到一级评价指标的评价结果，如公式（10）所示。

（10）

求目标层的最终评价结果如公式（11）所示。

R=Wr（0.137，0.176，0.207，0.251，0.228） （11）

通过目标层最终评价结果分析可知，评价结果中的最大值为0.251，结合灰色模糊理论中最大隶属度原则，目标层的评价等级达到4，因此汕尾海砂矿区船舶通航安全等级为“较安全”。

4 结论

本文分析了汕尾海砂矿区船舶通航中“人、船、环境、管理”4个方面的影响因素，并基于PCA进行筛选得到评价指标体系，将层次分析法和熵权法结合，分析通航安全影响因素权重，并利用灰色模糊综合模型对汕尾海砂矿区船舶通航安全进行分析，得出结论，汕尾海砂矿区通航安全处于“比较安全”的级别。

参考文献

[1]陈志鹏，叶继红，郭建，等.基于ISM的海上船舶通航安全影响因素分析[J].中国水运，2017（4）：22-23.

[2]田腾龙.基于F-ANP的航道水域通航安全评价研究[D].大连：大连海事大学，2018.

[3]庄春吉.基于AHP-灰色模糊理论的大型游乐设施安全评价[J].安全与环境学报，2015（2）：42-46.

[4]刘丹，孙晓云，王喆，等.基于熵权-云模型的精细化工园区脆弱性评价[J].安全与环境学报，2023，23（1）：1-7.

[5]王乐.基于AHP-EW灰色模糊综合的航道通航安全评价[D].大连：大连海事大学，2022.

[6]封子成，白兰琼.基于灰色理论的广西钦州港吞吐量预测[J].中国市场，2012（15）：87-88.