基于模糊層次分析法的天津港復(fù)式航道通航安全綜合評價

，，

(武漢理工大學(xué) 航運學(xué)院，武漢 430063)

為解決天津港口門內(nèi)航道通過能力不足、主航道雙向航行船舶等級不足、小型船舶占主航道影響船流速度、主航道與北航道交叉口船流復(fù)雜以及進港的船舶上航道時與出港船有交叉等問題。天津港目前正在實施航道拓寬工程，工程完工后，天津港航道將由主航道和兩側(cè)萬噸級航道共同組成復(fù)式航道：航道里程7+100～12+200段底寬430 m，設(shè)計底標(biāo)高為-18.5 m；航道里程12+200～36+000，段底寬420 m，設(shè)計底標(biāo)高為-19.5 m；航道里程36+000～44+000段底寬315 m，設(shè)計底標(biāo)高為-19.5 m；另在主航道兩側(cè)建設(shè)萬t級小航道，大小船分道航行，互不干擾。

1 天津港復(fù)式航道通航安全綜合評價方法的確定

航道通航安全是港口通航安全的重要組成部分。因此，對天津港復(fù)式航道進行通航安全綜合評價是十分必要的。安全評價方法較多，常用的有概率風(fēng)險評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、灰色系統(tǒng)理論、模糊評價法、安全指標(biāo)評價法、層次分析法、綜合安全評價等。

天津港通航環(huán)境復(fù)雜，航道通航條件涉及范圍較廣，選擇合適的評價方法對復(fù)試航道通航安全進行評價至關(guān)重要。天津港復(fù)式航道通航安全涉及的評價因素眾多，為保證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要分層次進行分析評價；為了保證評價的客觀性和定量地處理復(fù)雜系統(tǒng)中的各種模糊或不確定性因素，需要運用模糊評價法。通過綜合考慮，本文采用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的模糊層次分析法。

模糊層次分析法通過引入模糊數(shù)學(xué)的方法，克服了層次分析法的局限性以及人類思維的主觀性，又可以充分利用層次分析法特點[1]，與天津港復(fù)式航道通航安全評價體系相符合。

2 天津港復(fù)式航道通航安全綜合評價指標(biāo)體系

天津港復(fù)式航道通航安全綜合評價體系的建立是綜合評價模型構(gòu)建的重要組成部分。在實際評價中并不是評價指標(biāo)越多越好，關(guān)鍵考慮各評價指標(biāo)對航道通航安全的影響程度的大小。天津港復(fù)式航道綜合評價體系涉及航道通航安全影響因素的多個方面，各因素之間是相互制約相互聯(lián)系的，航道危險源大致可分為4類，包括航道尺度及地形條件、航道自然環(huán)境條件、航道交通流量狀況、航道助航設(shè)施狀況。綜合評價體系的指標(biāo)構(gòu)成見圖1。

3 基于模糊層次分析法的天津港復(fù)式航道綜合評價模型

3.1 建立因素集

因素集是影響評價對象的各個因素所組成的集合，根據(jù)前面確定的天津港復(fù)式航道評價指標(biāo)體系，可得到評價因素集，因素集分為二層，各層因素集如下：

圖1 天津港復(fù)式航道通航安全綜合評價體系

U={航道自然環(huán)境條件U1，航道尺度及狀態(tài)條件U2，航道交通流狀況U3，航道助航設(shè)施狀況U4}。

式中：U1={風(fēng)況u11，能見度u12，海流u13}；

U2={航道長度u21，最窄處的航道寬度u22，航道最大轉(zhuǎn)向角u23，航道轉(zhuǎn)向點個數(shù)u24，交叉航道數(shù)u25，礙航物數(shù)u26，航道穩(wěn)定性u27}；

U3={交通流速度控制u31，交通流交匯區(qū)個數(shù)u32，交通流轉(zhuǎn)向點個數(shù)u33，船舶交通量u34}；

U4={航標(biāo)種類u41，航標(biāo)布置合理性u42，航標(biāo)完善率u43，導(dǎo)標(biāo)完善率u44}。

3.2 建立評價集

評價集，又稱為備擇集，是由對評判對象可能做出的評判結(jié)果所組成的集合，可表示為

V={v1，v2，v3，…，vm}

(1)

式中：vj——評價結(jié)果，j= 1，2，…，m；

m——等級數(shù)或者評語檔次數(shù)。

這一集合規(guī)定了某一評價因素的評價結(jié)果的選擇范圍，結(jié)果集合的元素可以是定性的，也可以是量化的分值。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對通航危險度評價的研究將天津港復(fù)式航道通航安全綜合評價的等級評價集為V={低危險度、較低危險度、中等危險度、較高危險度、高危險度}為了便于定量計算，記為

V={v1，v2，v3，v4，v5}={1，2，3，4，5}

(2)

其中：1，2，3，4，5表示相應(yīng)的危險等級。

3.3 確定隸屬度函數(shù)

在進行通航安全綜合評價時，確定各個評價指標(biāo)對應(yīng)的各評價等級隸屬度的大小十分關(guān)鍵。為了確定各個評價指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果[2]，并結(jié)合天津港復(fù)式航道具體情況，確定復(fù)式航道各影響因子危險度評價標(biāo)準(zhǔn)。見表1。

表1 各評價指標(biāo)的危險度評價標(biāo)準(zhǔn)

注：標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)的天數(shù)=年均6～7級風(fēng)的天數(shù)+15×8級以上年均風(fēng)的天數(shù)。

為了保證建立評價模型的可操作性和評價結(jié)果的可靠性，在確定隸屬度函數(shù)時，主要將危險度評價標(biāo)準(zhǔn)劃分為五個等級：低危險度、較低危險度、中等危險度、較高危險度、高危險度，采用梯形分布圖示法的隸屬度函數(shù)對各指標(biāo)進行量化。

經(jīng)過專家評定，天津港航道穩(wěn)定性、交通流速度控制以及航道助航設(shè)施各指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)采用定性評價的評價標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)對評價指標(biāo)的定性評價，確定評價指標(biāo)的危險隸屬程度。

3.4 評價因素的權(quán)重確定

因素集中的各個元素在評價中的重要程度不同，因而必須對各層評價指標(biāo)按其重要程度給出不同的權(quán)重，各個權(quán)重組成的權(quán)重集即為因素集上的模糊子集[3]。本文通過專家調(diào)查問卷的形式確定權(quán)重，發(fā)放專家問卷30份，收回有效問卷25份，對問卷數(shù)據(jù)采用幾何平均法歸納整理得到評價矩陣，整理得到權(quán)重分別為

A=[0.257,0.418,0.223,0.102]；

A1=[0.205,0.258,0.537]；

A2=[0.035,0.242,0.099,0.153,0.131,0.157,0.183]；

A3=[0.206,0.261,0.218,0.315]；

A4=[0.230 ,0.308,0.308,0.154]。

3.5 評價模型的構(gòu)建

綜合評價采用模糊層次分析法。例如，對于航道自然環(huán)境條件而言，針對天津港航道自然環(huán)境條件中的各因子的參數(shù)代入各自的隸屬度函數(shù)，確定其隸屬度，這樣構(gòu)成單因子評價矩陣，并與已確定的因子權(quán)重進行矩陣運算得到航道自然環(huán)境條件的評價向量B1。B1和其它與航道自然環(huán)境條件并列的因子評價向量一起繼續(xù)參與下一層次的評價[4]。

(3)

由二層級的評價結(jié)果可得到天津港復(fù)式航道通航安全的評價向量B。

(4)

根據(jù)研究對象的特點，選用加權(quán)平均值解決模糊算子的問題，即對所有的因子依權(quán)重的大小均衡兼顧，以達(dá)到綜合最優(yōu)的目的。

求出的綜合評估結(jié)果是一個模糊向量，即評估對象隸屬于各個評估行動等級的隸屬度向量bj(j=1,2,…,m)后，可采用反模糊化確定最終的評估結(jié)果，即確定評估對象的等級時對該向量精確化，可采用加權(quán)平均法(重心法)[5]。

將bj視為權(quán)數(shù)，對評估集vj進行加權(quán)平均，得到的值取為評估結(jié)果，即

(5)

所得到的V值即為該水域通航安全整體評價的等級。

4 天津港復(fù)式航道通航安全綜合評價計算

4.1 建立單因素評價矩陣

根據(jù)前面建立的綜合評價體系和評價模型，依據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)對天津港復(fù)式航道各評價因子的隸屬度進行賦值，結(jié)合專家對評價因子的打分，對復(fù)式航道通航現(xiàn)狀進行綜合評價計算。

4.2 模糊綜合評價計算

1)根據(jù)各二級指標(biāo)權(quán)重和對應(yīng)的單因素矩陣進行一級模糊綜合評價。

(1)航道自然環(huán)境條件評價。

(2)航道尺度狀態(tài)條件評價。

(3)航道交通流狀況評價。

(4)航道助航設(shè)施狀況評價。

2)利用一級評價的結(jié)果進行二級模糊綜合評價。

由計算結(jié)果可見，天津港復(fù)式航道各評價指標(biāo)綜合評價風(fēng)險多處于較低危險度，沒有出現(xiàn)高危險等級。

根據(jù)復(fù)式航道通航現(xiàn)狀對各評價等級的隸屬度和各個評價等級的取值，加權(quán)計算評價結(jié)果，即

V=0.151 5×1+0.625×2+0.087 6×
3+0.135 9×4+0×5=2.207 9。

根據(jù)天津港復(fù)式航道通航安全綜合評價等級評語集，天津港復(fù)式航道通航安全處于較低危險度和中等危險度之間，接近于較低危險度。

5 結(jié)束語

在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上對天津港復(fù)式航道通航安全進行的綜合評價研究。通過參考相關(guān)的文獻(xiàn)和評價方法對比，運用模糊層次分析理論所分析的結(jié)果和設(shè)計的方案較合理并符合客觀實際。評價結(jié)果與天津港復(fù)式航道試運行情況基本吻合，存在的偏差在于專家打分的主觀性和資料的時效性。但本文作為對單目標(biāo)港口的定性與定量評價，通過分層評價各評價指標(biāo)對天津港復(fù)式航道通航安全的影響，得出的評價結(jié)果具有合理性和實用性。研究結(jié)果對天津港港口營運與管理、海事監(jiān)管與通航秩序維護具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

[1] CHANG D Y.Applications of the extent analys is method on fuzzy AHP[J].European Joumal of Operational Research,1996,95:649-655.

[2] 何暉光,吳兆麟,方祥麟.海上交通環(huán)境的綜合評價方法[J].大連:大連海事大學(xué)報,1997,23(3):36-41.

[3] 秦庭榮.海運綜合安全評估集成性方法(MIAM-FSA)構(gòu)建及其應(yīng)用研究[D].上海:上海海事大學(xué),2008.

[4] 鄭中義，李紅喜.通航水域航行安全評價的研究[J].中國航海,2008,31(2):130-134.

[5] 邱云明.臨海港口航道環(huán)境安全綜合評價及計算機輔助實現(xiàn)[D].上海:上海海事大學(xué),2004.