基于DEMATEL與ISM集成方法的水上交通系統(tǒng)脆性影響因素研究

陸夢(mèng)

(上海海事大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水上運(yùn)輸、旅游事業(yè)日益繁榮，水上交通事故也時(shí)有發(fā)生.水上交通事故具有爆發(fā)的不確定性、事故的連鎖性、時(shí)間的緊迫性、環(huán)境的特殊性、救援的艱難性、事態(tài)的嚴(yán)重性、影響的深遠(yuǎn)性等特性，因此，研究水上交通系統(tǒng)的脆性影響因素，有助于完善水上應(yīng)急管理體系，減少水上突發(fā)事件以及人員傷亡，減少國(guó)家和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失，促進(jìn)社會(huì)的穩(wěn)定團(tuán)結(jié)和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展.

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用結(jié)構(gòu)分析法[1-4]、系統(tǒng)科學(xué)法[5]、管理與數(shù)學(xué)工具[6-9]等對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部影響因素以及風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別進(jìn)行研究,但這些方法(工具)難以有效分析結(jié)構(gòu)要素之間的內(nèi)在影響機(jī)制的不足.比較眾多分析方法發(fā)現(xiàn)，解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretative Structure Modeling,ISM)法和決策試驗(yàn)和評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory,DEMATEL)法的有效結(jié)合不僅可以彌補(bǔ)上述不足，而且能滿足研究水上交通系統(tǒng)應(yīng)急能力結(jié)構(gòu)要素的相關(guān)性、層次性、可操作性等要求.

本文在對(duì)水上交通系統(tǒng)脆性進(jìn)行數(shù)學(xué)描述的基礎(chǔ)上，從人、物、環(huán)境和管理等4個(gè)方面分析其脆性影響因素，吸取IMS法和DEMATEL法的優(yōu)點(diǎn)，將復(fù)雜的因素關(guān)系轉(zhuǎn)化為直觀的具有良好層次結(jié)構(gòu)關(guān)系的模型，即水上交通系統(tǒng)脆性影響因素多層遞階結(jié)構(gòu)模型，探討水上交通系統(tǒng)脆性構(gòu)成要素之間相互影響的內(nèi)在運(yùn)行機(jī)制和層次關(guān)系，找出水上交通系統(tǒng)脆性最直接、最根本的影響因素.

1 水上交通系統(tǒng)脆性影響因素分析

1.1 水上交通系統(tǒng)脆性的數(shù)學(xué)描述

水上交通系統(tǒng)是一個(gè)具有開放性、復(fù)雜性、隨機(jī)性、層次性、動(dòng)態(tài)性、自適應(yīng)性的復(fù)雜巨系統(tǒng).在這個(gè)系統(tǒng)中，源自外界或系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)小的擾動(dòng)，往往可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，引起整個(gè)系統(tǒng)崩潰的那一部分要素即為脆性源.

脆性這一概念起源于對(duì)自然災(zāi)害的研究.[10]近年來，國(guó)內(nèi)外不同研究領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)不確定環(huán)境中動(dòng)態(tài)行為的研究越來越多，脆性思想已在無形中被屢屢提及和應(yīng)用.脆性術(shù)語已經(jīng)成為分析人地相互作用程度、機(jī)理與過程、區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)非?；A(chǔ)性的科學(xué)知識(shí)體系.[11]因此，水上應(yīng)急系統(tǒng)脆性的數(shù)學(xué)描述可表示如下：

1.2 水上交通系統(tǒng)脆性影響因素分析

由于事故原因的復(fù)雜性和行動(dòng)實(shí)施的艱巨性，需要用安全系統(tǒng)工程的方法分析水上交通事故發(fā)生的各種潛在危險(xiǎn)因素.根據(jù)4M原則，可以將水上交通系統(tǒng)脆性的成因分為人、物、環(huán)境和管理等4個(gè)方面.

1.2.1 人的因素

有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，80%以上的海事事故與人的因素有關(guān).在國(guó)際海事組織(IMO)的《海事調(diào)查員示范教程》第8部分“人的因素”中，也強(qiáng)調(diào)人的因素與事故有關(guān).[12]1993—2002年，在我國(guó)發(fā)生的海事事故中，存在人的因素的事故比例超過92%，其中1996年、1998年、1999年和2001年的比例均在96%左右，其他年份的比例也都不低于90%.從總體上看，事故和災(zāi)害給人類造成的損失并沒有因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)增多而明顯下降,反而有上升趨勢(shì).[13]

這里的“人”主要指船員和引航員等人員.人的因素主要包括人的自身內(nèi)因和環(huán)境外因.人的自身內(nèi)因主要包括心理、生理和行為因素.在心理因素方面，船員作為一個(gè)特殊的職業(yè)群體，特定的工作環(huán)境使他們要受到許多與常人不同的復(fù)雜因素的影響；在生理因素方面，艱苦的生活環(huán)境要求船員(特別是遠(yuǎn)洋船員)具有良好的身體素質(zhì)，航海業(yè)的危險(xiǎn)性和突發(fā)性要求船員具有較高的應(yīng)急素質(zhì)；在行為因素方面，船舶工業(yè)、航海技術(shù)的日新月異，對(duì)船員的知識(shí)和技能提出更高的要求.其次在人的環(huán)境外因方面，當(dāng)人在某種不良的客觀環(huán)境(船舶交通量大、水面建筑、港灣形狀的變化等)下進(jìn)行船舶操縱和避讓時(shí)，其失誤概率會(huì)大大提高.[14]

1.2.2 物的因素

物的因素也是水上交通事故的主要成因之一.物的因素分為船舶因素和貨物因素兩部分.

船舶因素主要指船齡、船舶尺寸、結(jié)構(gòu)和操縱性、船舶的機(jī)械設(shè)備、航海資料以及消防、救生設(shè)備等.[15]貨物(尤其是危險(xiǎn)品和特種貨物)由于其特質(zhì)不同也會(huì)直接影響水上交通的安全.一些貨物可能易爆易燃、毒性劇烈或帶有輻射，裝載時(shí)需要特別注意.

1.2.3 環(huán)境因素

環(huán)境因素主要包括自然條件因素、航道因素、社會(huì)條件因素等.除不可抗力外，它是事故發(fā)生的主要促成因素，也可能成為擴(kuò)大損失的主要因素.

自然因素是指氣象、海象等自然現(xiàn)象，如風(fēng)、浪、流、霧、雨、雪、臺(tái)風(fēng)、沙暴、冰山等自然現(xiàn)象.航道因素是指航道的水文、地理、環(huán)境等，如航道的寬度、彎曲度、礁巖、淺灘等障礙物，風(fēng)、流、潮汐的變化及航標(biāo)位置等影響船舶航行的因素.社會(huì)條件因素主要是指船舶通航的密集程度、港口配套設(shè)施建設(shè)和信息系統(tǒng)建設(shè).不同水域的交通密度差異和季節(jié)的變換也會(huì)給船舶航行帶來風(fēng)險(xiǎn).

1.2.4 管理因素

管理因素主要是指船舶管理、船員管理、法規(guī)管理、安全目標(biāo)管理、航行秩序管理、安全教育管理等方面的管理水平.船公司管理水平的優(yōu)劣直接影響到航行安全和航行效率.當(dāng)前國(guó)內(nèi)船舶安全管理存在一定的問題，例如船舶管理公司經(jīng)常只收取管理費(fèi)而不對(duì)船舶負(fù)責(zé)，不能為船舶提供應(yīng)有的安全管理服務(wù)和技術(shù)支持，船舶嚴(yán)重脫離管理公司的體系，容易發(fā)生事故.[16]因此，強(qiáng)化管理水平對(duì)降低水上交通風(fēng)險(xiǎn)和提高航行質(zhì)量有很大幫助.

2 集成DEMATEL/ISM的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

水上交通系統(tǒng)脆性影響因素復(fù)雜，且這些影響因素之間相互關(guān)聯(lián)、相互作用，形成復(fù)雜的遞階因素鏈.應(yīng)用ISM法進(jìn)行定性和定量分析，可以從眾多影響因素以及復(fù)雜的因素鏈中找出影響水上交通安全的各層次影響因素.ISM屬于概念模型，最初由沃菲爾德教授開發(fā)，應(yīng)用十分廣泛.[17-18]鑒于當(dāng)系統(tǒng)影響因素較多時(shí)，單獨(dú)使用ISM法存在矩陣運(yùn)算量大、運(yùn)算效率低等問題，周德群等[19]綜合考慮ISM法和DEMATEL法，運(yùn)用集成DEMATEL/ISM法分析系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu).

本文通過集成DEMATEL/ISM法構(gòu)建水上交通系統(tǒng)脆性影響因素結(jié)構(gòu)模型，模型構(gòu)建原理參見文獻(xiàn)[18].該方法的使用在保證分析準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上能夠更加簡(jiǎn)潔、系統(tǒng)地對(duì)水上交通系統(tǒng)脆性影響因素進(jìn)行剖析.

步驟1確定系統(tǒng)的主要影響因素和不同因素間的直接影響程度，得到系統(tǒng)直接影響矩陣F(F=(fij)n×n，其中fij表示因素ai對(duì)aj的直接影響程度，fij=0(i=j)).

步驟2規(guī)范化直接影響矩陣

(1)

步驟3計(jì)算系統(tǒng)影響因素間的綜合影響矩陣T(T=(tij)n×n)，T=F+F2+…+Fn，由于fij∈[0,1]，當(dāng)n→∞時(shí)，fn-1→∞，則有

T=F(E-F)-1

(2)

E為單位矩陣.

步驟4計(jì)算各因素的影響度ki和被影響度li.

(3)

(4)

步驟5計(jì)算各因素的中心度pi和原因度qi.

pi=ki+li，i=1,…,n

(5)

qi=ki-li，i=1,…,n

(6)

步驟6利用笛卡爾坐標(biāo)系繪制原因-結(jié)果圖，通過分析各因素的重要性，得到關(guān)鍵致因.

步驟7在以上計(jì)算的基礎(chǔ)上，計(jì)算系統(tǒng)整體影響矩陣H(H=(hij)n×n)，

H=T+E

(7)

步驟8依據(jù)系統(tǒng)整體影響矩陣H確定可達(dá)矩陣U(U=(uij)n×n)：根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定閾值λ，當(dāng)uij≥λ(i=1,…,n;j=1,…,n)時(shí)，取uij=1;當(dāng)uij<λ(i=1,…,n;j=1,…,n)時(shí),取uij=0.

步驟9確定各因素的可達(dá)集合Ri以及前項(xiàng)集合Ai.

步驟10驗(yàn)證下式是否成立.若成立則說明其對(duì)應(yīng)的因素ai為底層因素，并在矩陣U中劃除i行和i列.Ri=Ri∩Ai,i=1,…,n.

步驟11重復(fù)步驟9和10，直到所有的因素均被劃去.

步驟12按照因素被劃去的順序，建立因素的層次結(jié)構(gòu).

3 算例應(yīng)用

3.1 水上交通系統(tǒng)脆性影響因素層次結(jié)構(gòu)

針對(duì)水上交通系統(tǒng)脆性特點(diǎn)，提取16個(gè)影響因素(a1,…,a16),以DEMATEL法作為ISM法的優(yōu)化，構(gòu)建水上交通系統(tǒng)脆性影響因素模型.水上交通系統(tǒng)脆性影響因素框架見圖1.

圖1 水上交通系統(tǒng)脆性影響因素框架

在調(diào)研水上交通系統(tǒng)相關(guān)部門人員和專家的基礎(chǔ)上，對(duì)以上16個(gè)影響因素進(jìn)行打分，得到直接影響矩陣F為

式中:0表示兩個(gè)要素之間沒有直接影響關(guān)系；1表示兩個(gè)因素之間的關(guān)系較弱；2表示兩個(gè)因素之間的關(guān)系一般；3表示兩個(gè)因素之間的關(guān)系較強(qiáng).

通過DEMATEL法求解，結(jié)果見表1.

表1 DEMATEL法求解結(jié)果

續(xù)表1

取閾值λ=0.1，根據(jù)式(9)可計(jì)算得到可達(dá)矩陣U為

經(jīng)計(jì)算分析可見，水上交通系統(tǒng)脆性影響因素具有多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).本模型可分為4個(gè)層次，各級(jí)影響因素集為：第1層次L4={a1,a3,a6,a14,a16};第2層次L3={a2,a7,a8,a11,a12,a13};第3層次L2={a9,a15};第4層次L1={a4,a5,a10}.

3.2 水上交通系統(tǒng)脆性影響因素DEMATEL/ISM結(jié)構(gòu)模型分析

通過以上分析,可以將水上交通系統(tǒng)脆性影響因素的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型表示如圖2.

圖2能夠更加清晰、條理地描述各影響因素間的層次關(guān)系.從圖2可見：在水上交通系統(tǒng)中,人的心理、人的行為、船上應(yīng)急設(shè)施、船公司的管理和其他機(jī)構(gòu)的管理是導(dǎo)致系統(tǒng)脆性的直接影響因素，這些因素從根本上對(duì)水上交通事故的發(fā)生產(chǎn)生影響，可能成為水上交通系統(tǒng)崩潰的主要誘因.第2層因素(人的生理、貨物自身特征、貨物積載情況、通航密度、配套設(shè)施建設(shè)和信息系統(tǒng)建設(shè))對(duì)第1層因素產(chǎn)生直接影響.同時(shí)，第2層因素、第3層因素(自然條件和海事機(jī)構(gòu)的管理)和第4層因素(人的環(huán)境、船舶因素和航道因素)之間是相互影響、相互制約的，成為造成水上交通系統(tǒng)脆性的直接或間接影響因素.

圖2 水上交通系統(tǒng)脆性影響因素的多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型

4 結(jié)束語

將DEMATEL法與ISM法相結(jié)合對(duì)水上交通系統(tǒng)脆性影響因素進(jìn)行分析，能夠深入挖掘水上交通事故發(fā)生的關(guān)鍵因素和這些因素之間的相互影響、層次關(guān)系，找出避免水上交通事故發(fā)生的關(guān)鍵問題和改善水上交通環(huán)境的措施方案，從根本上降低水上交通系統(tǒng)脆性的崩潰系數(shù).

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