不確定性信息下的內(nèi)河失控船應(yīng)急決策方法

吳兵，嚴(yán)新平，汪洋，魏曉陽

（武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430063）

不確定性信息下的內(nèi)河失控船應(yīng)急決策方法

吳兵，嚴(yán)新平，汪洋，魏曉陽

（武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430063）

為解決內(nèi)河失控船應(yīng)急處置過程中的不確定性信息問題，本文提出了基于證據(jù)推理和逼近理想解排序法（TOPSIS）的應(yīng)急處置決策方法。建立了內(nèi)河失控船應(yīng)急決策三層決策框架，確定了內(nèi)河失控船應(yīng)急決策的目標(biāo)層、決策準(zhǔn)則層和影響因素層。建立了目標(biāo)層的評價(jià)等級，并對影響因素層的定性和定量數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)，應(yīng)用規(guī)則推理的方法將影響因素層評價(jià)轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的目標(biāo)層評價(jià)等級。應(yīng)用證據(jù)推理的方法整合了各影響因素評價(jià)結(jié)果，獲取了不同部門不同方案下的決策準(zhǔn)則矩陣。應(yīng)用TOPSIS的方法實(shí)現(xiàn)了決策方案的選擇。選取了一起典型內(nèi)河失控船險(xiǎn)情對提出的模型進(jìn)行了驗(yàn)證，研究結(jié)果表明：該方法可以很好地處理失控船應(yīng)急處置決策過程中存在的不確定性信息，且能夠采用精確值而非區(qū)間值進(jìn)行最終決策。

失控船；證據(jù)推理；逼近理想解排序法；應(yīng)急群決策；不確定性信息

水上交通險(xiǎn)情發(fā)生后，如果不能及時(shí)有效地進(jìn)行應(yīng)急處置，容易誘發(fā)二次事故［1-3］。失控船作為一種典型的水上險(xiǎn)情，其安全問題一直備受關(guān)注［4-6］。根據(jù)江蘇海事局2007-2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，該轄區(qū)每年約有100艘/次該類險(xiǎn)情的發(fā)生。根據(jù)該歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，失控船的應(yīng)急處置方法主要有四種:在拖輪協(xié)助下繼續(xù)作業(yè)（A1），沖灘或者在航道外側(cè)錨泊（A2），錨泊于就近的錨地（A3），應(yīng)急錨泊于航道（A4）。另外和普通船舶類似，失控船的航行安全也會受到自然環(huán)境（決策準(zhǔn)則一），交通環(huán)境（決策準(zhǔn)則二）和安全管理（包括應(yīng)急救助資源，決策準(zhǔn)則三）［7-9］的影響，同時(shí)根據(jù)Generic ship的理論［10］，還受到船舶安全狀態(tài)（決策準(zhǔn)則四）的制約，這四個(gè)因素就構(gòu)成了失控船應(yīng)急決策的準(zhǔn)則。從實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，這四個(gè)決策準(zhǔn)則是細(xì)分為風(fēng)、流、能見度［8，11-12］等影響因素的。因此失控船的應(yīng)急處置實(shí)際上是一個(gè)具有三層結(jié)構(gòu)框架的決策問題。另一方面，由于應(yīng)急過程中涉及到失控船、過往船舶和海事部門等三個(gè)部門的協(xié)同處置，這個(gè)決策過程還是一個(gè)多部門協(xié)同的群決策問題。

對于具有多層結(jié)構(gòu)特征的決策問題，模糊推理的方法應(yīng)用非常廣泛［12-14］。但需要注意的是，該方法一般用于處理具有完整信息的數(shù)據(jù)。而失控船應(yīng)急過程中由于時(shí)間壓力或事物本身復(fù)雜性等原因，對于某些變量難以精確量化，往往采用具有一定置信度的多個(gè)語言變量進(jìn)行描述，且多個(gè)置信度之和小于或等于1，而未分配的置信度（小于1時(shí)）即為決策過程中的不確定性信息［15］，模糊推理難以對該類不確定性信息進(jìn)行考慮。證據(jù)推理由于可以很好地考慮該類不確定性信息，其應(yīng)用也非常廣泛［9，16-17］。需要指出的是，由于有不確定性信息的存在，采用該方法時(shí)最終決策只能使用一個(gè)包含最大效用值、最小效用值和平均效用值的方法。對于某些決策方案，由于其最小效用值和最大效用值的區(qū)間值和另一方案的區(qū)間值重疊，只能采用平均效用值進(jìn)行比較，嚴(yán)格來講，對于兩個(gè)具有相互交叉的區(qū)間值的比較，其大小關(guān)系應(yīng)具有一定的概率［18］，因此該方法直接應(yīng)用于失控船應(yīng)急決策問題仍有一定的缺陷。

基于以上情況，本文擬考慮采用如下方法建立失控船的應(yīng)急處置決策模型。首先建立失控船應(yīng)急決策的三層結(jié)構(gòu)決策框架，其次利用規(guī)則轉(zhuǎn)換的方法建立各個(gè)影響因素的評價(jià)等級和目標(biāo)層評價(jià)等級的關(guān)系，根據(jù)考慮兩類不確定性信息的證據(jù)融合方法，獲得各個(gè)決策準(zhǔn)則的評價(jià)值（區(qū)間效用值），建立多準(zhǔn)則決策矩陣。在此基礎(chǔ)上，不再對決策準(zhǔn)則信息和多部門信息進(jìn)行融合，而是分別建立多部門的具有區(qū)間效用值的多準(zhǔn)則決策矩陣，應(yīng)用TOPSIS［18］對該決策問題進(jìn)行排序。

1　不確定性信息下失控船應(yīng)急決策問題描述

失控船應(yīng)急決策是一個(gè)典型的具有三層結(jié)構(gòu)框架的決策問題，一般由目標(biāo)層、決策準(zhǔn)則層和影響因素層（該層可進(jìn)一步擴(kuò)充為多層）組成，如圖1所示。為保持本模型的通用性，假定多個(gè)決策準(zhǔn)則表示為A=｛ai，i=1，2，…，I｝，其相應(yīng)的權(quán)重為w=｛wi，i=1，2，…，I｝。第i個(gè)決策準(zhǔn)則對應(yīng)的影響因素層為，其相應(yīng)的權(quán)重為，權(quán)重采用歸一化權(quán)重，即

令目標(biāo)層的決策變量有N個(gè)不同的評價(jià)等級，用來描述決策者對于該變量的偏愛程度，其中n值越大，該評價(jià)等級越受偏愛，各評價(jià)等級可表示為

對于第k個(gè)決策方案（k=1，2，…，K），其第i個(gè)決策準(zhǔn)則層的第j個(gè)影響因素的評價(jià)結(jié)果可表示為

圖1　失控船應(yīng)急處置三層決策框架Fig.1 Three-level decision framework for NUC ship handling

在確定了各個(gè)影響因素的評價(jià)結(jié)果后，利用DS合成規(guī)則對其進(jìn)行融合，獲取不同決策方案下的決策準(zhǔn)則值，這就構(gòu)成了以不同決策方案不同決策準(zhǔn)則值為元素的某一部門的決策矩陣。另外根據(jù)各個(gè)部門dm=dc，c=1，2…，C

｛｝的不同決策信息，可以獲取各個(gè)部門的決策矩陣。

2　不確定性信息下失控船應(yīng)急決策模型

2.1基于證據(jù)推理的決策矩陣獲取

2.1.1定性和定量影響因素評價(jià)

在進(jìn)行各影響因素信息融合之前，需要將不同種類的數(shù)據(jù)（定性和定量數(shù)據(jù)、不同單位數(shù)據(jù)等）統(tǒng)一到式（1）所示的格式中。根據(jù)楊劍波［16］的方法，可以利用規(guī)則或效用值的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，考慮到本文的數(shù)據(jù)特點(diǎn)以及研究的側(cè)重點(diǎn)，此處僅介紹基于規(guī)則的轉(zhuǎn)換方法。該方法根據(jù)數(shù)據(jù)特點(diǎn)可以分為定性和定量兩類:

1）對于定量數(shù)據(jù)，其評價(jià)結(jié)果可表示為

式中:hn，j是指第j個(gè)影響因素的可能數(shù)值，Nj表示存在的數(shù)值的個(gè)數(shù)，則是對應(yīng)的置信度，且滿足

2）對于定性數(shù)據(jù)，首先需要建立影響因素的評價(jià)等級，第j個(gè)影響因素的評價(jià)等級可表示為

其次，建立其不同評價(jià)等級的評價(jià)結(jié)果，表示為

式中:Hn，j表示為第j個(gè)影響因素的評價(jià)等級，則是其對應(yīng)的置信度，且滿足和。Nj代表評價(jià)等級的個(gè)數(shù)，當(dāng)Nj與N相同時(shí)，式（3）與式（1）等同。

在對定性和定量數(shù)據(jù)分別進(jìn)行評價(jià)后，可通過文獻(xiàn)［16］的方法實(shí)現(xiàn)由式（2）、（3）到式（1）的轉(zhuǎn)換?？紤]到該轉(zhuǎn)換過程較為復(fù)雜，且IDS軟件［16-17］可以自動實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換過程，本文對其轉(zhuǎn)換過程不再詳述。

2.1.2影響因素D-S證據(jù)融合

根據(jù)文獻(xiàn)［17］的證據(jù)融合規(guī)則，按照各個(gè)影響因素的權(quán)重對置信度進(jìn)行加權(quán)，表示為。并對未分配的不確定性信息分為由權(quán)重造成的不確定性和由初始不確定性信息造成的不確定性且令為第i個(gè)準(zhǔn)則所包含的影響因素的子集，根據(jù)如下公式即可實(shí)現(xiàn)各個(gè)影響因素的證據(jù)融合:

獲得了兩類不確定性信息后，需要將由權(quán)重造成的不確定性信息按照比例重新分配，其重新分配按照下式進(jìn)行:

由此可獲得各個(gè)決策準(zhǔn)則的評價(jià)結(jié)果，為

式中:Hn表示第k個(gè)決策方案下，第i個(gè)決策準(zhǔn)則的評價(jià)等級，需要指出的是，該評價(jià)等級已經(jīng)轉(zhuǎn)換為目標(biāo)層的評價(jià)等級，兩者是相同的。為其置信度，為多個(gè)具有不確定性信息的影響因素合成之后仍存在的不確定性信息:

2.1.3建立多準(zhǔn)則決策矩陣

因此可得到各決策方案下的決策準(zhǔn)則的決策矩陣如下

式中:xik為一個(gè)區(qū)間值，即，簡化表示為

考慮到?jīng)Q策過程中存在多個(gè)部門協(xié)同的情況，式（7）可進(jìn)一步表示為

式中:c=1，2…，C為協(xié)同部門的編號。

2.2基于TOPSIS的多部門多準(zhǔn)則決策

2.2.1獲取決策矩陣

在獲取了各決策準(zhǔn)則的決策矩陣后，考慮到各決策準(zhǔn)則的重要程度不同，需要對各決策準(zhǔn)則賦予一定的權(quán)重。需要注意地是本方法既可以對各決策準(zhǔn)則賦予一個(gè)區(qū)間權(quán)重，也可以賦予一個(gè)確定權(quán)重，考慮到應(yīng)急決策過程中難以較精確地描述各決策準(zhǔn)則的權(quán)重，因此采用區(qū)間權(quán)重賦值。令決策準(zhǔn)則權(quán)重為，其中根據(jù)區(qū)間值相乘的基本定理［18］，可獲得加權(quán)后的決策準(zhǔn)則矩陣:

除了各決策準(zhǔn)則的權(quán)重外，還需要考慮到各決策部門的權(quán)重，和決策準(zhǔn)則權(quán)重類似，該權(quán)重既可以是區(qū)間值也可以是確定值，仍采用區(qū)間值，獲得加權(quán)后決策矩陣:

2.2.2選取正負(fù)理想點(diǎn)決策矩陣

根據(jù)TOPSIS［18］方法，需要選取各個(gè)決策部門的最大值和最小值做為決策的正負(fù)理想點(diǎn)，在進(jìn)行選取之前，需要對式（9）的元素進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換為，獲取決策部門的正理想點(diǎn)矩陣θ+和負(fù)理想點(diǎn)矩陣θ-如下:

式中:

2.2.3決策方案最終排序

根據(jù)文獻(xiàn)［18］提供的方法，可以獲取決策準(zhǔn)則值和正負(fù)理想矩陣與決策矩陣Zk～之間的距離:

從而獲取各決策方案的相對值，其中相對值越大，代表該方案越優(yōu)越:

3　失控船應(yīng)急決策實(shí)證研究

3.1失控船應(yīng)急決策情景

本案例改自2011年發(fā)生于長江下游86#左右通航浮的一起舵機(jī)失控險(xiǎn)情，失控船船長145 m，險(xiǎn)情距離泰州長江大橋約2.3 km，距離20#停泊區(qū)約5 km。另外由于三個(gè)部門信息來源的渠道不同，其對于某些影響因素的數(shù)據(jù)會存在一定的差異，如流速、交通流量等。同時(shí)對于部分影響因素還存在不確定性信息，如風(fēng)級影響因素，海事部門距離現(xiàn)場相對較遠(yuǎn)，其風(fēng)級數(shù)據(jù)為3～4級風(fēng)，3級和4級風(fēng)可能性相當(dāng)，置信度均為0.4，另外還存在一定的陣風(fēng)可能，其置信度為0.1；而失控船位于險(xiǎn)情現(xiàn)場，其風(fēng)級為4級，置信度為0.9，也存在置信度為0.1的陣風(fēng)。又如失效預(yù)計(jì)恢復(fù)時(shí)間，失控船舶對自身船舶狀況和船員素質(zhì)最為熟悉，能夠預(yù)估該信息，而其他兩個(gè)部門則缺少這方面的信息。各部門信息如表1所示，需要指出的是，各影響因素的順序與表2相同，本表中采用編號代替。

表1　不同部門的險(xiǎn)情信息數(shù)據(jù)Table 1 Detailed information for different departments

3.2影響因素決策等級轉(zhuǎn)換

首先建立目標(biāo)層的評價(jià)等級為五級，表示為

其次對影響因素層的定性和定量數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)。對于定量數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)則推理的方法，通過設(shè)定五個(gè)與目標(biāo)層評價(jià)等級對應(yīng)的可能值，以A1方案下的風(fēng)級為例，可以設(shè)定風(fēng)級的評價(jià)等級如表2所示。當(dāng)風(fēng)級為8級時(shí)，A1方案對應(yīng)worst；風(fēng)級為 7級時(shí)，A1方案對應(yīng) poor，以此類推。根據(jù)此方法，可以建立不同方案下的定量數(shù)據(jù)的評價(jià)等級。

而對于定性數(shù)據(jù)（即失控模式），本案例考慮建立四等級的評價(jià)等級，各等級代表含義分別為:代表全船失電；

再次，根據(jù)表2建立的評價(jià)方法，可以利用文獻(xiàn)［16］的方法將相對應(yīng)的具體數(shù)值轉(zhuǎn)換到目標(biāo)層的評價(jià)等級中，具體可利用 IDS［16-17］軟件實(shí)現(xiàn)，如海事部門A1方案風(fēng)級，其數(shù)值為（3，0. 4；4，0.4）。

對定性數(shù)據(jù)（即失效模式），在進(jìn)行評價(jià)前需建立轉(zhuǎn)換矩陣，其與目標(biāo)層評價(jià)等級對應(yīng)關(guān)系矩陣Pni:

再根據(jù)IDS軟件［16-17］，即可實(shí)現(xiàn)定性數(shù)據(jù)評價(jià)結(jié)果與目標(biāo)層評價(jià)等級的轉(zhuǎn)換。

3.3獲取多部門決策矩陣

通過假定各影響因素在各個(gè)決策準(zhǔn)則中的權(quán)重相同，將IDS［16-17］計(jì)算獲得的各評價(jià)結(jié)果進(jìn)行證據(jù)融合后，可獲取不同部門不同決策方案下的決策準(zhǔn)則的評價(jià)信息，采取與文獻(xiàn)［16］相同的評價(jià)等級效用值，分別如下

進(jìn)一步根據(jù)式（4）、（5），可以獲得各部門不同方案下的決策矩陣，如表3所示。

3.4最終決策方案

分別對各決策準(zhǔn)則和決策部門進(jìn)行賦權(quán)，考慮到各決策準(zhǔn)則和各部門在決策過程中的重要程度，其權(quán)重分別為

根據(jù)式（7）、（8），可獲得加權(quán)后的決策矩陣如表4所示。

根據(jù)式（10）、（11），可獲得正負(fù)理想點(diǎn)矩陣如表5所示。

根據(jù)式（12）～（14），可分別求得 S+、S-和RC，如表6所示。

從結(jié)果可以看出，A3方案即為最優(yōu)方案，這與實(shí)際應(yīng)急處置情況一致，即錨泊于20#停泊區(qū)。實(shí)際上，本文還對其他失控類型（主機(jī)失效、全船失電）的失控案例進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法均是可行且有效的，考慮到篇幅因素，本文不對其他案例進(jìn)行進(jìn)一步分析。

表2　定性和定量數(shù)據(jù)評價(jià)方法Table 2 Evaluation method for qualitative and quantitative data

表3　各部門不同方案下的決策矩陣Table 3 Decision matrix of different attributes for different departments

表4　加權(quán)后各部門不同方案下的決策矩陣Table 4 Weighted decision matrix of different attributes for different departments

表5　正理想點(diǎn)和負(fù)理想點(diǎn)矩陣Table 5 Matrix for positive ideal point and negative ideal point

表6　失控船應(yīng)急處置方案比較結(jié)果Table 6 Comparison result of handling alternatives for NUC ship

4　結(jié)論

本文提出的基于證據(jù)推理和TOPSIS的應(yīng)急決策方法可以很好地實(shí)現(xiàn)內(nèi)河失控船的應(yīng)急處置，首先利用證據(jù)推理對存在不確定性信息的各影響因素進(jìn)行融合，可以獲取不同決策方案下的決策準(zhǔn)則值，再利用TOPSIS的方法可以獲取最優(yōu)應(yīng)急方案的選取。主要結(jié)論如下:

1）提出的方法可以很好的解決內(nèi)河失控船應(yīng)急處置決策過程中存在的問題。一方面，可以充分考慮不確定性信息對決策的影響，另一方面，該方法可以很好地整合各個(gè)部門所獲取的不對稱的不完整信息，并能夠選擇合理的應(yīng)急處置方案。

2）提出的方法相比較于僅采用證據(jù)理論方法進(jìn)行決策具有兩個(gè)優(yōu)勢。一方面，可以避免僅使用證據(jù)推理方法時(shí)，需采用平均效用值來評價(jià)各個(gè)決策方案的情形；另一方面，對不同部門和不同決策準(zhǔn)則賦予權(quán)重時(shí)既可以和證據(jù)推理一樣采用精確值，還可以采用區(qū)間值，增加了該方法的可應(yīng)用性和靈活性。

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吳兵，嚴(yán)新平，汪洋，等.不確定性信息下的內(nèi)河失控船應(yīng)急決策方法［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37（7）:908-914.

WU Bing，YAN Xinping，WANG Yang，et al.Emergency decision-making method for handling an out-of-control ship in inland water in case of uncertain information［J］.Journal of Harbin Engineering University，2016，37（7）:908-914.

Emergency decision-making method for handling an out-of-control ship in inland water in case of uncertain information

WU Bing，YAN Xinping，WANG Yang，WEI Xiaoyang
（Intelligent Transportation System Research Center，National Engineering Research Center for Water Transport Safety（WTSC），Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

To deal with uncertain information when handling an out-of-control ship in an inland waterway，we propose an emergency decision-making method based on evidential reasoning and the technique for order of preference by similarity to an ideal solution（TOPSIS）.We establish a three-level decision framework for handling an out-ofcontrol ship in an inland waterway，where the objective level，level for decision criterion，and level for influencing factors are defined.We establish the evaluation grades for the objective level，assess both qualitative and quantitative data with respect to the influencing factors，and use a rule-based technique to transform the influencing factors to the objective level.We introduce the evidential reasoning method to integrate the values of the influencing factors，from which we develop a decision criterion matrix of different alternatives with respect to different organizations.Next，we apply the TOPSIS method to select the best alternative.We use a typical inland waterway incident to verify the proposed method.The results demonstrate that this is a useful decision-making method for handling an out-of-control ship in an inland waterway，for which there is uncertain information.Moreover，this method can be used to make a final decision using a precise value rather than interval numbers.

out-of-control ship；evidential reasoning；technique for order of preference by similarity to ideal solution （TOPSIS）；emergency group decision-making；uncertain information

10.11990/jheu.201504070

U698.6

A

1006-7043（2016）07-908-07

2015-04-30.網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-05-13.

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAG20B05）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20130143120014）.

吳兵（1986-），男，博士研究生；嚴(yán)新平（1959-），男，教授，博士生導(dǎo)師，博士.

嚴(yán)新平，E-mail:xpyan@whut.edu.cn.

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160513.1344.012.html