區(qū)間層次分析法在航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)模型中的應(yīng)用研究?

孫 琳 郭彥昌 孫 川

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 石家莊 050051）（2.中國建設(shè)銀行股份有限公司河北省分行營業(yè)部 石家莊 050051）

1 引言

隨著船舶的大型化、多樣化、高速化、橋梁的建設(shè)和船舶交通量的大幅度增長，沿海主要航道水域的航行環(huán)境發(fā)生了劇烈的變化，航道環(huán)境危險(xiǎn)程度不斷加大，致使海損事故頻繁發(fā)生。為了有效預(yù)防海損事故的發(fā)生，降低海損事故發(fā)生概率，提高航運(yùn)安全水平，實(shí)現(xiàn)安全、高效的海上運(yùn)輸，需要對船舶航行環(huán)境的危險(xiǎn)度進(jìn)行科學(xué)的評價(jià)，以此為改善航行環(huán)境、采取有力措施提供科學(xué)依據(jù)。

針對航行環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)問題，文獻(xiàn)［1］采用模糊數(shù)學(xué)理論對廈門港航道環(huán)境危險(xiǎn)度進(jìn)行了評價(jià)分析；文獻(xiàn)［2］采用集對分析理論對定線制水域航行環(huán)境進(jìn)行了安全評價(jià)研究；文獻(xiàn)［3］采用模糊綜合評價(jià)方法對航道環(huán)境危險(xiǎn)度開展了研究。雖然上述研究方法均取得了較好的效果，但在評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定方面，沒有充分考慮指標(biāo)權(quán)重的不確定性和危險(xiǎn)等級(jí)固有的區(qū)間性。在解決評估或評價(jià)問題中，由于客觀事物的復(fù)雜性及人們知識(shí)水平、知識(shí)結(jié)構(gòu)和思維能力的局限性，專家對指標(biāo)權(quán)重的偏好往往并不是一個(gè)定值，而是一個(gè)區(qū)間數(shù)，用區(qū)間數(shù)來表示的指標(biāo)權(quán)重更加符合客觀實(shí)際和人們的判斷習(xí)慣［4～5］。文獻(xiàn)［6～8］采用區(qū)間層次分析法（Interval-based AHP，IAHP）對機(jī)械加工工藝方案評價(jià)、艦船動(dòng)力系統(tǒng)方案評估和網(wǎng)絡(luò)安全評估問題進(jìn)行了研究，建立了合理有效的評價(jià)模型。鑒于以上分析，本文擬采用區(qū)間數(shù)理論和區(qū)間層次分析法相結(jié)合的方式對航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)問題進(jìn)行研究。

2 航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

建立科學(xué)合理的評價(jià)指標(biāo)體系是開展航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)的前提和關(guān)鍵。由于影響航道危險(xiǎn)度的因素較多，既有人的因素，也有交通量、自然環(huán)境、船舶本體和管理等方面的因素，在構(gòu)建指標(biāo)體系的過程中，應(yīng)分清主次，突出主要因素，遵循完備性、客觀性、科學(xué)性、可行性和實(shí)用性等原則，以便各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)能夠全面反映航道環(huán)境的危險(xiǎn)。在對比分析現(xiàn)有航道危險(xiǎn)度評價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，通過征求領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，最終選定能見度、標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)天數(shù)、流速、航道長度、航道寬度、航道彎曲度、航道交叉狀況、礙航物距離和船舶交通密度9個(gè)指標(biāo)為航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)，航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)體系如圖1所示。

圖1 航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)指標(biāo)體系

為了對航道環(huán)境危險(xiǎn)度進(jìn)行評價(jià)，本文將航道環(huán)境危險(xiǎn)度劃分為“低”、“較低”、“一般”、“較高”和“高”5個(gè)等級(jí)，依據(jù)理論研究和實(shí)踐統(tǒng)計(jì)情況，各評價(jià)指標(biāo)的危險(xiǎn)度等級(jí)劃分如表1所示。表1中，能見度表示1年之中能見度距離小于2km的天數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)天數(shù)表示1年之中6級(jí)風(fēng)的平均天數(shù)；流速的等級(jí)劃分?jǐn)?shù)值為相應(yīng)的環(huán)境壓力值［1］；航道長度的劃分界限為10km，航道長度即指航道長寬比；航道寬度定義為可通過最大船舶長度與航道最窄寬度之比；航道彎曲度指的是彎曲角度；航道交叉狀況用交叉角度來度量；礙航物距離指航道距離障礙物的距離；船舶交通密度指船只的數(shù)量/km2。

表1 評價(jià)指標(biāo)危險(xiǎn)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 基于IAHP確定評價(jià)指標(biāo)權(quán)重

在求解評估、評價(jià)或多屬性決策問題時(shí)，主要有主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和主客觀相結(jié)合的組合賦權(quán)法來計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。主觀賦權(quán)法主要是基于專家的知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而得出指標(biāo)權(quán)重的，符合客觀實(shí)際且較為合理有效，因而在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重方面得到了廣泛的應(yīng)用。對于航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)指標(biāo)而言，采用主觀賦權(quán)法確定評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重可以有效結(jié)合專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，得出的評價(jià)指標(biāo)權(quán)重易于符合客觀規(guī)律和評價(jià)實(shí)踐。鑒于不同的專家對評價(jià)指標(biāo)可能具有不同的偏好，所以本文采用區(qū)間層次分析法來計(jì)算航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)的指標(biāo)權(quán)重。

3.1 區(qū)間數(shù)和IAHP基本原理

在某種意義上，區(qū)間數(shù)可以看作是實(shí)數(shù)的擴(kuò)展，是一種特殊的模糊數(shù)。由于用區(qū)間數(shù)表示的決策信息具有直觀、便于理解、計(jì)算方便等特點(diǎn)，因此區(qū)間數(shù)理論在不確定多屬性決策領(lǐng)域和不確定信息 評 價(jià) 領(lǐng) 域 得 到 了 廣 泛 的 應(yīng) 用［7～8］。 假 設(shè)是實(shí)數(shù)軸上的閉區(qū)間，則為區(qū)間數(shù)。如果，那么為正區(qū)間數(shù)。令則兩個(gè)區(qū)間數(shù)的運(yùn)算法則為［10～12］

IAHP是在層次分析法（Analytic Hierarchy Pro?cess，AHP）的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展形成的，主要是為了克服AHP在計(jì)算權(quán)重過程中的主觀性。IAHP的基本原理與AHP類似，不同之處在于用區(qū)間數(shù)代替點(diǎn)值來構(gòu)造判斷矩陣，求解時(shí)則通過區(qū)間運(yùn)算得到權(quán)重向量，原始數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果都用區(qū)間數(shù)的形式表達(dá)。

Step 1 利用特征向量法分別求AL、AU的最大特征值所對應(yīng)的具有正分量的歸一化特征向量xL和xU。

3.2 區(qū)間數(shù)形式評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

按照IAHP計(jì)算評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的步驟，在廣泛征求領(lǐng)域?qū)＜业幕A(chǔ)上，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)處理建立了如表2所示的航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)判斷矩陣。根據(jù)表2中的有關(guān)數(shù)據(jù)，按照IAHP的計(jì)算步驟可以便可以得到α=0.9032，β=1.0826，xL=（0.2341，0.0162，0.0612，0.1489，0.0787，0.0756，0.0786，0.0792，0.2169），xU=（0.2483，0.0169，0.0598，0.1453，0.0782，0.0754，0.0788，0.0795，0.2175）。進(jìn)一步可以計(jì)算得到航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)指標(biāo)體系中各評價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重向量ω=（［0.2114，0.2688］，［0.0146，0.0182］，［0.0553，0.0647］，［0.1345，0.1573］，［0.0711，0.0847］，［0.0683，0.0816］，［0.0709，0.0853］，［0.0715，0.0861］，［0.1959，0.2355］）T。

表2 評價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)判斷矩陣

4 基于IAHP的航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)模型

在建立了航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)指標(biāo)體系，確定了各評價(jià)指標(biāo)區(qū)間數(shù)權(quán)重的基礎(chǔ)上，根據(jù)區(qū)間數(shù)和IAHP的基本原理，構(gòu)建基于IAHP的航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)模型，具體的步驟如下所示：

Step 1 通過廣泛征求領(lǐng)域?qū)＜乙庖娊ㄗh，構(gòu)建航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)指標(biāo)體系。

Step 2 按照IAHP基本原理計(jì)算評價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重。

Step 3 通過調(diào)研和咨詢，計(jì)算待評價(jià)航道環(huán)境的各個(gè)評價(jià)指標(biāo)值。

Step 4 將“低”、“較低”、“一般”、“較高”和“高”5級(jí)危險(xiǎn)度等級(jí)分別轉(zhuǎn)化為區(qū)間數(shù)［0，0.2］、［0.2，0.4］、［0.4，0.6］、［0.6，0.8］和［0.8，1.0］，并依據(jù)評價(jià)指標(biāo)危險(xiǎn)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對計(jì)算得到的評價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行規(guī)范化處理。

5 評價(jià)實(shí)例

現(xiàn)以文獻(xiàn)［3］中的算例為評價(jià)實(shí)例，來驗(yàn)證所建立的航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)模型的有效性。對青島港附近水域航行環(huán)境的危險(xiǎn)度進(jìn)行評價(jià)，綜合選取主航道、大橋島、大港、前灣和黃島航道為具體評價(jià)對象，各航道的綜合指標(biāo)評價(jià)值如表3所示，按照評價(jià)模型的步驟，將綜合評價(jià)指標(biāo)值轉(zhuǎn)換為如表4所示的規(guī)范化評價(jià)值。

表3 青島港附近各航道的綜合指標(biāo)評價(jià)值

表4 青島港附近各航道的綜合指標(biāo)規(guī)范化評價(jià)值

依據(jù)航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)模型中提出的指標(biāo)聚合方法，利用Matlab7.0編寫計(jì)算程序，可以得到主航道、大橋島、大港、前灣和黃島5個(gè)航道的環(huán)境危險(xiǎn)度區(qū)間數(shù)評價(jià)值分別為［0.68，0.79］、［0.25，0.38］、［0.86，0.94］、［0.61，0.76］和［0.82，0.91］，危險(xiǎn)度的區(qū)間數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)對比可知，這5個(gè)航道的環(huán)境危險(xiǎn)度分別為較高、較低、高、較高和高，該評價(jià)結(jié)果與文獻(xiàn)［3］采用模糊綜合評價(jià)法得出的評價(jià)結(jié)果完全一致，從而說明了所建立的航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)模型是合理有效的。

6 結(jié)語

航行水域環(huán)境對航運(yùn)安全有著重要的影響，對航道環(huán)境危險(xiǎn)度進(jìn)行合理評價(jià)可為制定航行安全管理措施提供科學(xué)的支撐。本文針對以往航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)方法中指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的復(fù)雜性和評價(jià)結(jié)果所具有的定性特點(diǎn)，利用區(qū)間層次分析法確定了航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)指標(biāo)的區(qū)間數(shù)權(quán)重，克服了以往航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)方法中指標(biāo)權(quán)重確定的不足，進(jìn)一步構(gòu)建了基于區(qū)間層次分析法的航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)模型。最后給出的評價(jià)實(shí)例表明，本文所構(gòu)建的航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)模型是合理有效的，為航道環(huán)境危險(xiǎn)度評價(jià)提供了一種新的途徑。

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