基于熵權(quán)-屬性數(shù)學(xué)的通航環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)格可視化

邵明暉， 吳兆麟, 宋 艷， 吳 彪

(1. 黑龍江工程學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 哈爾濱 150050； 2. 大連海事大學(xué) 航海學(xué)院,遼寧 大連 116026;3. 哈爾濱工程大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院， 哈爾濱 150001)

海上交通安全一直是人們非常關(guān)注的問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，海上交通日益繁忙，船舶安全隱患和發(fā)生海上交通事故的可能性逐步提高，對(duì)海上交通安全保障提出了更高要求。[1]

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于海域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究主要集中于通航安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和海域環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，例如：THAN等[2]采用IWRAP Mk2對(duì)海上交通安全進(jìn)行評(píng)估，并指出在該地區(qū)有3部分航道的碰撞風(fēng)險(xiǎn)最高；THIEME等[3]提出一種開(kāi)發(fā)自主海洋系統(tǒng)安全指標(biāo)的過(guò)程，并對(duì)其進(jìn)行綜合研究；芮浩強(qiáng)等[4]結(jié)合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)方法構(gòu)建橋區(qū)水域通航環(huán)境安全評(píng)價(jià)模型。根據(jù)研究，現(xiàn)階段我國(guó)在救助力量和設(shè)施的規(guī)劃及建設(shè)上與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有很大差距，尤其是在救助力量的配備上仍存有較大提升空間。因此，如何在現(xiàn)有的救助力量下發(fā)揮最大作用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本文以北海海域?yàn)槔?，通過(guò)對(duì)該海域的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，運(yùn)用熵權(quán)-屬性數(shù)學(xué)方法對(duì)其不同網(wǎng)格海域進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并從中確定出高風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)格區(qū)域，進(jìn)而分析該方法在通航環(huán)境網(wǎng)格可視化研究中應(yīng)用的可行性，以便為救助力量最大化應(yīng)用研究提供一定的理論支持，為海事管理部門(mén)制定管理決策提供參考。

1 北海海域安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立及網(wǎng)格化劃分

1.1 北海海域安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

在海上交通工程學(xué)中，影響水域安全的因素有人為因素、船舶因素和環(huán)境因素等3種。在對(duì)北海海域進(jìn)行網(wǎng)格化劃分之后，這些因素中的很多指標(biāo)不能通過(guò)直接觀測(cè)獲得，其中涉及人為因素和船舶因素的指標(biāo)基本上無(wú)法以網(wǎng)格化海域?yàn)閱挝贿M(jìn)行統(tǒng)計(jì)。因此，在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中，以險(xiǎn)情事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為海域風(fēng)險(xiǎn)水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)引入險(xiǎn)情因素來(lái)解決網(wǎng)格化處理之后缺失人為因素和船舶因素導(dǎo)致的海域指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)特征不足的問(wèn)題，并構(gòu)建自然條件、交通條件和險(xiǎn)情條件等3個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003—2010年北海海域的遇險(xiǎn)情況共出現(xiàn)1 124次，涉及財(cái)產(chǎn)損失的險(xiǎn)情154次，其中財(cái)產(chǎn)損失達(dá)100萬(wàn)元以上的險(xiǎn)情占90%。財(cái)產(chǎn)損失與傷亡人數(shù)基本上成正比，單獨(dú)出現(xiàn)財(cái)產(chǎn)損失而無(wú)人員傷亡的險(xiǎn)情僅有少數(shù)幾次。若引用財(cái)產(chǎn)損失作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，一方面該指標(biāo)可在現(xiàn)有數(shù)據(jù)特征下通過(guò)人員傷亡來(lái)間接表征，另一方面會(huì)造成指標(biāo)間的信息重復(fù)和冗余，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果失準(zhǔn)。因此，在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的過(guò)程中沒(méi)有引入財(cái)產(chǎn)損失這一項(xiàng)。最終建立近岸網(wǎng)格海域和離岸網(wǎng)格海域的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

在險(xiǎn)情條件中的各二級(jí)指標(biāo)應(yīng)盡可能地使險(xiǎn)情數(shù)據(jù)能表征網(wǎng)格海域的不同風(fēng)險(xiǎn)屬性，從而彌補(bǔ)缺失因素的風(fēng)險(xiǎn)特征，使選取的指標(biāo)更好地反映海域的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)狀況。參考救助局在統(tǒng)計(jì)歷史救助情況時(shí)對(duì)遇險(xiǎn)性質(zhì)的分類(lèi)，在選取指標(biāo)過(guò)程中避免指標(biāo)信息被重復(fù)利用。

本文的數(shù)據(jù)來(lái)源為：自然條件相關(guān)水文氣象數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象廳官網(wǎng)中獲取；一級(jí)指標(biāo)交通條件下的二級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)主要從《中國(guó)航路指南》《中國(guó)主要港口航行指南》和“船訊網(wǎng)”中獲取；險(xiǎn)情條件從2003—2010年北海救助局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中獲取。

1.2 北海海域的網(wǎng)格化劃分

基于險(xiǎn)情事故的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)單元對(duì)海域網(wǎng)格的劃分，北海海域險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)單元為自經(jīng)度117.6°、緯度35.14°開(kāi)始，經(jīng)度每隔0.44°、緯度每隔0.35°作一個(gè)統(tǒng)計(jì)單元(見(jiàn)圖1方格部分)。在險(xiǎn)情統(tǒng)計(jì)單元的基礎(chǔ)上考慮海域特征和風(fēng)險(xiǎn)因素的相似性，如自然條件中的海冰指標(biāo)，將近岸受海冰影響較大的海域分到近岸網(wǎng)格中，將交通條件中各指標(biāo)影響相對(duì)較小的網(wǎng)格劃分為離岸指標(biāo)等，將網(wǎng)格主要?jiǎng)澐譃榻毒W(wǎng)格單元和離岸網(wǎng)格單元。確定北海海域網(wǎng)格化劃分見(jiàn)圖1，其中，淺色網(wǎng)格為近岸網(wǎng)格海域，深色網(wǎng)格為離岸網(wǎng)格海域，共計(jì)158個(gè)網(wǎng)格海域。

表1 網(wǎng)格單元風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在得到北海海域的網(wǎng)格化海域之后，需通過(guò)建立熵權(quán)-屬性數(shù)學(xué)模型確定每個(gè)網(wǎng)格海域的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。在確定權(quán)重的過(guò)程中，將屬性數(shù)學(xué)的評(píng)估方法應(yīng)用到海域網(wǎng)格化評(píng)價(jià)中。由于采用屬性數(shù)學(xué)方式得到的綜合屬性測(cè)度值對(duì)權(quán)重的變化較為敏感，為得到更加精確的評(píng)價(jià)結(jié)果，采用熵值的差異系數(shù)來(lái)對(duì)采用層次分析法得到的初始權(quán)重進(jìn)行修正。

2 層次-熵值法(熵權(quán)法)確定權(quán)重

在實(shí)際應(yīng)用中，由于屬性測(cè)度函數(shù)的固定公式限制了屬性測(cè)度函數(shù)對(duì)各指標(biāo)的特性表達(dá)，且其在評(píng)價(jià)過(guò)程中無(wú)需無(wú)量綱化處理往往會(huì)放大指標(biāo)離散性對(duì)其安全評(píng)價(jià)的影響，在研究中可通過(guò)修正權(quán)重來(lái)彌補(bǔ)這一不足。

采用層次分析法構(gòu)建判斷矩陣并對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，通過(guò)觀察可知，A1一致性檢驗(yàn)滿(mǎn)足要求，自然條件A11的一致性檢驗(yàn)CR1=0.03<0.1，交通條件A12的一致性檢驗(yàn)CR2=0.013<0.1，險(xiǎn)情條件A13的一致性檢驗(yàn)CR3=0.030 6<0.1，滿(mǎn)足一致性要求。

A13=

由此得到初始權(quán)重wi，利用某一指標(biāo)所含信息的離散性越大，熵值的數(shù)值越小的特點(diǎn)[5]進(jìn)行修正，削弱不同指標(biāo)離散性差異導(dǎo)致的評(píng)價(jià)結(jié)果偏差。

使wsti=wi×ej，對(duì)wst重新進(jìn)行歸一化處理從而得到修正后的權(quán)重值wsi，即

(1)

要確定ej的值，首先需計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)狀態(tài)xij的概率p(xij)，即

(2)

熵值ej的計(jì)算式為

(3)

式(3)中：k=ln(m)，使得ej的值滿(mǎn)足0≤ej≤1，為指標(biāo)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。利用熵值對(duì)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正，將遇險(xiǎn)人數(shù)為0的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)映射為極小的數(shù)字0.1，這樣可忽略數(shù)據(jù)變化對(duì)實(shí)際評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，同時(shí)能保證熵值法的有效使用。

為保證與其他指標(biāo)熵值修正的統(tǒng)一性，將險(xiǎn)情單元求得的熵值映射到與其他指標(biāo)相同的變化區(qū)間(0.900 0，0.999 9)中，這樣可保證熵值修正幅度不會(huì)過(guò)度改變?cè)械臋?quán)重。依照式(1)～式(3)修正前后的權(quán)重見(jiàn)表2，其中：wli為離岸初始權(quán)重；wcli為修正后離岸權(quán)重；wji為近岸初始權(quán)重；wcji為近岸修正后權(quán)重。

表2 修正前后的權(quán)重

3 基于屬性數(shù)學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)綜合評(píng)價(jià)模型

3.1 單指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分

參考其他研究中各指標(biāo)的等級(jí)劃分方式，將6級(jí)風(fēng)以上的天數(shù)作為風(fēng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行評(píng)價(jià)；能見(jiàn)度≤1 km的天數(shù)作為評(píng)價(jià)海上安全風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)；海冰指標(biāo)僅考慮渤海、黃海北部等海域。

航道條件應(yīng)綜合考慮航道長(zhǎng)度、寬度和轉(zhuǎn)彎角度等因素，港口海域內(nèi)的助航標(biāo)志、漁船活動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確掌握。參考其他學(xué)者的相關(guān)研究，采用專(zhuān)家調(diào)查法獲取航道條件、助航標(biāo)志情況和漁船活動(dòng)等3個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)。[6]調(diào)查對(duì)象主要為海事局VTS值班員、班輪船員和港口引航員等。交通特殊點(diǎn)在本文中有3種含義：表示進(jìn)出口航道端部附近海域和航道交叉處，船舶會(huì)遇次數(shù)增多，是事故的多發(fā)區(qū)[7]；航道彎頭處，若操縱不當(dāng)，易釀成擱淺、觸礁及碰撞事故；海域水深變化劇烈的水深點(diǎn)個(gè)數(shù)。

因此，該指標(biāo)用交通特殊點(diǎn)總數(shù)/航道總長(zhǎng)度來(lái)表示。根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究，以航道交叉角超過(guò)45°和航道彎曲度超過(guò)30°的情況來(lái)統(tǒng)計(jì)總數(shù)。[8]通過(guò)到各海事主管部門(mén)對(duì)船舶通航數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研，確定交通特殊點(diǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)狀況。根據(jù)國(guó)家海洋局發(fā)布的渤海海冰等級(jí)報(bào)告(預(yù)報(bào))確定各近岸網(wǎng)格(渤海灣港口)水域海冰的狀況，按輕年、偏輕年、常年、偏重年和重年的方式劃分其單指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。以礙航物與航道邊線(xiàn)的距離作為礙航物指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)查取各港口海圖、航海圖書(shū)資料獲取港口海域內(nèi)礙航物對(duì)海上安全的影響狀況。

險(xiǎn)情條件中的指標(biāo)等級(jí)參照交通運(yùn)輸部頒發(fā)的水上交通事故統(tǒng)計(jì)辦法中對(duì)險(xiǎn)情、遇險(xiǎn)人數(shù)和事故等級(jí)的劃分，結(jié)合海域的實(shí)際情況確定。最終得到各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分見(jiàn)表3。

表3 各指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

3.2 屬性測(cè)度模型的構(gòu)建

設(shè)Z={港口通航環(huán)境安全評(píng)價(jià)}為某類(lèi)評(píng)價(jià)對(duì)象空間，屬性空間F={水域通航環(huán)境安全程度}，評(píng)價(jià)類(lèi)(I1,I2,I3,I4,I5)為F的有序分割集，其中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)描述語(yǔ)句的集為：I1={很安全}，I2={較安全}，I3={一般}，I4={較危險(xiǎn)}，I5={很危險(xiǎn)}。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越高，潛在風(fēng)險(xiǎn)性越大。對(duì)象x具備屬性Ik的程度用屬性測(cè)度μxk(t)來(lái)表示。x的第j個(gè)指標(biāo)的測(cè)度值屬于k等級(jí)的程度用屬性測(cè)度μxjk(t)來(lái)表示。根據(jù)屬性集和屬性測(cè)度理論，μxk(t)和μxjk(t)分別滿(mǎn)足式(4)及式(5)的條件。

(4)

(5)

首先確定指標(biāo)體系中的單指標(biāo)屬性測(cè)度函數(shù)，從而進(jìn)一步確定單指標(biāo)的屬性測(cè)度，第j個(gè)指標(biāo)屬于k等級(jí)的單指標(biāo)屬性測(cè)度函數(shù)μxjk(t)由式(6)～式(8)求得，其中bjk和djk由式(9)和式(10)求得。

(6)

μxjk(t)=

(7)

μxjK(t)=

(8)

(9)

djk=min(|bjk-ajk|,|bjk+1-ajk|),

k=1,2,…,K-1

(10)

式(6)～式(10)中：ajk為第j個(gè)指標(biāo)屬于k等級(jí)的閾值。

計(jì)算多指標(biāo)的綜合屬性測(cè)度，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象x，已知單指標(biāo)屬性測(cè)度為μxjk=μ，采用加權(quán)求和的方法，即對(duì)單指標(biāo)屬性測(cè)度通過(guò)加權(quán)求和得到綜合屬性測(cè)度μxk。

(11)

式(11)中：wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，滿(mǎn)足式(12)。

(12)

最后對(duì)已求得的屬性測(cè)度μxk進(jìn)行屬性識(shí)別，確定對(duì)象x屬于哪個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。識(shí)別x屬于哪一類(lèi)，通過(guò)置信度準(zhǔn)則進(jìn)行識(shí)別。

根據(jù)置信度準(zhǔn)則，若評(píng)價(jià)類(lèi)(I1,I2,I3,I4,I5)為有序割集，存在I1>I2>I3>I4>I5，則可根據(jù)式(13)得到k0，認(rèn)為屬性對(duì)象x屬于Ik0級(jí)別。

(13)

若I1

(14)

在實(shí)際應(yīng)用中，置信度λ一般在[0.6，0.7]內(nèi)取值。

4 北海海域安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)實(shí)證

首先利用式(6)～式(10)對(duì)17個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的屬性測(cè)度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，共獲得85個(gè)屬性測(cè)度函數(shù)，限于篇幅，僅以風(fēng)級(jí)X11和能見(jiàn)度X12為例列出部分屬性測(cè)度函數(shù)。

(15)

(16)

根據(jù)各指標(biāo)的屬性測(cè)度函數(shù)，利用獲得的158個(gè)網(wǎng)格海域的數(shù)據(jù)計(jì)算得到各指標(biāo)的屬性測(cè)度，并由式(11)得到網(wǎng)格海域的綜合屬性測(cè)度值，由式(13)得到最終的網(wǎng)格海域風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。為更加精準(zhǔn)地確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，本文的置信度取0.6。根據(jù)“3.2”節(jié)確定的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)描述語(yǔ)句，海域風(fēng)險(xiǎn)性越高其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)越大(共5個(gè)等級(jí))，因此從計(jì)算結(jié)果中篩選出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)達(dá)到最高(第5級(jí))的網(wǎng)格海域，即風(fēng)險(xiǎn)性最大的網(wǎng)格海域。計(jì)算得到的綜合屬性測(cè)度值和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)見(jiàn)表4。

表4 高風(fēng)險(xiǎn)險(xiǎn)情單元海域的綜合屬性測(cè)度值及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

高風(fēng)險(xiǎn)海域在海圖上的分布見(jiàn)圖2中有符號(hào)標(biāo)識(shí)的網(wǎng)格區(qū)域，即為風(fēng)險(xiǎn)性最高的14個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)格海域。由圖2中確定的高風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)格海域可知，險(xiǎn)情高發(fā)區(qū)域多集中在渤海海峽的煙大航道、成山頭海域、天津港的曹妃甸和秦皇島海域附近，這與海域的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)狀況相符，驗(yàn)證了該方法的可行性。因此，在救助船舶待命點(diǎn)選址研究中，可考慮利用熵權(quán)-屬性數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行海域風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)格可視化研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)北海海域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其分為近岸網(wǎng)格海域和離岸網(wǎng)格海域，并根據(jù)2種網(wǎng)格海域構(gòu)建北海海域的近岸和離岸2種安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。為提高屬性數(shù)學(xué)的計(jì)算精度，利用熵值對(duì)層次分析法得到的初始權(quán)重進(jìn)行修正，構(gòu)建基于屬性數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)模型，確定各網(wǎng)格海域的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。最終通過(guò)對(duì)北海海域的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出14個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)格海域，所得結(jié)果與實(shí)際海域狀況相符。本文的工作為進(jìn)一步研究救助船舶待命點(diǎn)選址問(wèn)題提供了一種新的方法，同時(shí)為海事主管部門(mén)開(kāi)展安全管理決策工作提供了理論依據(jù)。

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