基于正態(tài)云可拓理論的錨泊安全評價(jià)

魯峰 李偉 寧君 于仁海

摘要：為提高錨泊安全評價(jià)精度，保障船舶錨泊安全，針對傳統(tǒng)錨泊安全評價(jià)方法未考慮評價(jià)等級界限的不確定性和模糊性等問題，將正態(tài)云可拓理論應(yīng)用于錨泊安全評價(jià)中。采用層次分析法和基于可拓學(xué)的簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定權(quán)重的方法分別確定錨泊安全評價(jià)指標(biāo)的主觀和客觀權(quán)重，通過經(jīng)驗(yàn)因子將主觀與客觀權(quán)重進(jìn)行結(jié)合。構(gòu)建基于正態(tài)云可拓理論的錨泊安全評價(jià)模型，計(jì)算待評物元與標(biāo)準(zhǔn)可拓物元的關(guān)聯(lián)度，通過信息熵理論確定錨泊安全等級。根據(jù)信息熵理論定義可信因子，使得評價(jià)結(jié)果的可信度易于定量計(jì)算。實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了本模型的有效性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞： 錨泊安全; 綜合評價(jià); 綜合權(quán)重; 云模型; 可拓模型; 信息熵理論

Abstract： In order to improve the accuracy of anchoring safety evaluation， ensure the ship anchoring safety and solve the problem that the traditional anchoring safety evaluation method does not consider the uncertainty and fuzziness of the evaluation grade restriction， the normal cloud extension theory is adopted to evaluate anchoring safety. The analytic hierarchy process and the method for determining weights based on the simple correlation function of the extenics are used to determine the subjective and objective weights of the anchoring safety evaluation indexes， respectively. The empirical factor is used to combine the subjective and objective weights. The anchoring safety evaluation model based on the normal cloud extension theory is constructed， and the correlation degree between the evaluated matter-element and the standard extension matter-element is calculated. The anchoring safety level is determined by the information entropy theory. The credibility factor is defined according to the information entropy theory， so that the credibility of the evaluation result is easy to be quantitatively calculated. The effectiveness and superiority of the model are verified by the example calculation.

Key words： anchoring safety; comprehensive evaluation; comprehensive weight; cloud model; extension model; information entropy theory

0 引 言

由于最近幾年全球經(jīng)濟(jì)的不景氣，航運(yùn)市場慘淡，運(yùn)價(jià)持續(xù)走低，很多船舶公司處于虧損經(jīng)營狀態(tài)，處于停運(yùn)或半停運(yùn)狀態(tài)的船舶數(shù)量持續(xù)增加，這也造成部分錨地?fù)頂D，增加了錨泊危險(xiǎn)性。近年來，錨泊安全事故時(shí)有發(fā)生，而且大部分造成了嚴(yán)重的后果。因此，對錨泊安全進(jìn)行評價(jià)顯得極為重要。目前國內(nèi)外學(xué)者對錨泊安全進(jìn)行了很多研究：文獻(xiàn)[1]利用AIS的歷史數(shù)據(jù)對暴風(fēng)雨天氣下錨泊船的狀況進(jìn)行分析，通過船舶行為動(dòng)態(tài)分析來研究船舶走錨的實(shí)際情況;文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了考慮錨鏈力的動(dòng)態(tài)計(jì)算，并與通過懸鏈線法獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，最后構(gòu)建了一種再現(xiàn)船舶在風(fēng)和波浪中走錨和擱淺的新算法;文獻(xiàn)[3]提出一種船載監(jiān)控系統(tǒng)，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法根據(jù)操作參數(shù)準(zhǔn)確估計(jì)靜態(tài)橫傾角，從而評估錨泊船在拋錨操作過程中的穩(wěn)定性;文獻(xiàn)[4]比較系統(tǒng)、全面地分析了影響錨泊安全的因素，構(gòu)建出模糊綜合評價(jià)模型，最后運(yùn)用到兩艘實(shí)船的錨泊安全評價(jià)中，結(jié)果與實(shí)際情況比較相符，但指標(biāo)權(quán)重的確定較為主觀;文獻(xiàn)[5]首次將錨泊密度補(bǔ)充到評價(jià)指標(biāo)中，并建立了錨泊安全可拓綜合評價(jià)模型進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證，評價(jià)結(jié)果與用模糊綜合評價(jià)模型得到的結(jié)果一致;文獻(xiàn)[6]根據(jù)錨泊安全出鏈長度、安全錨泊距離的分析結(jié)果及海洋氣象服務(wù)業(yè)務(wù)流程，提出走錨風(fēng)險(xiǎn)評估業(yè)務(wù)應(yīng)用模型，應(yīng)用該模型能夠?qū)崟r(shí)獲取未來若干小時(shí)內(nèi)大風(fēng)可能造成錨泊船走錨的預(yù)警等級;文獻(xiàn)[7]從GPS數(shù)據(jù)入手對船舶的偏蕩運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析，采用最小二乘法對錨泊船的偏蕩軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到錨位，比較錨位的變化來推測船舶是否發(fā)生走錨，對于船舶的錨泊狀態(tài)監(jiān)控和錨泊安全預(yù)警具有一定的借鑒意義。

在有關(guān)安全評價(jià)方法的研究中，文獻(xiàn)[8]首次將云模型引入物元理論中，構(gòu)造出一種能夠?qū)崿F(xiàn)定性描述與定量描述相結(jié)合的基于云模型的物元綜合評價(jià)方法，并將其運(yùn)用到潛艇損傷等級的評估中。而后在云模型與可拓模型的結(jié)合運(yùn)用上：文獻(xiàn)[9]采用物元與云模型集成的方法來加強(qiáng)設(shè)備保障性評估，研究表明云物元評價(jià)模型有助于解決定性評估問題;文獻(xiàn)[10]針對引航環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性和模糊性，建立了引航環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云物元模型，計(jì)算待評物元與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云物元之間的關(guān)聯(lián)度，并引入置信度準(zhǔn)則識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)等級;文獻(xiàn)[11]建立了基于可拓云理論的電力市場運(yùn)行效率評價(jià)模型，引入可信度因子和風(fēng)險(xiǎn)因子反映評估結(jié)果的可信度和風(fēng)險(xiǎn)信息;文獻(xiàn)[12]提出一種基于變權(quán)云物元分析理論的船舶定線制實(shí)施效果綜合評估方法，引入變權(quán)理論突出較差指標(biāo)對評估結(jié)果的影響，同時(shí)運(yùn)用云物元分析理論構(gòu)建船舶定線制實(shí)施效果綜合評估模型，該模型可同時(shí)給出評估結(jié)果和可信度。

鑒于云可拓理論已有大量的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)考慮到錨泊安全的評估過程中存在不確定性和模糊性，用傳統(tǒng)的錨泊安全評估方法難以反映評估過程中存在的不確定性和模糊性，本文將正態(tài)云可拓理論應(yīng)用于錨泊安全評價(jià)中：采用層次分析法和基于可拓學(xué)的簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定權(quán)重的方法分別計(jì)算主觀和客觀權(quán)重，然后計(jì)算錨泊安全評價(jià)指標(biāo)基于經(jīng)驗(yàn)因子α的綜合權(quán)重，以求最大程度地減少主觀因素的影響;構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)云模型，并在計(jì)算可拓物元模型關(guān)聯(lián)度時(shí)運(yùn)用該模型的不確定性和隨機(jī)性建立錨泊安全的正態(tài)云可拓評價(jià)模型;最后為使評價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確、更客觀，通過信息熵理論計(jì)算評價(jià)結(jié)果的可信因子σ，得到可信度信息。

1 錨泊安全評價(jià)指標(biāo)體系

為能夠詳細(xì)分析影響錨泊安全的因素，對大量國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)資料進(jìn)行閱讀和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)大部分研究人員習(xí)慣將錨泊中的船舶作為一個(gè)由船、環(huán)境和人組成的系統(tǒng)進(jìn)行研究。根據(jù)船舶錨泊的特點(diǎn)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，參考文獻(xiàn)[4-5，13-14]制定出錨泊安全評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并將此評價(jià)指標(biāo)體系和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以調(diào)查問卷的形式向不同單位共11位航海專家和學(xué)者征求相關(guān)建議。最后，結(jié)合11位航海專家和學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)、建議確定錨泊安全評價(jià)指標(biāo)體系，見表1;以對錨泊安全的影響程度為評價(jià)目標(biāo)，將錨泊安全等級分為安全、較安全、一般危險(xiǎn)、危險(xiǎn)和高危險(xiǎn)，各等級對應(yīng)的具體評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2 基于正態(tài)云可拓理論的錨泊安全評價(jià)模型

2.1 云模型

將定性概念中的隨機(jī)性、模糊性和不確定性三者相結(jié)合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)定量與定性間的轉(zhuǎn)換的模型被稱之為云模型[15]。云模型主要包括正態(tài)云模型、三角形云模型和對稱云模型等。[16]當(dāng)今最重要且應(yīng)用最廣泛的是正態(tài)云模型，其普遍適用性已經(jīng)在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)活動(dòng)、社會(huì)現(xiàn)象和自然現(xiàn)象中得到證明。[17]本文采用正態(tài)云模型對錨泊安全等級區(qū)間進(jìn)行劃分。

正態(tài)云模型由期望值Ex、熵En和超熵He體現(xiàn)其數(shù)字特征。期望值Ex是云圖中的云重心，也是最能夠代表事物定性概念的點(diǎn)，錨泊安全就是基于此值進(jìn)行的等級區(qū)間劃分;熵En是事物不確定性的度量，由事物的隨機(jī)性和模糊性共同決定，既可以反映錨泊安全評價(jià)指標(biāo)值的隨機(jī)性，又可以體現(xiàn)待評物元的數(shù)據(jù)可以被錨泊安全等級節(jié)域接受的模糊性;超熵He是熵En的不確定性度量，即熵的熵，表示影響錨泊安全各因素隨機(jī)性與模糊性的關(guān)聯(lián)程度。為削弱錨泊安全評價(jià)過程中的隨機(jī)性和模糊性，利用期望值Ex、熵En和超熵He構(gòu)造云關(guān)聯(lián)度函數(shù)。

2.2 可拓物元模型

由事物名稱N、事物特征C、事物特征量值V有序三元組構(gòu)造的事物基本元被稱為可拓物元模型[8]，記為R=（N，C，V）。傳統(tǒng)的可拓物元模型中未考慮V的隨機(jī)性和事物的模糊性，因此本文將V用正態(tài)云模型（Ex，En，He）代替。錨泊安全等級界限的模糊性由En表示，錨泊安全評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性由He表示。經(jīng)過改進(jìn)后的可拓物元模型表示為

2.3 確定綜合權(quán)重

為使評價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確、更科學(xué)，在錨泊安全評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定中，先運(yùn)用層次分析法確定主觀權(quán)重P，再利用基于可拓學(xué)的簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定客觀權(quán)重Q[18]。為弱化主客觀賦權(quán)法各自的缺點(diǎn)，采用主客觀相結(jié)合的思想確定錨泊安全評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。將主觀權(quán)重P與客觀權(quán)重Q通過經(jīng)驗(yàn)因子α聯(lián)系起來，構(gòu)造出綜合權(quán)重A，即

經(jīng)驗(yàn)因子α為主客觀偏好系數(shù)，本文取0.5。

2.4 確定錨泊安全等級

根據(jù)對錨泊安全的影響程度，將錨泊安全等級劃分為5個(gè)等級，錨泊安全二級評價(jià)指標(biāo)分為13項(xiàng)，依據(jù)信息熵理論和云關(guān)聯(lián)系數(shù)定義云熵H（kj）為σ值可以體現(xiàn)評價(jià)結(jié)果的隨機(jī)性，其值越小說明評價(jià)結(jié)果越集中且可信度越高，反之可信度越低。

3 實(shí)例分析

經(jīng)查閱相關(guān)資料，咨詢航海專家建議，得到“育龍”號船和“翠洲”號船錨泊安全評價(jià)指標(biāo)值，其中“育龍”號船為滿載狀態(tài)，“翠洲”號船為壓載狀態(tài)。具體數(shù)據(jù)見表3。

分別通過層次分析法和基于可拓學(xué)的簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定主觀權(quán)重P和客觀權(quán)重Q，然后通過式（6）確定綜合權(quán)重A。各評價(jià)指標(biāo)的各類權(quán)重見表4。

求取這2艘錨泊船的待評物元與標(biāo)準(zhǔn)云物元之間的關(guān)聯(lián)度，然后根據(jù)式（11）～（13）確定各錨泊船的錨泊因素對錨泊安全的影響等級及可信因子，同時(shí)運(yùn)用文獻(xiàn)[4]的模糊綜合評判方法和文獻(xiàn)[5]的傳統(tǒng)可拓評價(jià)方法對實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。

本文通過“育龍”號船和“翠洲”號船驗(yàn)證所建立模型的有效性。圖1和2分別給出了“育龍”號船和“翠洲”號船通過不同賦權(quán)法得到的權(quán)重值。從圖中可以看出，通過經(jīng)驗(yàn)因子α綜合主、客觀權(quán)重所得到的綜合權(quán)重，吸收了主客觀賦權(quán)方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了層次分析法主觀因素影響大的缺點(diǎn)，以及基于可拓學(xué)的簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)方法太過客觀的缺點(diǎn)，得到的權(quán)重值更加可靠。

表5給出了“育龍”號船和“翠洲”號船通過其他評估方法得到的評價(jià)結(jié)果，可知采用本文的正態(tài)云可拓評價(jià)模型得到的評價(jià)結(jié)果與用其他兩種方法得到的評價(jià)結(jié)果一致，這表明本文方法有效，同時(shí)也證明正態(tài)云可拓評價(jià)模型在錨泊安全評價(jià)領(lǐng)域應(yīng)用的有效性。本模型除了可以準(zhǔn)確計(jì)算出評價(jià)結(jié)果外，還能夠計(jì)算出評價(jià)結(jié)果的可信因子σ。計(jì)算后得出的可信因子較小，說明本方法的計(jì)算結(jié)果可信度較高。

分析評價(jià)結(jié)果并對比2艘船的錨泊狀態(tài)可知，評價(jià)結(jié)果與2艘船的錨泊安全實(shí)際情況具有較好的一致性。“育龍”號船評價(jià)結(jié)果為較安全，與當(dāng)時(shí)該船錨地的流速較小的實(shí)際情況相符，同時(shí)與在該錨地出鏈節(jié)數(shù)和風(fēng)力級數(shù)相一致的經(jīng)驗(yàn)吻合，船舶發(fā)生走錨的概率較小;“翠洲”號船在錨地水深20 m、風(fēng)力5級的條件下出鏈6節(jié)，但由于錨地的流速較大，評價(jià)結(jié)果為一般危險(xiǎn)，符合當(dāng)時(shí)該船實(shí)際，船舶有發(fā)生走錨的風(fēng)險(xiǎn)。針對這一情況，“翠洲”號船上值班人員應(yīng)密切監(jiān)視錨位，或者適當(dāng)增加出鏈長度，防止船舶因流速大而發(fā)生走錨。

4 結(jié) 論

本文將層次分析法、基于可拓學(xué)的簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)確定權(quán)重的方法運(yùn)用到錨泊安全評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重確定中，同時(shí)通過經(jīng)驗(yàn)因子α將主、客觀權(quán)重結(jié)合為綜合權(quán)重，吸收了主、客觀賦權(quán)法的優(yōu)點(diǎn)，確定的指標(biāo)權(quán)重更加科學(xué)合理，更加符合實(shí)際情況，削弱了偶然因素對評價(jià)結(jié)果的影響，而且該方法具有普遍適用性。

將基于正態(tài)云可拓理論的評價(jià)模型引入錨泊安全應(yīng)用中，既可以減少確定錨泊安全等級區(qū)間時(shí)的隨機(jī)性和模糊性，又可以將定量與定性指標(biāo)融合為綜合評價(jià)模型。采用本文構(gòu)建的評價(jià)模型，計(jì)算出評價(jià)結(jié)果的可信因子σ，更易于定量計(jì)算出評價(jià)結(jié)果的可靠性。本評價(jià)模型計(jì)算出的可信因子較小，說明其可靠程度較高。

本評價(jià)模型無須依賴大樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算過程較簡單，編程容易實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的可行性，可運(yùn)用到航海領(lǐng)域的其他評價(jià)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]GAO Xinjia， MAKINO H. Analysis of anchoring ships around coastal industrial complex in a natural disaster[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2017， 50： 355-363. DOI： 10.1016/j.jlp.2016.12.003.

[2]SASA K， INCECIK A. Numerical simulation of anchored ship motions due to wave and wind forces for enhanced safety in offshore harbor refuge[J]. Ocean Engineering， 2012， 44： 68-78. DOI： 10.1016/j.oceaneng.2011.11.006.

[3]GUNNU G R， MOAN T. An assessment of anchor handling vessel stability during anchor handling operations using the method of artificial neural networks[J]. Ocean Engineering， 2017， 140： 292-308. DOI： 10.1016/j.oceaneng.2017.05.030.

[4]劉曉豐. 影響錨泊安全的因素分析[D]. 大連： 大連海事大學(xué)， 2009.

[5]魯峰， 李偉， 張華. 基于可拓學(xué)的錨泊安全評價(jià)[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 41（1）： 10-14. DOI： 10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2015.01.003.

[6]龍強(qiáng)， 王鋒， 齊正膠， 等. 大風(fēng)條件下曹妃甸港錨泊船的錨泊指標(biāo)分析及應(yīng)用[J]. 航海技術(shù)， 2018（6）： 17-20.

[7]桂大偉， 龐小平， 艾松濤. 基于GPS數(shù)據(jù)的破冰船錨泊狀態(tài)識(shí)別與特征分析[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）， 2019， 44（2）： 166-171. DOI： 10.13203/j.whugis20170090.

[8]胡濤， 王樹宗， 楊建軍. 基于云模型的物元綜合評估方法[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006， 18（1）： 85-88.

[9]HU Qiwei， WANG Guangyan， BAI Yongsheng. Equipment supportability assessment using matter-element and cloud model integrated method[C]//2013 IEEE International Conference on Granular Computing. IEEE， 2013： 242-246. DOI： 10.1109/GrC.2013.6740415.

[10]甘浪雄， 程小東， 王晨. 基于云物元理論的引航環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào)， 2018， 18（2）： 418-422. DOI： 10.13637/j.issn.1009-6094.2018.02.002.

[11]SONG Dawei， YANG Meng， BAI Hongkun， et al. A comprehensive evaluation model of power market operation efficiency based on extension cloud theory[J]. Energy Procedia， 2019， 156： 302-309. DOI： 10.1016/j.egypro.2018.11.146.

[12]劉高磊， 戴冉， 王滔， 等. 變權(quán)云物元模型在船舶定線制后評估中的應(yīng)用[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019， 40（4）： 66-71. DOI： 10.13340/j.jsmu.2019.04.012.

[13]劉松. 論各種錨泊方式的應(yīng)用[J]. 天津航海， 2017（1）： 10-13.

[14]王飛龍， 李學(xué)東. 港口錨地通航環(huán)境評價(jià)及安全保障措施[J]. 中國水運(yùn)， 2015， 15（12）： 41-42.

[15]周江濤， 張俊鵬. 基于事故死亡彈性和云模型的?；髽I(yè)事故時(shí)空分布及其致因分析[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)， 2019， 29（6）： 49-55. DOI： 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2019.06.009.

[16]龍姍， 張?jiān)茖帲?歐陽紅祥. 基于云物元模型的裝配式建筑綠色性評價(jià)[J]. 工程管理學(xué)報(bào)， 2018， 32（5）： 24-28. DOI： 10.13991/j.cnki.jem.2018.05.005.

[17]李德毅， 劉常昱. 論正態(tài)云模型的普適性[J]. 中國工程科學(xué)， 2004， 6（8）： 28-34.

[18]胡寶清. 可拓評價(jià)方法在圍巖穩(wěn)定性分類中的應(yīng)用[J]. 水利學(xué)報(bào)， 2000（2）： 66-67. DOI： 10.13243/j.cnki.slxb.2000.02.012.

[19]黃成， 朱金善， 張鋒， 等. 基于云模型改進(jìn)物元結(jié)構(gòu)的船舶夜航光環(huán)境評價(jià)模型[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 44（4）： 43-48. DOI： 10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2018.04.007.

（編輯 賈裙平）