一種基于改進(jìn)云模型的定線制后評(píng)估方法

劉高磊,戴 冉,黃富程, 曹 杰, 安天圣

(大連海事大學(xué) 航海學(xué)院， 遼寧 大連 116026)

所謂后評(píng)估,是指在項(xiàng)目已經(jīng)完成并運(yùn)行一段時(shí)間后，對(duì)項(xiàng)目的目的、執(zhí)行過程、效益、作用和影響進(jìn)行系統(tǒng)、客觀的分析和總結(jié)的一種技術(shù)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。船舶定線制實(shí)施后評(píng)估的目的是通過對(duì)該水域?qū)嵤┒ň€制后的效果和存在的問題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比較和分析，判斷其是否在通航安全、通航秩序、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益等方面得到改善，并根據(jù)實(shí)際情況提出改進(jìn)意見。[1]

目前，已有的船舶定線制研究主要集中在實(shí)施前的方案設(shè)計(jì)和方案可行性評(píng)估方面，很少對(duì)定線制實(shí)施后的效益進(jìn)行研究。隨著《全國(guó)沿海船舶定線制總體規(guī)劃》方案的不斷推進(jìn)，實(shí)施船舶定線制的水域逐年增加，而實(shí)施后的船舶定線制是否適應(yīng)該水域通航環(huán)境的遠(yuǎn)期發(fā)展還有待進(jìn)一步評(píng)估。目前業(yè)內(nèi)采用較多的評(píng)估方法有基于模糊數(shù)學(xué)理論的綜合評(píng)價(jià)法[2]、基于概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的分析與評(píng)估方法[3]、基于交通流的分析與評(píng)判方法[4]、采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)和均方差法賦權(quán)等方法。這些方法大都屬于單一定性評(píng)估或定量分析，定性評(píng)估中多采用常權(quán)權(quán)重賦權(quán)理論，而在常權(quán)權(quán)重計(jì)算過程中,往往會(huì)弱化較差評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)的響應(yīng)，使得評(píng)估結(jié)果過于偏優(yōu)[5];同時(shí)，由于定線制水域通航環(huán)境具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和模糊性，過多地依賴主觀因素會(huì)導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果遭到一定的質(zhì)疑；定量分析雖然能從數(shù)據(jù)層面客觀地分析定線制的實(shí)施效果，但定線制使用的主體是船舶和船員，僅從定量分析的角度很難反映出定線制的社會(huì)接受程度和真實(shí)通航感受。此外，上述研究的評(píng)估結(jié)果大都為單一數(shù)字或結(jié)論陳述，過于籠統(tǒng)，難以令人信服。

本文充分考慮到綜合評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化特征、定線制水域通航環(huán)境特殊性和以往研究成果的不足，綜合變權(quán)理論和云模型,提出一種既可考慮指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化特征,又能體現(xiàn)評(píng)估的雙重不確定性，可視化實(shí)現(xiàn)定性指標(biāo)到定量指標(biāo)轉(zhuǎn)化的基于變權(quán)云模型的定線制后評(píng)估方法。該方法能有效解決以往方法中存在的結(jié)果偏優(yōu)且單調(diào)和忽略雙重不確定性的問題，使評(píng)估結(jié)果更加合理、可信。

1 基于變權(quán)云分析理論的綜合評(píng)估模型構(gòu)建

1.1 變權(quán)理論

變權(quán)強(qiáng)調(diào)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重隨著指標(biāo)狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。[6]在利用常權(quán)綜合方法進(jìn)行單層次綜合評(píng)估時(shí)，其指標(biāo)權(quán)重不隨時(shí)間、環(huán)境和態(tài)勢(shì)的變化而變化，不能體現(xiàn)各指標(biāo)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。根據(jù)目標(biāo)狀態(tài)向量的動(dòng)態(tài)變化來調(diào)整其在整體評(píng)估中的影響是變權(quán)的主要目的。[7]

1.1.1變權(quán)賦權(quán)模型

為彌補(bǔ)常權(quán)方法不能隨著指標(biāo)數(shù)值特征的變化而變化的不足，在獲取綜合常權(quán)權(quán)重的基礎(chǔ)上，引入狀態(tài)變權(quán)向量對(duì)得到的常權(quán)權(quán)重進(jìn)行修正，得到變權(quán)權(quán)重,其表達(dá)式為

ψ=C→(A,S,W)

(1)

式(1)中：ψ為指標(biāo)集合C對(duì)應(yīng)的變權(quán)綜合權(quán)重集，ψ=[ψ1,ψ2,…,ψi]T，C=[c1,c2,…,ci]T;(A,S,W)為獲取變權(quán)綜合權(quán)重的方法集，A為主觀權(quán)重賦值的層次分析法[8]，S為能降低人因干擾的客觀權(quán)重賦值法之變異系數(shù)法[9],W為變權(quán)分析法。[10]

1.1.2綜合常權(quán)權(quán)重求取

設(shè)主觀權(quán)重向量為As,客觀權(quán)重向量為So，H為A方法與S方法的綜合。假設(shè)有n個(gè)指標(biāo)，根據(jù)加法集成原理，綜合主觀權(quán)重值和客觀權(quán)重值,得到綜合常權(quán)權(quán)重為

H=aAs+bSo

(2)

(3)

式(3)中:Pi為將主觀權(quán)重向量按遞增排序后由小到大的對(duì)應(yīng)分量。[11]

1.1.3狀態(tài)變權(quán)向量構(gòu)建

設(shè)目標(biāo)屬性狀態(tài)向量為Q=(q1,q2,…,qn)，常權(quán)向量R=(r1,r2,…,rn)，目標(biāo)屬性狀態(tài)向量與常權(quán)系數(shù)向量的函數(shù)即為變權(quán)向量ri(Q)[12]，滿足：

(1) 歸一性，各個(gè)權(quán)重值ri(Q)之和等于1；

(2) 連續(xù)性，ri(Q)關(guān)于每個(gè)狀態(tài)變量連續(xù)；

(3) 激勵(lì)性，ri(Q)關(guān)于qi單調(diào)遞增；

(4) 懲罰性，ri(Q)關(guān)于qi單調(diào)遞減。

同時(shí)滿足(1)～(3)，為激勵(lì)型狀態(tài)變權(quán);同時(shí)滿足(1)、(2)、(4)，為懲罰型狀態(tài)變權(quán)。根據(jù)實(shí)際問題選擇合適類型的狀態(tài)變權(quán)，本文根據(jù)具體情況，選擇懲罰型狀態(tài)變權(quán)。

鑒于指數(shù)型狀態(tài)變量具有靈活、可擴(kuò)展、能較好地體現(xiàn)評(píng)價(jià)要求等優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建指數(shù)型懲罰狀態(tài)變權(quán)向量。[13]設(shè)狀態(tài)變權(quán)向量為

Y(X)=[Y1(X),Y2(X),…,Yn(X)]

(4)

式(4)中:X為指標(biāo)狀態(tài)變量，X=[x1,x2,…,xn]；xj為第j項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，j=1,2,…,n；βj為指標(biāo)j的懲罰閥值；當(dāng)j為定量指標(biāo)時(shí)，βj為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)技術(shù)合格線；當(dāng)j為定性指標(biāo)時(shí)，βj為指標(biāo)合格分?jǐn)?shù)線;α為懲罰水平，α>0,且α越大，懲罰效果越明顯，在實(shí)際評(píng)價(jià)中,可根據(jù)對(duì)不合格指標(biāo)的懲罰力度靈活選取；γj,up和γj,down分別為指標(biāo)j的合格區(qū)間的上界和下界。

1.1.4綜合變權(quán)權(quán)重求取

設(shè)常權(quán)向量H=[h1,h2,…,hn]，則變權(quán)權(quán)重向量ψ(X)=[ψ(x1),ψ(x2),…,ψ(xn)]可用ψ和Y(X)的歸一化的哈德曼乘積表示，即

(5)

1.2 云模型理論

1.2.1云簡(jiǎn)介

1.2.1.1 云定義

“云”或“云滴”是云模型的基本單元。所謂“云”,是指其在論域U上的一個(gè)概率分布，可用(x,u)來表示，即對(duì)于?x∈U,存在一個(gè)具有平穩(wěn)傾向的隨機(jī)數(shù),使得μA(x)∈[0,1][14],其中:U為精確值組成的定量論域；A為U上的定性概念；μA(x)為x對(duì)A的隸屬度。

1.2.1.2 數(shù)字特征

云由期望Ex、熵En和超熵He等3個(gè)數(shù)字特征組成,由此反映定性概念，記作(Ex,En,He),主要分布在Ex±3En范圍內(nèi)。

1.2.2云發(fā)生器

云發(fā)生器是云模型實(shí)現(xiàn)定性概念與定量描述的轉(zhuǎn)化工具，包括正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器。[15]

1.2.2.1 正向云發(fā)生器

正向云發(fā)生器是最基本的運(yùn)算法，能從定性信息中獲取定量數(shù)據(jù)范圍和分布規(guī)律，其算法流程見圖1。

圖1 正向云發(fā)生器流程

1.2.2.2 逆向云發(fā)生器

逆向云發(fā)生器是正向云發(fā)生器的逆運(yùn)算，能有效實(shí)現(xiàn)定量的精確值轉(zhuǎn)換為恰當(dāng)?shù)亩ㄐ哉Z言值(Ex,En,He)，是定量到定性的映射,其算法流程見圖2。

1.3 基于變權(quán)云模型綜合評(píng)估過程

變權(quán)云模型是在云模型的基礎(chǔ)上引入變權(quán)理論，通過構(gòu)建狀態(tài)變權(quán)向量對(duì)常權(quán)權(quán)重云模型進(jìn)行修正。變權(quán)云模型評(píng)估流程見圖3。

1) 根據(jù)評(píng)估對(duì)象，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)指標(biāo)等多級(jí)指標(biāo)。以上指標(biāo)構(gòu)成的集合即為因素集。

2) 由專家對(duì)以上指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，所有評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)語構(gòu)成的集合即為評(píng)語集。

3) 結(jié)合云模型和AHP、變異系數(shù)法對(duì)專家給出的評(píng)語集進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的求取，獲得常權(quán)權(quán)重云模型，經(jīng)狀態(tài)變權(quán)向量修正，求取變權(quán)權(quán)重云模型。

4) 將定線制后評(píng)估的各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重與各級(jí)評(píng)價(jià)值相結(jié)合，可計(jì)算各級(jí)指標(biāo)云模型為

(6)

將求得的云模型正向生成云圖與定線制后評(píng)估結(jié)果各等級(jí)云圖相比較，重合度最高的等級(jí)云圖即為最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 實(shí)例驗(yàn)證

以大連轄區(qū)大三山水道通航分隔制為例進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。該定線制實(shí)施距今已有12 a，隨著船舶的大型化發(fā)展，尤其是國(guó)內(nèi)沿海航行船舶的大型化發(fā)展，定線制水域的交通流量日益增大。據(jù)遼寧海事局統(tǒng)計(jì)，2014年1月—2018年7月，該定線制水域共發(fā)生5起船舶交通事故,其中碰撞事故占80%。船舶定線制雖然在一定程度上加強(qiáng)了該水域的安全管理，但其面臨的安全問題仍較為突出，原船舶定線制方案實(shí)施效果亟待評(píng)估。

2.1 定線制后評(píng)估評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

根據(jù)國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)《船舶定線制的一般規(guī)定》關(guān)于定線制實(shí)施的9項(xiàng)內(nèi)容[16],基于文獻(xiàn)[17]的研究，考慮到船舶定線制實(shí)施效益取決于定線制的安全有效發(fā)揮,從定線制實(shí)施后的安全性和有效性兩方面進(jìn)行定線制后評(píng)估研究。

評(píng)價(jià)指標(biāo)選取結(jié)合大連轄區(qū)定線制水域的特點(diǎn)和實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況及業(yè)內(nèi)專家學(xué)者的建議，從大三山水道定線制水域基本狀況、通航環(huán)境和安全保障等3個(gè)方面建立定線制后評(píng)估指標(biāo)體系，包括安全性和有效性兩大二級(jí)指標(biāo)及其附屬指標(biāo)，見表1。對(duì)于E1～E7等7個(gè)方面發(fā)揮的效果和安全性,從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的角度對(duì)定線制實(shí)施后在S1～S6等6個(gè)方面的表現(xiàn)進(jìn)行定量化。

2.2 評(píng)估結(jié)果等級(jí)及云標(biāo)尺的確定

為合理定量地對(duì)定線制水域的實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)定，借鑒以往的經(jīng)驗(yàn),將各指標(biāo)劃分為很好、好、中、差和很差等5個(gè)等級(jí)。不同等級(jí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)評(píng)定值由資深海事專家組會(huì)議評(píng)定確定，見表2。根據(jù)評(píng)估等級(jí)建立匹配的云標(biāo)尺，并生成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)云模型,分別見表3、圖4和圖5。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重云模型建立

采用Delphi法了解大連轄區(qū)大三山水域定線制實(shí)施效果，此次受訪對(duì)象包括海事局、船舶交通服務(wù)(Vessel Traffic Service,VTS)、船長(zhǎng)和大副等，共發(fā)放問卷114份，剔除無效問卷，有效回收112份。大三山水道分隔制有效性和安全性測(cè)評(píng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6和圖7。在測(cè)評(píng)結(jié)果中，出現(xiàn)中等以下較不理想的評(píng)定結(jié)果。因此，需著重考慮這些評(píng)定因素對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響。

表1 大三山水道定線制后評(píng)估指標(biāo)體系

表2 指標(biāo)評(píng)估等級(jí)

表3 評(píng)估結(jié)果等級(jí)云標(biāo)尺

統(tǒng)計(jì)測(cè)評(píng)結(jié)果中所有各指標(biāo)的相對(duì)重要程度評(píng)分，運(yùn)用AHP對(duì)各級(jí)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行測(cè)算，結(jié)合云模型，求取各級(jí)指標(biāo)的最終主觀權(quán)重云模型，經(jīng)變異系數(shù)法和狀態(tài)變權(quán)向量修正，得到各級(jí)指標(biāo)的變權(quán)權(quán)重云模型。以二級(jí)指標(biāo)有效性指標(biāo)附屬指標(biāo)E1為例，統(tǒng)計(jì)測(cè)評(píng)結(jié)果中每份問卷利用9標(biāo)度法獲得的各指標(biāo)評(píng)分，運(yùn)用AHP求取每份問卷的各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重值，結(jié)合云模型構(gòu)建主觀權(quán)重云模型，再利用變異系數(shù)法和變權(quán)理論進(jìn)行修正，最終得到指標(biāo)E1的變權(quán)權(quán)重云模型(見表4)。其他指標(biāo)權(quán)重云模型同理。

2.4 各級(jí)指標(biāo)云模型

以二級(jí)指標(biāo)有效性指標(biāo)附屬指標(biāo)E1為例，統(tǒng)計(jì)問卷中專家對(duì)其的主觀評(píng)分，結(jié)合云模型求取其最終云模型為(0.897 8，0.072 5，0.042 1)。同理可求取其他各指標(biāo)云模型見表5。

由上述求取的各三級(jí)指標(biāo)的指標(biāo)值及其權(quán)重云模型可進(jìn)一步求取上一級(jí)指標(biāo)的云模型。以二級(jí)指標(biāo)有效性確定為例，有效性各附屬指標(biāo)云模型見表5，分別為C11～C17，則有效性的云模型計(jì)算方法[18]為

表4 各指標(biāo)權(quán)重云模型

(7)

由式(7)可計(jì)算出有效性云模型為E(0.858 6，0.003 2，0.001 2)，其他各級(jí)指標(biāo)云模型計(jì)算方法同理(見表5)。

2.5 各級(jí)指標(biāo)云模型分析

經(jīng)上述云模型計(jì)算求出大三山水道船舶定線制的有效性云模型和安全性云模型，通過與標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)評(píng)價(jià)云模型相比對(duì)，確定各指標(biāo)的評(píng)估等級(jí)。大三山水道定線制有效性和安全性結(jié)果等級(jí)云圖分別見圖8和圖9。將求取的大三山水道船舶定線制有效性和安全性云模型與標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)云圖組合相比對(duì)，由圖8和圖9可知:大三山水道船舶定線制有效性介于效果很好與效果較好之間，但偏向于效果較好；安全性評(píng)價(jià)結(jié)果介于比較安全與一般安全之間，但更接近一般安全。該結(jié)果與文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[19]所述方法的評(píng)價(jià)結(jié)果具有較好的一致性，表明該方法不僅能定性、定量地綜合考慮主客觀因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，還可有效直觀地反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)的等級(jí)，更有利于輔助決策者進(jìn)行合理判斷。

表5 各指標(biāo)云模型

由圖8和圖9可知:雖然大三山水道定線制能安全有效地規(guī)劃交通流保障船舶通航安全，但安全性等級(jí)相對(duì)有效性等級(jí)較低，表明該定線制水域安全問題較為突出，這主要是日益增長(zhǎng)的交通流量和船舶大型化導(dǎo)致的。日益密集的交通流增大船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致碰撞事故的發(fā)生。碰撞事故是由于船舶會(huì)遇造成的，如果能有效減少或避免船舶會(huì)遇，尤其是交叉會(huì)遇，將會(huì)提高該定線制水域船舶通航的安全。

3 結(jié)束語

考慮到定線制實(shí)施效果評(píng)估中存在評(píng)定較差指標(biāo)的現(xiàn)象和過程中出現(xiàn)的隨機(jī)性和模糊性，本文創(chuàng)新性地提出一種基于變權(quán)理論與云模型的后評(píng)估方法。通過引入變權(quán)理論,對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行監(jiān)控，避免出現(xiàn)偏優(yōu)的結(jié)果，并提高評(píng)估結(jié)果的可靠性。利用云模型處理效果評(píng)估中出現(xiàn)的雙重不確定性，將定性的評(píng)價(jià)合理地轉(zhuǎn)化為定量分析。同時(shí),通過MATLAB軟件模擬仿真出評(píng)估結(jié)果的云圖，直觀地反映大三山水道船舶定線制各級(jí)指標(biāo)的評(píng)估等級(jí)。該研究可作為其他地區(qū)定線制后評(píng)估參考，為定線制后評(píng)估研究提供新的理論方法。