基于云模型的長(zhǎng)江南瀏段航標(biāo)效能評(píng)估軟件開(kāi)發(fā)*

李術(shù)元 王 巖 徐言民 關(guān)宏旭 金 誠(chéng) 陳 敏

(長(zhǎng)江南京航道局1) 南京 210011) (武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院2) 武漢 430063)

基于云模型的長(zhǎng)江南瀏段航標(biāo)效能評(píng)估軟件開(kāi)發(fā)*

李術(shù)元1)王 巖1)徐言民2)關(guān)宏旭2)金 誠(chéng)2)陳 敏2)

(長(zhǎng)江南京航道局1)南京 210011) (武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院2)武漢 430063)

針對(duì)長(zhǎng)江南瀏段航標(biāo)系統(tǒng)特點(diǎn)建立評(píng)估指標(biāo)體系，將AHP法和云模型相結(jié)合，建立航標(biāo)效能評(píng)估數(shù)學(xué)模型，并在MATLAB GUI環(huán)境下開(kāi)發(fā)航標(biāo)效能評(píng)估可視化軟件.利用軟件對(duì)南瀏段航標(biāo)效能進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果提出長(zhǎng)江南瀏段航標(biāo)效能提升措施.

航標(biāo)效能； AHP ；云模型； MATLAB GUI； 可視化軟件

0 引 言

我國(guó)依托長(zhǎng)江建設(shè)中國(guó)經(jīng)濟(jì)新支撐帶戰(zhàn)略的實(shí)施使得長(zhǎng)江航道的重要性凸顯.航標(biāo)是支撐船舶安全航行的設(shè)施或系統(tǒng)[1]，航標(biāo)效能的有效發(fā)揮有利于保障船舶航行安全、減少船舶事故，提高航運(yùn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益.針對(duì)航標(biāo)效能進(jìn)行評(píng)估，有利于找到制約其發(fā)揮的關(guān)鍵因素，為提高航標(biāo)效能提供科學(xué)的依據(jù)和思路.以往的航標(biāo)效能評(píng)估多依靠經(jīng)驗(yàn)的、定性的方法進(jìn)行.也有學(xué)者開(kāi)展航標(biāo)效能定量研究，岳志偉[2]、王如政[3]運(yùn)用模糊綜合評(píng)判和層次分析法相結(jié)合的方法進(jìn)行航標(biāo)效能評(píng)估，但該方法在處理定性指標(biāo)與定量指標(biāo)間的轉(zhuǎn)化方面存在一定的局限性.云模型能構(gòu)成定性與定量的相互映射[4]，能反應(yīng)語(yǔ)言值中的不確定性，以及隨機(jī)性和模糊性之間的關(guān)聯(lián)度.另外，航標(biāo)系統(tǒng)的效能因時(shí)間、區(qū)域的不同而不同，人工計(jì)算繁瑣且難以保證正確率，所以，開(kāi)發(fā)專用的航標(biāo)效能評(píng)估軟件非常必要.

1 航標(biāo)效能評(píng)估指標(biāo)體系

基于層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)的基本原理，遵循科學(xué)性、全面性、定量與定性相結(jié)合的原則，建立具有3個(gè)層次的長(zhǎng)江南瀏段航標(biāo)效能評(píng)估指標(biāo)體系，見(jiàn)圖 1.

圖1 航標(biāo)效能評(píng)估指標(biāo)體系圖

2 航標(biāo)效能評(píng)估建模

2.1 云模型概念

假設(shè)U是一個(gè)用精確數(shù)值表示的定量論域，C為U上的定性概念，若有定量數(shù)值x，(x∈U)是定性概念C在定量論域U上的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn).用μ(x)(μ(x)∈[0,1])表示x對(duì)于C的確定度，μ(x)是一個(gè)具有穩(wěn)定傾向的隨機(jī)數(shù).表達(dá)式為：U→[0,1]，?x∈U，x→μ(x)則x在U上的分布就稱為云，每一個(gè)x就是一個(gè)云滴.

2.2 云模型的數(shù)字特征

在云模型理論中，定性概念的定量特征由期望Ex、熵En、超熵He表示，它們共同決定云的形狀，被稱為云模型的數(shù)字特征[5].期望Ex是最能代表定性概念的樣本.云滴在距離期望最近的地方集中.熵En表示定性概念可以被度量的粒度，即定性概念的模糊度及概率，熵越大這個(gè)定性概念越宏觀.超熵He表示熵的離散程度，反應(yīng)了每個(gè)數(shù)值代表這個(gè)語(yǔ)言值確定度的凝聚性.

2.3 云發(fā)生器

在云模型理論中，實(shí)現(xiàn)定性概念到定量概念的轉(zhuǎn)化過(guò)程稱為正向云發(fā)生器，反之稱為逆向云發(fā)生器.根據(jù)本文需要，將具體算法介紹如下.

一維正向云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)算法.

輸入 定性概念云的3個(gè)數(shù)字特征和需要的云滴個(gè)數(shù)n.

輸出n個(gè)云滴drop(xi,yi).

3) 根據(jù)1)和2)計(jì)算x屬于C的確定度μ.

(1)

4) 重復(fù)第1)至第3)步，直至生成n 個(gè)云滴.

不需要確定度信息的逆向云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)算法.

輸入 樣本點(diǎn)(即云滴)xi.

輸出 定性概念云模型的3個(gè)數(shù)字特征.

2.4 用云模型表示各指標(biāo)

用n組指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果組成決策的矩陣，通過(guò)云算法將這n個(gè)指標(biāo)用一個(gè)n維綜合云模型來(lái)表示，這個(gè)過(guò)程稱為云化[6].

韓語(yǔ)學(xué)習(xí)與國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)學(xué)科的學(xué)習(xí)存在很多不同之處，具有較大的難度，所以在學(xué)習(xí)與教學(xué)過(guò)程中，需要很多教育資源與學(xué)習(xí)設(shè)備加以輔助。但就目前的情況來(lái)看，我國(guó)很多學(xué)校在韓語(yǔ)教學(xué)以及學(xué)習(xí)方面的資源與條件相對(duì)缺乏。很多學(xué)校在韓語(yǔ)教學(xué)中缺乏相關(guān)的語(yǔ)音媒體設(shè)施以及影像資料等。不同學(xué)習(xí)方向的韓語(yǔ)教材以及教學(xué)資料也較為缺乏，很多學(xué)習(xí)資料都是學(xué)校相關(guān)專業(yè)教師憑借教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)知識(shí)進(jìn)行編制。同時(shí)，學(xué)校的教學(xué)材料沒(méi)有根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更新，缺乏實(shí)時(shí)性，致使教材沒(méi)有足夠的實(shí)用性。此外，很多學(xué)校由于資金短缺等問(wèn)題，不具備專門供韓語(yǔ)教學(xué)使用的多媒體語(yǔ)音教學(xué)設(shè)備，致使學(xué)生的韓語(yǔ)學(xué)習(xí)受到局限，學(xué)生的韓語(yǔ)水平得不到提高。

2.5 云重心表征系統(tǒng)狀態(tài)

當(dāng)n個(gè)指標(biāo)所反映的系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，該n維綜合云的形狀和其重心會(huì)相應(yīng)變化.基于此，可用云重心向量T的變化情況反映系統(tǒng)狀態(tài)信息的變化情況.

T=(T1，T2,…,Tn)

(2)

Ti=ai×bi,(i=1,2,…,n)

(3)

2.6 用加權(quán)偏離度表征云重心的改變

(4)

2.7 評(píng)語(yǔ)集實(shí)現(xiàn)

采用11 級(jí)評(píng)語(yǔ)集V，即V={極差，非常差，很差，較差，差，一般，好，較好，很好，非常好，極好}，分別對(duì)應(yīng)0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1將其用連續(xù)的云模型來(lái)描述，構(gòu)成一個(gè)定性評(píng)測(cè)的云發(fā)生器，見(jiàn)圖 2.

圖2 云測(cè)評(píng)發(fā)生器

3 航標(biāo)效能評(píng)估軟件開(kāi)發(fā)

將建立的數(shù)學(xué)模型通過(guò)MATLAB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，采用MATLABGUI進(jìn)行可視化軟件開(kāi)發(fā)，首先利用GUI進(jìn)行軟件界面設(shè)計(jì)，進(jìn)而編制各菜單和控件的“CallBack”函數(shù).在軟件調(diào)試無(wú)誤后可進(jìn)行激活和發(fā)布.該軟件包含5個(gè)模塊：航標(biāo)服務(wù)效能計(jì)算、航標(biāo)技術(shù)效能計(jì)算、維護(hù)管理效能計(jì)算、航標(biāo)總效能計(jì)算、單指標(biāo)云圖輸出.利用該軟件進(jìn)行航標(biāo)效能評(píng)估的步驟如下.

步驟1 輸入評(píng)判矩陣、理想狀態(tài)值以及各指標(biāo)權(quán)重值，計(jì)算各三級(jí)指標(biāo)云模型特征參數(shù)及二級(jí)指標(biāo)效能值，生成二級(jí)指標(biāo)效能云測(cè)評(píng)圖.

步驟2 輸入二級(jí)指標(biāo)分效能和權(quán)重，計(jì)算總效能，生成航標(biāo)總效能云測(cè)評(píng)圖.

步驟3 輸入單個(gè)指標(biāo)的云模型特征參數(shù)，生成該指標(biāo)評(píng)價(jià)云圖.

4 長(zhǎng)江南瀏段航標(biāo)效能評(píng)估實(shí)例

4.1 指標(biāo)值的獲取

在實(shí)際的研究工作中，邀請(qǐng) 5 位專家對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)判.采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法獲取定量指標(biāo)值.為保持評(píng)判矩陣維度一致.在獲取航標(biāo)用戶評(píng)價(jià)時(shí)，分別對(duì)海輪用戶、江輪用戶、海事人員、引航人員、航標(biāo)維護(hù)管理人員5類人群進(jìn)行用戶滿意度調(diào)查；在獲取航標(biāo)正常率、航標(biāo)維護(hù)正常率時(shí)，將南瀏段航道分為5段分別統(tǒng)計(jì)(以2013年數(shù)據(jù)為例).各評(píng)估指標(biāo)評(píng)價(jià)值見(jiàn)表 1～2.

表1 航標(biāo)服務(wù)效能指標(biāo)評(píng)價(jià)表

表2 航標(biāo)技術(shù)效能及維護(hù)管理效能指標(biāo)評(píng)價(jià)表

4.2 指標(biāo)權(quán)重確定

通過(guò)AHP理論，獲得各二級(jí)指標(biāo)相對(duì)于一級(jí)指標(biāo)權(quán)重向量為：b=[0.450 9,0.197 6, 0.311 9]，三級(jí)指標(biāo)相對(duì)各二級(jí)指標(biāo)權(quán)重向量分別為：bV1=[0.085 6,0.314 5,0.150 5,0.112 1,0.187 1,0.052 9,0.047 3,0.049 9]，bV2=[0.469 0,0.104 0,0.278 6,1 484]，bV3=[0.315 7,0.071 9,0.073 1,0.125 2,208 9,0.205 2].

4.3 效能值計(jì)算及云測(cè)評(píng)圖生成

為節(jié)約篇幅，這里僅以航標(biāo)技術(shù)效能為算例進(jìn)行展示.航標(biāo)服務(wù)效能及維護(hù)管理效能的計(jì)算過(guò)程與之類似.

根據(jù)評(píng)判指標(biāo)表得評(píng)判矩陣B1-B3，其中，航標(biāo)技術(shù)效能評(píng)判矩陣為B2.

表3 三級(jí)指標(biāo)云特征參數(shù)表

進(jìn)一步點(diǎn)擊“云圖”按鈕，軟件自動(dòng)將效能值輸入云測(cè)評(píng)發(fā)生器得到云測(cè)評(píng)圖.

經(jīng)計(jì)算，航標(biāo)服務(wù)效能值為0.729 33；航標(biāo)技術(shù)效能值為0.645 16；維護(hù)管理效能值為0.662 63.

總效能計(jì)算過(guò)程略有不同：只需輸入各二級(jí)指標(biāo)效能值及權(quán)重向量即可.經(jīng)計(jì)算，總效效能值為0.691 89.

4.4 單指標(biāo)云圖輸出

為了解單個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)情況，該軟件集成了單指標(biāo)云圖輸出功能.以水域生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性(V24)指標(biāo)為例，將其特征參數(shù)(0.660 0,0.110 3,0.028 9)輸入“單指標(biāo)云圖輸出”子界面即可繪出該指標(biāo)的評(píng)價(jià)云圖，見(jiàn)圖3.

圖3 單指標(biāo)云圖輸出子界面

4.5 評(píng)估結(jié)果分析

航標(biāo)服務(wù)效能介于較好和很好之間，趨向于較好；航標(biāo)技術(shù)效能、維護(hù)管理效能均介于好和較好之間；航標(biāo)總效介于好和較好之間，幾乎等于較好.

5 結(jié) 束 語(yǔ)

長(zhǎng)江南瀏段航道在航標(biāo)技術(shù)效能和維護(hù)管理

效能方面稍弱.進(jìn)一步分析可知：在航標(biāo)技術(shù)效能方面，主要是水域生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性和航標(biāo)新技術(shù)使用情況不夠理想；在維護(hù)管理效能方面，維護(hù)設(shè)施配套性、維護(hù)管理機(jī)制合理性、維護(hù)管理人員水平方面表現(xiàn)不足.

針對(duì)以上結(jié)果，提出長(zhǎng)江南瀏段航標(biāo)效能提升措施如下：(1)適當(dāng)提升航標(biāo)維護(hù)設(shè)施及設(shè)備的性能及數(shù)量[7]；(2)進(jìn)一步完善航標(biāo)維護(hù)管理機(jī)制，制定更加細(xì)化航標(biāo)應(yīng)急、維護(hù)管理方案；(3)在航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建智能航標(biāo)管理系統(tǒng)；(4)提高航標(biāo)維護(hù)管理人員數(shù)量及素質(zhì).

[1]王志英.航標(biāo)學(xué)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社,2011.

[2]岳志偉.基于航標(biāo)效能模糊綜合評(píng)價(jià)的川島水域航標(biāo)完善方案研究[D].大連:大連海事大學(xué)，2014.

[3]王如政.航標(biāo)效能定量評(píng)估方法[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(3)：39-43.

[4]LI D．Uncertainty reasoning based on cloud models in controllers [J].Computers and Mathematics with Applications, 1998(3):99-123.

[5]ZHANG Wenjin,LIU Shunli,SUN Bo,et al. A cloud model-based method for the analysis of accelerated life test data [J]. Microelectronics Reliability, 2014(10):55-60.

[6]許津閣,綜合艦橋系統(tǒng)效能評(píng)估[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[7]李術(shù)元,王 巖,徐言民，等.深水航道航標(biāo)船配置模型研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2014，28(3)：623-625.

Cloud-model-based Aids to Navigation Efficiency Evaluation Software Development of Yangtze River Nanjing—Liuhekou Section

LI Shuyuan1)WANG Yan2)XU Yanmin2)GUAN Hongxu2)JIN Cheng2)CHEN Min2)

(ChangjiangNanjingWaterwayBureau，Nanjing210098,China)1)(SchoolofNavigation，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063,China)2)

Aiming at the characteristics of the Yangtze River Nan-liu section an evaluation index system is set up. Combined the AHP method with the cloud model, a mathematics model of aids to navigation efficiency evaluation is established, then by using the MATLAB GUI tool the Aids to navigation the efficiency evaluation visualization software is developed. Finally, according to the evaluation results some improvements related to the efficiency of Aids to navigation are put forward.

aids to navigation efficiency; AHP; cloud model; MATLAB GUI; visualization software

2015-04-02

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：51109173)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：2013-Ⅱ-019)資助

U644

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.010

李術(shù)元(1975- )：男，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閮?nèi)河航道維護(hù)管理