變權(quán)云物元模型在船舶定線制后評估中的應(yīng)用

劉高磊　戴冉　王滔　曹杰　安天圣　黃富程

摘要：

針對后評估中出現(xiàn)的模糊性和隨機性及以往船舶定線制實施效果評價中忽略較差指標的影響的問題，提出一種基于變權(quán)云物元分析理論的船舶定線制實施效果綜合評估方法。引入變權(quán)理論，對用主客觀綜合賦權(quán)法得到的常權(quán)權(quán)重進行修正，避免較差指標的消極作用被優(yōu)秀指標掩蓋，突出較差指標對評估結(jié)果的影響;運用云物元分析理論，構(gòu)建船舶定線制實施效果綜合評估模型，該模型可同時給出評估結(jié)果和可信度。以老鐵山水道船舶定線制后評估為例進行驗證，并結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比分析，驗證本方法的有效性和可靠性。

關(guān)鍵詞：

后評估;?常權(quán)權(quán)重;?變權(quán)理論;?云物元;?可信度;?船舶定線制

中圖分類號：U692

文獻標志碼：A

收稿日期：?2019-01-14

修回日期：?2019-05-27

基金項目：?高校科研發(fā)展基金（991986104802）;大連轄區(qū)船舶定線制及其配套報告制研究項目（80818041）

作者簡介：

劉高磊（1992—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為水上安全保障技術(shù)、港口與船舶安全、航道系統(tǒng)仿真，（E-mail）golea520@163.com;

戴冉（1954—2019），男，遼寧大連人，教授，碩導(dǎo)，研究方向為港口安全論證、船舶通航影響評估等，（E-mail）dairan@sina.com

Application?of?variable-weight?cloud?matter-element?model?in?post-evaluation?of?ships?routeing

LIU?Gaolei，?DAI?Ran，?WANG?Tao，?CAO?Jie，?AN?Tiansheng，?HUANG?Fucheng

（Navigation?College，?Dalian?Maritime?University，?Dalian?116026，?Liaoning，?China）

Abstract：

Aiming?at?the?fuzziness?and?randomness?in?the?post-evaluation?and?the?problem?of?ignoring?the?influence?of?poor?indexes?in?the?previous?evaluation?on?the?ships?routeing?implementation?effect，?the?method?of?comprehensive?evaluation?of?the?ships?routeing?implementation?effect?based?on?the?variable-weight?cloud?matter-element?analysis?theory?is?proposed.The?variable-weight?theory?is?introduced?to?correct?the?constant?weights?obtained?by?the?subjective?and?objective?comprehensive?weighting?method，?which?avoids?negative?effects?of?poor?indexes?being?covered?by?the?excellent?indexes，?and?highlights?the?influence?of?poor?indexes?on?the?evaluation?results.?The?cloud?matter-element?analysis?theory?is?used?to?construct?a?comprehensive?evaluation?model?for?the?ships?routeing?implementation?effect，?and?the?model?can?give?the?evaluation?result?and?the?credibility?at?the?same?time.?The?post-evaluation?of?the?ships?routeing?of?Laotieshan?Waterway?is?taken?as?an?example?to?verify?the?effectiveness?and?reliability?of?the?method.

Key?words：

post-evaluation;?constant?weight;?variable-weight?theory;?cloud?matter-element;?credibility;?ships?routeing

0?引?言

船舶定線制作為國際上規(guī)范交通流、規(guī)劃航路的一種通用手段，其目的主要為了減少船舶碰撞、擱淺等事故的發(fā)生。伴隨著海上貿(mào)易日益頻繁和船舶大型化、高速化發(fā)展，船舶定線制實施水域的船舶流量和交通密度變得空前巨大，所面臨的安全問題也日益突出。檢驗原有的船舶定線制實施效果是否滿足現(xiàn)階段和遠期發(fā)展的要求，變得尤為重要。

目前，國內(nèi)外對船舶定線制研究大多集中于實施前方案設(shè)計研究和方案可行性評估，而針對船舶定線制后評估方法的研究較為傳統(tǒng)，尚未形成完整的體系。根據(jù)交通運輸部《全國沿海船舶定線制總體規(guī)劃》方案報告，我國實施和規(guī)劃中的船舶定線制水域仍在增加，完善和改進船舶定線制后評估的方法亟待進行。現(xiàn)有研究方法有定性評價（基于模糊數(shù)學(xué)綜合評判理論[1]等）、定量分析（概率統(tǒng)計學(xué)理論[2]、基于交通流和船舶領(lǐng)域理論[3-4]等）和定性定量綜合評判（綜合賦權(quán)定性定量評估方法[5]等）。模糊數(shù)學(xué)分析理論偏重于人的評價，其評價模型的適應(yīng)性和可行性具有一定局限性，且僅從定性角度分析出的評價結(jié)果可靠性較低;利用數(shù)理統(tǒng)計方法雖能夠較好地對評估主體進行定量分析，但數(shù)據(jù)收集與處理具有難度，且僅從定量角度分析較難反映船舶定線制水域的真實通航狀況和社會接受程度。通過構(gòu)建評價指標體系，采用定性定量綜合評估方法很好地彌補了上述單一角度評估方法的不足，但現(xiàn)有綜合評估方法中大多采用常權(quán)權(quán)重賦權(quán)法，未考慮評估指標數(shù)據(jù)的變化特征。依據(jù)“短板效應(yīng)”理論，若后評估指標中存在評定較差的指標，應(yīng)著重考慮較差指標對評估結(jié)果的影響，避免出現(xiàn)偏優(yōu)的評估結(jié)果。

此外，后評估過程中存在雙重不確定因素（評估邊界的模糊性和數(shù)據(jù)采集的隨機性），用傳統(tǒng)的船舶定線制后評估方法難以反映評估中存在的雙重不確定性。為此，本文提出一種既能兼顧評價指標變化特征以較好地處理評估中存在的雙重不確定性問題，又能夠定性定量分析和處理問題的基于變權(quán)云物元分析理論的船舶定線制后評估方法：引入變權(quán)理論，創(chuàng)建變權(quán)向量對評估指標數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，并對常權(quán)權(quán)重進行修正，使所得權(quán)重能夠隨著指標特征而變化;再利用云物元模型具有的云特性和物元特點對船舶定線制實施效果進行定性定量評價;最后，利用AIS數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法對船舶定線制水域內(nèi)交通流數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘和通航狀況再現(xiàn)處理，從客觀數(shù)據(jù)分析的角度對本文的船舶定線制實施效果的評估結(jié)果進行進一步驗證。

1?船舶定線制后評估指標體系的建立

遵照IMO《船舶定線制的一般規(guī)定》關(guān)于船舶定線制建立目的中所規(guī)定的9項內(nèi)容，基于相關(guān)文獻研究[6]，并考慮到船舶定線制實施效益取決于船舶定線制的安全有效發(fā)揮，本文船舶定線制實施效果綜合評估從安全性和有效性兩方面開展研究。結(jié)合船舶定線制水域的特點以及相關(guān)專家、學(xué)者的建議選取評價指標，從船舶定線制水域基本狀況、通航環(huán)境、安全保障三個方面結(jié)合船舶定線制運行實際，建立船舶定線制后評估指標體系（包括安全性和有效性兩大二級指標及其附屬指標），見圖1。安全性S反映的是船舶定線制實施后引起的會遇方式改變、航路變更以及水域內(nèi)船舶密度（擁擠情況）、作業(yè)漁船、水下障礙物（沉船、暗礁等）和附近水域的沿岸背景燈光對船舶航行安全的影響程度;有效性E反映的是船舶定線制實施后分隔相反方向交通流，減少橫越船舶與通航分道中船舶碰撞，簡化匯聚交通流模式，指導(dǎo)船舶讓清漁船或通過捕漁區(qū)的效果，以及在水上設(shè)施附近、航行危險區(qū)組織交通流對提高船舶通航效率、降低船舶在水深不確定區(qū)擱淺

圖1?船舶定線制后評估指標體系

危險等方面的效果。

各指標等級劃分：根據(jù)船舶定線制實施后在安全性和有效性方面的不同效果，將其劃分為很好、較好、中、較差、很差5個等級，不同等級對應(yīng)的指標評定值由專家會議評定確定，見表1。

2?基于變權(quán)云物元分析理論的綜合評估模型

2.1?變權(quán)理論

所謂變權(quán)是為避免“狀態(tài)失衡”，同時考慮基本因素的相對重要次序和狀態(tài)均衡程度，對權(quán)向量進行的動態(tài)調(diào)整[7]。它可以隨著指標數(shù)值向量的水平變化動態(tài)調(diào)整各因素的權(quán)重值，以滿足綜合決策的不同偏好要求[8]。

2.1.1?變權(quán)賦權(quán)模型

為彌補層次分析法由主觀性太強所導(dǎo)致的客觀信息缺失的不足，在獲取主觀權(quán)重的基礎(chǔ)上，引入信息熵理論，從定量的角度計算客觀權(quán)重;綜合運用主、客觀賦權(quán)的結(jié)果，利用加法集成原理，得到綜合常權(quán)權(quán)重;最后，引入狀態(tài)變權(quán)向量對得到的常權(quán)權(quán)重進行修正，得到變權(quán)權(quán)重。

綜合變權(quán)賦權(quán)表達式如下：

ω1ω2ωi=c1|ASR+Wc2|ASR+Wci|ASR+W

（1）

式中：ωi表示指標ci的綜合變權(quán)權(quán)重值;A表示由層次分析法求取的主觀權(quán)重向量;S表示由信息熵賦權(quán)法獲取的客觀權(quán)重向量;R表示由主客觀賦權(quán)法得到的常權(quán)權(quán)重向量;W為引入的變權(quán)權(quán)重向量。

通過加法集成原理，綜合主觀權(quán)重向量與客觀權(quán)重向量得到綜合常權(quán)權(quán)重向量：

R=aA+bS

（2）

假設(shè)有n個指標，則

a=1n-1ni=1iPi-n+1n，?b=1-a

（3）

式中，Pi為將主觀權(quán)重向量元素按遞增排序后的對應(yīng)分量。[9]

2.1.2?狀態(tài)變權(quán)向量

分析被評估為較差、很差指標的原因，結(jié)合指數(shù)型狀態(tài)變量的靈活、可擴展且能較好地體現(xiàn)評價要求等優(yōu)點[10]，構(gòu)建“懲罰型”狀態(tài)變權(quán)向量。通過改變狀態(tài)變權(quán)向量提升不合格指標參與程度。[11]不合格指標越限越嚴重，其相應(yīng)的變權(quán)權(quán)重也就越大。

設(shè)狀態(tài)變權(quán)向量為S（X）=（S1（X），S2（X），…，Sn（X）），

Sj（X）=expαxj-βjγjup-γjdown，xj≠βj1，xj=βj

（4）

式中：X為指標狀態(tài)變量，X=（x1，x2，…，xn），xj為第j項指標數(shù)據(jù);βj為第j項指標的懲罰閾值，當?shù)趈項指標為定量指標時βj為國家標準規(guī)定的指標技術(shù)合格線，當?shù)趈項指標為定性指標時βj為指標合格分數(shù)線;α為懲罰水平，α>0，α越大懲罰效果越明顯，實際評價中可根據(jù)對不合格指標的懲罰力度靈活選取;γjup、γjdown分別為指標j的合格區(qū)間上、下界。[12]

設(shè)常權(quán)權(quán)重向量R=（r1，r2，…，rn），則變權(quán)權(quán)重向量W（X）=（ω（x），ω（x2），…，ω（xn））可用W和S（X）的歸一化Hardarmard乘積表示，即

W（X）=RS（X）nj=1（rjSj（X））（5）

2.2?云物元分析理論

2.2.1?云物元模型

云物元模型[9]是在傳統(tǒng)物元模型的基礎(chǔ)上，與云模型進行耦合，將物元理論中的事物特征值用正態(tài)云（Ex，En，He）代替，從而反映出評估指標等級界限的模糊性和數(shù)據(jù)隨機性。云物元模型表示形式為

R=Nc1（Ex1，En1，He1）c2（Ex2，En2，He2）cn（Exn，Enn，Hen）

（6）

式中：N為物元中的事物名稱;c為事物特征;Ex表示后評估對應(yīng)等級界限概念的值，即期望;En為表示不確定程度的熵;He用來度量熵的不確定性，即超熵。

將表1各指標等級界限看作一個節(jié)域[Cmin，Cmax]，（Ex，En，He）各數(shù)值可由式（7）轉(zhuǎn)換可得，建立如表2所示的指標等級標準云模型。

Ex=Cmin+Cmax2，?En=Cmax-Cmin6，?He=s

（7）

其中s為常量，可依據(jù)各指標的雙重不確定性的實際情況來確定。

2.2.2?云物元關(guān)聯(lián)函數(shù)

待評估指標值x與各指標等級標準云模型之間的關(guān)聯(lián)度u（x）可采用下式[13]求?。?/p>

u（x）=exp-12（x-Ex）2（E′n）2

（8）

式中，E′n為以期望值En、標準差He生成的服從正態(tài)分布的隨機數(shù)。

2.2.3?評估結(jié)果等級評定

由式（8）計算得到的待評估指標數(shù)據(jù)與各指標等級標準云模型之間的關(guān)聯(lián)度構(gòu)成綜合評判矩陣D。結(jié)合修正過的變權(quán)權(quán)重，由式（9）得出綜合評判結(jié)果向量B：

B=WD

（9）

再運用加權(quán)平均原理，根據(jù)式（10）得到初步評判結(jié)果r：

r=ni=1（bifi）ni=1bi

（10）

式中：bi為向量B的對應(yīng)分量;fi為待評數(shù)據(jù)所屬等級i的得分，等級越高分值越高，從很差到很好對應(yīng)的數(shù)值依次為1到5。

為消除關(guān)聯(lián)度求取中的隨機誤差，采用多次運算（本文以百次運算為例）求取平均值的方法，得出期望值Erx和熵Ern。

Erx=（r1（x）+r2（x）+…+rh（x））/h

（11）

Ern=1hhi=1（ri（x）-Erx）2

（12）

ρ=ErnErx

（13）

式中：Ern表示評估結(jié)果r（x）的分散程度;ρ表示評估結(jié)果等級Erx的分散程度及其置信度，ρ越大，置信度越小，對應(yīng)的評估結(jié)果分散程度也就越大。[9]

3?算例驗證

以老鐵山水道船舶定線制實施效果評估為例進行模型驗證。

3.1?評價指標數(shù)據(jù)獲取

由于后評估中有效性指標和安全性指標均具有模糊性，故采用德爾菲法了解老鐵山水道船舶定線制實施效果。依據(jù)有效性指標和安全性指標編制相應(yīng)問卷，受訪對象包括對應(yīng)轄區(qū)海事局員工（20%）、VTS員工（20%）、經(jīng)常航行于船舶定線制水域的船上的高級船員（50%）、引航員（10%）等，問卷發(fā)放共計114份，剔除重復(fù)、空白和缺失的問卷，最后有效問卷為105份。有效性和安全性測評統(tǒng)計結(jié)果見圖2。測評結(jié)果中存在“效果較差、很差”和“比較危險、非常危險”等不理想的評定結(jié)果。因此，需著重考慮這些評定因素對評估結(jié)果帶來的影響。

a）有效性

b）安全性

3.2?確定指標權(quán)重

利用層次分析法構(gòu)造評估指標判斷矩陣求取特征值，獲得各指標主觀權(quán)重。基于原始數(shù)據(jù)，運用信息熵權(quán)法求取各指標的客觀權(quán)重。通過加法集成原理，計算出主客觀的綜合常權(quán)權(quán)重。

然后，建立狀態(tài)變權(quán)向量，對評定結(jié)果為較差的指標進行懲罰，改進其狀態(tài)變權(quán)向量，提升相應(yīng)變權(quán)權(quán)重值，以達到較差指標主動參與評估的目的。通過式（4）、式（5）得出最終變權(quán)權(quán)重，見表3。

3.3?評估結(jié)果

利用表3和式（8）～（13）計算基于變權(quán)云物元分析理論的評估結(jié)果，并與采用常權(quán)和變權(quán)賦權(quán)方法評估結(jié)果對比，見表4。

結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，變權(quán)后有效性和安全性評估結(jié)果明顯低于采用常權(quán)賦權(quán)評估的結(jié)果。這緣于變權(quán)理論很好地調(diào)動了較差的評定指標的參與性，并一定程度上保持了強勢指標的優(yōu)勢，避免了優(yōu)勢指標

掩蓋劣勢指標的消極作用;將變權(quán)理論與云物元模型結(jié)合，使得在給出評價結(jié)果的同時，也能顯示出結(jié)果的可信度（有效性、安全性評估結(jié)果置信度分別為0.021?8和0.013?3，置信度均較小，表明可信度較高）。從老鐵山水道船舶定線制有效性和安全性得分云滴分布（見圖3）中發(fā)現(xiàn)，云滴分散程度較低，云滴凝聚值與結(jié)果等級相符，說明評估結(jié)果具有一定可靠性。對比3種方法發(fā)現(xiàn)，老鐵山水道船舶定線制均在有效性方面表現(xiàn)很好，并在安全性方面起到較好的作用，但變權(quán)云物元評估方法從定性定量的角度給出了評估結(jié)果，更具有可信度。

3.4?算例分析與建議

3.4.1?有效性分析

常權(quán)賦權(quán)、變權(quán)賦權(quán)、變權(quán)云物元3種評估方法的結(jié)果差異不大，但常權(quán)評估明顯出現(xiàn)偏優(yōu)的結(jié)果，對實際決策者會產(chǎn)生一定的誤導(dǎo)。老鐵山水道船舶定線制實施多年來，在提高船舶通航效率和保障船舶航行安全方面起到了較為明顯的作用。

據(jù)大連海事局事故檔案記載，2014年1月至2018年7月期間，發(fā)生在老鐵山水道及其附近水域的船舶交通事故共9起。這9起船舶交通事故中1起為一般等級水上交通事故，其余均為低等級水上

a）有效性

b）安全性

圖3?老鐵山水道船舶定線制有效性和安全性得分云滴分布

交通事故;6起為碰撞事故，2起為船舶主機故障引發(fā)事故，1起為火災(zāi)事故。年度事故分布如圖4所示，可見該水域事故發(fā)生數(shù)量呈下降趨勢，這一定程度上得益于船舶定線制的實施。因此，伴隨著交通流量的日益增長，老鐵山水道船舶定線制依舊占據(jù)著不可或缺的地位。

3.4.2?安全性分析

在安全性方面，老鐵山水道船舶定線制的評估結(jié)果相對差一些，且變權(quán)后的結(jié)果明顯降低。這主要是由于近年來船舶大型化發(fā)展和交通流迅速增長加劇了海上交通狀況復(fù)雜度。由上述對老鐵山水道事故統(tǒng)計分析可知，該水域的碰撞事故占比約為67%，可見碰撞事故是影響該水域船舶航行安全的最主要原因。

根據(jù)AIS數(shù)據(jù)統(tǒng)計，用門限觀察法和船舶尺度區(qū)分法分析可知（見圖5），2018年上半年，穿越老鐵山水道的船舶交通流量達41?438艘次，日均流量227.1艘次，以貨船為主。從設(shè)置的門限交通流統(tǒng)計分布可知，從事交通運輸?shù)拇盎旧隙甲袷卮岸ň€制，表明船舶定線制對規(guī)范交通流起到了很好的作用。然而，仍存在一些不規(guī)律作業(yè)的船舶，其中以非運輸船舶和B類船舶為主，其橫越分隔帶的行為對該水域船舶通航造成了很大的安全影響。實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)這類船舶主要為作業(yè)漁船，“作業(yè)漁船”在問卷中得分也較低，這說明了問卷的可信度。

a）船舶類型統(tǒng)計（其中貨船流量=10?000+圖中對應(yīng)數(shù)值）

b）船舶尺度分布

本文利用變權(quán)方法，提高漁船作業(yè)對評估結(jié)果影響占比，從而引起管理者的著重關(guān)注。從船舶尺度分布統(tǒng)計圖（圖5b）可知，船舶定線制水域通航船舶以200?m以下中小型船舶為主，其中船長為90～150?m的船舶占比較大，船長大于300?m的船舶比以往明顯增多，從船舶操縱角度看，給船舶定線制水域的通航安全也帶來了極大的影響。

根據(jù)大連海事局統(tǒng)計，老鐵山水道2009年和2018年上半年船舶交通流量分別為72?052、45?065艘次，利用多項式擬合回歸預(yù)測得到2020年和2025年的船舶交通流量分別為94?150、104?195艘次。交通流量整體呈上升趨勢，勢必給該水域通航安全帶來巨大的壓力。因此，建議管理部門抓住事故發(fā)生的主要原因，減少和避免船舶會遇，并設(shè)法加大對轄區(qū)非運輸船舶和B類船舶的管制，規(guī)范交通流，保障水道內(nèi)船舶的通航安全。

4?總?結(jié)

統(tǒng)籌考慮后評估過程中的模糊性和隨機性以及指標數(shù)據(jù)的變化特征，提出基于變權(quán)理論和云物元分析理論的船舶定線制實施效果綜合評估方法，構(gòu)建變權(quán)狀態(tài)向量實現(xiàn)了對指標數(shù)據(jù)變化特征的監(jiān)控，使得對指標賦權(quán)時可依據(jù)指標具體情況進行動態(tài)調(diào)整，并凸顯不合格指標對評估結(jié)果的影響，引起決策者的關(guān)注;運用云模型和物元分析理論，建立云物元分析模型，從定性定量的角度對老鐵山水道船舶定線制進行了實施效果評估，并可同時給出定量的評估結(jié)果及其可信度。最后通過方法對比，凸顯出本方法較高的適用性和可靠性，為船舶定線制后評估研究提供一種新的研究方法。

基于交通流和數(shù)理統(tǒng)計分析，對船舶定線制水域?qū)嶋H通航狀況進行了客觀分析，并針對存在的主要問題提出解決方案和建議，可為相關(guān)管理部門提供一定的參考。

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（編輯?趙勉）