三角模糊層次分析的綜合評價(jià)在黃河庫區(qū)船舶安全評估中的應(yīng)用

李 軍，朱云升

(1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖北 武漢 430050；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引 言

循化至隆務(wù)峽高速公路建設(shè)穿越黃河公伯峽庫區(qū)，庫區(qū)內(nèi)無現(xiàn)成的道路運(yùn)輸施工機(jī)械、物資和人員，庫區(qū)位于國家級風(fēng)景名勝區(qū)內(nèi)，環(huán)境保護(hù)要求極高，如果采用修建施工便道的方式不僅難度巨大、成本高昂，而且對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境破壞性較大。經(jīng)過論證，項(xiàng)目建設(shè)方?jīng)Q定利用庫區(qū)的水運(yùn)條件，采用船舶運(yùn)輸，從而避免修建施工便道破壞庫區(qū)生態(tài)環(huán)境，但是庫區(qū)特殊的自然環(huán)境使船舶運(yùn)輸充滿風(fēng)險(xiǎn)，因此，筆者旨在結(jié)合實(shí)踐開發(fā)出一套適合庫區(qū)船舶運(yùn)輸安全的評估方法，為施工方及海事局對船舶安全管理提供科學(xué)依據(jù)，首先概述了國內(nèi)外現(xiàn)有的船舶安全評估數(shù)學(xué)模型，然后提出三角模糊層次分析的多級評價(jià)模型的潛在優(yōu)勢，再介紹了該模型的構(gòu)建方法，最后驗(yàn)證了模型的科學(xué)性和合理性。三角模糊層次分析的多級評價(jià)模型能很好解決風(fēng)險(xiǎn)源眾多、關(guān)系復(fù)雜的黃河庫區(qū)船舶安全評估難題，如果稍加修改就能推廣到其它相似水域，從而推動(dòng)我國內(nèi)河水上交通安全事業(yè)的發(fā)展。

1 船舶安全風(fēng)險(xiǎn)評估模型概述

目前對運(yùn)輸船舶安全評估主要有灰色系統(tǒng)法[1]、概率論法[2]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[3-4]、層次分析法[5]和模糊綜合評價(jià)法[6]以及基于層次分析的模糊綜合評價(jià)法[7]等，其中基于層次分析的模糊綜合評價(jià)法綜合了兩者優(yōu)點(diǎn)，效果顯著，但是利用層次分析法確定各因素權(quán)重時(shí)，專家對概念的理解存在差異，打分主觀性較大影響判斷矩陣的一致性和權(quán)重向量的科學(xué)性，為了克服上述缺點(diǎn)，采用三角模糊層次分析法確定各因素權(quán)重，使確定的權(quán)重向量更客觀更科學(xué)，發(fā)展出基于三角模糊層次分析的多級綜合評價(jià)模型。李麗[8]運(yùn)用三角模糊層次分析法對高校實(shí)驗(yàn)室的工作狀況及存在的問題進(jìn)行評估；馮海斌[9]運(yùn)用三角模糊層次分析法設(shè)計(jì)了裝備基地級維修服務(wù)PPP采購合作伙伴遴選方法；王艷輝[10]運(yùn)用三角模糊數(shù)對城市軌道交通火災(zāi)進(jìn)行評估。以上文獻(xiàn)雖然都對三角模糊數(shù)和層次分析法的綜合運(yùn)用進(jìn)行了探討，但是并沒有充分考慮專家賦值的模糊性，鑒于此，在充分借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用三級指標(biāo)體系，變二級綜合評價(jià)為三級綜合評價(jià)，同時(shí)充分考慮專家賦值的模糊性，引入自信度概念，構(gòu)造三角模糊數(shù)矩陣，運(yùn)用三角模糊數(shù)定理確定各層指標(biāo)權(quán)重，如此建立的三角模糊層次分析的三級綜合評價(jià)模型更科學(xué)更合理。

2 構(gòu)建三角模糊層次分析評價(jià)模型

模型構(gòu)建步驟為：構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，確立因素集和權(quán)重集，利用三角模糊層次分析法確定各層指標(biāo)權(quán)重，利用專家咨詢法建立最低層指標(biāo)隸屬度，運(yùn)用模糊算子計(jì)算上層各指標(biāo)隸屬度，依次向上傳遞直到最終評價(jià)結(jié)果。

2.1 構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系

通過實(shí)地調(diào)研和專家調(diào)查，在充分考慮風(fēng)險(xiǎn)因素屬性的情況下，依據(jù)遞階層次結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建黃河庫區(qū)運(yùn)輸船舶風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，如表1。

2.1.1 自然環(huán)境

黃河庫區(qū)地處青藏高原邊緣，自然環(huán)境惡劣，庫區(qū)兩岸為無植被覆蓋的陡峭山體，在設(shè)置自然環(huán)境指標(biāo)時(shí)，除了考慮“風(fēng)、雨、霧、氣溫”氣象因素外，還要考慮“泥石流、山體滑坡”地質(zhì)災(zāi)害。黃河庫區(qū)為天然航道，航道狹窄，水位、流量和流速隨季節(jié)而變化，因此還需考慮“水位、流速、流態(tài)”水文資料。

2.1.2 通航秩序

隨著庫區(qū)高速公路施工，施工方投入了10艘不同種類的運(yùn)輸船舶運(yùn)輸建材、人員和?；?，庫區(qū)船舶密度增加，因此，在設(shè)置通航秩序指標(biāo)時(shí)，不僅要考慮影響船舶通暢的“航道寬度、深度、礙航物”因素，還需考慮影響船舶秩序的“客渡船及危化品船比率、船舶密度”。

2.1.3 運(yùn)行狀態(tài)

庫區(qū)航道狹窄、船舶密度較大、峽谷風(fēng)強(qiáng)力，為了避免碰撞、傾覆、擱淺等海事事故，在設(shè)置運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)時(shí)，重點(diǎn)考慮“航速、船舶吃水、受風(fēng)面積和裝載貨物屬性”等因素。

2.1.4 管理因素

管理因素分為人員管理和船舶管理，據(jù)報(bào)道80%的海事事故是人為因素造成的，因此，人員管理重在考慮駕駛員的“疲勞狀態(tài)和違規(guī)記錄”兩項(xiàng)指標(biāo)，“船舶維護(hù)記錄和違章記錄”反映了船舶管理水平，所以被列入船舶管理下的三級指標(biāo)。

另外，構(gòu)建評估指標(biāo)體系時(shí)，還要考慮獲取評估指標(biāo)參數(shù)方法，可以通過當(dāng)?shù)貧庀蟛块T采集庫區(qū)氣象數(shù)據(jù)，從地質(zhì)部門獲取庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，從水利局獲取庫區(qū)水文數(shù)據(jù)，從海事局獲取航道數(shù)據(jù)，通過雷達(dá)獲取船舶航行狀態(tài)數(shù)據(jù)，總之，獲取指標(biāo)參數(shù)的一定要通過正常渠道，采用正確的方法。

2.2 確定因素集和評價(jià)集

依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系提取各層風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)作為因素集，因素集分別為：U={U1，U2，U3，U4}；U1={U11，U12，U13}；U2={U21，U22}；U3={U31，U32，U33}；U4={U41，U42}；U11={U111，U112，U113，U114}；U12={U121，U122}；U13={U131，U132，U133}；U21={U211，U212，U213，U214}；U22={U221，U222}；U31={U311}；U32={U321，U322}；U33={U331，U332，U333}；U41={U411，U412}；U42={U421，U422}。評價(jià)集為風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果的集合，依據(jù)國際慣例，采用五級評價(jià)法Z={Z1，Z2，Z3，Z4，Z5}為評價(jià)集，分別表示“安全、較安全、臨界、較危險(xiǎn)、危險(xiǎn)”。

2.3 三角模糊層次分析法確定各層風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重

三角模糊層次分析法與層次分析法都是決策問題的思維方法，兩者運(yùn)用過程類似，但也有所不同。層次分析法是專家對同一層次的指標(biāo)采用1～9標(biāo)度法進(jìn)行兩兩評價(jià)，建立判斷矩陣，而三角模糊層次分析法用三角模糊數(shù)取代1～9標(biāo)度值對指標(biāo)進(jìn)行兩兩評價(jià)，建立模糊判斷矩陣。模糊判斷矩陣與普通判斷矩陣的重要區(qū)別為前者中的元素為三角模糊數(shù)，每個(gè)模糊數(shù)都有一個(gè)模糊評判區(qū)間u～l，反應(yīng)了專家對評判結(jié)果的自信度，u～l越大自信度越小，u～l越小自信度越大，因此，三角模糊層次分析法引入自信度的概念，充分地體現(xiàn)了信息模糊性對評價(jià)結(jié)果的影響，因?yàn)閮烧呓⒌呐袛嗑仃嚥煌?，所以?jì)算指標(biāo)權(quán)重的方法也不同，具體步驟如下。

2.3.1 建立模糊判斷矩陣

專家對第k層的n個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，并用三角模糊數(shù)表達(dá)比較結(jié)果，當(dāng)專家給出n(n-1)/2個(gè)模糊判斷后便構(gòu)建模糊判斷矩陣：

(1)

Mi⊕Mj=(li+lj,mi+mj,ui+uj)

Mi?Mj=(li×lj,mi×mj,ui×uj)

kMi=(kli,kmi,kui)

2.3.2 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

首先依據(jù)三角模糊數(shù)公式(2):

(2)

(3)

(4)

將三角模糊數(shù)權(quán)重轉(zhuǎn)化成實(shí)數(shù)權(quán)重，最后歸一化處理得第k層指標(biāo)最終權(quán)重Wk。

2.4 確定評估指標(biāo)隸屬度子集

評估指標(biāo)隸屬度是對因素集中各指標(biāo)進(jìn)行評判以便確定對評價(jià)集中各元素的隸屬程度，例如：求因素集第k層i因素對評價(jià)集Z中各元素的隸屬度為：

(5)

k層全部因素對評價(jià)集Z各元素的隸屬度集合Rk,被稱為評估指標(biāo)隸屬度子集為：

(6)

通常采用專家調(diào)查法確定評估指標(biāo)隸屬度，筆者只需確定最低層指標(biāo)隸屬度，繼而組成隸屬度子集。

2.5 綜合評價(jià)

求得k層全部指標(biāo)權(quán)重Wk和隸屬度子集Rk后，選擇合適的模糊算子“?”即可求得評價(jià)結(jié)果Sk=WK?Rk，依次向上傳遞直到求得最終的評價(jià)結(jié)果S,然后按照隸屬度最大化原則選擇S中最大的列作為最終的評價(jià)結(jié)果。

3 模型的應(yīng)用

以黃河庫區(qū)運(yùn)輸船舶為例，驗(yàn)證三角模糊層次分析法模型的科學(xué)性、合理性和實(shí)用性。

3.1 構(gòu)建模糊判斷矩陣

從海事部門、航運(yùn)企業(yè)和海事院校里分別邀請一名專家組成3人專家組，對各層指標(biāo)進(jìn)行評判，構(gòu)建模糊判斷矩陣，以三級指標(biāo)的“風(fēng)、雨、霧、氣溫”為例，構(gòu)建如表2的模糊判斷矩陣。

表2 三級指標(biāo)(風(fēng)、雨、霧、氣溫)模糊判斷矩陣

運(yùn)用三角模糊數(shù)運(yùn)算法則求其平均值作為綜合模糊判斷矩陣如表3。同理采用同樣的方法構(gòu)建剩余各級指標(biāo)綜合模糊判斷矩陣。

表3 三級指標(biāo)(風(fēng)、雨、霧、氣溫)綜合模糊判斷矩陣

3.2 計(jì)算各層指標(biāo)權(quán)重

以三級指標(biāo)風(fēng)、雨、霧、氣溫為例闡述計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的方法。

3.2.3 去模糊化

表4 各層指標(biāo)權(quán)重

3.3 構(gòu)建最低層指標(biāo)隸屬度集合

運(yùn)用專家調(diào)查法獲取最低層評估指標(biāo)隸屬度子集。采集某天黃河庫區(qū)的氣象、交通數(shù)據(jù)以及其它影響運(yùn)輸船舶安全的其它相關(guān)數(shù)據(jù)，向海事院校教授、海事局官員、航運(yùn)企業(yè)專家及庫區(qū)船舶船長、輪機(jī)長發(fā)放調(diào)查問卷100份，收回有效問卷96份，按照統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理和方法進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，獲得黃河庫區(qū)運(yùn)輸船舶最低層指標(biāo)隸屬度子集，如表5。

表5 黃河庫區(qū)運(yùn)輸船舶最低層指標(biāo)隸屬度子集

3.4 綜合評價(jià)

因?yàn)辄S河庫區(qū)運(yùn)輸船舶指標(biāo)體系為多層次指標(biāo)體系，所以綜合評價(jià)時(shí)，從最低層指標(biāo)即第3層指標(biāo)開始評價(jià)，依次向上傳遞直到最終評價(jià)結(jié)果。

3.4.1 三級指標(biāo)綜合評價(jià)

以三級指標(biāo)“風(fēng)、雨、霧、氣溫”為例闡述評價(jià)過程。

1)從表5中提取上述指標(biāo)隸屬度Ru11

2)再從表4中提取上述指標(biāo)權(quán)重Wu11

Wu11=[0.28，0.10，0.35，0.27]

3)利用矩陣乘法法則計(jì)算評估結(jié)果Su11

Su11=Wu11?Ru11=[0.15，0.16，0.16，0.42，0.11]

Su11既是三級指標(biāo)“風(fēng)、雨、霧、氣溫”的評價(jià)結(jié)果，也是二級指標(biāo)“氣象”的隸屬度，同理可以計(jì)算出“地質(zhì)災(zāi)害、水文狀態(tài)”等剩余二級指標(biāo)隸屬度，從而建立二級指標(biāo)隸屬度矩陣行。

3.4.2 二級指標(biāo)綜合評價(jià)

1)二級指標(biāo)隸屬度矩陣行

2)二級指標(biāo)權(quán)重

從表4中提取二級指標(biāo)權(quán)重

Wu1=[0.40，0.30，0.30]，Wu2=[0.61，0.39]

Wu3=[0.31，0.33，0.36]，Wu4=[0.78，0.22]

3)二級指標(biāo)評估結(jié)果

Su1=Wu1?Ru1=[0.25，0.25，0.23，0.22，0.05]

Su2=[0.21，0.22，0.17，0.20，0.20]

Su3=[028，0.26，0.28，0.14，0.04]

Su4=[0.04，0.37，0，0.59，0.00]

二級指標(biāo)評價(jià)結(jié)果也是一級指標(biāo)的隸屬度，從而構(gòu)建一級指標(biāo)隸屬度矩陣行。

3.4.3 一級指標(biāo)綜合評價(jià)

1)一級指標(biāo)隸屬度矩陣行

2)一級指標(biāo)權(quán)重

Wu=[0.40，0.15，0.15，0.30]

3)一級指標(biāo)評價(jià)結(jié)果

Su=Wu?Ru=[0.19，0.28，0.16，0.32，0.05]

按照隸屬度最大化原則，可知最終評價(jià)結(jié)果中的最大值0.32對應(yīng)評價(jià)集中“較危險(xiǎn)”項(xiàng)，說明在此條件下庫區(qū)船舶處于不安全狀態(tài)，需要船員提高警惕采取措施使船舶恢復(fù)到安全狀態(tài)。

4 結(jié) 語

針對繁雜眾多的風(fēng)險(xiǎn)源，首先建立多層次的風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，然后運(yùn)用三角模糊層次分析法確立各層風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重，運(yùn)用專家調(diào)查法確定最低層指標(biāo)隸屬度子集，再運(yùn)用多級綜合評價(jià)對其評價(jià)，最后以黃河庫區(qū)運(yùn)輸船舶為例進(jìn)行實(shí)例研究，研究結(jié)果表明三角模糊層次分析的多級綜合評價(jià)模型能很好地解決運(yùn)輸船舶安全評估難題，證明了該模型的科學(xué)性、合理性和準(zhǔn)確性，但是該模型運(yùn)用需要大量矩陣計(jì)算，如果對該模型程序化，在電腦或者手機(jī)終端開發(fā)出運(yùn)輸船舶安全評價(jià)及預(yù)警軟件，則能解決實(shí)用性難題。