可拓云评价模型在航道通航环境安全评价中的应用鲁峰李伟于仁海宁君周幵君1 可拓云评价模型在航道通航环境安全评价中的应用
鲁峰1李伟1于仁海1宁君1周开君2
(1大连海事大学航海学院辽宁大连116026; 2浙江省海洋与渔业执法总队浙江杭州310007)
摘要：文章针对航道通航环境安全评价过程中的模糊性和随机性问题，将可拓云评价 模型应用到航道通航环境的安全评价中，构建基于可拓云理论的航道通航环境安全评价模型，
通过信息熵理论确定航道通航环境安全等级并定义可信因子(7，使得评价结果的可信度易于
定量计算，并通过实例验证了本模型的有效性、优越性和可靠性。
0引言
近年来，随着船舶吨位不断变大和数量不断增 多，有限的航道水域越来越拥挤，通航环境越来越 复杂，对船舶的航行安全也构成了严重威胁。因此，对航道进行通航环境安全评价是保障航道航行 安全的重要
预防手段。目前，国内外学者针对于航 道安全评价普遍使用的方法包括模糊综合评价法[3】、D-S证据理论[4]、灰聚类可拓综合评价法[6_8]等；文献[9]通过测量由MODIS图像识别出海雾引 起的航行风险，并将能见度不良这一航行风险纳入 GIS-M CDA模型对雾季航道航行风险的定量评估 中；文献[10]利用专门设计的模拟实验，能够确定 事故概率，并将其应用于估计紧急情况下航道内航 行的船舶搁浅的风险。以上方法均取得了大量的研 宄成果，对航道通航安全评价结果具有一定的参照 性，但其存在过多依赖专家学者主观判断，忽略了 航道安全等级划分的模糊性和随机性的问题。
可拓云理论将可拓学中的物元理论具有定性 与定量分析的特点和云模型的不确定性推理特性 相结合，能够较好地处理评价等级划分的模糊性和 随机性问题。目前，可拓云模型己广泛应用于船舶 夜航光环境评价【11]、引航环境风险评价[12]、港口比 选M、船舶定线制评价M等航海相关领域。
鉴于可拓云模型的相关优势及己有的大量实 际应用，传统的航道通航安全评价方法又存在相关 不足，本文将可拓云评价模型应用于航道通航环境 安全评价中。拟通过层次分析法、熵权法和变异系 数法相结合得到主客观综合权重，以求最大程度地
收稿日期：2020-10-18
作者简介：鲁峰（1986-)，男，辽宁省人，硕士，实验师，研究方向: 航海技术及航海相关安全评估。减少主客观因素的影响；构造标准云模型，并在计 算可拓评价模型中关联度时运用该标准云模型的
不确定性和随机性，建立航道通航环境安全的可拓 云评价模；最后，为了使评价结果更准确、更客观，根据信息熵理论计算出评价结果的可信因子a，得 到可信度信息。
1航道通航环境安全评价指标体系
本文收集众多相关领域的研宄，在文献[4~8] 的研宄基础上，并结合相关专家和学者的经验及建 议，最终确定影响航道通航环境安全的因素主要包 含：自然环境因素、航道条件因素和交通环境因素。以对航道通航环境安全的影响程度为目标，将航道 通航环境安全等级分为1〜5级，分别对应安全、较 安全、一般危险、危险和高危险，建立的航道通航 环境安全评价指标体系和评价标准，如表1所示。2航道通航环境安全评价模型与方法
2.1确定综合权重
变异系数法、熵权法是应用相对较普遍的两种 确定客观权重的方法。经研究发现，均衡化分配是 通过熵权法获得指标权重的一大缺陷，这将导致得 到的权重存在一定的不合理性；而变异系数法，即通过利用表征评价指标特征值之间差异性的变异 系数来确定评价指标的权重，能够克服熵权法确定 指标权重的分配均衡化缺陷[15]。因此，为了使评价 结果更加合理，本文采用熵权法与变异系数法[15]相结合的客观权重确定方法，最后与层次分析法[6]求出的主观权重相结合求出综合权重，其表达式为: W1r/i l A E-h V
w2
=
h\A E+v
•R
wn.in i A E -\~v
2天津航海2021年第1期
表1航道通航环境安全评价指标体系及评价尺度表
一级评价指标
二级评价指标
1级2级3级4级5级备注
C ，能见度
0-1515 〜2525-4040-5050-90年均能见度不良(雾)的天数，
以天数/年为单位
自然环境
C 2风0-3030-6060-100
100〜150150-200年均标准风的天数，以天数/ 年为单位
c 3流
0-0.50.5-22〜5
5-7.57.5-8航道内最大流速，以节(kn )为单位
04航道宽度0-0.070.07-0.10.1-0.170.17-0.50.54.77船宽与航道宽度比值
<:5航道长度
0〜2020-5050-100100-150150-440主航道长度与航道宽度的比值82航道条件
7月份CPI同比上涨c 6航道弯曲度0〜1515〜3030-4545 〜6060-90航道中最大转向角度，以度(°) 为单位
c 7航道交叉情况0〜2020-4545 〜6060-7070-90航道与其它航道的最大交叉角 度，以度(°)为单位c 8航道碍航物
状况
0M ).0050.005〜0.010.01-0.020.02-0.050.05-1碍航物与航道距离的倒数c 9船舶交通量化学脑中毒
0〜3030-6060-100100-150150〜1000日均船舶艘次，以艘/天为单位B 3交通环境
c 10交通管理状况90-10080-9070-8060-700-60对航道水域交通管理状况的主 观打分
CH 助航设施状况
90-100
80-90
7(K 80
60-70
0-60
对航道水域内助航设施的完善 率和优劣程度的主观打分
式（1)中，4为层次分析法；f 为熵权法；v 为 （&,£…，W e )进行代替，得到可拓云模型[1|]。变异系数法；/?为主客观赋权的综合表示；w n为以 上3种赋权方法结合确定的综合权重的权值。
设熵权法确定的权重向量为l ^E ；变异系数法 确定的权重向量为％。根据几何均值的方法，得到 综合客观权重向量为：
K i =
⑵
归一化处理后，综合客观权重为：
式中，为综合客观权重撕。的分量。
设层次分析法确定的主观权重向量为％。根据 加法集成原理，主客观综合权重为：
W = aWA + (1 - a )W 0 (4)
式中，a 为主客观赋权法联系的待定系数，本 文采用差异系数法求取，则有：
a = ——G a
(5)n -1 R
Q =長(l P i + 2p 2 + …+ np …)-$
(6)
式中，n 为评价指标的个数；Gj 为层次分析法 各分量的差异系数；p …为层次分析法确定的主观权 重向量各分量从小到大的重新排序[15]。
2.2基于可拓云模型的航道通航环境安全评价模
型
经过改进后的可拓云模型表示为:
R =
N C -i > Eni > Hel)
(7)
^■n {^■xn , ^nn ' ^en )-式中，w 为事物名称；c …为事物特征；&为期 望值，是航道通航环境安全评价对应等级区间划分的依据；为熵，表示航道水域通航环境安全等级 界限的模糊性；为超熵，表示航道水域通航环境 安全评价指标数据的随机性。
2.2.2基于可拓云模型的航道通航环境安全评价
计算步骤
1)确定安全评价等级界限云模型。为降低航 道通航环境安全评价等级区间界限值的不确定性， 将该等级区间转化为可根据实际需要对空间界限进行延伸的双约束空间C ma ;J 。航道通航环 境安全等级边界云模型的数字特征：期望&、熵£…、超熵//e ，计算公式：
2
^max~^min
6
Ex En
(8)
(9)
(10)
2.2.1可拓云模型
在可拓理论中，传统的可拓物元模型中未考虑 事物特征量值的随机性和事物的模糊性，因此将传 统可拓物元模型中的事物特征量值由正态云模型
式（8)、（9)中，C ma^、（：_为某指标某一等 级的最大、最小界限值；
式（10)中，S 为可根据经验确定的常数，本 文取值为0.001。
可拓云评价模型在航道通航环境安全评价中的应用鲁峰李伟于仁海宁君周开君3
如果评语为单个边界约束，先需要根据其上下 出自然环境因素、航道条件因素和交通环境因素各限确定缺省的边界约束，再按式（8) ~ (10)进行 评价指标的标准正态云模型，即11个二级评价指安全等级云模型的数字特征计算。通过上述方法求 标的安全等级云模型数字特征，如表2所示。
表2安全等级云模型数字特征
指标/等级1级2级3级4级5级
C,(7.5,1.25,0.001)(20,1.6667,0.001)(32.5,2.5,0.〇〇l)(45,1.6667,0.001)(70,6.6667,0.001)
c2(15,5,0.〇〇l)(45,5,0.001)(80,6.6667,0.001)(125,8.3333,0.001)(175,8.3333,0.001)
c3(0.25,0.0833,0.001)(1.25,0.25,0.001)(3.5,0.5,0.001)(6.25,0.4167,0.001)(7.75,0.0833,0.001)
c4(0.035,0.0117,0.001)(0.085,0.005,0.001)(0.135,0.0117,0.001)(0.335,0.055,0.001)(0.635,0.045,0.001)
C5(10,3.3334,0.001)(35,5,0.001)(75,8.3333,0.001)(125,8.3333,0.001)(295,48.3333,0.001)
c6(7.5,2.5,0.001)(22.5,2.5,0.001)(37.5,2.5,0.001)(52.5,2.5,0.001)(75,5,0.001)
中国商标数据库c7(10,3.3334,0.001)(32.5,4.1667,0.001)(52.5,2.5,0.001)(65,1.6667,0.001)(80,3.3334,0.001)
C8(0.0025,0.0009,0.001)(0.0075,0.0009,0.001)(0.015,0.0017,0.001)(0.035,0.005,0.001)(0.525,0.1584,0.001)
c9(15,5,0.〇〇l)(45,5,0.001)(80,6.6667,0.001)(125,8.3334,0.001)(400,83.3333,0.001)
C io(95,1.6667,0.001)(85,1.6667,0.001)(75,1.6667,0.001)(65,1.6667,0.001)(30,10,0.001) C…(95,1.6667,0.001)(85,1.6667,0.001)(75,1.6667,0.001)(65,1.6667,0.001)(30,10,0.001)
2)确定云关联度 为了体现计算评价结果过程中无法规避的随
可拓云模型其可拓云关联度的计算方法如下：
k=eA-W
c m
式中，x为航道通航环境安全评价各指标值;^ 为该指标对应航道通航环境安全等级可拓云的数 学特征值；私为期望值为&、标准差为//6的一个正 态随机系数。
通过式（i d计算出待评可拓物元与评价指标 安全等级标准云模型之间的云关联度，从而组成综 合评价矩阵&
兑11 ^12^13^14^15
k2\k22^23 ^24 ^25
Z(12)
knl k n2k n2knn fc n5-
式中，为待评可拓物元指标Ci与航道通航环境安全等级>的标准云模型之间的云关联度；《为评 价指标数量。
3)确定航道通航环境安全评价等级
B =W x Z(13)
式中，为评价向量；为综合权重；Z为综合 评价矩阵。
然后，由式（13)通过加权平均法得出综合评 价分值r:
j y.、•!-T，式中，匕为评价向分量；为各评价等分 值，5,4,3,2，1这5个分值分别对应评价等级的1〜5 级。机因素的大致趋向，期望值E u和熵可以经m次 循环运算后得出：
Erx =^rdx)(15)
'________m______________张思来
Ern =^I，t l^x)-Erxy(16)式中，m为运算次数，本文取值丨00次；n O)为第i次运算出的综合评价分数。
由于熵可以体现航道通航环境安全评价结果的分散度，期望值能够表示出航道通航环境安全评价等级的评价分数，因此定义期望值£V X与 熵的比值为可信因子ff，贝I J:
〇-=^(17)
/7
tr值可以体现出评价结果%随机性，其值越小 说明评价结果越集中且可信度越高，反之则可信度 越低。
3实例分析
本文选取宁波-舟山港南部海域的5条黄金水 道：A航段（虾峙门航道航段），即虾峙门口门外 至洋小猫岛灯塔附近水域的航道；B航段（螺头水 道航段），即洋小猫灯塔至螺头角灯粧的螺头水道 航道；C航段（册子水道航段），即螺头角至大菜花 山的航道；D航段（金塘水道航段及舟山北部的马 岙港区公共航道），即螺头角至大鹏山附近海域的 金塘水道航道；E航段（灌门水道航段)，即灌门水 道及其口门东、西两段的灌门航道。对基于可拓云 模型的航道通航环境安全评价模型进行实例验证
4天津航海2021年第1期
分析。选取的5条航道如图1所示。
经查阅相关资料，并结合文献[6]及相关专家学 者建议，我们得到上述5条航道通航环境安全评价 的指标值数据。具体数据如表3所示。
通过层次分析法得到的主观权重％、熵权法和
变异系数法分别得到客观权重％和％，然后通过 式（2)、（3)得到综合客观权重最后通过式(4) 得到综合权重V K ，通过式（
5)、（6)求得待定系 数cr 为0.502。各评价指标的各类权重如表4及图2所示。
图1航道分布示意图 表3数据情况表
加权几何平均数
航道 / 指标
C i
c 2
c 3
c 4
c 5
c 6
c 7
c 8
c 9
c ,〇
c …
A 3243.5 4.50.1732.313210.04153.29598
B 17.476.860.053 6.557850.001261.78492
同业竞争
C 21.556.470.1121.511570.00361.69192
D 28.768.560.13863.355470.00497.48791E
26.8
45.7
6
0.185
49.1
49
48
0.008
18
82
91
表4评价指标权重表
自然环境
航道条件
交通环境
C ,
c 2
c 3
c 4
c 5
c 6
c 7
c 8
c 9
Cio
c …
0.1564
0.03240.05030.15910.03970.10870.06150.05440.09830.13430.1049W 〇
0.07290.07120.05530.10490.11460.15440.08710.14350.11460.03870.0428w
0.1148
0.0517
0.0528
0.1321
0.077
0.1315
0.0742
0.0988
0.1064
0.0867
0.074
厂
A 航段：♦------------►
B 航段：>
C 航段：
D 航段：
4
•
E 航段：♦—
图2
评价指标不同权重示意图
可拓云评价模型在航道通航环境安全评价中的应用鲁峰李伟于仁海宁君周开君5
由表4及图2可知，只有C3流、C7航道交叉情 况和C9船舶交通量三个指标的主观权重与综合客 观权重较为接近，其余指标的主观权重与综合客观 权重相差较大。通过综合权重将主客观权重进行融 合，其既考虑了主观赋权或客观赋权单一赋权时的 特点，同时也可以避免单一赋权造成的结果偏差。显而易见，这样得到的综合权重更为合理、客观。
求取5条航道的待评物元与标准云物元之间的 关联度，然后根据公式（13) ~ (17)确定各航道 通航环境因素对航道通航环境安全的影响等级及 可信因子，不同权重方法计算结果如表5及图3所不。
________________________________________________表5不同权重方法评价结果比较________________________________________
航道通航环境安全评价结果及等级
权重类型----------------------------------------------------------------------航道通航环境安全等级排序
A B C D E
2.1513 2.0459 1.7171 2.63 2.3884
C>B>A>E>D
W A
2级2级2级3级2级
K 2.4773 2.2434 1.5564 2.8061 2.3549
C>B>E>A>D 2级2级2级3级2级
2.3075 2.1387 1.6324 2.7128 2.369
C>B>A>E>D
W
2级2级2级3级2级
从左到右排列：
■主观权重各航道评价结果
■客观权重各航道评价结果
■综合权重各航道评价结果
图3各航道不同权重评价结果示意图
由表5可知，三种赋权方法得到的各航道通航 靠及合理。
环境安全评价等级均相同，求得的航道通航环境安 全评价值均表明航道C安全程度最高，航道B次 之，航道D安全程度最低。主观权重与综合权重所 得航道通航环境安全等级排序结果相同，两种方法 对于航道A、航道E的相对排序与综合客观权重有 所不同。主要原因在于指标权重的差异，在综合客 观权重赋权法中(：8航道碍航物状况这一指标占有 的权重较大，排序为第二，而主观赋权法和综合赋
进一步根据文献[6]传统可拓评价模型对该5 条航道进行实例验证，并与本文模型进行对比，计 算结果如表6所示。
由表6可知，传统可拓评价模型与本文所采用 的可拓云评价模型所得各航道的评价等级一致；所 得评价结果中只有航道C略有差别，其他航道基本 接近；所得各航道通航环境安全等级排序中，航道 A、航道E、航道D的排序一致，分别位于3、4、
权法中C8航道碍航物状况这一指标排序偏后，同时 C8航道碍航物状况指标的数据中航道A较大于航 道E，表明综合客观赋权法中(：8航道碍航物状况这 一指标对于航道通航环境安全评价具有重要影响，故航道E较航道A更安全。
由图3可知，综合赋权法得到的各航道通航环 境安全评价值整体介于主观赋权法与综合客观赋 权法之间，对航道通航环境安全的排序较一致，进 一步说明综合赋权法结合了对评价指标数据的客 观属性及评价指标的主观重视度，评价结果更加可5位，而航道B和航道C的排序有所差别。通过对 比分析，可拓云评价模型与传统可拓评价模型具有 高度的一致性，表明评价结果的有效性，证明可拓 云评价模型在航道通航环境安全评价领域应用的 有效性。同时，可拓云评价模型中计算所得可信因 子cr能够反映评价结果的可信度，本模型计算结果 中可信因子均小于0.06，表明本方法的计算结果 可信度较高。
分析评价结果并对比各航道的实际情况可知，
本评价模型的评价结果与各航道的实际情况具有
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