基于模糊層次分析法的天津港復式航道通航安全綜合評價

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(武漢理工大學 航運學院，武漢 430063)

為解決天津港口門內(nèi)航道通過能力不足、主航道雙向航行船舶等級不足、小型船舶占主航道影響船流速度、主航道與北航道交叉口船流復雜以及進港的船舶上航道時與出港船有交叉等問題。天津港目前正在實施航道拓寬工程，工程完工后，天津港航道將由主航道和兩側萬噸級航道共同組成復式航道：航道里程7+100～12+200段底寬430 m，設計底標高為-18.5 m；航道里程12+200～36+000，段底寬420 m，設計底標高為-19.5 m；航道里程36+000～44+000段底寬315 m，設計底標高為-19.5 m；另在主航道兩側建設萬t級小航道，大小船分道航行，互不干擾。

1 天津港復式航道通航安全綜合評價方法的確定

航道通航安全是港口通航安全的重要組成部分。因此，對天津港復式航道進行通航安全綜合評價是十分必要的。安全評價方法較多，常用的有概率風險評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡評價法、數(shù)據(jù)包絡分析法、灰色系統(tǒng)理論、模糊評價法、安全指標評價法、層次分析法、綜合安全評價等。

天津港通航環(huán)境復雜，航道通航條件涉及范圍較廣，選擇合適的評價方法對復試航道通航安全進行評價至關重要。天津港復式航道通航安全涉及的評價因素眾多，為保證評價結果的準確性，需要分層次進行分析評價；為了保證評價的客觀性和定量地處理復雜系統(tǒng)中的各種模糊或不確定性因素，需要運用模糊評價法。通過綜合考慮，本文采用層次分析法和模糊數(shù)學相結合的模糊層次分析法。

模糊層次分析法通過引入模糊數(shù)學的方法，克服了層次分析法的局限性以及人類思維的主觀性，又可以充分利用層次分析法特點[1]，與天津港復式航道通航安全評價體系相符合。

2 天津港復式航道通航安全綜合評價指標體系

天津港復式航道通航安全綜合評價體系的建立是綜合評價模型構建的重要組成部分。在實際評價中并不是評價指標越多越好，關鍵考慮各評價指標對航道通航安全的影響程度的大小。天津港復式航道綜合評價體系涉及航道通航安全影響因素的多個方面，各因素之間是相互制約相互聯(lián)系的，航道危險源大致可分為4類，包括航道尺度及地形條件、航道自然環(huán)境條件、航道交通流量狀況、航道助航設施狀況。綜合評價體系的指標構成見圖1。

3 基于模糊層次分析法的天津港復式航道綜合評價模型

3.1 建立因素集

因素集是影響評價對象的各個因素所組成的集合，根據(jù)前面確定的天津港復式航道評價指標體系，可得到評價因素集，因素集分為二層，各層因素集如下：

圖1 天津港復式航道通航安全綜合評價體系

U={航道自然環(huán)境條件U1，航道尺度及狀態(tài)條件U2，航道交通流狀況U3，航道助航設施狀況U4}。

式中：U1={風況u11，能見度u12，海流u13}；

U2={航道長度u21，最窄處的航道寬度u22，航道最大轉向角u23，航道轉向點個數(shù)u24，交叉航道數(shù)u25，礙航物數(shù)u26，航道穩(wěn)定性u27}；

U3={交通流速度控制u31，交通流交匯區(qū)個數(shù)u32，交通流轉向點個數(shù)u33，船舶交通量u34}；

U4={航標種類u41，航標布置合理性u42，航標完善率u43，導標完善率u44}。

3.2 建立評價集

評價集，又稱為備擇集，是由對評判對象可能做出的評判結果所組成的集合，可表示為

V={v1，v2，v3，…，vm}

(1)

式中：vj——評價結果，j= 1，2，…，m；

m——等級數(shù)或者評語檔次數(shù)。

這一集合規(guī)定了某一評價因素的評價結果的選擇范圍，結果集合的元素可以是定性的，也可以是量化的分值。根據(jù)國內(nèi)外學者對通航危險度評價的研究將天津港復式航道通航安全綜合評價的等級評價集為V={低危險度、較低危險度、中等危險度、較高危險度、高危險度}為了便于定量計算，記為

V={v1，v2，v3，v4，v5}={1，2，3，4，5}

(2)

其中：1，2，3，4，5表示相應的危險等級。

3.3 確定隸屬度函數(shù)

在進行通航安全綜合評價時，確定各個評價指標對應的各評價等級隸屬度的大小十分關鍵。為了確定各個評價指標的隸屬度函數(shù)，借鑒國內(nèi)外相關研究成果[2]，并結合天津港復式航道具體情況，確定復式航道各影響因子危險度評價標準。見表1。

表1 各評價指標的危險度評價標準

注：標準風的天數(shù)=年均6～7級風的天數(shù)+15×8級以上年均風的天數(shù)。

為了保證建立評價模型的可操作性和評價結果的可靠性，在確定隸屬度函數(shù)時，主要將危險度評價標準劃分為五個等級：低危險度、較低危險度、中等危險度、較高危險度、高危險度，采用梯形分布圖示法的隸屬度函數(shù)對各指標進行量化。

經(jīng)過專家評定，天津港航道穩(wěn)定性、交通流速度控制以及航道助航設施各指標評價標準采用定性評價的評價標準。根據(jù)對評價指標的定性評價，確定評價指標的危險隸屬程度。

3.4 評價因素的權重確定

因素集中的各個元素在評價中的重要程度不同，因而必須對各層評價指標按其重要程度給出不同的權重，各個權重組成的權重集即為因素集上的模糊子集[3]。本文通過專家調(diào)查問卷的形式確定權重，發(fā)放專家問卷30份，收回有效問卷25份，對問卷數(shù)據(jù)采用幾何平均法歸納整理得到評價矩陣，整理得到權重分別為

A=[0.257,0.418,0.223,0.102]；

A1=[0.205,0.258,0.537]；

A2=[0.035,0.242,0.099,0.153,0.131,0.157,0.183]；

A3=[0.206,0.261,0.218,0.315]；

A4=[0.230 ,0.308,0.308,0.154]。

3.5 評價模型的構建

綜合評價采用模糊層次分析法。例如，對于航道自然環(huán)境條件而言，針對天津港航道自然環(huán)境條件中的各因子的參數(shù)代入各自的隸屬度函數(shù)，確定其隸屬度，這樣構成單因子評價矩陣，并與已確定的因子權重進行矩陣運算得到航道自然環(huán)境條件的評價向量B1。B1和其它與航道自然環(huán)境條件并列的因子評價向量一起繼續(xù)參與下一層次的評價[4]。

(3)

由二層級的評價結果可得到天津港復式航道通航安全的評價向量B。

(4)

根據(jù)研究對象的特點，選用加權平均值解決模糊算子的問題，即對所有的因子依權重的大小均衡兼顧，以達到綜合最優(yōu)的目的。

求出的綜合評估結果是一個模糊向量，即評估對象隸屬于各個評估行動等級的隸屬度向量bj(j=1,2,…,m)后，可采用反模糊化確定最終的評估結果，即確定評估對象的等級時對該向量精確化，可采用加權平均法(重心法)[5]。

將bj視為權數(shù)，對評估集vj進行加權平均，得到的值取為評估結果，即

(5)

所得到的V值即為該水域通航安全整體評價的等級。

4 天津港復式航道通航安全綜合評價計算

4.1 建立單因素評價矩陣

根據(jù)前面建立的綜合評價體系和評價模型，依據(jù)評價標準對天津港復式航道各評價因子的隸屬度進行賦值，結合專家對評價因子的打分，對復式航道通航現(xiàn)狀進行綜合評價計算。

4.2 模糊綜合評價計算

1)根據(jù)各二級指標權重和對應的單因素矩陣進行一級模糊綜合評價。

(1)航道自然環(huán)境條件評價。

(2)航道尺度狀態(tài)條件評價。

(3)航道交通流狀況評價。

(4)航道助航設施狀況評價。

2)利用一級評價的結果進行二級模糊綜合評價。

由計算結果可見，天津港復式航道各評價指標綜合評價風險多處于較低危險度，沒有出現(xiàn)高危險等級。

根據(jù)復式航道通航現(xiàn)狀對各評價等級的隸屬度和各個評價等級的取值，加權計算評價結果，即

V=0.151 5×1+0.625×2+0.087 6×
3+0.135 9×4+0×5=2.207 9。

根據(jù)天津港復式航道通航安全綜合評價等級評語集，天津港復式航道通航安全處于較低危險度和中等危險度之間，接近于較低危險度。

5 結束語

在大量調(diào)研的基礎上對天津港復式航道通航安全進行的綜合評價研究。通過參考相關的文獻和評價方法對比，運用模糊層次分析理論所分析的結果和設計的方案較合理并符合客觀實際。評價結果與天津港復式航道試運行情況基本吻合，存在的偏差在于專家打分的主觀性和資料的時效性。但本文作為對單目標港口的定性與定量評價，通過分層評價各評價指標對天津港復式航道通航安全的影響，得出的評價結果具有合理性和實用性。研究結果對天津港港口營運與管理、海事監(jiān)管與通航秩序維護具有現(xiàn)實指導意義。

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