集對分析法在長江干線水上交通安全上的應用

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(1.武漢理工大學 交通學院；2.長江航運技術行業研發中心水上交通安全與防污染研究基地，武漢 430063；3.泰州中航船舶重工有限公司，江蘇 泰州 225327)

近年來，長江水上安全研究得到了較大的發展，但主要體現在長江水上安全事故預警與應急的研究，而在安全評價方面的研究較少且評價方法較單一，多選擇主觀性較強的綜合模糊評價法[1-3]。然而，長江干線水上交通系統是一個非常復雜的確定與不確定的動態系統，僅靠模糊數學理論無法解決模糊的、隨機的不確定問題，而由我國學者趙克勤先生創立的集對分析理論，結合了隨機不確定性的概率統計理論與模糊不確定性的模糊集合理論，提出聯系數的概念，可實現統一處理模糊、隨機、中介和信息不完全等不確定性系統[4-5]。本文將集對分析法引入長江干線水上交通安全評價領域，探討水上交通安全評價的新思路和途徑。

1 長江干線水上交通安全評價指標體系的構建

1.1 水上交通安全風險因素分析

水上交通安全系統是一個由“人、船舶、環境和管理”組成的多因素復雜系統。根據文獻[6-7]中關于水上交通安全風險因素的分析，結合長江干線安全的實際情況，總結長江干線水上交通安全主要風險因素如下。

1)人員因素。作為船舶航行安全主體的人，是安全的主導因素。人的因素中船員又是最主要的因素。此外，其他人員如管理人員、引航員、碼頭工人等的出錯或過失，也會導致事故發生。

2)船舶因素。船舶因素指船舶的機械設備、船體結構和強度、船舶年齡、操縱性能、貨物配載和綁扎等方面的狀況。船舶的結構、設施設備的可靠性是船舶正常航行的基礎。

3)環境因素。除了不可抵抗力以外，環境因素較少成為事故的直接原因，但常常成為人的失誤的主要誘導因素。尤其是船舶發生碰撞、觸礁、擱淺、風災、自沉等事故，與通航環境密切相關。環境因素分為自然環境、航道環境和交通環境。

4)管理因素。管理因素也是影響水上交通安全的主要因素，從事故控制理論出發，通過對水上交通安全“人、船舶、環境”狀態的檢測、采集和識別風險信息，及時做出安全管理決策并組織實施，可以降低風險，減少或避免安全事故的發生。

1.2 長江干線水上交通安全事故特點

2009～2011年，長江海事局轄區共發生一般以上水上交通事故達83件，見表1。

由表1可見,2009～2011三年內，長江干線水上交通事故數、碰撞數、死亡人數、沉船數、經濟損失等事故主要指標總體呈現下降趨勢，涉及人員傷亡的事故數明顯下降，但仍有反復。總的來說，長江干線水上交通安全形勢在上年明顯改善的基礎上實現了持續改善，安全管理工作成效顯著，安全形勢持續穩定。

表1 2009～2011年長江干線水上交通事故統計指標

綜合表1中數據與實際水上交通安全情況分析，長江干線水上交通安全事故主要特點如下。

1)長江干線超過75%的水上交通事故是由于船員操作不當、違章航行等人為因素所致；客(渡)船、旅游船、高速客船、滾裝船(汽渡)4類船(“四客”)船群死傷惡性事故頻率較高；

2)船舶不適航、機務事故等船舶因素導致的事故占8%左右；

3)環境因素是導致船員失誤的主要誘因，尤其枯、洪季節，惡性沉船死人事件時有發生。

1.3 長江干線水上交通安全評價指標的構建

在分析水上交通安全風險因素和長江干線水上交通安全事故特點的基礎上，結合長江海事部門、航運企業及一線船員等的問卷調查，建立圖1所示的長江干線水上交通安全評價指標體系。

圖1 長江干線水上交通安全評價指標體系

2 基于集對分析的長江干線水上交通安全評價

2.1 集對分析的基本原理與相關公式

集對分析理論，也稱“聯系數學”，其核心思想是將系統內確定性與不確定性予以辨證分析和數學處理，主要從同、異、反3個方面來分析研究系統的聯系和轉化狀況，采用聯系度描述系統不確定性，定量地表示系統的不確定性。

在實際應用中，往往是多集對的情形，則將不確定性系數分解為i1,i2，…，聯系度為μ=a+b1i1+…+bn-1in-2+cj， 且稱μ的具體值為n元聯系數[9]。

集對分析法用于評價的一般步驟有：

①建立集對評價分級標準集，確定各指標權重；

②建立綜合評價評語集，確定評級等級；

③構建多元聯系數綜合評價模型。

2.2 確定指標權重和集對評價標準集

評價體系中的各個評價指標對整個評價對象的影響程度或貢獻度是不同的，每個指標都有對于上一層次的權重，本文利用模糊層次分析法確定各級指標權重，并進行一致性和組合一致性檢驗，對不滿足一致性的判斷矩陣進行數據調整，確定符合的權重，記入表2。

表2 聯系數與危險等級的對應關系

參照國家相關規定，本文將長江干線水上交通安全評價等級確定為一級、二級、三級和四級，并結合調查問卷及相關文獻，確定長江干線水上交通安全評價體系的危險度集對評價分級標準集，見表2。

2.3 構建評價模型

集對分析理論中，稱μCN(IDCM)為多元聯系數模型。表達式如下。

(1)

式中：W——權系數向量，W=(W1,W2,…,Wn);

R——同異反多元測量評價矩陣;

E——聯系分量矩陣;

i——不確定系數;

j——對立度系數;

IDC——同(identical)、異(discrepancy)、反(contrary)的縮寫；

M(model)——模型；

CN——多元聯系數。

根據上節確定危險隸屬度為4級，則需建立長江干線水上交通安全綜合評價指標危險度的四元聯系數模型，并根據文獻[9]聯系度確定方法計算各指標的聯系數。下面以自然環境中能見度指標F311為例，構建能見度危險度的四元聯系數μ111[10]。

1)當t1<50時，μ111=1

2)當50

3)當200

4)當500

5)當t1>1 000時，

μ111=j。

同理可以確定其他指標危險度的四元聯系數，記入表2。

且四元聯系數模型為

(2)

根據均分原則，將四元聯系數μ的區間[1,l]四等分，得到[-l,-0.5]、[-0.5,0]、[0,0.5]和[0.5,1]共4個范圍區間，從右至左依次對應4級危險、三級危險、二級危險和一級危險等4個等級，其對應關系見表2。

2.4 模型實施及評價結果

對長江干線上某環境下的人、船舶及管理情況作現狀評價(狀態值見表3)，再根據各指標危險度的四元聯系數計算模型，計算得各指標的聯系數。

針對上述問題，以環境因素安全的集對分析為例，具體敘述集對分析方法在評價應用中聯系數的計算過程。構建的評價指標體系中，環境安全因素共有8個指標，各自危險度分別記為μ311，μ312，μ313，μ321，μ322，μ323，μ331，μ332，與聯系度計算公式μ=a+b1i1+…+bn-1in-2+cj對應比較，則可確定系數a,b1,…,bn-1,c的值，從而構成四元聯系數模型中集對綜合評價矩陣R

環境安全評價各指標的權重W為

W=(0.085 6,0.166 6,0.280 3,0.085 6,0.049 9,0.026 2,0.231 6,0.0772)。

采用四元聯系數模型(公式1)，在[-1,1]上從左到右三等分，得到三分點：(1,0.34,-0.34,-1)，即E=(1,i1,i2,j)T=(1,0.34,0,-0.34,-1)T。

表3 長江干線水上交通安全評價體系的危險度集對評價分級標準集及危險度的四元聯系數

于是由μ=W·R·E得到長江干線水上交通環境危險度的四元聯系數為μ3=0.122 6×1+0.081 8×0.34+0.575 8×(-0.34)+0.219 8×(-1)=0.265 2，屬于區間[-0.5,0]，根據危險度等級對應的區間值評價標準，長江干線水上交通的環境狀況屬于三級危險。

同理可得其他指標危險度的四元聯系數及危險程度，見表4。

表4 長江干線水上交通安全各指標危險度的四元聯系數及危險度

則長江干線水上交通安全總系統的四元聯系系數為μ=0.026 1×1+0.295 7×0.34+0.431 8×(-0.34)+0.246 3×(-1)=-0.266 5，屬于區間[-0.5,0]，根據危險度等級對應的區間值評價標準，長江干線水上交通的總系統屬于三級危險，且統一度、差異度和對立度為a=0.026 1，b1=0.295 7，b2=0.431 8，c=0.246 3，ac，簡化模型為μ=a+bi+cj=0.048 1+0.363 8i+ 0.275 2j，根據集對勢等級和次序關系，可確定長江干線水上交通安全系統屬于微反勢，系統內對立的趨勢為主，對立程度微弱。也就是說，盡管該狀態現在的安全等級為三級危險，但是安全狀況有向差的方向發展的趨勢，應引起管理者的重視，提供安全預警，力求改善系統的危險狀態，從而避免趨勢的惡化和事故的發生。

3 結束語

本文采用聯系數學——集對分析理論來處理一些不確定因素，即將長江干線水上交通看成一個集對系統，應用該理論中的多元聯系數評價模型對長江干線水上交通安全進行綜合評價，判斷現狀的危險度并預測安全狀況的發展趨勢。

集對分析法能有效地克服只強調某些方面而忽略另一些方面帶來的片面性，考慮了安全系統中的確定與不確定因素，從而實現定性與定量相結合的評價。此方法為長江干線水上交通的安全評價提供了新的方法和途徑。通過對評價結果的

集對勢分析，反映出長江干線水上交通的安全狀況發展的趨勢。

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