基于粗糙集的港口水域通航安全指標約簡方法

蒲艷陽，張慶年

（武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430061）

基于粗糙集的港口水域通航安全指標約簡方法

蒲艷陽，張慶年

（武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430061）

港口作為國家和經濟發展的驅動行業，在港口本身發展規模越來越大的同時，其背后隱藏的安全風險也顯而易見。港口安全評價是衡量港口各方面安全狀況的重要尺度，對當前港口通航水域安全評價普遍使用到的評價指標進行了梳理，并引入粗糙集理論，對評價指標體系中的指標進行約簡，約簡后的評價指標將使評價結果更科學、更精確。

港口水域；通航安全；粗糙集；指標約簡

1 引言

在經濟全球化的背景下，港口作為連接國內外貿易的通道，對港口所在區域的經濟發展有著非常重要的促進作用。但是在港口經濟飛速發展的同時，也不能忽視港口水域通航的安全問題：船舶的增多和大型化使得通航密度增大，貨物種類的多樣化等問題也大大增加了港口環境安全的不確定性[1]。國內外對于港口水域通航安全的評價有很多，可是評價方法中所使用到的評價指標卻存在著一定的問題。指標體系中指標個數較多，使得指標之間的相關性過高，造成指標的冗雜，從而最終影響港口水域通航安全評價的結果。因此，需要尋求一種方法，將港口水域通航安全評價中的指標進行規范，將多余、重復的指標剔除，從而使得指標體系更全面、更科學。

傳統的指標篩選方法有模糊評價法、專家調研法、層次分析法、回歸分析、主成分分析等。模糊評價法、專家調研法和層次分析法的主觀性太強，會使得評價結果有失偏頗；而回歸分析和主成分分析法則需要大量的樣本和數據，否則計算結果會與實際存在較大誤差。考慮到上述缺點，本文利用粗糙集理論對安全評價中的指標進行約簡。

2 粗糙集理論

2.1 粗糙集理論概述

粗糙集理論是波蘭數學家Pawlak Z在1982年提出

的，它是一種處理含糊和不確定信息的新型數學工具。粗糙集理論將知識理解為對數據的劃分，每一個被劃分的集合稱為概念。其主要思想是利用已知的知識庫，將不精確或不確定的知識用已知的知識庫中的知識來（近似）描述[2]。屬性約簡是粗糙集理論的核心內容之一。

2.2 知識與知識庫

設U≠?是我們感興趣的對象組成的有限集合，稱為論域。任何子集X?U，稱為U中的一個概念或范疇。為規范起見，認為空集也是一個概念。U中的任何概念族稱為關于U的抽象知識，簡稱知識。本文主要是對在U上能形成劃分的那些知識感興趣。一個劃分f定義為：f=｛X1，X2，…，Xn｝；Xi?U，Xi≠?，Xi∩Xj=?。

U上的一族劃分稱為關于U的一個知識庫。

2.3 綜合評價信息系統和決策表

一個信息系統S是一個系統（U，A），其中U=｛u1，u2，…，u|U|｝是有限非空集，稱為論域或對象空間，U中的元素稱為對象；A=｛a1，a2，…，a|A|｝也是一個有限非空集，A中的元素稱為屬性；對于每個a∈A，有一個映射a：U→a（U），且a（U）=｛a（u）|u∈U｝稱為屬性a的值域。

如果A=C∪D，C∩D=?，則稱信息系統（U，A）為一個決策表。決策表是一類特殊而重要的知識表達系統，多數決策問題都可以用決策表形式來表達，這一工具在決策應用中起著重要的作用。決策表可以根據知識表達系統定義如下：

設S=（U，A，V，f）為一知識表達系統，A=C∪D，C∩D=?，C稱為條件屬性集，D稱為決策屬性集。具有條件屬性和決策屬性的知識表達系統稱為決策表。

2.4 知識約簡與區分矩陣

知識約簡是粗糙集理論的核心內容之一。在知識庫中的知識（屬性）并不是同等重要的，甚至其中某些知識是冗余的。知識約簡就是在保持知識庫分類能力不變的條件下，刪除其中不相關或者不重要的知識（屬性）。

約簡和核是知識約簡中的兩個基本概念。為了便于理解，對其做出如下定義：

令R為一族等價關系，r∈R，如果ind（R）=ind（R-｛r｝），則稱r為R中不必要的；否則稱r為R中必要的。

如果每一個r∈R都為R中必要的，則稱R為獨立的；否則稱R為依賴的。

如果R是獨立的，P?R，則P也是獨立的。設Q?P，如果Q是獨立的，且ind（Q）=ind（P），則稱Q為P的一個約簡。P中所有必要關系組成的集合稱為P的核，記作core（P）。

知識約簡的方法有多種，利用區分矩陣進行知識約簡有許多優點，特別是它能容易地計算約簡和核。

令S=（U，V，A，f）是一個知識表達系統，|U|=n，S的區分矩陣是一個n×n矩陣，其任意元素為α（x，y）=｛a∈A|f（x，a）≠f（y，a）｝。因此，α（x，y）是區別對象x和y的所有屬性的集合。在區分矩陣中，需要將核指標納入到最終約簡指標集中，將剩余指標按約簡規則進行相應約簡，即可得到最終約簡指標集。

3 港口水域通航安全影響因素分析

近年來，我國水路一直處于快速發展的態勢，航行船舶數量上漲，日益繁忙的港口也紛紛進行擴建，碼頭的數量和港口的泊位數都在增加，港口創造的效益也大大增加。慢慢地繁忙的港口背后所隱藏著的安全隱患漸漸暴露出來，開始陸續有學者對港口水域通航安全進行評價。在港口通航水域安全評價中，港口的通航水域安全狀況通常有三個方面的影響因素，分別是人為因素、船舶因素、環境因素，其中人為因素中還包含管理因素。

3.1 人為因素

船舶在航行過程中，人的因素是船舶是否能安全航行的主要因素之一。一般認為人的因素中包括了生理、心理及能力三個方面。通過研究總結出，駕駛員在操縱船舶過程中遵循“刺激-感覺-判斷-行動”這樣的行為過程，這種信息處理與判斷的過程是相互協調而又連貫的，其中任何一個環節的失誤或者忽視都有可能形成一連串的失誤，將細小的失誤不斷地放大，從而最后有可能導致事故的發生。

根據國際海事組織的相關統計，水上交通事故中，至少有80%以上是由人為因素造成的。盡管船舶遭遇水上事故有多方面的原因，但是船員和船長的綜合素質卻對船舶的安全航行有決定性的因素。所以在人員、船

舶、環境和管理這四個因素中，人員因素是最重要且復雜的。

人為因素包括心理條件、業務能力和生理條件。心理條件包括責任心、自信心和安全意識；業務能力包括學習能力、意志力、工齡和學歷；生理條件包括年齡結構和疲勞程度。

管理因素是港口通航安全中的重要因素，有效的管理制度實現了船與人的協調運作，有效減少事故的發生。

3.2 船舶因素

在港口水域通航，船舶是航道水域內的主體，船舶的強度結構、可靠的船上設備是船舶正常航行的基礎，沒有適航的船舶，無論再好的駕駛環境都無法避免事故的發生。船舶因素包括船舶保養、船齡、船舶噸位、船舶操縱性能、船體結構強度、船舶設備。

船舶保養是指針對船體整個結構和船上設備的修理和保養，如果按照恰當的頻率對船舶進行保養維護，可以使船舶處于良好的適航狀態，有效地掌握船舶的技術狀況，從而延長船舶的使用壽命。船齡指船舶的使用時間，在某種程度上，船齡表明了船舶的現狀。一般超過15年以上的船會被認定為失效期，進入失效期的船體會由于老化等原因使故障發生的概率加大。

船舶噸位是表示船舶重量的一種計量單位。在考慮船舶安全狀況時，船舶噸位和船長都是重要的因素。在通常情況下，認為船舶噸位與船長是成正比的，船長越大，船舶噸位越大。船舶噸位是影響船舶操縱性能的重要原因，船舶噸位越大，其尺度就越大，在港口通航水域中發生碰撞的概率就大。

船體結構強度和船舶設備對船舶航行安全至關重要。船體的結構強度會影響到船舶航行的穩定性，是否能適應變化的航行環境。失事船只也大多涉及到船體的破損，而這種破損也是導致人命、財產損失、海洋污染的直接原因。船舶設備包括船舶技術系統和通訊系統等，良好的設備有助于船舶的正常航行，應對變化的航行環境。

3.3 環境因素

船舶在港口通航水域中的航行環境比開闊的水面上航行更為復雜。所以港口通航水域的環境因素對船舶的航行安全也很重要。港口通航安全的環境因素分為三個方面：港口水域自然因素、港口水域航道因素和港口水域助航設施因素。

港口水域的自然因素包括能見度、風和水流因素。良好的自然環境是船舶安全航行的基礎。

港口水域航道因素包括航道寬度、航道深度、航道長度、交匯處船舶數量和礙航物。港口水域內船舶數量密集，所以，港口水域的合適航道狀況是船舶安全航行的保障。

港口水域助航設施因素包括泊位、錨地及其相關的助航設施。港口良好的助航設施可以更好地引導船舶，為其提供準確的航道信息，幫助船舶安全順利地完成航行任務，到達港口。

4 基于粗糙集的港口水域通航安全指標約簡

4.1 港口水域通航安全指標約簡體系

4.1.1 指標體系的確定。從上文可以看出，影響港口水域通航安全的因素有很多，從大部分文獻來看，學者更傾向于將港口水域通航安全的指標重點放在船舶和環境因素當中。在本文中，結合了人員、船舶和環境因素，構成完整的港口水域通航安全指標體系。

影響因素有三大塊，分為人為因素、船舶因素和環境因素。人為因素下轄指標有：安全意識、意志力、學歷和疲勞程度。船舶因素下轄指標有：船舶保養、船齡、船舶噸位、船舶操縱性能、船體結構強度、船舶設備。環境因素下轄指標有：能見度、風、水流、航道寬度、航道深度、航道長度、交匯處船舶數量、港口助航設施。

4.1.2 指標語言的確定。評價指標語言的確定關系到最終的評價結果的科學性。本文中要求表現出港口水域通航安全存在的風險，通過對參考文獻的研究以及對專家的咨詢，最終選擇從危險角度出發，將評價標準定為五個等級，分別是：低危險、較低危險、中等危險、較高危險、高危險，以下簡稱低、較低、中、較高、高，并且規定危險度越高，分值越大。

4.1.3 指標標準的確定。

（1）人為因素指標標準。通過對文獻的查閱，目前在人為因素的評價指標標準中還沒有完整的對其可以

量化的體系，大多數都停留在定性分析上。通過查閱專業的資料與咨詢專家，結合船公司對船員的心里測評結果，對船員的安全意識、意志力、學歷進行百分制的打分，船員的疲勞程度按照連續操縱時間（h）確定。具體見表1。

表1 人為因素評價指標分級

（2）船舶因素指標標準。在之前的研究中，已經有很多學者對船舶的各項指標進行了深入考察，所以船舶因素的評價指標大都可以進行量化。但是由于船舶本身的特點，其種類、噸位、尺度都各不相同，對船舶因素的評價指標不可能進行具體細微的量化。船舶噸位和船齡可按照國際慣例的分級標準，船舶保養因素按照船舶季保養次數計，其他船舶因素比如操縱性能、強度等根據相關專業資料以及專家經驗，得出船舶因素指標評價標準見表2。

表2 船舶因素評價指標分級

（3）環境因素指標標準。船舶是否能在港口通航水域安全航行，環境因素對其影響很大。在查閱相關資料并詢問專家意見后，給出下列環境指標的分級標準。其中能見度和風用一年中不良天數表示，水流因素用最大有效流速表示，航道寬度和深度用相對數表示，航道長度用船舶以標準航速的航行時間表示，交匯處船舶數量用交通密度表示，港口助航設施按百分制打分表示。具體見表3。

表3 環境因素評價指標分級

經過以上詳細分析，得出總體指標分級標準見表4。

表4 港口水域通航安全指標分級標準

4.2 基于粗糙集的指標約簡

由于文中選取的指標性質不同，其單位也不同，所以在進行指標約簡之前先要進行數據的處理。首先利用SPSS軟件對數據進行標準化處理，數據在經過標準化處理后依然呈連續型，但在粗糙集方法中要求數據為離散型，所以繼續對數據進行離散化處理，并選擇A4為參考變量。處理結果見表5。

表5 港口通航水域安全指標離散信息

因為A4為參考變量，所以定義A=｛A1，A2，A3｝，U/ A4=｛｛a，b，c｝，｛d，e｝｝；U/A=｛a，b，c，d，e｝。

按照粗糙集理論，正域：POSA（A4）=｛a，b，c，d，e｝；

Method for Reduction of Navigation Safety Indicators on Harbor Waters Based on Rough Set

Pu Yanyang,Zhang Qingnian
(School of Transportation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430061,China)

In this paper,we went over the indicators universally used in the evaluation of the navigation safety on harbor waters available at the moment and introduced in the rough set theory to further reduce the indicators used and make the evaluation result more scientific and accurate.

harbor waters;navigation safety;rough set;indicator reduction

F224;F550.8

A

1005-152X(2016)10-0058-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.10.015

2016-09-13

蒲艷陽（1992-），女，湖北武漢人，武漢理工大學交通學院碩士，主要研究方向：交通運輸系統優化、交通運輸規劃與管理；張慶年（1957-），男，湖北武漢人，武漢理工大學交通學院教授，博士生導師，主要研究方向：交通運輸系統優化與決策。