區間層次分析法在航道環境危險度評價模型中的應用研究?

孫 琳 郭彥昌 孫 川

（1.中國電子科技集團公司第十三研究所 石家莊 050051）（2.中國建設銀行股份有限公司河北省分行營業部 石家莊 050051）

1 引言

隨著船舶的大型化、多樣化、高速化、橋梁的建設和船舶交通量的大幅度增長，沿海主要航道水域的航行環境發生了劇烈的變化，航道環境危險程度不斷加大，致使海損事故頻繁發生。為了有效預防海損事故的發生，降低海損事故發生概率，提高航運安全水平，實現安全、高效的海上運輸，需要對船舶航行環境的危險度進行科學的評價，以此為改善航行環境、采取有力措施提供科學依據。

針對航行環境危險度評價問題，文獻［1］采用模糊數學理論對廈門港航道環境危險度進行了評價分析；文獻［2］采用集對分析理論對定線制水域航行環境進行了安全評價研究；文獻［3］采用模糊綜合評價方法對航道環境危險度開展了研究。雖然上述研究方法均取得了較好的效果，但在評價指標權重的確定方面，沒有充分考慮指標權重的不確定性和危險等級固有的區間性。在解決評估或評價問題中，由于客觀事物的復雜性及人們知識水平、知識結構和思維能力的局限性，專家對指標權重的偏好往往并不是一個定值，而是一個區間數，用區間數來表示的指標權重更加符合客觀實際和人們的判斷習慣［4～5］。文獻［6～8］采用區間層次分析法（Interval-based AHP，IAHP）對機械加工工藝方案評價、艦船動力系統方案評估和網絡安全評估問題進行了研究，建立了合理有效的評價模型。鑒于以上分析，本文擬采用區間數理論和區間層次分析法相結合的方式對航道環境危險度評價問題進行研究。

2 航道環境危險度評價指標體系的構建

建立科學合理的評價指標體系是開展航道環境危險度評價的前提和關鍵。由于影響航道危險度的因素較多，既有人的因素，也有交通量、自然環境、船舶本體和管理等方面的因素，在構建指標體系的過程中，應分清主次，突出主要因素，遵循完備性、客觀性、科學性、可行性和實用性等原則，以便各項評價指標能夠全面反映航道環境的危險。在對比分析現有航道危險度評價指標體系的基礎上，通過征求領域專家意見，最終選定能見度、標準風天數、流速、航道長度、航道寬度、航道彎曲度、航道交叉狀況、礙航物距離和船舶交通密度9個指標為航道環境危險度評價，航道環境危險度評價體系如圖1所示。

圖1 航道環境危險度評價指標體系

為了對航道環境危險度進行評價，本文將航道環境危險度劃分為“低”、“較低”、“一般”、“較高”和“高”5個等級，依據理論研究和實踐統計情況，各評價指標的危險度等級劃分如表1所示。表1中，能見度表示1年之中能見度距離小于2km的天數；標準風天數表示1年之中6級風的平均天數；流速的等級劃分數值為相應的環境壓力值［1］；航道長度的劃分界限為10km，航道長度即指航道長寬比；航道寬度定義為可通過最大船舶長度與航道最窄寬度之比；航道彎曲度指的是彎曲角度；航道交叉狀況用交叉角度來度量；礙航物距離指航道距離障礙物的距離；船舶交通密度指船只的數量/km2。

表1 評價指標危險度等級劃分標準

3 基于IAHP確定評價指標權重

在求解評估、評價或多屬性決策問題時，主要有主觀賦權法、客觀賦權法和主客觀相結合的組合賦權法來計算各個指標的權重。主觀賦權法主要是基于專家的知識和實踐經驗而得出指標權重的，符合客觀實際且較為合理有效，因而在計算指標權重方面得到了廣泛的應用。對于航道環境危險度評價指標而言，采用主觀賦權法確定評價指標的權重可以有效結合專家的知識和經驗，得出的評價指標權重易于符合客觀規律和評價實踐。鑒于不同的專家對評價指標可能具有不同的偏好，所以本文采用區間層次分析法來計算航道環境危險度評價的指標權重。

3.1 區間數和IAHP基本原理

在某種意義上，區間數可以看作是實數的擴展，是一種特殊的模糊數。由于用區間數表示的決策信息具有直觀、便于理解、計算方便等特點，因此區間數理論在不確定多屬性決策領域和不確定信息 評 價 領 域 得 到 了 廣 泛 的 應 用［7～8］。 假 設是實數軸上的閉區間，則為區間數。如果，那么為正區間數。令則兩個區間數的運算法則為［10～12］

IAHP是在層次分析法（Analytic Hierarchy Pro?cess，AHP）的基礎上逐步發展形成的，主要是為了克服AHP在計算權重過程中的主觀性。IAHP的基本原理與AHP類似，不同之處在于用區間數代替點值來構造判斷矩陣，求解時則通過區間運算得到權重向量，原始數據和計算結果都用區間數的形式表達。

Step 1 利用特征向量法分別求AL、AU的最大特征值所對應的具有正分量的歸一化特征向量xL和xU。

3.2 區間數形式評價指標權重的確定

按照IAHP計算評價指標權重的步驟，在廣泛征求領域專家的基礎上，經過統計處理建立了如表2所示的航道環境危險度評價指標的區間數判斷矩陣。根據表2中的有關數據，按照IAHP的計算步驟可以便可以得到α=0.9032，β=1.0826，xL=（0.2341，0.0162，0.0612，0.1489，0.0787，0.0756，0.0786，0.0792，0.2169），xU=（0.2483，0.0169，0.0598，0.1453，0.0782，0.0754，0.0788，0.0795，0.2175）。進一步可以計算得到航道環境危險度評價指標體系中各評價指標的區間數權重向量ω=（［0.2114，0.2688］，［0.0146，0.0182］，［0.0553，0.0647］，［0.1345，0.1573］，［0.0711，0.0847］，［0.0683，0.0816］，［0.0709，0.0853］，［0.0715，0.0861］，［0.1959，0.2355］）T。

表2 評價指標的區間數判斷矩陣

4 基于IAHP的航道環境危險度評價模型

在建立了航道環境危險度評價指標體系，確定了各評價指標區間數權重的基礎上，根據區間數和IAHP的基本原理，構建基于IAHP的航道環境危險度評價模型，具體的步驟如下所示：

Step 1 通過廣泛征求領域專家意見建議，構建航道環境危險度評價指標體系。

Step 2 按照IAHP基本原理計算評價指標體系中各指標的區間數權重。

Step 3 通過調研和咨詢，計算待評價航道環境的各個評價指標值。

Step 4 將“低”、“較低”、“一般”、“較高”和“高”5級危險度等級分別轉化為區間數［0，0.2］、［0.2，0.4］、［0.4，0.6］、［0.6，0.8］和［0.8，1.0］，并依據評價指標危險度等級劃分標準對計算得到的評價指標值進行規范化處理。

5 評價實例

現以文獻［3］中的算例為評價實例，來驗證所建立的航道環境危險度評價模型的有效性。對青島港附近水域航行環境的危險度進行評價，綜合選取主航道、大橋島、大港、前灣和黃島航道為具體評價對象，各航道的綜合指標評價值如表3所示，按照評價模型的步驟，將綜合評價指標值轉換為如表4所示的規范化評價值。

表3 青島港附近各航道的綜合指標評價值

表4 青島港附近各航道的綜合指標規范化評價值

依據航道環境危險度評價模型中提出的指標聚合方法，利用Matlab7.0編寫計算程序，可以得到主航道、大橋島、大港、前灣和黃島5個航道的環境危險度區間數評價值分別為［0.68，0.79］、［0.25，0.38］、［0.86，0.94］、［0.61，0.76］和［0.82，0.91］，危險度的區間數劃分標準對比可知，這5個航道的環境危險度分別為較高、較低、高、較高和高，該評價結果與文獻［3］采用模糊綜合評價法得出的評價結果完全一致，從而說明了所建立的航道環境危險度評價模型是合理有效的。

6 結語

航行水域環境對航運安全有著重要的影響，對航道環境危險度進行合理評價可為制定航行安全管理措施提供科學的支撐。本文針對以往航道環境危險度評價方法中指標權重計算的復雜性和評價結果所具有的定性特點，利用區間層次分析法確定了航道環境危險度評價指標的區間數權重，克服了以往航道環境危險度評價方法中指標權重確定的不足，進一步構建了基于區間層次分析法的航道環境危險度評價模型。最后給出的評價實例表明，本文所構建的航道環境危險度評價模型是合理有效的，為航道環境危險度評價提供了一種新的途徑。

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