基于AHP-熵權法的海洋劃界方案評估系統設計與實現

徐 敏,王 靜,賴正清,杜 雯,王 露

(南京師范大學海洋科學與工程學院,江蘇 南京 210023)

海洋占據著廣袤的面積,擁有豐富的自然資源,隨著科學技術的發展及各個國家海權意識的增強,海洋在國家經濟與戰略中的地位越來越高,海洋爭端也進入了新的時期[1-3]. 其中,海洋劃界成為沿海國之間亟待解決的問題. 1982年頒布的《聯合國海洋法公約》是目前國際司法機構判決海洋劃界的主要依據,《公約》雖明確了專屬經濟區和大陸架的定義、概念及范圍,但對于劃界問題缺少具體說明,導致解決實際劃界問題時困難重重[4-6].

海洋劃界受多方面因素影響,包括自然條件因素、歷史遺留因素、自然資源因素、社會經濟因素、政治、安全等其他因素[7-9]. 這些因素是涉界方提出劃界主張所考慮的因素,也是涉界方衡量劃界方案是否合意的重要因素. 海洋劃界過程是一個涉及到多種因素的實際問題. 實際情況中,決策者往往都是在遵守劃界法理的基礎上,爭取最大利益[10-11]. 如何判斷方案線的影響程度,如何選擇更有利的方案線,這就需要對每條方案線進行評估與比較,進而給出量化數據,便于決策者判斷與選擇[12-13].

目前,我國國內在海洋劃界的法理方面和方法論方面的研究比較深入,成果云集,但缺乏在海洋劃界方案評價方面的研究. 在陸地邊界領域內有極少對劃界方案評價的研究,具有代表性的是武麗麗等[14-15]提出的一種基于六角格方法的方案線綜合評價技術. 通過六角格模型與傳統方法分別劃定方案,從利益分配綜合評價和區域重要性評價兩個方面,統計并比較分析雙方在格網內的面積及資源屬性值,建立一個二級三層的綜合評價指標體系結構,從自然資源、人文資源和劃界潛在影響三個方面,進一步細分出16項指標,應用AHP-模糊評價法進而得出一條或多條方案線綜合結果. 此外,李四海等[16]設計了一個省際間海域勘界方案線評估模塊,分別計算劃界雙方在同一劃界方案下各自獲得海岸線長度與海域面積,同時,加以考慮海岸的形狀、岸線長度、經濟因素、資源因素、歷史沿革等因素,調整臨時線并進行公平性檢驗,使最終結果盡可能公平.

陸地邊界問題和海洋劃界問題有異曲同工之處,陸地邊界評價的研究對本論文海洋劃界方案評價研究具有重要的借鑒意義. 本研究基于AHP-熵權法構建海洋劃界方案線綜合評估決策模型[17-19],研發海洋劃界方案評估系統,實現從海洋劃界決策支持系統中讀取海洋劃界方案參數與標準化參數進行劃界方案的定量評估.

1 海洋劃界方案評估方法

1.1 指標體系

通過對海洋劃界影響因素的分析,衡量劃界方案的優劣可從劃界方案對資源因素、社會經濟因素,以及所產生的預期效果來進行綜合比選. 建立一個二級3層結構的海洋劃界綜合評價指標體系(如圖1所示),該指標體系包括海洋資源因素、社會經濟因素和預期效果3個一級指標,以及各一級指標對應的若干二級指標. 海洋資源包括海域面積、漁業資源、礦產和油氣資源等二級指標,社會經濟包括社會穩定和交通狀況等二級指標,預期效果包括對方可接受度、可持續發展能力和安全影響評價等二級指標. 海域面積、漁業資源、礦產資源、油氣資源、社會穩定和交通狀況等屬于定量評價指標,對方可接受度、可持續發展能力和安全影響等屬于定性評價指標.

圖1 海洋劃界方案評估指標體系Fig.1 Evaluation index system for the marine delimitation plan

1.2 計算方法

1.2.1 指標計算

(1)定量指標

對于定量指標,在海洋基礎地理數據庫的基礎上,運用GIS技術,定量計算各方案內資源量或資源區面積.

(2)定性指標

對定性指標采取層次分析法進行計算,針對不同方案中的某一定性指標,進行兩兩比較:假如研究中確定3個劃界方案,分別為方案1、方案2、方案3,對于這3個方案,進行兩兩比較孰優孰劣,將定性指標定量化. 通過構建專家打分判斷矩陣計算特征向量,得到所有劃界方案各定性指標的數值(如表1所示).

表1 判斷矩陣標度準則Table 1 Judgment matrix scaling criteria

1.2.2 權重計算

(1)計算主觀權重

通過專家輔助打分采用層次分析法計算各海洋劃界方案評估指標的主觀權重. 將準則層的3個指標兩兩進行比較,通過專家打分并用德爾菲法求取均值,構建準則層相對于目標層的權重判斷矩陣,計算其對應的特征向量;進一步構建指標層相對于準則層的權重判斷矩陣并計算其特征向量;通過一致性檢驗得到各項指標對應的主觀權重.

(2)計算客觀權重

通過熵權法計算各海洋劃界方案評估指標的主觀權重. 根據各海洋劃界方案線對海域的劃分結果,計算每一項指標在各海洋劃界方案參數所占比重,通過熵值、信息熵冗余度計算,獲得各指標的客觀權重. 計算公式如下:

式中,w″j為指標j的客觀權重,ej為指標j的熵值,pij為劃界方案i的指標j的值在所有劃界方案中所占的比重,m為評估指標的數量,n為海洋劃界方案的數量.

(3)綜合權重計算

綜合熵權法計算的客觀權重和層次分析法計算的主觀權重,計算獲得綜合權重,計算公式為:

式中wj為指標j的綜合權重,w′j為通過層次分析法計算指標j的主觀權重,w″j為通過熵權法計算指標j的客觀權重,m為評估指標的數量.

1.2.3 綜合評價

在計算出各定量和定性指標數值和權重的基礎上,運用加權和合成運算,得到各方案綜合評價值,對各劃界方案進行綜合排序,選出相對較優的方案.

2 海洋劃界方案評估系統設計

2.1 系統總體架構

海洋劃界方案評估系統由劃界方案輸入和方案評價及可視化兩大功能模塊組成,系統數據流圖如圖2 所示. 實現從海洋劃界GIS系統中讀取海洋劃界方案參數并進行劃界方案的定量評估.

圖2 海洋劃界方案評估系統數據流圖Fig.2 Data flow diagram of the marine delimitation plan evaluation system

2.2 系統主要功能模塊

海洋劃界方案評估系統兩大功能模塊可細分為評估指標選取、指標權重設定、定性指標輔助打分、劃界方案參數可視化、評估結果計算與可視化5個子模塊.

(1)評估指標選取

實現用戶勾選用于海洋劃界方案評估的指標,包括主要指標和可選指標. 系統提示每個評估指標的含義和取值方法.

(2)指標權重設置

實現用戶所選定評估指標權重的設置. 系統提供默認權重值,用戶可以結合專家輔助打分和系統中圖表展示的各劃界方案針對各定量指標的參數,通過層次分析法和熵權法計算權重值,對系統界面提供的權重值進行調整和優化.

(3)定性指標輔助打分

如果用戶勾選的評估指標包含定性指標,則通過用戶提供的針對不同方案對于某一定性指標兩兩比較的專家打分表,計算獲得所有劃界方案各定性指標的數值.

(4)劃界方案參數可視化

實現對系統讀入和計算獲得的所有劃界方案各評估指標數值的可視化展示,包括表格形式和柱狀圖形式. 用戶可以根據劃界方案對比查看該方案各評估指標對應的參數,也可以根據選定評估指標對比查看各劃界方案對應的該指標參數.

(5)評估結果計算與可視化

實現所有劃界方案綜合評分的計算,并根據評分評定劃界方案優劣等級,通過柱狀圖、表格、文字描述3種方式進行展示.

3 海洋劃界方案評估系統實現與應用

3.1 系統實現

海洋劃界方案評估系統設計為可執行動態鏈接庫[20],利用C#語言進行調用即可執行. 系統采用向導式交互界面,經過初始化界面讀取劃界參數、評估指標設定、指標權重設置、(定性指標輔助打分)、評估結果可視化4(或5)個交互界面完成劃界方案的評估.

圖3 模擬海洋劃界示意圖Fig.3 Simulated marine delimitation

3.2 系統應用

結合國際典型海洋劃界案例,模擬2個海洋相向國家A國與B國之間的海洋劃界. 考慮等距離原則、資源因素、成比例等劃界依據,生成4條劃界方案線(如圖3所示). 方案線1,依據等距離原則. A國與B國為海岸相向國家,在兩國海岸之間畫一條中間線,中間線上每一點到兩國基線距離相等. 方案線2,依據自然延伸原則. 將兩國海域中的海溝作為一條自然界線. 方案線3,按照三階段劃界法. 首先,在相關海域劃分一條臨時中間線. 然后,將漁業資源和礦產資源作為相關情況,按照兩國在相關海域內年漁獲量比例和礦產占有量對臨時分界線進行調整. 最后,成比例檢驗. 方案線4,依據岸線比值原則. 使得界線上每一點到兩國基線距離比例與兩國岸線長度比例一致.

圖4 海洋劃界方案評估指標選擇與權重計算Fig.4 Evaluation index selection and weight calculation for the marine delimitation plans

選擇用于海洋劃界方案評估的定量指標與定性指標,通過ArcGIS軟件計算本模擬案例中4種海洋劃界方案對A、B兩國海域面積、漁業資源、油氣資源、礦產資源、航道等劃分面積比例,確定方案線劃分后影響兩側生產者的數量,獲得海域面積、漁業資源、礦產資源、油氣資源、社會穩定和交通狀況等定量指標值. 針對對方可接受度、可持續發展能力和安全影響等定性指標,分別對不同海洋劃界方案進行兩兩比較打分構建判斷矩陣,獲得定性指標值. 基于層次分析法與熵權法相結合的組合賦權法計算海洋劃界方案評估指標的綜合權重(如圖4所示). 在計算海洋劃界方案各指標數值和權重的基礎上,運用加權合成運算,得到海洋劃界方案綜合評分(如圖5所示). 將劃界評估綜合評分分為極好、優、良、中、差、極差6個等級,分別對應90～100分、80～90分、70～80分、60～70分、50～60分、0～50分. 根據本例中劃界方案評分結果可知,岸線比值法評估等級為優,距離比例法評估等級為良,而等距離法和深泓線法在本例中評估等級為極差.

圖5 海洋劃界方案評估指標選擇與權重計算Fig.5 Evaluation index selection and weight calculation for the marine delimitation plans

通過本海洋劃界方案評估系統在該兩國之間多種劃界方案的應用,可滿足海洋劃界方案評估的需求,并具有如下特點:

(1)評估指標選取靈活

系統提供多影響因素包含的評估指標,用戶可根據不同劃界案例的特征靈活選取適宜的評估指標,體現了海洋劃界方案評估系統的可定制性.

(2)評估指標權重可調整

系統提供各評估指標默認權重,同時也允許用戶根據專家經驗和劃界方案參數進行權重的調整優化,以滿足不同海洋劃界場景的應用.

(3)指標計算方法多樣化

系統不僅支持定量指標通過GIS工具計算獲得,也支持定性指標通過專家輔助打分計算獲取,體現了海洋劃界方案評估系統的可擴展性.

(4)多形式可視化展示

系統針對多種海洋劃界方案對應的各種評估指標參數通過柱狀圖、表格等多種形式可視化展示. 對于評估結果提供了柱狀圖、表格、文本等多種形式展示,并提供了劃界方案參數與評估結果的導出功能,體現了海洋劃界方案評估系統的靈活性.

(5)簡單易懂的交互界面

系統采用向導式交互界面,并包含相應提示信息,引導用戶逐步完成海洋劃界方案的評估,界面友好,提現了海洋劃界方案評估系統的易用性.

4 結語

本文介紹了基于AHP-熵權法構建的海洋劃界方案線綜合評估決策模型開發的海洋劃界方案評估系統,該系統采用C#語言開發為可執行動態鏈接庫,實現從海洋劃界GIS系統中讀取海洋劃界方案參數并進行劃界方案的定量評估. 系統提供靈活的指標選取和指標權重設定功能,能滿足多種類型指標的計算,并提供多形式的可視化展示界面,為海洋劃界方案決策提供依據.