基于模糊層次分析-多級可拓的北極東北航線不同航段風險評價

何佩龍 馬曉雪 張靖雯 喬衛亮

(1大連海事大學公共管理與人文藝術學院, 遼寧 大連 116026;2大連海事大學輪機工程學院, 遼寧 大連 116026)

提要 北極東北航線經度跨度大, 海區地理環境復雜, 其不同航段的通航環境在自然環境和人為干預的影響下, 存在較大的差異性。不同航段的差異性分析對保障航行安全具有重要意義。結合模糊層次分析法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process, FAHP)和多級可拓理論, 基于構建的北極東北航線風險評價指標體系, 對北極東北航線不同航段的風險水平進行評價分析。結果表明: (1)冰情、溫度、能見度、航道條件、航海保障能力是影響東北航線航行風險最重要的5大因素; (2)各航段安全風險存在明顯差異, 東西伯利亞海-德朗海峽航段多數指標風險水平較高; (3)風險評價結果與現實狀況基本吻合, 可為保障北極東北航線安全提供重要參考。

0 引言

近些年, 北極冰層加速消融, 北極航線變得更加繁忙。由于北極獨特的自然地理條件與沿海港口的稀缺性, 北極航線船舶航行條件要比普通水域航行更為復雜, 北極航線安全問題成為全球普遍關注的重點問題, 這也使對北極航線安全問題的研究與其經濟問題、政治問題一樣, 成為國內外學者重點關心的三大研究主題。國外學者主要借助事故風險分析方式對北極航線安全問題進行研究, Kum等[1]以北極地區事故案例為依據,采用模糊事故樹法對擱淺和碰撞事故進行原因分析。為了進一步確定北極船舶碰撞事故發生的原因, Afenyo等[2]采用貝葉斯網絡法分析了船舶與極地冰山相撞事故的關鍵風險要素。國內研究側重于對通航環境的分析, 李振福[3]分析了北極環境狀況并論述了我國與國外關于北極問題研究的現狀。東北航線航程長, 自然環境復雜且很難把握, 基于此王哲等[4-5]主要從氣象環境角度對航線環境進行風險區劃, 為分區風險識別提供了借鑒。整體來看, 近些年國內外學者更加注重依托成熟的風險評價方法對北極航線安全風險進行量化分析, 其中, 貝葉斯網絡分析法成為風險分析重要的研究方法之一, Khan等[6]則采用面對對象的貝葉斯網絡分析方法構建了一種動態預測北極航線船冰碰撞概率的模型。此外層次分析法和蒙特卡洛模擬也為北極風險測量提供了重要的實現路徑, 其中, 模糊層次分析法與后悔理論結合使用[7], 證實了北極航線目前所處的不安全狀態。鑒于這種不安全狀態, 胡甚平等[8]則利用蒙特卡洛模擬的方法構建云仿真模型進行風險動態仿真。

綜上所述, 目前學者們的研究視角側重從自然環境入手對北極航線的整體環境進行風險分析,研究方法也逐漸呈現出多樣化特征, 為研究北極地區船舶航行風險問題提供了重要依據。然而,目前對北極航線風險分析研究較少考慮人文風險,同時不同航段風險的差異性分析也較為罕見。因此, 以條件差異性視閾對東北航線關鍵航路進行分航段研究并加以對比分析, 依據風險理論構建風險評價指標體系, 將模糊層次分析(Fuzzy Analytic Hierarchy Process, FAHP)與多級可拓組合評價模型引入北極航線風險評價研究中, 建立北極東北航線不同航段風險評價模型測量各航段的風險等級, 為船員極地操船提供參照依據。

1 問題描述及風險診斷

北極東北航線西起俄羅斯摩爾曼斯克, 東至遠東海參崴, 全長5620海里, 航線大部分位于北冰洋水域, 自西向東依次穿過5大海區以及大大小小海峽58個。受北極地理環境復雜性的影響,極地船舶東北航線行駛可選航路較多, 各航路受航道及冰況條件、海流風力等環境影響的風險水平也并不一致。根據現有研究成果[9-10]并結合專家建議, 以通航周期盡可能長、航道條件盡可能富裕、海流大風盡可能小的原則并聯系海域實際狀況綜合考量確定東北航線關鍵航路, 具體分析見表1。

表1 可選航路風險分析Table 1.Risk analysis of alternative routes

根據表1各航段可選航路風險分析結果確定東北航線關鍵航路自西向東為巴倫支海—尤戈爾海峽—喀拉海—維利基茨基海峽—拉普捷夫海—桑尼科夫海峽—東西伯利亞海—德朗海峽—楚科奇海—白令海峽, 具體航行線路見紅色實線(圖1)。船舶行駛具體路線通航點位依據水深最大原則確定。

圖1 東北航線航路分布及沿線地理條件Fig.1.Northeast Arctic route distribution and geographical conditions

根據國際慣例及丁欽[11]的研究成果將東北航線關鍵航路(以下簡稱“東北航線”)劃分為5大航段, 自西向東分別為巴倫支海—尤戈爾海峽(A航段)、喀拉海—維利基茨海峽(B航段)、拉普捷夫海—桑尼科夫海峽(C航段)、東西伯利亞海—德朗海峽(D航段)、楚科奇海—白令海峽(E航段)。為更好把握各航段風險基本點, 分別對5大航段進行風險診斷并形成表2～表6, 具體分析如下。

(1)A航段顯著風險特征診斷

表2 “A航段”風險診斷結果Table 2.“Leg A” risk diagnosis results

(2)B航段顯著風險特征診斷

表3 “B航段”風險診斷結果Table 3.“Leg B” risk diagnosis results

(3)C航段顯著風險特征診斷

表4 “C航段”風險診斷結果Table 4.“Leg C” risk diagnosis results

(4)D航段顯著風險特征診斷

表5 “D航段”風險診斷結果Table 5.“Leg D” risk diagnosis results

(5)E航段顯著風險特征診斷

表6 “E航段”風險診斷結果Table 6.“Leg E” risk diagnosis results

2 東北航線5大航段風險評價模型

2.1 評價指標體系的構建

基于各航段風險診斷結果, 根據表1～6將風險劃定為兩個維度, 即本質風險與誘致風險。本質風險一般來自于系統固有屬性, 對東北航線而言, 主要是指客觀條件對航線安全造成的干擾, 通常包括氣溫、冰情、能見度等, 這些因素大多具有不可控性與區域性的特點, 即其運作模式、能量物質流動規模和途徑、穩定程度等一旦形成便很難改變。誘致風險是指由于人為干預、技術能力受限等致災因子導致系統環境不可抗而造成的風險事件。對東北航線而言, 主要包括交通強度、政治博弈、航海保障能力等。根據風險診斷結果并與北極專家及海員深入訪談后, 著眼于東北航線通航環境的整體性和不同航段異質性特征, 構建了基于本質風險與誘致風險兩個層面的風險評價體系, 具體指標分布見表7。

表7 東北航線通航風險評價體系Table 7.Evaluation system of navigation risk of Northeast Arctic route

2.2 FAHP評價模型的構建

2.2.1 構建專家意見評價集

由于北極信息的缺失和風險的不確定性, 無法根據系統的輸入值與輸出值來確定因子的影響程度, 因此采用征集專家意見并借助模糊層次分析的方法來確定指標權重。層次分析法(AHP)經常被用來評估主觀和聚類參數[34], 是一種定量與定性結合的方法。首先將模糊評語對應指標影響程度劃分為5個量級, 即極不重要(VL)、不重要(L)、介于重要與不重要之間(M)、重要(H)、極重要(VH), 再邀請領域內專家對指標打分, 形成專家意見評價集。

在量化指標權重時, 采用Gupta等[35]梯形模糊數判斷主要維度、目標層和判斷層指標的影響程度形成判斷矩陣, 進而確定指標權重。該方法已應用于工程科學和環境科學等領域的不確定性風險評估中, 具備一定可靠性。梯形模糊數表示A＝(a1,a2,a3,a4), 5種影響程度分別對應5個梯形模糊數, 見表8。

表8 專家模糊意見標度表Table 8.Scale table of linguistic expressions and their corresponding fuzzy numbers

2.2.2 測量專家置信度

由于評價意見往往受專家個人視閾、經驗和邏輯思維的影響, 專家打分法結果具有一定的主觀性和非一致性。為提升結果可靠性, 借助專家置信度測量即專家權重來彌補結果的高風險性和數據的缺失[36]。而專家置信度也可能會由于專家自身能力差異(例如專業職位、經驗、學歷等)而有所不同。

構建覆蓋4個維度專家評價集, 分別對應職業職位eCPl、工作經驗eWEl、學歷eEBl、適任水平eSCl, 其中工作經驗eCPl、學歷eEBl的分級及得分標準依據Yazdi等[36]的研究成果確定, 工作經驗越長、學歷水平越高則意味著專家于該領域越具有較高的認知能力, 意味著得分值越接近滿分5分, 職業職位eCPl、適任水平eSCl的分級及得分標準依據Qiao等[37]的研究成果確定, 船員職位越接近教授、職稱越接近高級船長/高級輪機長則專業水平越高, 意味著得分值越接近滿分5分。具體專家置信度評分規則見表9。

表9 專家置信度評分規則Table 9.Expert confidence score rules

1.每位專家的綜合置信得分測量方法:

2.若有n位專家, 專家置信度測量方法P(Eu):

2.2.3 測量指標權重

借助模糊層次分析法, 構建更具可靠性的結構分析模型。若有n位專家, 根據專家評語結果并對應梯形模糊數, 確定第m位專家評語為模糊評價集為則指標權重測量具體過程說明如下。

2.測量每位專家評語的平均一致度。若第u位專家評語的平均一致度為則其計算公式為:

3.測量每位專家評語的相對一致度。若第u位專家評語的相對一致度為RA(Eu), 則其計算公式為:

4.測量每位專家評語的一致性系數。若第u位專家評語的一致性系數為CC(Eu), 專家權重為P(Eu), 根據現有研究成果[38], 此處β取0.5,則其計算公式為:

6.去模糊處理, 測量去模糊化權重。若去模糊數為X, 采用中心面積法來完成去模糊化處理[38],則其計算公式為:

7.測量歸一權重。若第i級有n個指標, 該級第q個指標的歸一權重為則其計算公式為:

8.測量集成權重。若第i級有n個指標, 該級第q個指標的集成權重為則其計算公式為:

2.3 多級可拓評價模型的構建

多級可拓評價方法的理論基礎是可拓集合理論, 綜合了定性和定量兩個角度去解決復雜不相容問題, 其關鍵是物元理論, 物元即是由事物、特征、特征量值所構成的三元組合[39]。基于可拓學及其物元理論構建由研究對象、評價指標、指標量值范圍組成的三元組, 借助物元R來反饋各階段綜合水平, 記為R＝ (N,C,V), 其中N為研究對象,C為評價指標,V為指標的量值范圍。多級可拓評價實現具體過程說明如下。

1.經典域與節域的確定。綜合評價物元模型中,Rj(j＝ 1,2,3,...n)為第j個物元,Nj為第j個評價等級下待評價對象的評價等級;C＝ {ci,i＝ 1,2,...,n}為1級指標的評價指標集, 即物元特征;Vj為評價指標集C的評價等級Nj的特征量值范圍, 即Nj的經典域,其中aij和bij分別為第j個評價等級經典域下界和上界;VN為評價指標集C的全部評價等級N的特征量值范圍, 即N的節域, 其中anN和bnN為節域下界和上界。則:

2.待評物元的確定。若Ui為待評對象,ciq為待評對象第q(q＝ 1,2,...S)個的特征, 即指標;viq為第q個指標特征上的量值, 即待評對象第q個指標依據有關標準和研究對象的實際狀況分析所得到的具體評估值, 則待評物元iR為:

3 東北航線5大航段評價實現及分析

3.1 數據來源

由于我國只是近北極國家, 北極研究資料或較難獲得或較不完整。為盡可能提升評估結果的客觀性, 對定量指標主要查閱美國國家冰雪中心、俄羅斯北方海航道信息管理局等網站信息以及北極航行指南等有關資料, 保證了評估結果的真實性與可信性; 對定性指標采用調查問卷的形式征集領域內專家和有經驗船員的建議, 具體底層數據來源信息見表10。

表10 底層數據來源Table 10.Low-level data sources

3.2 確定各層指標權重

3.2.1 確定專家評價集及專家權重

本研究共邀請了5名背景不同的專家構成異質專家組, 涵蓋北極和海上運輸安全相關的不同領域,包括北極安全研究領域的高級專家、海事部門主管、經驗豐富的高級船員和工程師, 除高級專家外均具備航海經驗。采用FAHP方法, 對各層指標的重要程度進行打分, 問卷設計為35項指標的5個影響程度,即極不重要(VL)、不重要(L)、介于重要與不重要之間(M)、重要(H)、極重要(VH), 經過多次詢問與反饋,得出較高可靠性的集體判斷結果, 各項指標專家評語意見見表11。結合表9, 參照公式(1)、(2)測量專家權重。專家信息和置信度測量結果見表12。

3.2.2 測量各層指標權重

結合表11和表12的統計和測量結果, 參照公式(3)～(11), 依次計算專家評語間的二元一致度、平均一致度、相對一致度、一致性系數、聚類模糊數, 再分別進行去模糊化、標準化、集成化處理, 得出指標的去模糊化權重、歸一權重以及集成權重, 測量結果見表13。

表11 專家評語意見表Table 11.Expert comments

表12 專家信息及權重Table 12.Expert information and weights

表13 各層指標權重結果Table 13.Weighting results of indicators at each layer

3.3 實現可拓評價

3.3.1 風險等級標準及指標量值

在綜合國內外、北極航線風險等級相關標準,以及廣泛爭取領域內專家建議并結合研究區域背景狀況的基礎上, 采用單因素法對風險等級劃分為5級。對于定量指標, 為保證量值分級的科學性與評價結果可靠性, 所有指標分級標準按照現有標準并征詢北極領域專家意見獲得, 其中D11-1、D11-2及D21-2主要根據國家標準GB/T4797.1-2018、ZGX-JOOO1-2008 HG及專家調查結果確定; 由于北極環境的特殊性, 目前學界對D14-1及D21-3并沒有普遍的分級標準, 主要根據專家調查結果確定; 其他指標依據現有評級標準確定, 具體指標量值范圍及確定依據見表14。對于定性指標, 主要通過領域內專家和具有北極航行經驗船員的打分結果獲得。所有量值范圍與評價指標經典域5個基本域的量值范圍保持一致。

表14 定量指標評價等級量值范圍Table 14.Range of quantitative indicators evaluation levels

3.3.2 確定經典域及節域

由于指標間存在一定的量綱性, 為了使指標間具有可比性, 結合表14, 參照公式(12)、(13),采用10分制將風險效果經典域劃分為以下5個基本域[39], 具體劃定規則見表15。

3.3.3 測量待評物元及關聯度

根據表14和表15, 結合東北航線各航段底層數據及自然條件狀況邀請專家分別對5大航段判斷層指標進行打分, 每項滿分為10分[46]。參照公式(14)確定待評物元實際得分, 底層數據來源見表10。結合表13各層指標集成權重以及確定的待評物元, 參照公式(15)、(16)計算關聯度。由于航段較多, 這里以“A航段”為例, 測量判斷層指標對于各風險等級的關聯度, 具體結果見表16。

表15 評價指標的經典域與節域劃定Table 15.Delimitation of classical domains and node domains of evaluation indicators

3.3.4 多級可拓評價

結合表16, 參照公式(17)進行多級可拓評價,得出指標之于各風險等級的關聯度, 根據關聯度最大原則, 得出“A航段”的海風指標的風險等級為1級; 交通強度、政治博弈的風險等級為2級, 具體結果見表17。根據同樣測量過程, 最終得出東北航線5大航段各項指標所屬風險等級,具體結果見表18。

表16 “A航段”判斷層指標取值及關聯度Table 16.Values and correlation of judgment layer indicators at “Leg A”

表17 “A航段”目標層關聯度結果及風險等級Table 17.“Leg A ” target layer relationship results and risk level

表18 東北航線5大航段目標層所屬風險等級Table 18.Risk level of the target layers of five major legs at the Northeast Arctic route

3.4 結果解析與方法評析

根據風險評價結果(表18)做出如下分析。

1.對于本質風險, D、E航段風險較大。其中,C、D、E航段在“溫度”子系統下風險較大; B航段在“能見度”子系統下風險較大; A、B、D航段在“海風”子系統下風險較大; C、D、E航段在“冰情”子系統下風險較大; E航段在“海流”子系統下風險較大。

2.對于誘致風險, A、D航段風險較大。其中,D航段在“港口及設施”子系統下風險較大; A航段在“交通強度”子系統下風險較大; B、C、D航段在“航海保障”子系統下風險較大; A、E航段在“政治博弈”子系統下風險較大。

傳統意義上對通航環境風險評價方法主要有數理統計法、不確定數學法以及網絡推理法等[47]。而由于北極數據的準確性不高且數據量不足, 用傳統概率分析和數理統計法評價北極航線安全問題很難得以實現[48]; 不確定數學法過于強調主觀性, 又會影響評價結果科學性; 傳統邏輯網絡推理評價法如BP神經網絡法、貝葉斯網絡法較適用于從船舶事故角度動態把握航線各航段風險水平[2], 每種方法都存在一定局限性。目前國內外對北極航線分航段風險評價研究較少, Baksh等[10]采用貝葉斯網絡分析法從碰撞、沉沒和擱淺事故角度出發, 對北極航線各航段三種事故的發生概率進行預測, 將歷史數據和專家判斷結果作為事故發生的先驗概率, 借助貝葉斯網絡計算出后驗概率并將其視為下一次評估的先驗概率實現多次網絡訓練, 最后得出東西伯利亞海三種事故發生概率較高、其他四個海區擱淺事故發生概率相似的結論。該方法從事故角度出發, 引入歷史案例來評估東北航線各航段風險特征, 有助于把握各航段事故發生幾率, 但該種方法將視角聚焦在船舶因素, 卻較少考慮各航段客觀環境的差異性。與該種方法不同, 將模糊層次分析和多級可拓法結合并從環境差異性角度出發來評價各航段風險水平, 融合了不確定性數學分析法和邏輯網絡評價法的優勢, 兼顧了評價結果的主客觀性, 可以較好地識別具體風險要素下各航段風險水平, 根據評價結果更有利于推測事故發生的概率, 為極地船員提供風險提示。

4 結論

1.基于東北航線5大航段自然環境條件與人為干預狀況的特殊性、差異性與復雜性, 廣泛搜集各航段通航環境的底層數據, 并結合專家建議,圍繞風險成因即“本質-誘致”兩大維度構建目標層11項、判斷層22項所構成的指標評估體系, 提高了研究結果的真實性與可靠性; 同時采用梯形模糊數與專家權重相結合的方法構建模糊層次分析模型來確定指標權重, 保證了指標重要程度的客觀性與可信性; 根據可拓理論, 科學地對各航段目標層風險要素子系統進行識別和評價,有利于更好甄別東北航線各航段風險等級, 為極地船員行駛至不同水域前提供重要的航行提示與參考。

2.根據模糊求解模型確定的東北航線目標層指標權重結果顯示: 冰情、溫度、能見度、航道條件、航海保障能力是影響東北航線航行風險最重要的5個風險因素。研究結果為極地船員安全航行所關注和投入的重心提出了更加明確的側重和傾向。

3.根據多級可拓評價模型測量的各航段目標層風險等級結果顯示: 各航段風險較高, 多數指標在1～3級之間; 東西伯利亞海—德朗海峽航段目標層各項指標風險等級偏低(風險偏大); 5大航段各目標層風險等級差異較大, 證明對東北航線采用分航段風險識別是十分必要的, 該項成果為極地船員北極航行提供重要參考。