基于AHP-Fuzzy法的內河航標服役狀態評價模型研究

張 帆，王平義，劉懷漢，趙聰聰

(1.重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.長江師范學院，重慶 408100；3.長江航道局，武漢 430010)

建設打造“暢通、高效、平安、綠色”的內河航運體系是新時期我國內河航運的發展目標。然而近年來隨著國民經濟的高速増長，船舶大型化，內河航道通行船舶數量和通航密度急劇増加，航道環境復雜多變，內河航道的通行安全管理面臨著挑戰[1]。水上助航標志(簡稱“航標”)是內河航道中保障船舶安全航行的重要助航設施之一。據調查，服役中的航標常會出現撞標受損或側翻、漂移移位、傾覆、燈器和其他附屬設備發生故障的失常狀態，同時還會由于自然因素、技術水平或人為因素等原因，存在航標效能下降的問題。航標服役狀態失常會直接影響到航標的助航效果，無法確保航運安全和通航效率，因此航標的維護管理工作和對服役狀態的綜合評價對于航道管理至關重要。從航標服役目的出發，服役狀態可以理解為航標的運行狀態和助航功能的發揮狀況。現階段，航標評價的研究主要集中在海上航標效能評價[2-7]，針對內河航標評價的研究較少，同時評價的對象多是針對單項指標進行分析，在綜合評價方面仍有欠缺，無法全面反映航標運行中存在的問題，也不能體現航標管理維護工作對航標助航效能的支撐。因此，開展內河航標服役狀態評價方法的研究是十分必要的。

目前用于對象評價的方法有很多，例如層次分析法、模糊綜合評價法、物元分析、云模型、人工神經網絡評價方法和灰色綜合評價方法等，不同方法適合不同的應用場景，針對單一的方法往往難以解決評價對象的多維性和復雜性問題，因此學者偏向采用多種方法相結合或者對某種評價方法進行改進的方式進行評價[8-10]。Ocampo L等[11]提出了一種綜合SERVQUAL模型、層次分析法和基于理想解相似度的訂單績效評價方法(AHP-TOPSIS)，用于評估政府機構間的服務質量。Pan W J等[12]選取了人、機、環、管四個方面的過程指標，建立了模糊綜合評價模型，為提高空管服務質量提供了參考。Jiang W等[13]提出了一種基于云模型的綜合定性服務質量評價方法，利用高斯云變換，將每個服務質量指標分解為若干個定性概念(云模型)，進而對無線傳感器網絡的路由層服務質量進行了評價。而對航標效能的評價中，則多數采用層次分析法與模糊綜合評判綜合模型[1-6]，并取得了較好的效果。

不同評價方法在處理指標構建、指標賦權或評價信息上有著不同優勢，因此融合多種方法可以更加有效合理地評價航標的服役狀態。本文擬采用模糊綜合評判(Fuzzy)和層次分析法(AHP)相結合的方式研究助航標志服役狀態的評價問題，嘗試建立契合內河航道助航標志情況的評價指標體系和評價模型，為內河航標精細管理工作提供決策支持。

1 層次分析法-模糊綜合評價方法介紹

1.1 層次分析法

層次分析法(AHP)是20世紀70年代由美國著名的運籌學家Satty T L等提出的多準則決策方法，是一種將定性與定量分析方法相結合的多目標決策分析方法[14]。該方法的主要思想是通過將復雜的決策問題進行解剖分析，深層理解每一影響因素之間的關系，將有關元素分解為目標層、準則層和方案層，然后根據其內在關系構建一個層次結構模型，對指標進行兩兩比較，判斷其相對重要程度，建立判斷矩陣, 通過計算判斷矩陣的最大特征值以及對應特征向量，得出不同指標重要性程度的權重，從而為決策方案的選擇提供依據。

層次分析法適用于計算評價體系時指標分層交錯，同時部分指標值又不易定量計算的情況。

1.2 模糊綜合評價法

模糊(Fuzzy)綜合評價法是1965年美國學者Zadeh L A提出的，是一種基于模糊數學的綜合評價方法[15]。該綜合評價法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。其具有結果清晰、系統性強的特點，能較好地解決模糊的難以量化的問題，適合解決各種非確定性問題。

1.3 AHP與Fuzzy法的綜合運用步驟

(1)運用AHP法進行評估指標體系的建立；(2)運用AHP法進行各評估指標權重的確定；(3)運用Fuzzy法進行各評估指標隸屬度的確定；(4)運用Fuzzy法進行評價對象的模糊綜合計算。

2 內河助航標志服役狀態評價體系研究

2.1 內河航標評價現狀分析

以長江航道為代表，分析了2017年—2019年的《長江干線航道運行報告》，其中主要從以下四個方面對航標的運行情況進行評價。

(1)航標類型：長江干線公用航標主要包括航行標志、信號標志、專用標志和整治建筑物航標等；

(2)航標配布：航標配布設計周期、設置位置范圍、設標密度(座/km)；

(3)航標可靠性：航標失常情況(標位、標體、燈器、電源和線路失常)和失常原因分析；

(4)航標效能：航標大型化、遙測遙控系統等新技術的應用、外觀標準度(“擦亮眼睛”行動)。

以上評價是對航標現有服役情況的總結，由于無法對航標系統后繼管理完好率和可能出現的故障率進行預演預判，因此難以對管理部門的下一步工作計劃提供實質性支持。應該加入對航標故障維護的水文年度綜合評價指標，比如區域故障發生率、年度平均故障時間、故障發生響應時間等。另外隨著數字航道和先進技術的普及，航標的智能化程度也越來越得到重視，如智能升降浮臺、遙測遙控系統、AIS、雷達等先進助航手段的推廣應用。通過專家咨詢了解到，航標的自動化、信息化和智能化能夠大大提高助航效能和航道管理維護質量，所以應該將航標的智能信息化程度作為評價航標服役狀態的重要指標。

2.2 內河助航標志服役狀態評價層次結構

要建立一套合理的航標服役狀態評價指標體系，不僅考慮“硬件”因素，也應充分考慮“軟件”因素。參考沿海航標效能評價和內河航標相關技術指南，綜合考慮航標服役狀態的特征和屬性，根據層次分析法原理，按照“目標—準則—要素—變量”的層次結構，將服役狀態目標分為航標基本效能、助航技術水平和管理維護水平三大準則，航標的基本效能和助航技術水平分別體現航標的基本功能屬性和運行養護技術狀況，屬于硬指標，航標部門的維護管理水平是航標能否持續良好運行的保障性支持，屬于軟指標。最終確定航標服役狀態包括1個目標層、3個準則層、9個要素層和29個變量層的評價指標，航標服役狀態評價指標層次結構見圖1。

圖1 內河航標服役狀態評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of service status of inland navigation marks

2.3 服役狀態評價指標及評定標準闡釋

2.3.1 航標基本效能

(1)助航準確性指航標助航位置是否準確、通行信號和水深信號揭示是否及時、正確，評價指標選取用浮標位置準確度和信號揭示正常率兩個變量，根據變量的實際情況與規范要求計算百分比，并以分值作為評分。

(2)配置時效性指航標系統的設備配置是否與時俱進，現實有效。評價指標選取通信覆蓋率、航標配布合理性和智能信息化程度3個變量。

通信覆蓋率是指所在轄區航標通信信號覆蓋水域的百分比，用該變量的計算比值作為評分；航標配布合理性和航標智能信息化程度均為定性指標，劃分為5 級標度，可根據變量的實際情況進行相應評估。

(3)功能可靠性指助航設備在特定時間和特定條件下能夠完成其特定功能而沒有失誤的可能性。主要用航標可用性、正常工作連續性、信息通報及時性和通報內容全面性4個指標變量來衡量。

對于一座航標或航標系統而言，可用性是指能夠正常執行規定功能的概率，連續性是指執行功能不中斷的概率，兩者可以根據相關數據資料進行統計，計算出概率比值作為評分；信息通報及時性和通報內容全面性均反映航標服務水平的優劣程度，為定性指標，根據變量的具體情況按照5級標度進行評估。

(4)配布適應性是指航標配布與所在水域的自然條件、航道條件和交通條件的適應性程度，根據適應性程度情況進行打分，分數越高說明航標與環境條件適應性越好；當對航標配布要求較高時，分值相應降低。一般遵循以下降分原則：對于自然條件適應性，水域自然條件較復雜時對航標配布的要求更高；對于航道適應性，人工航道比自然航道要求高，雙向航道比單向航道要求高；對于交通適應性，運輸危險品貨物比一般貨物的要求更高，船舶流量和交通密度較大航道要求更高，交通事故較為嚴重、多發水域的要求更高。

2.3.2 服務技術水平

(1)運行監測調度情況。

根據統計數據進行分析，可以計算相關參數用以了解航標在時段內的運行監測調度情況。結合《數字航道航標運行監測調度和分析評價技術指南》，選擇以下3個變量作為評價指標：監測數據準確性、報警及時出航率和失常平均恢復時長，具體介紹如下。

①時段內航標監測數據的準確性反映航標遙測遙控系統的可靠性。

[監測數據準確性]=(1-[無效異常數量]/[可判斷航標異常信息數量]) ×100%

(1)

②報警及時出航率反映維護班組出航響應的及時性及可靠頻率，[出航響應時間]<=[一類任務下達時間]+15 min，認為及時響應。

[報警及時出航率]=([一級報警及時響應數量]/ [一級報警總數])×100%

(2)

③失常恢復時長指航標失常自獲悉到恢復完成的時長，反映航標失常監測處置恢復的工作效率。[航標失常恢復時長]=[航標失常現場處置完成時間]-[航標失常獲悉時間]

[失常平均恢復時長]=(全部)[航標失常恢復時長]的平均值

(3)

以上三項均為定量指標，前兩項直接用百分比分值作為評分，第三項需要制定具體評分標準換算成百分值進行評分，例如時長越短評分越高，超出規定時長的分數不高于60分等。

(2)航標養護狀況是指在航標評價周期內，航道部門為提供良好的助航服務而進行航標養護相關工作的技術水平。根據《數字航道運行條件下航道航標星級量化日常跟蹤考核細則》選取航標正常率、航標失常情況、航標外觀情況和配布優化成效四個變量作為評價指標，將其中的5分制換算成百分制進行計算評分。

2.3.3 管理維護水平

航標管理部門的管理維護水平分別從管理、人員、設施設備三方面提出評價指標。

(1)內部管理水平主要從管理機制上、是否建立并有效運行航標質量保證體系(質保體系建設水平)和信息系統建設及應用水平等方面來衡量。管理機制合理性和有效性分別是指航標管理要素(人、財、物)的利用合理程度和管理實施的有效順暢程度。

(2)維護人員業務素質主要是從維護人員的日常巡檢、保養、補給能力(日常維護水平)、航標失常或通航環境異變時的搶修、臨時設標能力(應急反應能力)和航標修理能力三個方面來衡量。

(3)配套設施設備水平是以配套設施(備)完備、性能可靠以及維修保養及時，能夠滿足航道維護管理需求來衡量。選用以下三個變量作為評價指標：設施設備完備情況、設施設備可靠程度和設施設備維修保養狀況。

以上三方面準則所包含的變量均為定性指標，根據各自的現狀水平等級或完成滿足程度分為5級標度進行評估。

服役狀態評價體系的定性指標具體評語描述總結見表1。

表1 航標服役狀態定性指標5級標度評分表Tab.1 5-level scale scoring table for qualitative index of service status of navigation marks

3 基于AHP-Fuzzy法航標服役狀態評價模型的建立

3.1 基于AHP-Fuzzy法航標服役狀態綜合評價模型

本文采用模糊綜合評判(Fuzzy)和層次分析法(AHP)相結合的定量評估方法，建立基于AHP-Fuzzy法的航標服役狀態綜合評價模型。具體的做法是根據AHP原理將評價指標體系分解成遞階層次結構，根據對專家問卷的調查結果建立判斷矩陣，通過一致性檢驗后確定各指標權重，對各指標評分評級確定隸屬度，然后分層次進行模糊評判，直到綜合計算出目標層的分值作為航標服役狀態的綜合評價結果。

3.2 指標權重計算

3.2.1 層次分析法確定指標權重基本步驟

首先按目標層、準則層、要素層和變量層的框架，構建航標服役狀態評價指標層次結構模型，然后通過AHP法確定指標權重(流程見圖2)，以下進行分步說明。

圖2 AHP法確定指標權重流程Fig.2 AHP method to determine index weight process

(1)建立判斷矩陣并賦值。

根據指標要素的兩兩重要程度，建立判斷矩陣。根據判斷矩陣的準則按1～5的重要程度賦值，具體賦值依據見表2。

表2 判斷矩陣賦值依據Tab.2 Judgement matrix assignment basis

(2)確定判斷矩陣的權重系數。

(4)

(5)

(6)

所得標準化特征向量，即權重向量為W={W1，W2，W3，…，Wn}。根據最大特征根λmax與W的關系計算λmax，公式為

(7)

(3)檢驗一致性。

判斷矩陣整體一致才能保證權重向量的正確。常見的檢驗指標有一致性指標CI、隨機一致性指標RI和相對一致性指標CR。其中CI計算公式為

(8)

而RI與判斷矩陣階數有關，RI對應的取值見表3。

表3 RI對應矩陣階數的取值Tab.3 Value of matrix order corresponding to RI

CR計算公式為

(9)

當CR小于0.1時完成一致性檢驗，表明所得權重向量可行。

3.2.2 權重計算樣例

確定航標服役狀態指標的權重需要對航道工作人員、部門領導以及指導專家等進行問卷調查。按照第2節所構建的航標服役狀態評價指標層次結構，制作專家問卷調查表，經專家評定之后可得到影響助航標志服役狀態因素兩兩比較的判斷矩陣，再運用 3.2.1節中的計算方法獲得各指標權重。

表4 評價航標基本效能的各指標權重Tab.4 Weights of each index for evaluating the basic effectiveness of navigation marks

本文以航標基本效能這一部分的指標為例進行模擬賦權計算。按照表4的賦值準則，首先對變量層指標進行賦權，分別將助航準確性、配置時效性、功能可靠性和配布適應性四個要素下的變量指標進行兩兩比較得到判斷矩陣，根據式(4)～式(7)計算每個判斷矩陣的權值系數，求得矩陣的特征向量和特征值，根據式(8)、式(9)進行一致性檢驗，結果均滿足CR<0.1，得到變量層權重；再用同樣的方法對要素層四個指標進行賦權，最終得到要素層和變量層的指標權重(表4)。

3.3 綜合評分計算

3.3.1 模糊綜合評價基本步驟

(1)構建評價標準。

模糊綜合評價標準對綜合評價的準確性具有重要作用，在設立評價標準時應參考相關文獻和結合航標現狀及航道具體情況進行分析。

第1步：設立要素集合。要素集的元素是對評定對象產生相應作用的各類因素，采取字母U表示，實際就是：U={U1，U2，…，Um}。

第2步：設立評語集合。評語集是評審人對各評定對象所給出的評語的集合，一般采取V進行表示，模型的評語分為n個等級，即：V={V1，V2，…，Vn}。

(2)確定權重向量。

(3)建立模糊評價矩陣。

根據每個指標的測度結果對其進行評價，并按順序列為指標的評價集合，將各集合向量放在一個矩陣中，以表示要素集U到評語集V的模糊關系。評價矩陣R如下

(10)

(4)確定評價結果向量。

將權重向量I與模糊評價矩陣R相乘，得到被評對象的評定結果向量S，即

(11)

(5)得到評價結果。

將評價結果向量S與評語集V相乘，得到評價結果，即

F=S×V

(12)

3.3.2 評分計算樣例

以管理維護水平這一部分的變量層指標為例，采用模糊綜合評判法進行模擬測度。由于維護管理水平下的指標均為定性指標，因此對定性指標進行量化處理。

(1)賦予定性指標評價等級分值。

通過國家相關規范和咨詢業內專家對評語等級賦予對應的分數值，表1已經給出了每個定性指標的5級標度評語和對應量化評分區間，這里取區間平均值為評語等級分數值，得到量化評語集為V=[V1，V2，V3，V4，V5]=[95，85，75，65，55]。

表5 各評價指標隸屬度矩陣和最終評分Tab.5 Membership matrix and final score of each evaluation index

(2)構造隸屬度矩陣以及確定評定分數(僅為模擬測度)。

本部分數據采取專家調查的方式，由各位專家對指標體系的各因素進行評級并統計結果，根據各專業人員針對指標系統的各類因素所作評級對結論進行統計，得出專業人員評定統計表格。其次根據每一項評定級別的專業人員數量占到總體評定專業人員總體數目的比例即rij，組合成隸屬度矩陣R，然后與量化評語集V的轉置做乘法運算即可得到每個指標的評定分數，結果見表5。

如果進一步求得維護管理水平指標集的權重向量I，即可根據3.3.1節的計算步驟(4)、(5)得到維護管理水平的評價總分。

4 結論

(1)針對內河航標評價的研究現狀，在已有航標管理維護評價系統基礎上，還應該考慮對航標系統后繼管理完好率和可能出現故障率的預演預判；在航標的評價分析方法上除了對單項因素的評價分析之外，建議增加綜合評判，可以結合各方面的專家意見，綜合運用層次分析法、模糊綜合評價法、物元分析、云模型和人工神經網絡等評價方法。

(2)本文嘗試建立了基于AHP-Fuzzy法的助航標志服役狀態評價模型，并對關鍵指標及變量展開篩選確定，最終實現“硬指標”和“軟指標”的有效融合，構建了航標服役狀態評價體系。提出了模型權重計算和綜合評分的計算步驟，并分別進行算例演示，運用本文建立的評價模型可以對內河航標服役狀態進行綜合評價。

致謝：本文得到國家重點研發計劃項目(2018YFB1600400)的資助，在搜集資料撰寫完成過程中咨詢了相關單位和多位專家，特別感謝交通運輸部水運科學研究所安小剛總工及其同事、長江重慶航道局樓金仙工程師、重慶交通大學楊成渝研究員、付旭輝教授和韓林峰博士后等多位專家的耐心幫助指導和寶貴建議。