基于熵權模型的引航風險評價研究

龔小飛，高志華，郭顏斌

（1.長江引航中心張家港引航站，江蘇 蘇州 215633；2.長江引航中心，江蘇 江陰 214400）

長江深水航道建設所形成的新通航環境，以及進出船舶快速化、專業化、大型化的趨勢，長江江蘇段的船舶引航風險急劇提升。在此背景下，辨識引航面臨的主要風險，通過定性與定量結合的方式，計算求出引航風險大小，對引航安全管理至關重要。

目前涉及船舶引航風險的研究對象主要為沿海港口，對內河引航安全的研究較少，而采用的研究方法多為綜合安全評估（FSA）[1-2]。方全根等人系統介紹了FSA 的概念及方法，并將其引入船舶引航風險的評價中[3]。集對分析法是一種聯系模糊數學和系統不確定性的方法，廣泛應用于工程領域[4-5]。賦權的作用是在不同級別的風險指標中賦予不同的重要性數值，常用的主觀賦權有層次分析法和專家調查法等[6-7]。客觀賦權方法主要有熵權法、可拓法、主成分分析方法和因子法等等。孟貝貝等利用熵權模糊模型對董家口航道的通航安全進行評價[8]。郝國柱綜合了突變理論和主成分分析的多元統計，建立了長江三峽庫區通航環境安全態勢的辨識[9]。

1 風險辨識理論

1.1 風險辨識概述

引航安全中的風險要素通常從人員、船舶、環境和管理四方面進行歸納[10]。

（1）人員。與人員相關的風險主要涉及三大類，職業道德類主要包括引航員對于職業的責任心，自身的安全意識等等。技術素質類主要指引航員自身的專業技能、知識水平等方面的能力。第三類是身心素質類，主要包括引航員身體和心理方面的健康程度。

（2）船舶。船舶一般認為由船體、動力系統和操縱系統，以及導助航設備系統組成。本文主要考慮的是被引航船舶以及協助拖輪的船舶影響因素。

（3）環境。通航環境主要包括兩方面，其中自然環境包括引航船舶所在航段的風、流、能見度等因素；交通環境一般指港口與航道的布置、船舶交通流量、航段中的導助航設施等。

（4）管理。管理因素自身涵蓋的范圍較廣，涉及海事主管機關和船公司管理情況以及相應的運行體系。

1.2 風險評價方法

（1）頭腦風暴法。頭腦風暴法，主要經由與研究航段相關的航運業專家和優秀引航員進行討論、座談，由群體思維和決策搜尋和探索已存在或潛在的船舶引航風險源。專家小組成員一般包括海事部門、航道部門、業界高校專家和具有多年航行經驗的船員，通過詢問或問卷調查的形式，發現或評估已存在的引航風險。原則上專家小組成員的覆蓋面和絕對數量應具有一定規模，以保證評估數據的有效質量。

（2）預先危險性分析。預先危險性分析對可能存在風險源進行分析挖掘，確定深層次影響引航安全的因素。針對引航風險評價，可以根據一線工作人員的引航經驗，進行座談口述或者紙面書寫，以期全方位掌握風險源。

2 長江深水航道引航風險評價模型

2.1 引航風險指標體系

本文中建立起兩級共16 個二級指標的長江深水航道引航風險評價指標體系并進行量化處理，如圖1 所示。

圖1 長江深水航道引航風險指標體系

2.2 熵值指標賦權

目前熵權法是應用最為廣泛的客觀賦權方法之一，其主要依據樣本數據量和相互間的差異度來判定指標的重要程度。如果某項風險指標各樣本的觀測值間的差異很小，表示此項指標體現的信息量較小，其熵值也就越大，其在指標體系中所占據的比例就較小。一般基于熵權的指標賦權包括以下幾個步驟：

（1）對于具有m 個指標、n 個評判等級的評價體系，構造評價指標值的判斷矩陣：

（2）各項評價指標值的量綱一般不同，進行歸一化處理，有標準風險判斷矩陣：

（3）定義風險評價指標的熵，如果：

2.3 物元指標關聯度

物元分析對事物的主要描述為“名稱”“特征”和“數值”3 個要素，并將其組成事物序列的基本單位，稱為物元。設N 為事物名稱，C 為其特征，V 為其數值，則物元的表達式表示為：

通過物元分析進行引航風險評價模型的步驟包括：（1）若Q 為評價標準物元，對于第j 個評價指標的值域，根據以上描述，有

若評價標準有q 個等級，Qp為評價標準的第p 等級的物元，則有

對于第p 等級、第j 個評價指標的物元，有值域

（2）選取評價的對象集，對于第i 個評價對象，有其物元

（3）計算評價對象單指標等級的關聯度，其計算公式為

單評價指標的等級關聯程度判斷標準可以參照以下標準：

2.4 綜合關聯風險等級

計算得到各分項指標的權重，以及單評價指標的等級關聯程度后，可以得到各評價對象與各風險等級的綜合風險風級：

得到各評價指標關于各評價等級的綜合關聯度后，可比較評價指標對于各評價等級的綜合關聯度數值，當數值為正時，其數值越大表示符合程度越高；當數值為負值時，表示評價指標不符合本級別的判斷標準。最終某項評價指標落在某級別的判定，可參考級別變量特征值，定義為j*，定義為

3 長江深水航道典型航段引航風險評價

引航風險評價體系存在4 個一級指標，16 個二級指標，應對每個指標設置評價集，評價集中分為“較低”“低”“一般”“高”“較高”五個等級，根據長江深水航道以及相關文獻的資料，對各劃分指標的等級邊界進行認定，得到長江深水航道引航風險評價指標等級表，如表1 所示。

表1 長江深水航道引航風險評價指標等級表

3.1 福姜沙航段引航風險評價

評價指標體系中包含危化品船比例、船舶長度及風浪流等客觀評價指標，這部分數據由現場觀測和相關單位調研獲取，對于不易量化的船員、引航人員業務水平、助航標志完備程度等主觀指標，借由專家打分以及問卷調查的方式獲取統計數據。其各項指標數值見表2。

表2 福姜沙水道引航風險評價指標

根據表2 中的指標數值，建立各分項指標的綜合風險關聯等級，表征評價航段的各項指標隸屬各個風險評價等級的程度，再經過歸一化和式風險級別判定，最終得到福姜沙水域各個評價指標的級別變量特征值，如表3 所示。

表3 福姜沙水道引航風險級別變量特征值

從引航風險級別變量特征值上來看，福姜沙航段的最大流速、最大船寬與航道寬比、航段最大彎曲角度、日均船舶流量和航道交叉情況的風險特征值均超過4.0，介于較高與高風險之間，這與福姜沙水道復雜的航路交匯、較大的航道彎曲較有直接關系。引航員業務水平、VTS 人員業務水平、船舶長度和助航標志完備程度指標的風險特征值相對較低，風險等級位于較低和一般之間。

3.2 和暢洲航段引航風險評價

長江水流在和暢洲的作用下，分成兩股水流，形成左右兩汊河道，由于河道的復雜性，本航段內水流變化較快，在洲頭、洲尾處存在較強的橫流和掃彎水，其航道彎曲度和航道交叉情況是本航段的主要引航風險來源。同理，依據上述方法最終得到和暢洲水域各個評價指標的級別變量特征值，如表4 所示。

表4 和暢洲水道引航風險級別變量特征值

和暢洲航段的較高風險指標與福姜沙類似，最大流速、最大船寬與航道寬比、航段最大彎曲角度、日均船舶流量和航道交叉情況的風險特征值均超過4.0，介于較高與高風險之間。主觀性指標，即引航員、被引船員、拖輪船員、VTS 人員的風險變量特征值相對平均，由于代表船型和大型海輪對吃水的要求，和暢洲水道的航道富裕水深風險特征值超過3，介于一般與較高之間。

4 結論

本文采用熵權物元分析法，針對長江深水航道新通航環境下的引航風險進行風險評估。采用專家咨詢以及文本數據挖掘的主客觀分析方法，確定深水航道新通航環境下的風險評價指標體系，針對長江下游最復雜的福姜沙和尹公洲航段進行了引航風險評價，并給出了各項風險指標的風險級別變量特征值。