基于層次分析-熵權法的海砂運輸船舶通航安全評價分析

摘 要：海砂開采船舶對海上海砂資源開采起到至關重要的作用，船舶航道是海上交通運輸的關鍵連接紐帶，有船舶交通流量大、航線密集等特點。本文結合層次分析法和熵權法對“人、船、環境、管理”4個方面的因素進行分析，該分析方法完善了海上交通安全評價體系，最終得出了海砂開采船舶運行航道的安全性等級，并針對安全風險制定了相應的措施，對保障船舶航道通航安全有重要意義。

關鍵詞：海砂運輸；通航安全；層次分析法；熵權法；灰色模糊綜合分析

中圖分類號：U 69" " 文獻標志碼：A

航道通航安全作為一個不確定性的研究對象，其本身具有灰色性、模糊性等特征。同時，從“人、船、環境、管理”共同組成的水上交通安全體系來看，影響航道通航安全性的因素很多，但是目前對航道通航進行安全評價時只針對某些因素進行深入研究，導致影響因素考慮不全面，使最終的評價結果不準確。當對航道通航安全進行綜合評價時，評價模型選取不合理會導致最終的評價結果不夠準確。因此選取一個全面的評價指標體系和適用的評價模型對航道通航安全進行評價是非常必要的[1]。

1 汕尾礦區海域通航環境概況

汕尾海砂礦區位于汕尾市管轄海域碣石灣施公寮島東南側，礦區內水深整體呈北高南低的趨勢，海底地形相對平坦，地形標高為-12.10～-17.49m，該區域離生態紅線保護岸線最近距離8.3km，大于3.5n mile。距離最近錨地活動半徑外102m，距碣石航道保護寬度（994m）880m。礦區水運交通繁忙，來往船只較多。礦區地處北回歸線以南的低緯度地帶，南海北部的廣東沿海，受季風的影響，冬季盛行東北風，夏季盛行東南風。本地區易受臺風影響，雷暴天氣多。本區域潮汐屬不規則半日潮型。年最高潮位3.37m，平均高潮位2.78m。其中汕尾港是半封閉港，在汕尾港最西邊僅有一個西北向的入口，為沙舌和陸岸所夾，形狀狹長。

2 通航安全特點及風險因素分析

2.1 通航安全特點分析

為保障運砂船舶在航道內安全航行，需要對船舶通航安全進行評價，并采取應對措施，對運砂船航行特點進行分析，得到以下結論。1）不確定性。由于海砂運輸船在航道內的通航安全主要受到人為因素、自然環境、航道環境、交通環境等的影響，且航道內的通航信息不清晰，因此無法準確預測船舶通航安全事故的發生概率。2）灰色性。很難用客觀原型解釋船舶通航安全事故的發生概率或事故是否重大的內部作用原理，內在影響因素無法辨識或各因素間關系復雜隱蔽，很難確切地掌握影響因素的發生特點及相互影響關系，形成了一種錯綜復雜的灰色系統。3）模糊性。船舶通航安全的指標概念并不明確，它是一種船舶航行的客觀狀態屬性。當外界環境變化時，難以用統一標準評價船舶通航安全，因此航道通航安全評價具有模糊性。

2.2 風險因素分析指標體系

影響海砂開采區域船舶通航安全的風險因素眾多，為精準確定風險影響因素，本文將“人、船、環境、管理”組成一個影響船舶航行的外部環境系統，并以此為基礎，遵循科學性、系統性、全面性、可操作性、可比性的原則，分類別選取風險因素指標。以保證評價指標可以全面反映影響評價對象的真實情況。對眾多風險因素進行分析對比，最終確定風險因素評價指標見表1。

表1 通航安全評價指標

目標層 一級指標 二級指標 三級指標

海砂開采通航安全 人為因素1 生理1 身體狀態1

精神狀態2

行為2 判斷能力3

技術水平4

船舶因素2 船舶數據3 船齡5

船舶噸級6

船舶性能4 船舶設備7

操縱性能8

環境因素3 水文氣象5 風向9

洋流10

航道環境6 航道規模11

礙航物12

交通流7 限制航速13

交通量14

管理因素4 港口管理8 助航標志15

拖輪情況16

行船管理9 管理制度17

維護情況18

2.3 航道通航安全評價指標的量化準則

根據總結得出風險評價指標體系逐項分析指標的量化考核標準，結合相關文獻，統計收集數據，對可用具體數據量化的指標進行直觀定量評價，對不易獲取直觀數據進行評價的指標，采用考核得分評價的方式進行定量評價，得到各指標的量化準見表2。根據各因素評價得分情況或者直接數據量化評價情況將評價結果分為安全、比較安全、一般、比較危險、危險5個等級[2]。

3 基于AHP-EW模型的通航安全分析

3.1 風險評價分析方法概述

3.1.1 層次分析法

當利用層次分析法進行數據分析時，將評價系統分解為目標層、準則層、方案層3個層次，建立多層次結構模型。并建立相應的比例標度以達到建立兩兩指標間比較判斷矩陣的目的，將每層次各元素與上層次各元素進行比較判斷。利用特征根法確定單一準則下元素的相對權重，根據自上而下的原則，對逐層進行總的一致性檢驗，最終得到各層元素對總目標的相對權重，主要有以下步驟。1）建立遞階層次結構模型。2）確定判斷矩陣。3）層次單排序及一致性檢驗，使用特征根法計算各因素權重，并以向量形式表示[3]。

3.1.2 熵權法

熵權法是一種客觀賦權方式，在信息論中，如果指標的信息熵值越小，那么表明該指標的信息量就越大，在評價中權重也就越大。使用熵權法進行客觀賦權主要包括以下3個步驟。1）數據標準化處理。為進行統一運算，將各指標數據進行標準化處理。2）求各指標熵值。熵值可以度量任意指標信息的利用價值，當熵值為0時，表明該指標所能提供的信息多。當熵值為1時，表明基本不能提供有用信息。3）求取各指標權重。根據所求得的指標熵值可以計算對應指標權重[4]。

3.2 汕尾海砂礦區通航安全評價分析

根據分析得到的通航安全風險因素指標體系，按圖1建立通航安全評價模型。

3.2.1 確定評價對象、評價因素及評價等級

根據表1中分析建立的評價指標體系可知：汕尾海砂礦區船舶通航安全評價指標因素分為三級，并將其分別組成不同集合。分析模型中的評價對象為海砂開采航道通航安全，用B表示。同時建立航道通航安全的評價等級為危險、較危險、一般、較安全、安全5個等級，不同評價等級對應不同的影響程度取值，如公式（1）所示。

θ=（1，3，5，7，9） " （1）

各級評價因素為指標體系中各指標組成的集合，如公式（2）～公式（4）所示。

Bi={b1，b2，b3，b4} （2）

Bij={b11，b12，b23，b24，b35，b36，b37，b48，b49} （3）

Bijk={b111，b112，b123，b124，......，b4815，b4816，b4917，b4918} " " " （4）

式中：θ為影響程度取值集合；Bi為一級指標評價因素集合；Bij為二級指標評價因素集合；Bijk為三級指標評價因素集合；i為一級指標個數；j為二級指標中屬于一級指標的個數；k為三級指標中屬于二級指標的個數。

3.2.2 確定指標權重

基于AHP-EW模型的權重確定方法須分為兩步：利用層次分析法確定各風險分析指標的主觀權重；利用熵權法確定各指標的客觀權重，具體步驟如圖2所示。

將因素a、b進行比較判斷，在各準則下的判斷矩陣用公式（5）表示。

D=（dab）n×n，（a=1，2，...，n；b=1，2，...n） （5）

式中：dabgt;0；dab=。當各因素與自身相比較時，數值為1，即dab=1。隨dab增加，影響因素a對因素b的重要性也越來越大。D為因素判斷矩陣；a、b為不同因素；n為因素個數；dab為因素重要性比。計算主觀權重如公式（6）所示。

Dg=λmaxg " （6）

式中：Dg為權重；g為主觀向量；λmax為最大特征值。確定主管權重后，根據最大特征值計算一致性檢驗指標，若其計算值不大于0.1，則通過檢驗，否則須調整判斷矩陣，直至通過檢驗，如公式（7）所示。

（7）

式中：CR為檢驗系數；RI為隨機一致性指標；n為判斷矩陣階數。結合本文建立的航道通航安全評價指標體系，根據層次分析法中的“1～9級標度法”編制問卷調查表，問卷包括各指標間的影響以及重要程度。共發放200份調查問卷，收回184份，全部為有效問卷。對調查問卷進行分析，得到各層指標的判斷矩陣并針對各層指標進行一致性檢驗。再利用EW法確定客觀權重。假設有m個評價組針對n項指標進行評價，則可構成的評價數據矩陣為W=（wqp）m×n。通過歸一化處理后計算第q項評價指標的權重，如公式（8）所示。

（8）

式中：Wq為歸一化后的權重；Ppq為p個指標下第q項指標的比重；m為評價組個數；n為指標項數。通過層次分析法得到主觀權重，并結合EW法得到客觀權重。將二者歸一化進行耦合，得到AHP-EW模型賦權公式（9）。

（9）

式中：Wj為組合權重；αj為主觀權重；βj為客觀權重；n為指標數量[5]。最終得到汕尾海砂礦區船舶通航安全評價指標組合權重見表3。

3.2.3 灰色模糊綜合評價

采用調查問卷法分別對18個評價指標對航道通航安全的影響程度進行評分，并對每個評價指標建立評價樣本矩陣。根據評價灰類和白化權函數計算評價指標的評價系數，對評價系數之和進行歸一化處理，得到各評價因素灰色評價權向量，再根據求三級評價因素集中各評價因素的灰色評價權重值，得到三級評價因素集的灰色模糊綜合評價矩陣[6]。將三級評價指標的權重與對應的三級灰色模糊矩陣相乘，得到對應的二級評價指標結果，以此類推得到一級評價指標的評價結果，如公式（10）所示。

（10）

求目標層的最終評價結果如公式（11）所示。

R=Wr（0.137，0.176，0.207，0.251，0.228） （11）

通過目標層最終評價結果分析可知，評價結果中的最大值為0.251，結合灰色模糊理論中最大隸屬度原則，目標層的評價等級達到4，因此汕尾海砂礦區船舶通航安全等級為“較安全”。

4 結論

本文分析了汕尾海砂礦區船舶通航中“人、船、環境、管理”4個方面的影響因素，并基于PCA進行篩選得到評價指標體系，將層次分析法和熵權法結合，分析通航安全影響因素權重，并利用灰色模糊綜合模型對汕尾海砂礦區船舶通航安全進行分析，得出結論，汕尾海砂礦區通航安全處于“比較安全”的級別。

參考文獻

[1]陳志鵬，葉繼紅，郭建，等.基于ISM的海上船舶通航安全影響因素分析[J].中國水運，2017（4）：22-23.

[2]田騰龍.基于F-ANP的航道水域通航安全評價研究[D].大連：大連海事大學，2018.

[3]莊春吉.基于AHP-灰色模糊理論的大型游樂設施安全評價[J].安全與環境學報，2015（2）：42-46.

[4]劉丹，孫曉云，王喆，等.基于熵權-云模型的精細化工園區脆弱性評價[J].安全與環境學報，2023，23（1）：1-7.

[5]王樂.基于AHP-EW灰色模糊綜合的航道通航安全評價[D].大連：大連海事大學，2022.

[6]封子成，白蘭瓊.基于灰色理論的廣西欽州港吞吐量預測[J].中國市場，2012（15）：87-88.