基于模糊层次分析法的天津港复式航道通航安全综合评价

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(武汉理工大学 航运学院，武汉 430063)

为解决天津港口门内航道通过能力不足、主航道双向航行船舶等级不足、小型船舶占主航道影响船流速度、主航道与北航道交叉口船流复杂以及进港的船舶上航道时与出港船有交叉等问题。天津港目前正在实施航道拓宽工程，工程完工后，天津港航道将由主航道和两侧万吨级航道共同组成复式航道：航道里程7+100～12+200段底宽430 m，设计底标高为-18.5 m；航道里程12+200～36+000，段底宽420 m，设计底标高为-19.5 m；航道里程36+000～44+000段底宽315 m，设计底标高为-19.5 m；另在主航道两侧建设万t级小航道，大小船分道航行，互不干扰。

1 天津港复式航道通航安全综合评价方法的确定

航道通航安全是港口通航安全的重要组成部分。因此，对天津港复式航道进行通航安全综合评价是十分必要的。安全评价方法较多，常用的有概率风险评价法、人工神经网络评价法、数据包络分析法、灰色系统理论、模糊评价法、安全指标评价法、层次分析法、综合安全评价等。

天津港通航环境复杂，航道通航条件涉及范围较广，选择合适的评价方法对复试航道通航安全进行评价至关重要。天津港复式航道通航安全涉及的评价因素众多，为保证评价结果的准确性，需要分层次进行分析评价；为了保证评价的客观性和定量地处理复杂系统中的各种模糊或不确定性因素，需要运用模糊评价法。通过综合考虑，本文采用层次分析法和模糊数学相结合的模糊层次分析法。

模糊层次分析法通过引入模糊数学的方法，克服了层次分析法的局限性以及人类思维的主观性，又可以充分利用层次分析法特点[1]，与天津港复式航道通航安全评价体系相符合。

2 天津港复式航道通航安全综合评价指标体系

天津港复式航道通航安全综合评价体系的建立是综合评价模型构建的重要组成部分。在实际评价中并不是评价指标越多越好，关键考虑各评价指标对航道通航安全的影响程度的大小。天津港复式航道综合评价体系涉及航道通航安全影响因素的多个方面，各因素之间是相互制约相互联系的，航道危险源大致可分为4类，包括航道尺度及地形条件、航道自然环境条件、航道交通流量状况、航道助航设施状况。综合评价体系的指标构成见图1。

3 基于模糊层次分析法的天津港复式航道综合评价模型

3.1 建立因素集

因素集是影响评价对象的各个因素所组成的集合，根据前面确定的天津港复式航道评价指标体系，可得到评价因素集，因素集分为二层，各层因素集如下：

图1 天津港复式航道通航安全综合评价体系

U={航道自然环境条件U1，航道尺度及状态条件U2，航道交通流状况U3，航道助航设施状况U4}。

式中：U1={风况u11，能见度u12，海流u13}；

U2={航道长度u21，最窄处的航道宽度u22，航道最大转向角u23，航道转向点个数u24，交叉航道数u25，碍航物数u26，航道稳定性u27}；

U3={交通流速度控制u31，交通流交汇区个数u32，交通流转向点个数u33，船舶交通量u34}；

U4={航标种类u41，航标布置合理性u42，航标完善率u43，导标完善率u44}。

3.2 建立评价集

评价集，又称为备择集，是由对评判对象可能做出的评判结果所组成的集合，可表示为

V={v1，v2，v3，…，vm}

(1)

式中：vj——评价结果，j= 1，2，…，m；

m——等级数或者评语档次数。

这一集合规定了某一评价因素的评价结果的选择范围，结果集合的元素可以是定性的，也可以是量化的分值。根据国内外学者对通航危险度评价的研究将天津港复式航道通航安全综合评价的等级评价集为V={低危险度、较低危险度、中等危险度、较高危险度、高危险度}为了便于定量计算，记为

V={v1，v2，v3，v4，v5}={1，2，3，4，5}

(2)

其中：1，2，3，4，5表示相应的危险等级。

3.3 确定隶属度函数

在进行通航安全综合评价时，确定各个评价指标对应的各评价等级隶属度的大小十分关键。为了确定各个评价指标的隶属度函数，借鉴国内外相关研究成果[2]，并结合天津港复式航道具体情况，确定复式航道各影响因子危险度评价标准。见表1。

表1 各评价指标的危险度评价标准

注：标准风的天数=年均6～7级风的天数+15×8级以上年均风的天数。

为了保证建立评价模型的可操作性和评价结果的可靠性，在确定隶属度函数时，主要将危险度评价标准划分为五个等级：低危险度、较低危险度、中等危险度、较高危险度、高危险度，采用梯形分布图示法的隶属度函数对各指标进行量化。

经过专家评定，天津港航道稳定性、交通流速度控制以及航道助航设施各指标评价标准采用定性评价的评价标准。根据对评价指标的定性评价，确定评价指标的危险隶属程度。

3.4 评价因素的权重确定

因素集中的各个元素在评价中的重要程度不同，因而必须对各层评价指标按其重要程度给出不同的权重，各个权重组成的权重集即为因素集上的模糊子集[3]。本文通过专家调查问卷的形式确定权重，发放专家问卷30份，收回有效问卷25份，对问卷数据采用几何平均法归纳整理得到评价矩阵，整理得到权重分别为

A=[0.257,0.418,0.223,0.102]；

A1=[0.205,0.258,0.537]；

A2=[0.035,0.242,0.099,0.153,0.131,0.157,0.183]；

A3=[0.206,0.261,0.218,0.315]；

A4=[0.230 ,0.308,0.308,0.154]。

3.5 评价模型的构建

综合评价采用模糊层次分析法。例如，对于航道自然环境条件而言，针对天津港航道自然环境条件中的各因子的参数代入各自的隶属度函数，确定其隶属度，这样构成单因子评价矩阵，并与已确定的因子权重进行矩阵运算得到航道自然环境条件的评价向量B1。B1和其它与航道自然环境条件并列的因子评价向量一起继续参与下一层次的评价[4]。

(3)

由二层级的评价结果可得到天津港复式航道通航安全的评价向量B。

(4)

根据研究对象的特点，选用加权平均值解决模糊算子的问题，即对所有的因子依权重的大小均衡兼顾，以达到综合最优的目的。

求出的综合评估结果是一个模糊向量，即评估对象隶属于各个评估行动等级的隶属度向量bj(j=1,2,…,m)后，可采用反模糊化确定最终的评估结果，即确定评估对象的等级时对该向量精确化，可采用加权平均法(重心法)[5]。

将bj视为权数，对评估集vj进行加权平均，得到的值取为评估结果，即

(5)

所得到的V值即为该水域通航安全整体评价的等级。

4 天津港复式航道通航安全综合评价计算

4.1 建立单因素评价矩阵

根据前面建立的综合评价体系和评价模型，依据评价标准对天津港复式航道各评价因子的隶属度进行赋值，结合专家对评价因子的打分，对复式航道通航现状进行综合评价计算。

4.2 模糊综合评价计算

1)根据各二级指标权重和对应的单因素矩阵进行一级模糊综合评价。

(1)航道自然环境条件评价。

(2)航道尺度状态条件评价。

(3)航道交通流状况评价。

(4)航道助航设施状况评价。

2)利用一级评价的结果进行二级模糊综合评价。

由计算结果可见，天津港复式航道各评价指标综合评价风险多处于较低危险度，没有出现高危险等级。

根据复式航道通航现状对各评价等级的隶属度和各个评价等级的取值，加权计算评价结果，即

V=0.151 5×1+0.625×2+0.087 6×
3+0.135 9×4+0×5=2.207 9。

根据天津港复式航道通航安全综合评价等级评语集，天津港复式航道通航安全处于较低危险度和中等危险度之间，接近于较低危险度。

5 结束语

在大量调研的基础上对天津港复式航道通航安全进行的综合评价研究。通过参考相关的文献和评价方法对比，运用模糊层次分析理论所分析的结果和设计的方案较合理并符合客观实际。评价结果与天津港复式航道试运行情况基本吻合，存在的偏差在于专家打分的主观性和资料的时效性。但本文作为对单目标港口的定性与定量评价，通过分层评价各评价指标对天津港复式航道通航安全的影响，得出的评价结果具有合理性和实用性。研究结果对天津港港口营运与管理、海事监管与通航秩序维护具有现实指导意义。

[1] CHANG D Y.Applications of the extent analys is method on fuzzy AHP[J].European Joumal of Operational Research,1996,95:649-655.

[2] 何晖光,吴兆麟,方祥麟.海上交通环境的综合评价方法[J].大连:大连海事大学报,1997,23(3):36-41.

[3] 秦庭荣.海运综合安全评估集成性方法(MIAM-FSA)构建及其应用研究[D].上海:上海海事大学,2008.

[4] 郑中义，李红喜.通航水域航行安全评价的研究[J].中国航海,2008,31(2):130-134.

[5] 邱云明.临海港口航道环境安全综合评价及计算机辅助实现[D].上海:上海海事大学,2004.