基于改进未确知测度模型的内河客船夜航风险评价*

赵洪帝　刘敬贤　刘　奕　赵洪峰，3　徐周华

(1.武汉理工大学航运学院　武汉 430063；2.武汉理工大学内河航运技术湖北省重点实验室　武汉430063；3.中华人民共和国海河海事局　天津 300450)

0　引　言

为积极响应政府大力发展水上旅游业的号召，充分发挥水路的旅游客运功能，部分内河水域仅在白天允许客船通航已经不能满足旅游业的实际发展需要，迫切需要开通船舶夜航功能来提高水域通过能力，增大客运规模。

截止目前，我国已有长江、珠江、黄浦江等部分水域开通了船舶夜航功能。然而，当前我国内河客船夜航的安全形势并不乐观。据长江干线(江津到马鞍山水域)近5年的事故统计资料，发生在夜间的交通事故比例高达62.52%，由于夜间应急搜救等活动难度较大，导致夜间发生事故时所导致的死亡率也更高。

海河下游水域海河港区最新的规划“以旅游客运服务为主，兼顾货运功能”实施后，为充分利用海河天然航道，发展旅游客运服务，海河下游开通客船夜航功能已是必然趋势。海河下游船舶航行条件较为复杂，现有客运量较大，同时国内尚无关于航道开通夜航所需软硬件设施的法律法规。因此，海河等内河水域不经研究论证就贸然开通夜航功能将会具有较大的风险性，若不能做好夜航风险的合理评价和控制，将会使国家遭受巨大的经济损失和环境污染，也不利于我国水上客运的科学、健康发展。为此，笔者将层次分析法、熵权法和未确知理论相结合，构建改进的未确知测度模型来实现对船舶夜航风险的准确评价，以期为我国内河船舶开通夜航功能的管理提供研究方法。

1　客船航行风险理论综述

在客船航行风险理论的研究方面，国外学者E.Vanem等[1-2]首次全面的对客船碰撞、搁浅等险情进行了介绍，对险情发生后可能导致的沉船及沉船时间进行了分析研究；D.Vassalos等[3-4]第一次从疏散旅客的角度针对客滚船的安全航行提出了一些意见和建议,同时认为运用先进的科技手段可以不断提高客船的安全性；国内学者郑世民等[5]首次结合系统工程学从“人、机、环境、管理”4个方面分析客滚船航行风险及其影响因素；王小金[6]、陈海泉[7]、林少明[8]等都认为船舶夜航期间，船员视力明显下降，眼睛的暗适应能力较低，物标的识别特征明显减弱，对夜间航行安全提出了更高的要求。罗文[9]则首次从船员的角度出发，对交接班前的准备、交接班步骤，以及如何应对紧急情况3个方面阐述了船舶夜间安全航行的措施；欧阳军[10]开创性地阐明了影响长江江苏段水域夜航安全的因素主要包括航道、航标、引航体制、通航秩序、硬件投入，并提出了相关建议。

有关船舶夜间航行风险评价方法的研究方面，国内学者王振峰[11]首次建立了陆岛旅客运输夜航安全的评价指标体系，运用模糊综合评判法对陆岛夜航的风险进行综合安全评价。翁建军[12]则开创性地利用亮度对比度和可见度水平的计算方法以及格拉斯曼的颜色混合定律分析了夜间海上灯光对船舶号灯、导助导航标志可识别性的影响；同时，应用医学原理分析了眩光对船舶驾驶员视觉功效的影响。苏福亮[13]则应用模糊层次分析法的理论与方法，建立了二级模糊综合评判模型，实现了对天津港大型散货船夜航安全的评价与分析。

综上所述，国内外关于船舶航行安全风险评价的研究众多，对影响船舶航行安全因素的研究也比较完善，但关于船舶夜航安全的研究甚少。在已有的船舶夜航评价方法中，应用较多的为层次分析法、熵权法、模糊综合评判法和灰色聚类法等。但是层次分析法的缺点在于指标权重确定时受主观性影响较大，相对的熵权法往往会忽视决策者主观的意图；这些方法可以解决所得信息中的不确定性问题，但是不能解决评价中的未确知性。船舶在夜航时如若发生水上交通事故，对人命财产和水域环境污染等应急反应提出的要求更高，因此，也对船舶夜航风险评价结果的可靠程度提出了更高的要求。模糊化的最大隶属度识别准则，对有序划分精确度不够，是模糊综合评判法的一大弊端，而未确知测度方法能够在克服上述分析法的不足的同时，给出比较合理的置信度识别准则，使评价结果更合理、分辨率更高，这是模糊综合评判法所欠缺的[14-15]，因此，笔者构建了基于改进未确知测度的客船夜航风险评价模型。

2　客船夜航风险评价指标体系构建

客船夜航风险既受人、船舶、自然环境和港口环境的影响，又与船舶公司、海事、政府部门的服务管理有关，而做好客船夜航风险评价的重要前提就是构建相应合理可行的风险评价指标体系。根据系统、科学、实用的原则，同时结合我国内河船舶通航管理现状，查阅相关文献，咨询主管部门及行业专家意见，构建了内河客船夜航风险评价指标体系，见图1。

图1　内河客船夜航风险评价指标体系Fig.1　Passenger ship navigation risk evaluation index system of inland river

共选取4大类15项因素作为客船夜航风险评价影响因子。其中，船员适任指标包括船员的夜航培训、业务水平、安全与责任意识等；船舶适航指标包括船舶夜航设备配备、船舶整体技术状况等；背景光强指岸基背景灯光对航标、船舶号灯号型显示的影响程度；航道条件又可以包括航道最浅水深、航道弯曲度、航道长度、过河建筑物等；

码头条件包括码头照明设备的配备、灯光亮度等；船舶安全管理(包括救生衣配备、穿着情况)等。

风险评价指标体系中，背景光强、码头条件、船舶安全管理等指标为根据客船夜航特点所选取的。该指标体系可以为内河客船夜航风险评价模型和评判方法的研究提供前提条件。

3　改进的未确知测度风险评价模型

3.1　单指标未确知度计算

单指标未确知测度矩阵的计算一般采用构造未确知测度函数的方法，同时也可以通过专家打分的方法确定。根据具体待解决问题的特征和其状态变化的剧烈程度，未确知测度函数可分别采用直线型、二次曲线、指数曲线和正弦曲线等不同曲线连接。其中，直线型未确知测度函数是目前最简单、应用最广泛的。其计算见式(1)。

(1)

式中：ai为每项指标的分类标准；Ck为评价等级。由式(1)可以得出，xi关于指标Ii的观测值xi,j使对象处于各个评价等级Ck的单指标未确知度矩阵如下。

(2)

3.2　指标权重的确定

目前来说，指标权重的确定方法有2类：主观赋权法和客观赋权法。主观赋权法指依照主观经验分析各个因素的重要程度来确定权重，这类方法客观性较差，如专家打分法和AHP法等；客观赋权法指通过对客观资料的分析和整理，从而得到权重，该方法比较依赖于足够的样本数据和实际的问题域，如熵权法、标准离差法等。综上所述，将主观经验和客观信息相结合确定权重的方法，二者相互弥补共同决策的权重确定方法日益得到今学者的重视。

笔者采用AHP-熵权法相结合的方法来确定内河客船夜航风险评价体系的指标权重。首先利用AHP法和熵权法分别计算指标权重，然后再用最小信息熵原理将两种方法的权重组合计算组合权重[16]。

3.2.1熵权法

熵是系统状态的不确定性的一种度量。基于熵权的指标权重赋值法是一种将人的主观判断用定量的形式表达、处理的方法。

根据构造相应的隶属函数来计算评价指标的测度值为(μi1,μi2,…,μi1)。

此时评价指标的熵值H为

(3)

(4)

显然0≤uijk≤1，令

(5)

用权重wi=(wi1,wi2,…,wim)T向量作为属性集U的权重向量，即为其熵权[17]。其中，vij为第i个指标下第j个评价对象占该指标的比重。

3.2.2最小相对信息熵确定组合权重[16]

将指标的主观权重w1i和客观权重w2i综合之后可得到组合权重wi。根据最小相对信息熵原理，用拉格朗日乘子法优化后可以得到组合权重计算式为

(6)

3.3　多指标综合测度计算

根据单指标未确知度uijk、指标权重向量w可计算得到评价对象xi的未确知度向量μik，计算公式如下。

(7)

则称向量μi=(μi1,μi2,…,μiK)T为多指标综合测度向量。

3.4　置信度识别

因为评价等级划分有序，故不能采用适用无序划分的最大隶属度识别准则，而改用置信度识别准则。预先设定置信度阈值λ，则有

(8)

由此公式判断对象xi属于第k0个评价等级且置信度高于λ。

4　实例验证

截至目前，海河下游已建成的桥梁4座，在建桥梁5座，隧道1座，过河通道较少，无桥水域两岸人员交通主要依靠渡口，该河段有8个渡河点，两岸的渡口共16个，已废弃的有3个渡河点，废弃渡口6个。

海河内无大型的客运泊位，其客运主要为海河内的短途旅游客运，海河中存在的旅游客运公司有天津凯利海鲸旅游服务有限公司、天津塘沽海联实业总公司、天津大沽海河客运有限公司，旅游客运码头集中在外滩公园附近。经营航线是海河外滩至新港船闸附近，航线上有塘沽南站，潮音寺等景点，航线见图2，总航程8 km，航时约40 min，每年旅游客运量约20万人次。

图2　海河下游现有旅游航线图Fig.2　Existing tourist route map of haihe river

根据《天津市人民政府关于天津港海河港区规划功能调整的批复》(中华人民共和国交通运输部交规划函[2016]811号)，为适应天津市及滨海新区城市发展和产业布局调整需要，现将海河港区的规划功能调整为“以旅游客运服务为主，兼顾货运功能”。随着海河港区规划功能调整的实施，游艇项目建设不断发展，规划建设游艇泊位623个，游艇俱乐部4个，游船总站2个。届时，海河港区旅游船舶数量将大幅增加，会在一定程度上增加海河港区的发生事故的概率。

通过参照相关文献并且经征求专家意见，将海河客船夜航的风险指标按10分制划分为5个风险等级，高(9，10]，较高(7,9]，一般(5,7]，较低(3,5]，低(0,3]。分别用{C1;C2;C3;C4;C5}来表示。通过对海河海事局管理人员、海河内现有码头、客船公司及有关专家学者对海河下游开通夜航功能的现状进行问卷调查及评分，同时将评价结果用均值分析法处理后得到各指标的分值，见表1。

表1　海河客船夜航风险评价指标分值Tab.1　Passenger ship navigation risk evaluation score of haihe river

4.1　单指标测度计算

由单指标测度函数的定义和表1可得到各个指标风险评价的单指标未确知度函数的图像，见图3。

图3　评价指标的未确知测度函数Fig.3　Unascertained measure function of evaluation index

把表1中23个评价指标的取值分别带入图3的单指标测度函数中，计算可以分别得到海河夜航风险的单指标评价矩阵。以人-船因素中的“船员适任”为例，根据表1所得分值、图1和式(1)，以及未确知测度的“归一性”可以得出，“船员适任”的单指标测度向量为(0 0.5 0.5 0 0)，用同样的方法可以求出其他指标的未确知测度值。经计算可知，海河客船夜航风险中人为因素的未确知测度评价矩阵为

4.2　权重及多指标综合测度计算

邀请航海类院校通航安全领域相关专家共24位参与评判，每位专家对各个指标给出评分结果。对专家给出的每个评价指标的评分值进行统计，使用AHP-熵权组合权重法得到各项评价指标的组合权重如表2所示。

基于改进后的最小相对信息熵确定权重的方法得到的人-船、自然环境、港口和管理四项一级指标中，“人-船”指标所占权重最大为0.364 3，比较符合现有的人为因素为船舶航行过程中主要风险源的现状。二级指标中，船员适任、船舶适航、背景光强和船公司安全管理以及船舶安全管理等5个评价指标权重比值较大。因此海河在开通船舶夜航功能时，政府、海事主管机关应加大对船舶、船公司安全管理的监管力度以促进船公司对船员适任、船舶适航的安全管理，以避免夜间交通事故的发生。

因此，海河客船夜航风险中人-船因素的单指标测度向量为

表2　海河客船夜航风险指标权重表Tab.2　Passenger ship navigation risk evaluation index weight table of haihe river

μ11=w1×μ115=(0.539 60.460 4)×

(00.523 00.477 000)

用同样的方法，重复上述计算，可以得到海河客船夜航风险中自然环境、港口环境、管理因素的单指标未确知测度向量分别为(0 0.060 4 0.646 80.222 60.070 2)，(00.136 50.787 40.076 00)和(00.386 20.568 60.045 20)由此可以构成新的未确知测度矩阵μ1。根据公式(7)可计算得出海河客船夜航风险的多指标未确知综合测度μ为

μ=w×μ1=

(0.364 3 0.267 0 0.165 6 0.203 1)×

(00.307 70.592 30.081 20.018 7)

4.3　隶属等级及置信度判别

对海河客船夜航的多指标综合测度进行置信度识别，λ取0.7。根据式(8)，当k0=3时，0.307 7+0.592 3=0.9>0.7，由此可以得出海河客船夜航风险等级属于“一般”风险且置信度不低于70%。

4.4　评价结果验证

将模糊层次分析法和未确知测度理论应用于海河客船夜航风险评价中，与改进的未确知测度分析方法进行比较，结果见表3。

表3　海河客船夜航风险评价方法对比Tab.3　Comparison of risk evaluation methods of night navigation of passengers ships in haihe river

根据评价结果，分析如下。

1) 使用模糊层次分析法进行风险评价时，采用最大隶属度识别准则，第三等级风险与第四等级风险隶属度比较接近，难以抉择，导致出现可信度不高的评价结果。

2) 一般的未确知测度模型采用信息熵理论来确定各个风险指标的权重，过分强调精巧的数学模型，其得出的权重与其他几种结合决策者正确判断和数学分析得出的权重存在差距。相比较而言，利用最小相对信息熵确定的组合权重，对解决实际问题更为有利。

3) 基于改进的未确知测度模型的风险评价结果与工程实际一致，同时契合其他评价方法的结果。

5　结论与展望

1) 将AHP、熵权法与未确知测度理论相结合，运用最小相对信息熵原理确定组合权重，可降低数据的客观性和专家主观判断的不确定性对评价结果的影响；应用改进的未确知测度模型对内河客船夜航风险进行评价,并根据风险评价的影响因素建立风险评价指标体系、置信度识别准则，实现对评价指标定性和定量的综合评价。

2) 用该方法对海河客船夜航风险评价所得的风险等级为“一般”，与海河的实际情况相吻合。与一般的评价方法相比，该方法的评价结果更加合理、可信，在实际的应用中可操作性较强。

3) 文中的评价指标是通过文献查阅和专家咨询相结合的方法确定的，“背景光强”等指标为根据夜航特色所选取指标，采用问卷调查的方式确定其隶属等级，无法避免的存在一定的主观性，结合海河相关船舶的险情与事故资料完善风险因子、采用定量测量的方法为指标确定隶属等级以提高指标的精确性，将是下一步的工作。

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