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操船者、船舶和交通環境這三個因素構成了船舶交通系統,這三個因素相互作用,相互影響.以前人們對操船行為研究較多,認為80%的事故與人的因素有關.但是環境對航行安全也有重要的影響,一些重大事故的發生本身就是船舶航行未能適應交通環境的證據.定量地分析船舶交通環境對船舶交通的影響,確立其安全對策,已成為十分重要和必要的問題.

為了能較好地評價海上交通環境,比較真實地再現海上交通的現狀,我們在海上交通模擬的基礎上,建立了一種將AHP法與解析方法結合起來的綜合評價方法.利用此方法可以評價現有水域的潛在危險、預測環境的改變對船舶交通的影響、找出環境對交通影響的主要因素,從而能夠采取相應的措施,以避免或減少船舶交通事故的發生,使船舶更安全,海洋更清潔.

1海上交通環境潛在危險度

對海上交通環境,不同的學者從不同的研究角度出發有不同的定義.本文采用的定義為:船舶運動所處的空間與條件,包括航行水域,該水域的自然條件和交通條件三方面.交通環境評價的研究多集中在以避碰局面為對象的問題上,本文以碰撞事故為焦點,僅著眼于引發事故可能性之大小.也就是說并不著眼于發生碰撞的事實,而是著眼于碰撞的“潛在危險”程度.這就意味著,當為了避免碰撞而采取的操船行為不夠充分、或操船者做出了錯誤判斷時,碰撞的發生將作為事實按顯在化處理.

我們就海上交通環境的危險性,進行了問卷調查,答卷者是在很多水域中具有操船經驗的船長、駕駛員或引航員等.問卷請他們以各自的經驗為基礎,針對關于影響交通的各種因素,從“非常危險”到“幾乎不感到危險”按五個層次評價水域的危險性.我們將評價結果的平均值定義為“海上交通環境潛在危險度”,并進行了線性回歸分析.我們認為海上交通潛在危險度,能比較好地說明交通環境的危險性.

2影響海上交通環境的主要因素

(1)不良能見度——近年來小于四級能見度的年平均累積發生次數(次).

(2)臺風——近年來受臺風影響的年平均累積天數(天).

(3)大風——港口近年來風力六級以上的年平均累積天數(天).

(4)航道最小寬度——港區范圍內所有航道中最窄處的寬度(m).

(5)最大流速——船舶航行水域內潮流的最大速度(kn).

(6)航道離礙航物最近距離——航道兩側的礁石、淺灘等礙航物或有危及船舶安全的禁區邊緣的最小距離(m).

(7)轉向點個數——兩直航道的航線交叉角大于25°的轉向點個數(個).

(8)交叉點個數——港口主航道中與通航水深大于1m的次航道的交叉(匯)點數(個).

(9)交通條件——在船與船的會遇中,與它船的相對運動關系常給本船的避讓操船行動帶來一定限制,我們把這種限制稱為交通條件.由于交通條件與會遇狀態關系密切,本文僅用會遇頻率來衡量交通條件.

3評價方法的數學模型

考慮到各因素的影響程度不同,其影響是相對的,經驗的和模糊的,沒有明顯界限.而且危險的感受及其允許界限由于個人主觀的決定和客觀的尺度的差異而不同,因此本文采取模糊(Fuzzy)數學理論來描述和分析這類模糊現象.應用模糊數學理論來分析處理這種模糊現象是一種模擬人類大腦分析處理問題的思維方法.因而通過建立這樣一種多層次,多算子結構的綜合評價模型,能綜合反映出人們對多因素的主觀評價,從而可獲得較理想的合理的評價結果.

設有n個港口樣本,樣本集設為X={X1,X2,…,Xn},每個樣本為Xi.考慮m個因素,即Xi={Xi1,Xi2,…,Xim},i=1,2,…,n.設評價集為Y={Y1,Y2,…,Ys},其中s表示程度評價等級.各因素之間存在著各種關系,如并列,從屬等關系.根據所分析問題的實質以及相互關系,將問題分解成由幾個層次所組成,并按各因素間的相互關聯,影響以及從屬關系在各層次中集聚組合,建立因素關系圖.如圖1所示,共3個層次,10個基本因素.

引進集聚組合的概念,用符號RkûEij表示第k個集聚組合,其中k=1,2,3,為組合序號.Eij表示集聚組合Rk的目標因素,i=2,3;j=1,2.于是有R1ûE21={e1,e2,e3,e4,e5,e6,e7,e8,e9}R2ûE22={e10}R3ûE31={e21,e22}

利用專家咨詢評分,對各集聚組合中各因素對目標因素的相對影響程度的兩兩對比賦值,建立二元對比矩陣,通過求該矩陣的最大特征向量,并經一致性檢驗,求出權重向量為:

4單因素的評價值

在影響海上交通環境潛在危險度的因素中,不僅它們彼此之間的量綱、函數關系不同,不具有可比性,而且它們的類型也不同.為了能把多個目標結合起來,從而在整體上評價海上交通環境潛在危險度,使得不同的港口、海域之間能夠進行比較,在各集聚組合中每個評價指標的相對權重得以確定的基礎上,我們引用了系統工程學中有關“效用”的概念,將不同量綱的評價指標的值按照某種對應關系折算成統一的被稱為“Utile”的效用單位,使評價指標的值成為可“共度”的.而這個“Utile”即為每個指標的效用值的量綱.

效用值的兩種求法:

(1)直接求評價指標的效用值

海上交通環境評價方案確定以后,要對各種環境利用電子海圖進行計算機船舶交通模擬.經過模擬可以輸出船舶會遇次數,交通流密度.下面介紹如何通過交通流狀況來求得會遇率.

會遇率是指在某一區域單位面積內單位時間的會遇次數.設長度為D,寬度為W的對象水域內,有交通流A和交通流B進行航行,如圖2所示.該圖計算了交通流A中的一艘船在僅航行D距離期間與交通流B的會遇次數.這里,把前面會遇定義中的極限距離設為會遇半徑r.交通流A中的一艘船僅航行D距離的時間為D/VA,在D距離內與交通流B會遇的次數為圖中陰影面積中存在的交通流B的船舶艘數.將其面積設為M:會遇率求出后,求會遇率相對于海上交通環境潛在危險度的效用值.任取一個航道的模擬輸出曲線圖(如圖3),其橫軸為交通量,單位是(艘/h),縱軸為會遇率.當船舶的到達規律確定后,其交通量可由對到達規律函數求數學期望值而求得.不失一般性,并考慮到港口今后的發展趨勢,我們取曲線圖上的一個偏大的交通量5.00(艘/h)作為基值,在大船交通量為5的點處作橫軸的垂線,與曲線交于P1點,再過P1點作縱軸的垂線,交縱軸于點y1,則y1即為此種交通環境下的平均會遇率.過參數曲線上對應極值點的P0作橫軸的平行線,交縱軸于y0點,即可得平均會遇率的最大值.

由于會遇率越大,交通環境越危險,故它的效用值采用第一種求法:

(2)間接求評價指標的效用值

對于臺風、大風、不良能見度等這些自然條件的指標,在某一港口水域下雖有一確定的值,但它對海上交通環境潛在危險度的影響,卻難以用各自的數值精確描述.因此將各評價指標對海上環境潛在危險度的影響分成若干等級,一般分為五級(如表1所示).以表格形式列出所有需要評分的評價指標,進行專家咨詢,咨詢表的格式如表2所示.

專家根據表中所給出的水域,結合操船、管理的理論和經驗,在相應的評分欄內劃“<”,以表明他對該水域某評價指標的評價.假設專家咨詢表收回n份,則該環境就有n張評分表,統計每個評分等級表中專家劃的“<”,其統計結果見表3所示.其中i=1,…,m,為需評分的評價指標數.nij(j=1,…,5)表示有n位專家認為第i個評價指標的評分等級為第j等級.因為對評價指標的各評價等級是一種模糊映射,即使對同一個項目的評定,不同人員可能有不同的評判結果,所以評價結果只能用對第i個評價指標做出第j個評價等級的可能性的大小來表示,這種可能性的程度稱為隸屬度,記作rij(i=1,…,m;j=1,…,5).設評判對象按評價指標集中,對第i個指標進行評判,對評價等級中第j個元素的隸屬程度為rij則按第i個因素評價的結果,可用模糊集合Ri=(ri1,ri2,…,rin)來表示.并要求∑5j=1rij=1,即所有隸屬度之和等于1,因此令式中nij表示將第i個指標評定為第j等級的專家人數.根據式(6),可以計算出評價指標的評分值Ui=(ri1,ri2,ri3,ri4,ri5)õ(0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)Ti=1,2,…,m

可以證明,Ui為[0,1]區間上的無量綱的值,可以作為第i個指標的效用值.至此,我們使用兩種方法求出了所有評價指標的效用值,當對某水域的海上交通環境潛在危險進行評價時,我們可得一組評價指標的效用值,表示為以下形式:U1ûE21=(U11,U12,U13,U14,U15,U16,U17,U18,U19)U2ûE22=(U21)U3ûE31=(U21,U22)

確定了評價目標的層次結構、各評價指標的權重以及單因素的評值后,采用化多目標為單目標法、將各效用值分別乘以相應的權重,并逐層線性求和可求出總目標的評價值.

5計算實例

為了檢驗此方法,我們對某一港口進行海上交通調查.該港口的自然條件如表4所示:根據該港口的自然條件,采用專家評分,利用間接法求出各自然條件評價指標的效用

值如下:U1ûE21=(U11,U12,U13,U14,U15,U16,U17,U18,U19)=(0.20,0.13,0.78,0.32,0.28,0.33,0.14,0.10,0.12))(8)將各效用值分別乘以相應的權重,線性求和即可得自然條件的評價值U111為0.2572.對該港口進行海上交通模擬,采用直接法可求出會遇率為0.16,對交通條件的評價值U112也為0.16.

因此對港口的海上交通環境潛在危險度的評價值U0為:U0=U111×w21+U112×w22=0.2572×0.25+0.16×0.75=0.1843(9)式(9)中w21與w22分別是自然條件和交通條件的權重,參見式(1)該評價值介于0.1與0.3之間,即在很安全與安全之間,這主要是因為該港自然條件較好,交通流簡單的緣故.這與以前用安全指數法算出的結果,基本上是吻合的.對于其它的港口也可類似求出其海上交通環境潛在危險度.

6結論

本文以海上交通環境潛在危險度為指標來評價交通環境的危險性,建立了一種將AHP法與解析模型法相結合的綜合評價方法,并針對某一具體港口進行了試算,所得結果與實際較為符合.但是,在評價值的求取時,如何使得主觀和客觀有機地統一,以及如何使評價結果更客觀,還有待于進一步地探討與分析.