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海上交运环卫综合评估

2012/09/14 阅读:

操船者、船舶和交通环境这三个因素构成了船舶交通系统,这三个因素相互作用,相互影响.以前人们对操船行为研究较多,认为80%的事故与人的因素有关.但是环境对航行安全也有重要的影响,一些重大事故的发生本身就是船舶航行未能适应交通环境的证据.定量地分析船舶交通环境对船舶交通的影响,确立其安全对策,已成为十分重要和必要的问题.

为了能较好地评价海上交通环境,比较真实地再现海上交通的现状,我们在海上交通模拟的基础上,建立了一种将AHP法与解析方法结合起来的综合评价方法.利用此方法可以评价现有水域的潜在危险、预测环境的改变对船舶交通的影响、找出环境对交通影响的主要因素,从而能够采取相应的措施,以避免或减少船舶交通事故的发生,使船舶更安全,海洋更清洁.

1海上交通环境潜在危险度

对海上交通环境,不同的学者从不同的研究角度出发有不同的定义.本文采用的定义为:船舶运动所处的空间与条件,包括航行水域,该水域的自然条件和交通条件三方面.交通环境评价的研究多集中在以避碰局面为对象的问题上,本文以碰撞事故为焦点,仅着眼于引发事故可能性之大小.也就是说并不着眼于发生碰撞的事实,而是着眼于碰撞的“潜在危险”程度.这就意味着,当为了避免碰撞而采取的操船行为不够充分、或操船者做出了错误判断时,碰撞的发生将作为事实按显在化处理.

我们就海上交通环境的危险性,进行了问卷调查,答卷者是在很多水域中具有操船经验的船长、驾驶员或引航员等.问卷请他们以各自的经验为基础,针对关于影响交通的各种因素,从“非常危险”到“几乎不感到危险”按五个层次评价水域的危险性.我们将评价结果的平均值定义为“海上交通环境潜在危险度”,并进行了线性回归分析.我们认为海上交通潜在危险度,能比较好地说明交通环境的危险性.

2影响海上交通环境的主要因素

(1)不良能见度——近年来小于四级能见度的年平均累积发生次数(次).

(2)台风——近年来受台风影响的年平均累积天数(天).

(3)大风——港口近年来风力六级以上的年平均累积天数(天).

(4)航道最小宽度——港区范围内所有航道中最窄处的宽度(m).

(5)最大流速——船舶航行水域内潮流的最大速度(kn).

(6)航道离碍航物最近距离——航道两侧的礁石、浅滩等碍航物或有危及船舶安全的禁区边缘的最小距离(m).

(7)转向点个数——两直航道的航线交叉角大于25°的转向点个数(个).

(8)交叉点个数——港口主航道中与通航水深大于1m的次航道的交叉(汇)点数(个).

(9)交通条件——在船与船的会遇中,与它船的相对运动关系常给本船的避让操船行动带来一定限制,我们把这种限制称为交通条件.由于交通条件与会遇状态关系密切,本文仅用会遇频率来衡量交通条件.

3评价方法的数学模型

考虑到各因素的影响程度不同,其影响是相对的,经验的和模糊的,没有明显界限.而且危险的感受及其允许界限由于个人主观的决定和客观的尺度的差异而不同,因此本文采取模糊(Fuzzy)数学理论来描述和分析这类模糊现象.应用模糊数学理论来分析处理这种模糊现象是一种模拟人类大脑分析处理问题的思维方法.因而通过建立这样一种多层次,多算子结构的综合评价模型,能综合反映出人们对多因素的主观评价,从而可获得较理想的合理的评价结果.

设有n个港口样本,样本集设为X={X1,X2,…,Xn},每个样本为Xi.考虑m个因素,即Xi={Xi1,Xi2,…,Xim},i=1,2,…,n.设评价集为Y={Y1,Y2,…,Ys},其中s表示程度评价等级.各因素之间存在着各种关系,如并列,从属等关系.根据所分析问题的实质以及相互关系,将问题分解成由几个层次所组成,并按各因素间的相互关联,影响以及从属关系在各层次中集聚组合,建立因素关系图.如图1所示,共3个层次,10个基本因素.

引进集聚组合的概念,用符号RkûEij表示第k个集聚组合,其中k=1,2,3,为组合序号.Eij表示集聚组合Rk的目标因素,i=2,3;j=1,2.于是有R1ûE21={e1,e2,e3,e4,e5,e6,e7,e8,e9}R2ûE22={e10}R3ûE31={e21,e22}

利用专家咨询评分,对各集聚组合中各因素对目标因素的相对影响程度的两两对比赋值,建立二元对比矩阵,通过求该矩阵的最大特征向量,并经一致性检验,求出权重向量为:

4单因素的评价值

在影响海上交通环境潜在危险度的因素中,不仅它们彼此之间的量纲、函数关系不同,不具有可比性,而且它们的类型也不同.为了能把多个目标结合起来,从而在整体上评价海上交通环境潜在危险度,使得不同的港口、海域之间能够进行比较,在各集聚组合中每个评价指标的相对权重得以确定的基础上,我们引用了系统工程学中有关“效用”的概念,将不同量纲的评价指标的值按照某种对应关系折算成统一的被称为“Utile”的效用单位,使评价指标的值成为可“共度”的.而这个“Utile”即为每个指标的效用值的量纲.

效用值的两种求法:

(1)直接求评价指标的效用值

海上交通环境评价方案确定以后,要对各种环境利用电子海图进行计算机船舶交通模拟.经过模拟可以输出船舶会遇次数,交通流密度.下面介绍如何通过交通流状况来求得会遇率.

会遇率是指在某一区域单位面积内单位时间的会遇次数.设长度为D,宽度为W的对象水域内,有交通流A和交通流B进行航行,如图2所示.该图计算了交通流A中的一艘船在仅航行D距离期间与交通流B的会遇次数.这里,把前面会遇定义中的极限距离设为会遇半径r.交通流A中的一艘船仅航行D距离的时间为D/VA,在D距离内与交通流B会遇的次数为图中阴影面积中存在的交通流B的船舶艘数.将其面积设为M:会遇率求出后,求会遇率相对于海上交通环境潜在危险度的效用值.任取一个航道的模拟输出曲线图(如图3),其横轴为交通量,单位是(艘/h),纵轴为会遇率.当船舶的到达规律确定后,其交通量可由对到达规律函数求数学期望值而求得.不失一般性,并考虑到港口今后的发展趋势,我们取曲线图上的一个偏大的交通量5.00(艘/h)作为基值,在大船交通量为5的点处作横轴的垂线,与曲线交于P1点,再过P1点作纵轴的垂线,交纵轴于点y1,则y1即为此种交通环境下的平均会遇率.过参数曲线上对应极值点的P0作横轴的平行线,交纵轴于y0点,即可得平均会遇率的最大值.

由于会遇率越大,交通环境越危险,故它的效用值采用第一种求法:

(2)间接求评价指标的效用值

对于台风、大风、不良能见度等这些自然条件的指标,在某一港口水域下虽有一确定的值,但它对海上交通环境潜在危险度的影响,却难以用各自的数值精确描述.因此将各评价指标对海上环境潜在危险度的影响分成若干等级,一般分为五级(如表1所示).以表格形式列出所有需要评分的评价指标,进行专家咨询,咨询表的格式如表2所示.

专家根据表中所给出的水域,结合操船、管理的理论和经验,在相应的评分栏内划“<”,以表明他对该水域某评价指标的评价.假设专家咨询表收回n份,则该环境就有n张评分表,统计每个评分等级表中专家划的“<”,其统计结果见表3所示.其中i=1,…,m,为需评分的评价指标数.nij(j=1,…,5)表示有n位专家认为第i个评价指标的评分等级为第j等级.因为对评价指标的各评价等级是一种模糊映射,即使对同一个项目的评定,不同人员可能有不同的评判结果,所以评价结果只能用对第i个评价指标做出第j个评价等级的可能性的大小来表示,这种可能性的程度称为隶属度,记作rij(i=1,…,m;j=1,…,5).设评判对象按评价指标集中,对第i个指标进行评判,对评价等级中第j个元素的隶属程度为rij则按第i个因素评价的结果,可用模糊集合Ri=(ri1,ri2,…,rin)来表示.并要求∑5j=1rij=1,即所有隶属度之和等于1,因此令式中nij表示将第i个指标评定为第j等级的专家人数.根据式(6),可以计算出评价指标的评分值Ui=(ri1,ri2,ri3,ri4,ri5)õ(0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)Ti=1,2,…,m

可以证明,Ui为[0,1]区间上的无量纲的值,可以作为第i个指标的效用值.至此,我们使用两种方法求出了所有评价指标的效用值,当对某水域的海上交通环境潜在危险进行评价时,我们可得一组评价指标的效用值,表示为以下形式:U1ûE21=(U11,U12,U13,U14,U15,U16,U17,U18,U19)U2ûE22=(U21)U3ûE31=(U21,U22)

确定了评价目标的层次结构、各评价指标的权重以及单因素的评值后,采用化多目标为单目标法、将各效用值分别乘以相应的权重,并逐层线性求和可求出总目标的评价值.

5计算实例

为了检验此方法,我们对某一港口进行海上交通调查.该港口的自然条件如表4所示:根据该港口的自然条件,采用专家评分,利用间接法求出各自然条件评价指标的效用

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)将各效用值分别乘以相应的权重,线性求和即可得自然条件的评价值U111为0.2572.对该港口进行海上交通模拟,采用直接法可求出会遇率为0.16,对交通条件的评价值U112也为0.16.

因此对港口的海上交通环境潜在危险度的评价值U0为:U0=U111×w21+U112×w22=0.2572×0.25+0.16×0.75=0.1843(9)式(9)中w21与w22分别是自然条件和交通条件的权重,参见式(1)该评价值介于0.1与0.3之间,即在很安全与安全之间,这主要是因为该港自然条件较好,交通流简单的缘故.这与以前用安全指数法算出的结果,基本上是吻合的.对于其它的港口也可类似求出其海上交通环境潜在危险度.

6结论

本文以海上交通环境潜在危险度为指标来评价交通环境的危险性,建立了一种将AHP法与解析模型法相结合的综合评价方法,并针对某一具体港口进行了试算,所得结果与实际较为符合.但是,在评价值的求取时,如何使得主观和客观有机地统一,以及如何使评价结果更客观,还有待于进一步地探讨与分析.

海上交运环卫综合评估

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