王哲，葛珊珊，張韌，2，錢龍霞，楊孟倩，徐淦

（1.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044；3.東海艦隊(duì)水文氣象中心，浙江寧波315000）

基于粗糙集與猶豫層次分析的北極東北航道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

王哲1，葛珊珊1，張韌1，2，錢龍霞1，楊孟倩1，徐淦3

（1.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101；2.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京210044；3.東海艦隊(duì)水文氣象中心，浙江寧波315000）

運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析理論和方法，以北極東北航道6個(gè)關(guān)鍵海峽為研究目標(biāo)，構(gòu)建東北航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；針對(duì)全球氣候變暖以及海冰融化背景下北極東北航道航行安全問題，引入猶豫層次分析方法確定指標(biāo)主觀權(quán)重、采用粗糙集思想來確定客觀權(quán)重，集成得到組合權(quán)重?；谒L(fēng)險(xiǎn)分析模型，對(duì)其中3個(gè)關(guān)鍵海峽的自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了量化評(píng)估和時(shí)空特征分析，同時(shí)計(jì)算了2013年8月份6個(gè)關(guān)鍵海峽的風(fēng)險(xiǎn)度，模擬了一條最優(yōu)通航線路并與同時(shí)期永盛號(hào)輪船的實(shí)際航行線路進(jìn)行了比對(duì)。研究表明：（1）2000-2014年東北航道3個(gè)關(guān)鍵海峽自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，紅軍海峽自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)減小趨勢(shì)最大；（2）對(duì)比3個(gè)海峽海峽自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)度，德朗海峽最低，維利基茨基海峽次之，二者均適合通航；紅軍海峽風(fēng)險(xiǎn)度最高，且不適宜通航；（3）模型模擬路線與實(shí)際航線較吻合，對(duì)實(shí)時(shí)航行路線的選擇有參考意義。

猶豫層次分析法；粗糙集理論；組合權(quán)重；東北航道

全球變暖已是無可爭(zhēng)議的事實(shí)，北極地區(qū)尤為明顯，其平均地面溫度上升幅度是全球的兩倍之多（Screen，2010）。氣候變暖導(dǎo)致北極海冰迅速消融，北冰洋夏季無冰，使得未來東北航線開通成為現(xiàn)實(shí)。東北航道開通對(duì)我國(guó)有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義：首先，相比于傳統(tǒng)航線，東北航道航程至少減少5 100英里，降低了運(yùn)輸成本；其次，傳統(tǒng)航道海盜猖獗，存在嚴(yán)重安全風(fēng)險(xiǎn)，而東北航道政治環(huán)境穩(wěn)定，可以有效避免海盜襲擊；最后，北極豐富的石油、天然氣、礦物和漁業(yè)資源將改變我國(guó)能源物資貿(mào)易格局，影響區(qū)域發(fā)展。

環(huán)北極國(guó)家對(duì)東北航線的關(guān)注由來已久，俄羅斯、美國(guó)等國(guó)公布了一系列北極戰(zhàn)略規(guī)劃，相關(guān)國(guó)家的領(lǐng)土主張和權(quán)益要求明顯增強(qiáng)，并加大科研、政治、經(jīng)濟(jì)和軍事的投入，爭(zhēng)奪戰(zhàn)略主導(dǎo)權(quán)。北極事務(wù)與中國(guó)利益密切相關(guān)。2012年中國(guó)與冰島簽訂《中華人民共和國(guó)與冰島共和國(guó)政府關(guān)于北極合作的框架協(xié)議》；2013、2015年我國(guó)永盛號(hào)兩次穿越東北航道；2014年《北極航行指南（東北航道）2014》出版發(fā)行；2016年CCTV播出紀(jì)錄片《北極，北極！》，展現(xiàn)了北極的歷史、現(xiàn)在與未來。中國(guó)一系列關(guān)于北極地區(qū)的動(dòng)作，表明中國(guó)政府對(duì)北極事務(wù)的重視，北極航道的研究勢(shì)在必行。

目前國(guó)內(nèi)外圍繞北極航道的自然環(huán)境變化、經(jīng)濟(jì)效益、政治環(huán)境、戰(zhàn)略規(guī)劃等方面開展了一系列研究：王杰等（2011）對(duì)中歐傳統(tǒng)航線與北極航道的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，認(rèn)為北極航道開通具有巨大經(jīng)濟(jì)效益；閻鐵°（2011）對(duì)北極航道所涉及的現(xiàn)行法律體系及完善趨勢(shì)進(jìn)行了梳理；Faisal Khan等（2014）對(duì)船舶運(yùn)輸損失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析；密晨曦（2015）探討了中國(guó)在東北航道治理中的角色定位問題?；谖磥肀睒O航道開通前景，還有許多學(xué)者對(duì)中國(guó)的北極戰(zhàn)略進(jìn)行了探討，分析了中國(guó)在北極可能面臨的經(jīng)濟(jì)利益、政治利益以及北極環(huán)境變化對(duì)中國(guó)的影響（李振福，2009；張勝軍等，2010）。

北極航道的開通受多種因素制約，但最直接、最關(guān)鍵因素是自然環(huán)境的影響。對(duì)此，部分學(xué)者運(yùn)用不同數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了評(píng)估。閆力（2011）運(yùn)用灰色模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)北極航道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，認(rèn)為航道不安全但可通航；任艷陽（2012）利用盲數(shù)理論將北極航線作為整體對(duì)通航環(huán)境評(píng)估，認(rèn)為通航安全等級(jí)為危險(xiǎn)；丁欽（2014）采用云模型對(duì)東北航道通航環(huán)境進(jìn)行研究，將航道分為五段，分別對(duì)通航環(huán)境進(jìn)行了分析；姚義德（2015）利用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)東北航道進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為通航環(huán)境較差。雖然以上研究已對(duì)北極航道的通航環(huán)境進(jìn)行了評(píng)估，但仍存在如下問題和有待改進(jìn)之處：1）研究中普遍缺乏客觀數(shù)據(jù)支撐，基于專家經(jīng)驗(yàn)的定性描述多，評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確度有待提高；2）模型指標(biāo)權(quán)重的確定方式單一，主觀性強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)依賴度高，對(duì)評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確性有影響；3）評(píng)估區(qū)域尺度宏觀寬泛，對(duì)象目標(biāo)較為模糊，難以作為實(shí)時(shí)航行參考。

針對(duì)上述問題，提出了一種主客觀相結(jié)合的指標(biāo)權(quán)重確定新方法——用猶豫層次分析確定主觀權(quán)重，用粗糙集思想確定客觀權(quán)重。在此基礎(chǔ)之上，構(gòu)建了東北航道海峽的自然風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并對(duì)東北航道關(guān)鍵海峽自然環(huán)境危險(xiǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估。

1 北極區(qū)與東北航道海區(qū)概況

東北航道海區(qū)海峽多達(dá)58個(gè)。本文重點(diǎn)選取東北航道6個(gè)關(guān)鍵海峽進(jìn)行研究：德朗海峽、拉普捷夫海峽、桑尼科夫海峽、紅軍海峽、維利基茨基海峽、咯拉海峽。各海峽的地形地貌、氣象水文、海況冰情、航行狀況各有差異（圖1）。德朗海峽在冰情有利的年份，海面僅存在少量浮冰；拉普捷夫海峽冰情復(fù)雜，通常8、9月份適合通航；桑尼科夫海峽一般7月下旬海冰融化，10月上旬開始重新結(jié)冰；紅軍海峽冰情十分嚴(yán)重，通航情況惡劣；維利基茨基海峽是一深水海峽，冰情復(fù)雜，一般9月中旬開始結(jié)冰。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

海冰密集度、海平面風(fēng)速、海表面溫度采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心網(wǎng)格點(diǎn)為0.125o的月平均資料。能見度數(shù)據(jù)來自美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局。水深數(shù)據(jù)采用美國(guó)地球物理中心發(fā)布的ETOPO1高程數(shù)據(jù)。東北航道船舶航運(yùn)相關(guān)數(shù)據(jù)來自俄羅斯北方航道信息辦。部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 數(shù)據(jù)來源網(wǎng)址

圖1 東北航道全景及各個(gè)海峽地理位置圖

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)權(quán)重方法確定

東北航道最大的特點(diǎn)是其復(fù)雜多變的海冰密度情況，同一區(qū)域的海冰密度甚至?xí)谝惶熘畠?nèi)急劇變化，航道地理環(huán)境和氣象條件等復(fù)雜多變且資料匱乏，開通時(shí)間短，航行經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏對(duì)其自然地理環(huán)境的充分認(rèn)識(shí)，以上因素又相互影響，使得決策人員對(duì)指標(biāo)權(quán)重確定過程中，由于知識(shí)儲(chǔ)備、科學(xué)素養(yǎng)、專業(yè)能力等方面不足，無法發(fā)揮主觀賦權(quán)法的優(yōu)勢(shì)。

客觀賦權(quán)法雖然從數(shù)據(jù)本身出發(fā)，但通常無法考慮不同指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度。一方面，東北航道經(jīng)向跨度巨大，不同海峽自然環(huán)境不盡相同，同一指標(biāo)可能對(duì)不同海峽影響程度不同；另一方面，一些指標(biāo)對(duì)航行影響不大，若賦權(quán)較大，則評(píng)估失去意義。

本文為解決東北航道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，主客觀兩種權(quán)重確定方式固有缺陷，針對(duì)客觀與主觀賦權(quán)兩種方法各自的優(yōu)劣，引入粗糙集理論，與猶豫層次分析相結(jié)合的主、客觀相結(jié)合的權(quán)重確定方法，以實(shí)現(xiàn)二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)而更為客觀、合理地確定權(quán)重。

2.3 粗糙集理論

波蘭數(shù)學(xué)家Z.Pawlak（1982）提出了一種處理不完整和不精確知識(shí)的數(shù)據(jù)分析理論，該理論的核心概念是一個(gè)等價(jià)關(guān)系，其所處理的屬性值可為定量值，也可以是定性的。該理論稱為粗糙集理論（Rough set）。通過粗糙集的等價(jià)關(guān)系對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，并依次確定各因素的權(quán)重是一個(gè)可行的方法。

2.4 模糊層次分析法

模糊層次分析法具有判斷矩陣的模糊性和計(jì)算的簡(jiǎn)潔性的特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)層次分析法標(biāo)度繁瑣、判斷矩陣一致性難以達(dá)標(biāo)的不足，通過構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型而后建立優(yōu)先關(guān)系矩陣，并通過優(yōu)先關(guān)系矩陣計(jì)算模糊一致矩陣，通過選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行層次單排序，將單排序計(jì)算出來的優(yōu)屬度進(jìn)行層次總排序后，經(jīng)過計(jì)算得到結(jié)果，將得到的結(jié)果進(jìn)行比較，選出最優(yōu)結(jié)果，即完成模糊層次分析法的優(yōu)選過程（徐澤水，2002）。

2.5 基于組合權(quán)重的評(píng)價(jià)公式確定

棕oi和棕si分別是屬性Xi主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，棕i為兩者的組合權(quán)重。其中

采用線形加權(quán)組合法來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，即：

線性加權(quán)組合法關(guān)鍵是確定主、客觀權(quán)重的偏好系數(shù)μ。結(jié)合北極航道氣象資料匱乏的現(xiàn)狀，采用0.618標(biāo)度法（程愛寶等，2011），認(rèn)為主觀賦權(quán)法稍微重要，取μ=0.618。

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估建模

3.1 風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的確定對(duì)評(píng)估結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、穩(wěn)定性、可信性有重要影響。

北極地區(qū)航行中，可能會(huì)對(duì)航行造成影響的氣象要素包括大風(fēng)、大霧、降水等；地理要素包括航道深度、暗礁數(shù)量以及分布、航道寬度等；海況包括海冰密集度、海冰厚度、海冰移動(dòng)速度等；人員設(shè)備要素包括船員經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備先進(jìn)度等。

實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，受限于指標(biāo)資料的可獲取性，指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響重要程度以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法自身局限性這3個(gè)因素影響，不可能建立一個(gè)包含所有指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，因此要結(jié)合上述3方面合理篩選指標(biāo)。

基于以上討論及結(jié)合前人研究成果（解國(guó)強(qiáng)，2014；魏立新，2008；張繼民等，2012；劉志國(guó)等，2015），分析不同指標(biāo)對(duì)海峽風(fēng)險(xiǎn)影響程度，確定東北航道自然風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，分為目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B、一級(jí)指標(biāo)層C及判別層D，如表2所示。

表2 東北航道海峽風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

3.2 指標(biāo)定義和處理

不同指標(biāo)量綱不同，進(jìn)行指標(biāo)融合之前，必須將各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)換為0到1內(nèi)的無量綱值。海冰密度：

I憶為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值，I為原始值，Imin為最小值0，Imax最大值1。

溫度：

t為評(píng)估單元原始溫度值，tmin為研究區(qū)域該指標(biāo)最小值-15.34益。

能見度：

V為評(píng)估單元年的月平均能見度，V0為低能見度參考值。依據(jù)國(guó)際霧級(jí)規(guī)定，將V0取為4 000 m。V>4 000 m為高能見度，風(fēng)險(xiǎn)度為0；V≤4 000 m為低能見度，值越小，風(fēng)險(xiǎn)度越高。

大風(fēng)強(qiáng)度：

從能量學(xué)角度出發(fā)，評(píng)估單元內(nèi)風(fēng)的強(qiáng)度由風(fēng)速大小決定，W憶為大風(fēng)強(qiáng)度指標(biāo)，W為評(píng)估單元內(nèi)年平均風(fēng)速，Wmin為大風(fēng)最低標(biāo)準(zhǔn)值，依據(jù)蒲福風(fēng)力等級(jí)表，大風(fēng)最低標(biāo)準(zhǔn)值為10.8 m/s。

無冰及輕冰天數(shù)：

定義為評(píng)估單元月海冰密集度小于50%的總天數(shù)，記為d，d越大，致險(xiǎn)度越低。mon為單位月份總天數(shù)，取28、29、30或31。

航道寬度：

指航道兩側(cè)海岸距離，即航道寬度。K1取50 km。航道寬度大于50 km時(shí)，無風(fēng)險(xiǎn)；航道寬度小于50 km時(shí)，寬度越小，致險(xiǎn)度越高。

航道水深：

航道越淺，船舶發(fā)生擱淺、觸礁等的可能性越大。dep為水深絕對(duì)值，參考值K2取50 m。水深超過50 m，致險(xiǎn)度為0。

船員素質(zhì)：

根據(jù)北方航道信息管理辦公室提供的2011-2015年通航數(shù)據(jù)對(duì)船員素質(zhì)進(jìn)行提取。采用評(píng)定打分法，認(rèn)為5年內(nèi)航行次數(shù)越多，船員經(jīng)驗(yàn)越豐富。c1為評(píng)價(jià)單元所在國(guó)通航次數(shù)，c為五年內(nèi)東北航道總航行次數(shù)，c=198。

船舶航行時(shí)間：指航行天數(shù)，天數(shù)越長(zhǎng)，危險(xiǎn)性越大，其中五年最長(zhǎng)航行時(shí)間為43天，最短航行時(shí)間為5天，指標(biāo)量化方案同上。

船舶運(yùn)載量：指貨物重量，不同類型船舶對(duì)風(fēng)險(xiǎn)抵抗能力不同，船舶噸位越大，其抗風(fēng)能力、耐波性等均相對(duì)較好，敏感性越低，指標(biāo)量化方案同上。

船舶抗冰能力：

反映船舶航行受海冰影響程度。破冰能力越強(qiáng)，受致險(xiǎn)因子影響越小，r為破冰船等級(jí)。

3.3 基于粗糙集和猶豫層次分析的權(quán)重確定

（1）數(shù)據(jù)離散化處理和指標(biāo)權(quán)重初步確定海洋環(huán)境危險(xiǎn)性指標(biāo)使用主客觀結(jié)合的方法確定權(quán)重，其他各級(jí)指標(biāo)權(quán)重確定采用猶豫層次分析法。將海洋環(huán)境危險(xiǎn)性指標(biāo)等級(jí)劃分為“低”、“中”和“高”，并分別賦值為1、2、3。海洋環(huán)境危險(xiǎn)性指標(biāo)初步權(quán)重的確定采用猶豫層次分析法，邀請(qǐng)了5位相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜掖蚍植⒐餐逃懘_定權(quán)重。各指標(biāo)等級(jí)劃分、評(píng)分規(guī)則和權(quán)重分別見表3、表4、表5。

表3 評(píng)分規(guī)則表

表4 基于猶豫層次分析法的權(quán)重確定表

表5 基于猶豫層次分析法的權(quán)重確定表

（2）基于粗糙集的權(quán)重計(jì)算選取東北航道6個(gè)關(guān)鍵海峽2000-2014年7、8、9、10四個(gè)月的月平均氣象及海況數(shù)據(jù)，以單位海峽的單位月內(nèi)海洋環(huán)境危險(xiǎn)性下5個(gè)指標(biāo)為一個(gè)單位樣本，剔除因缺測(cè)造成的單位樣本不完整的樣本，共生成252個(gè)有效樣本，利用粗糙集計(jì)算海洋環(huán)境危險(xiǎn)性下各指標(biāo)權(quán)重。

Step1定義1：稱S=（U，A，V，f）是一個(gè)信息系統(tǒng)。U表示非空對(duì)象集，即論域；A表示屬性的非空有限集，A=C胰D，C疑D屹覬，C稱為條件屬性集，D稱為決策屬性集；V是屬性值域；f是U和A的關(guān)系集。若D=覬，則稱信息系統(tǒng)S為數(shù)據(jù)表，否則稱為決策信息系統(tǒng)或簡(jiǎn)稱決策表。

以海洋環(huán)境危險(xiǎn)性下的指標(biāo)為條件屬性，海洋環(huán)境危險(xiǎn)性為決策屬性構(gòu)建決策表，其中論域U={1，2，3，……，252}，條件屬性集C={C1，C2，C3，C4，C5}，決策屬性集D=syggg00，其中：C1為海冰密度，C2為溫度，C3為風(fēng)速，C4為能見度，C5為無冰以及輕冰天數(shù)，d為采用猶豫層次分析法初步評(píng)價(jià)得到的海洋環(huán)境危險(xiǎn)性等級(jí)。將數(shù)據(jù)離散化處理和屬性值約簡(jiǎn)，刪除屬性值相同的樣點(diǎn)，得到簡(jiǎn)化的決策表（附表1）。

Step2定義2：設(shè)R是U上的等價(jià)關(guān)系，記為：

U/IND（R）稱為U的劃分，其中的任意元素稱為等價(jià)類。

對(duì)附表1數(shù)據(jù)論域分別按條件屬性和決策屬性進(jìn)行分類（附表2）。

Step3定義3：若IND（R）=IND（R-{r}），稱r在R中是可被約去的知識(shí)；若P=R-{r}是獨(dú)立的，則P是R的一個(gè)知識(shí)約簡(jiǎn)。所謂知識(shí)約簡(jiǎn)，就是保持知識(shí)庫分類能力不變的條件下，刪除其中不相關(guān)或不重要知識(shí)。

分別去掉附表2中一個(gè)條件屬性后得到論域分類（附表3）。

Step4定義4：為了定義知識(shí)的近似程度，引用兩個(gè)精確集概念——下近似集和上近似集：

計(jì)算得到各條件屬性下的決策屬性的正域（附表4）

Step5定義5：令P和Q分別為條件屬性C和決策屬性D的一個(gè)子集，則決策表的近似度酌P（Q）可以表示為：

式中，|U|和|POSP（Q）|分別表示各自的基，即所含元素的個(gè)數(shù)。

計(jì)算得到各條件屬性集關(guān)于決策屬性的近似精度（附表5）

屬性子集Ci哿C關(guān)于D的重要度SigD（Ci）可以定義為：

分析每條屬性關(guān)于決策屬性的重要性（附表6）

歸一化處理得到海冰密度、溫度、風(fēng)速和能見度以及無冰天數(shù)的權(quán)重為0.295、0.262、0.131、0.196、0.115。

將所得的主客觀權(quán)重代入式（16），可計(jì)算得到東北航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因子的組合權(quán)重（表6）。

表6 自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因子的組合權(quán)重

4 仿真與實(shí)驗(yàn)評(píng)估

采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)法（Davidsonetal，2001），公式：

各指標(biāo)的合成采用加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法（WCA）（張繼權(quán)等，1994），公式：

其中，式中Cj表示因子j（脆弱性或防范能力）的計(jì)算值；Xi是對(duì)應(yīng)于因子j的指標(biāo)i的標(biāo)準(zhǔn)化值；Wi是指標(biāo)i的權(quán)重；n是對(duì)應(yīng)于因子j的指標(biāo)個(gè)數(shù)。

4.1 研究區(qū)的危險(xiǎn)度分析

結(jié)合指標(biāo)特點(diǎn)及航行所需氣象條件最低標(biāo)準(zhǔn)，自然環(huán)境危險(xiǎn)性大于0.4時(shí)，海峽不可通過；自然環(huán)境危險(xiǎn)性大于0.2且小于0.4時(shí)，通過海峽困難；自然環(huán)境危險(xiǎn)性小于0.2時(shí)，海峽通過無困難。

利用公式（18）分別計(jì)算維利基茨基海峽、德朗海峽、紅軍海峽研究年份內(nèi)各月自然環(huán)境危險(xiǎn)性及月平均自然環(huán)境危險(xiǎn)性，得圖2、圖3、圖4、圖5，圖中彩色實(shí)線為風(fēng)險(xiǎn)度曲線，點(diǎn)劃線為線性趨勢(shì)，短劃線為風(fēng)險(xiǎn)界限線。結(jié)合前人研究成果（梁建茵等，1999），對(duì)所得結(jié)果利用線性傾向的最小二乘法來估計(jì)風(fēng)險(xiǎn)度變化趨勢(shì)，并用相關(guān)系數(shù)做顯著性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果如表7所示。

圖2 維利基茨基海峽風(fēng)險(xiǎn)度曲線圖

圖3 得朗海峽風(fēng)險(xiǎn)度曲線圖

圖4 紅軍海峽風(fēng)險(xiǎn)度曲線圖

圖5 海峽開通月份平均風(fēng)險(xiǎn)度

表7 各海峽月平均風(fēng)險(xiǎn)度回歸系數(shù)b和相關(guān)系數(shù)R2

總體來看，3個(gè)海峽的自然環(huán)境危險(xiǎn)性呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。由圖2知，維利基茨基海峽7、8月份的風(fēng)險(xiǎn)度整體低于9、10月份，分析圖中風(fēng)險(xiǎn)界限線，維利基茨基海峽自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)偏高，大多數(shù)情況下通航困難，但未出現(xiàn)無法通航情況；由圖3知，德朗海峽在8、9月份的整體風(fēng)險(xiǎn)度要低于7、10月份，分析圖中風(fēng)險(xiǎn)界限線，得朗海峽統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)，有一半多以上時(shí)間通航無困難，通航情況較好。維利基茨基海峽與德朗海峽較低風(fēng)險(xiǎn)月份不同可能是由于海冰消融起始月份以及重新結(jié)冰時(shí)間不同。由圖4知，紅軍海峽各月整體風(fēng)險(xiǎn)均較高，基本無法通航，原因可能是由于其自然環(huán)境惡劣，能見度低、航道窄、深度淺，夏季海面上漂浮大量浮冰難以流散，并產(chǎn)生蒸汽霧等。

由圖5中開通月份3個(gè)海峽的平均風(fēng)險(xiǎn)度知，紅軍海峽自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于其他兩個(gè)海峽，通航危險(xiǎn)性很大，基本不適合通航，維利基茨基海峽自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)略大于德朗海峽。

由表6所計(jì)算的回歸系數(shù)可以看出，3個(gè)海峽的自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。通過對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，3個(gè)海峽的風(fēng)險(xiǎn)度下降趨勢(shì)在琢=0.05顯著水平上是顯著的。

4.2 案例分析

2013年永盛號(hào)航行東北航道，其破冰等級(jí)為ARC4，總重12 716 mt（噸），航行時(shí)間27天，實(shí)際航行路線如圖6中的黑色虛線段。

計(jì)算2013年8月份6個(gè)關(guān)鍵海峽風(fēng)險(xiǎn)度，模擬通航路線，與實(shí)際航線進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證評(píng)估模型準(zhǔn)確性。計(jì)算所得風(fēng)險(xiǎn)度見表8。

圖6 永盛號(hào)航行路線及模擬航線

表8 不同海峽風(fēng)險(xiǎn)度

參考表7進(jìn)行航線模擬，模擬航線為德朗海峽-桑尼科夫海峽-維利基茨基海峽，模擬航線見圖6中的黑色實(shí)線段。實(shí)際航行過程中，永盛號(hào)從德朗海峽離開后沒有選擇桑尼科夫海峽，而是選擇從新西伯利亞群島北部通過，計(jì)算得該區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)度為0.142，低于桑尼科夫海峽以及拉普捷夫海峽。永盛號(hào)選擇新西伯利亞群島北部水域航行是因?yàn)槎砹_斯引航員確認(rèn)新西伯利亞群島北部水域無冰，適宜航行，因此更改了航行線路。

經(jīng)對(duì)比可以得出，永盛號(hào)實(shí)際選擇通航路線與模擬路線相比較為吻合，表明模型對(duì)實(shí)際航行線路的選擇具有較大的參考意義。

5 結(jié)論與討論

在全球氣候變暖的大背景以及傳統(tǒng)航線日趨飽和、海盜猖獗、地緣政治環(huán)境惡劣等因素的影響下，東北航道的開通意義重大。其通航環(huán)境的研究可能會(huì)對(duì)國(guó)家東北航道戰(zhàn)略布局有參考意義。本文建立東北航道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，采用主客觀賦權(quán)法相結(jié)合的方式，計(jì)算海峽風(fēng)險(xiǎn)度，得到如下結(jié)論：

（1）權(quán)重計(jì)算結(jié)果表明，影響東北航道海峽自然環(huán)境危險(xiǎn)度的主要因素從大到小依次為海冰密度、溫度、風(fēng)速、能見度、無冰天數(shù)。權(quán)重排序結(jié)果與實(shí)際自然環(huán)境因素對(duì)航行安全性影響大小排序較吻合，為科學(xué)合理的確定海峽綜合危險(xiǎn)提供一定的依據(jù)。將猶豫層次分析法和粗糙集理論確定的航道海峽自然環(huán)境指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行合理的組合將會(huì)集客觀數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)為一體，為科學(xué)合理的海峽自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

（2）自然環(huán)境危險(xiǎn)性計(jì)算結(jié)果表明，海峽自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)呈下降趨勢(shì)，有利于東北航道的全面通航。

（3）分析計(jì)算6個(gè)關(guān)鍵海峽的風(fēng)險(xiǎn)度，模擬航行路線，與永盛號(hào)實(shí)際航行路線作對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性，表明該模型可以為實(shí)際航線選擇提供決策輔助功能。

結(jié)合上述結(jié)論，模型模擬結(jié)果顯示東北航道自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)確實(shí)呈降低趨勢(shì)，這一結(jié)論可以作為東北航道全線開通的一個(gè)有力支撐。船舶航行過程中航線選擇很大程度上依賴于引航員的航行經(jīng)驗(yàn)，若引航員經(jīng)驗(yàn)不足，可能會(huì)導(dǎo)致選擇錯(cuò)誤的航行路線，增加航行風(fēng)險(xiǎn)。因此，模型對(duì)不同海峽風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估結(jié)果可以作為航線選擇的決策支撐，船舶決策人員可以將評(píng)估結(jié)果作為決策輔助參考，從而更加科學(xué)、合理的確定航線。

本文所建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型需要在今后的工作中進(jìn)一步完善。第一，除了要科學(xué)、合理的確定指標(biāo)權(quán)重，底層指標(biāo)也要慎重選擇，指標(biāo)選擇的合理與否，直接影響評(píng)估結(jié)果的合理性，本文中指標(biāo)的選擇主要參考前人研究成果，主觀性較強(qiáng)，下一步工作需要建立更加客觀的指標(biāo)體系，提高模型精度。第二，東北航道跨度大、地理環(huán)境復(fù)雜，使用單一的評(píng)估模型對(duì)整個(gè)航道進(jìn)行評(píng)估依然有缺陷，針對(duì)航道不同的地理、氣候環(huán)境，應(yīng)建立不同的指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)區(qū)域化評(píng)估，提高評(píng)估準(zhǔn)確性。

附表1決策表

附表2

附表3

附表4

附表5

附表6

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Risk assessment of the Northeast Passage of Arctic based on Rough set theory and Hesitate Analytic Hierarchy Process

WANG Zhe1,GE Shan-shan1,ZHANG Ren1,2,QIAN Long-xia1,YANG Meng-qian1,XU Gan3

(1.College of Meteorology and Oceanography,National University of Devense Technology,Nanjing 211101,China;2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China;3.East China Sea Fleet Oceanography and Meteorology Center,Ningbo 315000,China)

Using risk analysis theory and method,taking the six key straits of Arctic Northeast Passage as research targets,risk assessment system was constructed;Introduced H-AHP to determine the index of subjective weight,and the Rough set theory to determine the objective weights,integrated the two to obtain the combining weights.Using the combination of weights,quantitative assessment of the risks of natural disasters of crucial straits,temporal and spatial analysis of characteristics of the Northeast Passage natural environmental risks were develpoed,an optimum route was simulated and compared with the sailing line of Insein in the same period The results show:(1)From 2000 to 2014,three key straits'natural environmental risks showed a decreasing trend,the largest is the Red Army Strait;(2)Comparison of different Strait risk indicate that the De Long Strait is at the lowest risk,followed by theVilkitsky Strait Both of the two straits are Suitable for navigation.The Red Army Strait is at the highest risk,and not suitable for navigation.(3)The simulation route agrees well with the actual route,providing reference for choices of the actual route.

Hesitation Analytic Hierarchy Process;Rough Set theory;combining weights;Northeast Passage

P741

A

1001原6932（圓園17）05原園512原09

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.05.005

2011-07-01；

2016-08-29

王哲（1993-），碩士研究生，從事海洋安全戰(zhàn)略研究。電子郵箱：376657030@qq.com。

張韌，教授，博士生導(dǎo)師。電子郵箱：zrpaper@163.com。

（本文編輯：袁澤軼）