江福才+王晨+張帆+馬全黨+鄒紅兵

DOI：10.13340/j.jsmu.2017.03.006

文章編號：1672-9498（2017）03003106

摘要：為對不同類型的水上交通風(fēng)險對象進行準確而高效的評價，綜合考慮現(xiàn)有風(fēng)險評價方法及軟件的優(yōu)劣，基于熵權(quán)TOPSIS模型，開發(fā)一種水上交通風(fēng)險評價軟件。通過分析風(fēng)險評價軟件設(shè)計需求，對軟件功能進行總體設(shè)計和詳細設(shè)計，將軟件分為數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)計算和數(shù)據(jù)輸出3個模塊。數(shù)據(jù)處理程序由Visual C++6.0語言實現(xiàn)，軟件界面通過MFC框架設(shè)計。為驗證軟件的基本功能和評價結(jié)果的有效性，對軟件進行集成測試和驗收測試。結(jié)果表明，基于熵權(quán)TOPSIS模型的水上交通風(fēng)險評價軟件功能正常、操作簡便、準確性好，具有較強的實用性。

關(guān)鍵詞：

水上交通； 風(fēng)險評價； 熵權(quán)； TOPSIS； 軟件設(shè)計

中圖分類號： U698.6

文獻標(biāo)志碼： A

Risk evaluation software design for waterway transportation

based on entropyweight TOPSIS model

JIANG Fucai， WANG Chen， ZHANG Fan， MA Quandang， ZOU Hongbing

（

a. School of Navigation； b. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology， Wuhan

University of Technology， Wuhan 430063， China）

Abstract：

To evaluate the risk of different objects in waterway transportation area， considering the advantages and disadvantages of the existing risk evaluation methods and softwares comprehensively， the risk evaluation software based on entropyweight TOPSIS model is developed. By analyzing the design demand of risk evaluation software， the overall design and detailed design of the software function are given， and the system of software consists of three modules， data input， data calculation and data output. The data handling program is realized by Visual C++ 6.0 language and the software interface is designed with the help of MFC framework. To verify the basic function and the evaluation result of the software， the integration testing and acceptance test are implemented. The result shows that the risk evaluation software for waterway transportation based on entropyweight TOPSIS model is of normal function， simple operation， high accuracy and strong practicability.

Key words：

waterway transportation； risk evaluation； entropyweight； TOPSIS； software design

0引言

隨著海上和內(nèi)河航運業(yè)的迅速發(fā)展，港口水工建筑物的數(shù)量不斷增加。這在促進港口經(jīng)濟發(fā)展的同時，也對水上交通安全帶來一定的影響。因此，科學(xué)地分析水上交通形勢以及水工建筑物建設(shè)對水域通航環(huán)境的影響，進而有針對性地采取風(fēng)險緩解措施，是當(dāng)前水上交通安全領(lǐng)域亟待解決的問題。

根據(jù)交通運輸部《中華人民共和國水上水下活動通航安全管理規(guī)定》（交通運輸部令2016年第69號）[1]規(guī)定，水工建筑物建設(shè)或者水上水下活動對通航安全可能造成重大影響，建設(shè)單位或主辦單位應(yīng)當(dāng)在申請海事管理機構(gòu)水上水下活動許可之前進行通航安全評估。

水上交通風(fēng)險評價是通航安全評估的重要組成部分。風(fēng)險評價方法可分為定性評價方法、定量評價方法和綜合評價方法，其中定性評價方法主要有專家調(diào)查法、核對表法、SWOT分析等，定量評價方法主要有概率評價法、數(shù)學(xué)模型評價法、安全指數(shù)評價法等，綜合評價方法主要有綜合安全評價、模糊綜合評價、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

1軟件設(shè)計需求分析

隨著計算機及信息化技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者進行了風(fēng)險評價軟件的研究和設(shè)計，但軟件的設(shè)計多基于綜合評價方法，評價效率不高，如：吳宗之[2]簡要介紹了國外風(fēng)險評價軟件的主要類型及SAFETI，WHAZAN，EFFECTS，RISKCURVES等軟件的特點和應(yīng)用情況，提出了在風(fēng)險評價軟件設(shè)計中要加強人的可靠性數(shù)據(jù)庫、元件失效數(shù)據(jù)庫以及事故后果模型研究的建議；吳炎等[34]分別基于層次分析法和模糊綜合評價方法，開發(fā)了AHP評價軟件和FCE評價軟件，并以風(fēng)險投資項目決策和企業(yè)質(zhì)量經(jīng)濟效益評價為例，對軟件進行了驗證；寧航宇[5]結(jié)合國內(nèi)外安全評價項目管理軟件和計算機自動安全評價軟件的優(yōu)勢，基于HAZOP模型，配合各類輔助分析工具，設(shè)計了一種風(fēng)險評價平臺。endprint

有關(guān)水上交通風(fēng)險評價軟件設(shè)計的研究相對較少，且多處于理論階段，普適性和可移植性較差，如：嚴新平等[6]在系統(tǒng)分析風(fēng)險評價軟件的基礎(chǔ)上，借鑒各軟件的優(yōu)點，進行了海事風(fēng)險評價軟件的核心功能框架設(shè)計，并通過案例說明了軟件的預(yù)期功能；郭彥斌[7]為分析受限水域平臺拖帶通航風(fēng)險，基于云模型構(gòu)建了受限水域鉆井平臺拖帶作業(yè)風(fēng)險評價模型，并利用 MATLAB 編制了風(fēng)險評價軟件；楊冬偉[8]在郵船進出海港通航安全風(fēng)險評價研究中，分別建立了郵船航行通航寬度計算模型、富余水深計算模型和風(fēng)險評價模型，并通過MATLAB進行了軟件設(shè)計。

考慮到風(fēng)險評價的準確性和高效性，本文在現(xiàn)有評價軟件的基礎(chǔ)上，分析各類評價方法的優(yōu)劣，擬基于逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution， TOPSIS）理論，采用熵權(quán)法確定評價對象指標(biāo)權(quán)重，開發(fā)基于熵權(quán)TOPSIS模型的風(fēng)險評價軟件，用于水上水下活動通航安全風(fēng)險評價，為船舶航行安全和海事部門管理決策提供理論參考與支持。

風(fēng)險評價軟件通過Visual C++6.0語言編程實現(xiàn)，軟件界面通過MFC框架設(shè)計，在Windows系統(tǒng)上運行。熵權(quán)TOPSIS模型較為簡單，且主要基于數(shù)據(jù)處理進行風(fēng)險評價，而C++語言是面向?qū)ο缶幊痰闹髁髡Z言，運行效率較高，可有效完成軟件的設(shè)計與開發(fā)工作。

2軟件功能設(shè)計

2.1總體設(shè)計

風(fēng)險評價軟件包括數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)計算模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊等3部分，可對包括航道、碼頭等水工建筑物建設(shè)和平臺拖航、船舶引航等水上交通行為在內(nèi)的各類水上水下活動進行評價。使用者根據(jù)評價對象的類型，選擇相應(yīng)的可以正確反映出待評價對象風(fēng)險特征的指標(biāo)建立指標(biāo)體系，并將指標(biāo)量化值輸入軟件，即可得到待評價對象風(fēng)險的大小。根據(jù)風(fēng)險評價結(jié)果，可提出相應(yīng)的緩解措施，降低風(fēng)險程度。風(fēng)險評價軟件應(yīng)用流程見圖1。

2.2詳細設(shè)計

2.2.1數(shù)據(jù)輸入模塊

數(shù)據(jù)輸入模塊為軟件輸入面板，見圖2。輸入模塊主體為評價對象指標(biāo)值輸入?yún)^(qū)域，綜合考慮軟件各種使用模式，軟件擬設(shè)計A，B，C，D，E，F(xiàn)共6個評價對象，可同時對至多6個對象進行相對風(fēng)險評價，并能對1個對象進行絕對風(fēng)險評價；每個評價對象設(shè)置20個評價指標(biāo)，可建立至多20個指標(biāo)的風(fēng)險評價指標(biāo)體系。

在評價之前，首先根據(jù)需要確定評價對象類型，并建立能切實反映評價對象風(fēng)險特征的指標(biāo)體系。其次，選擇評價對象并確定評價對象指標(biāo)值，將其輸入軟件。對于正向風(fēng)險指標(biāo)，即數(shù)值越大風(fēng)險越大

的指標(biāo)，按數(shù)據(jù)原值進行輸入；對于反向風(fēng)險指標(biāo)，即數(shù)值越小風(fēng)險越大的指標(biāo)，按數(shù)值相反數(shù)輸入。

此外，軟件輸入面板擬設(shè)計3組功能按鈕，“計算”按鈕、“初始化”按鈕和“評價對象”按鈕。“計算”按鈕用于進行數(shù)據(jù)檢測及數(shù)據(jù)計算，“初始化”按鈕用于清除評價對象指標(biāo)值輸入?yún)^(qū)域的所有數(shù)據(jù)，“評價對象”按鈕用于清除某個評價對象指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.2.2數(shù)據(jù)計算模塊

數(shù)據(jù)計算模塊主要進行數(shù)據(jù)檢測及數(shù)據(jù)計算，通過功能按鈕“計算”實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)檢測包括3類：①檢測評價對象指標(biāo)值輸入?yún)^(qū)域有無數(shù)據(jù)；②檢測各評價對象輸入指標(biāo)個數(shù)是否相等；③檢測評價對象輸入指標(biāo)值是否為有理實數(shù)。如果數(shù)據(jù)檢測結(jié)果為“否”，則彈出錯誤提示框，并返回軟件輸入面板。

數(shù)據(jù)計算通過熵權(quán)TOPSIS模型實現(xiàn)，求解步驟詳見軟件數(shù)據(jù)處理模型。

2.2.3數(shù)據(jù)輸出模塊

數(shù)據(jù)輸出模塊為軟件輸出面板，見圖3。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入無誤時，點擊軟件輸入面板的“計算”按鈕，就會彈出軟件輸出面板，顯示熵權(quán)TOPSIS模型評價結(jié)果，即各評價對象風(fēng)險貼近度。風(fēng)險貼近度越大說明該評價對象相比于其他評價對象風(fēng)險越大；若某評價對象風(fēng)險貼近度位于某兩個評價對象之間，則說明其風(fēng)險也位于上述兩個評價對象的風(fēng)險之間。

算得結(jié)果后，點擊右上角關(guān)閉按鈕，可關(guān)閉軟件輸出面板。

3軟件數(shù)據(jù)處理模型

TOPSIS是一種通過計算有限個評價對象與理想化目標(biāo)的接近程度并進行排序，以在現(xiàn)有對象中進行相對優(yōu)劣評價的方法。

評價指標(biāo)通過熵權(quán)法確定權(quán)重。按照信息論基本原理的解釋，熵是系統(tǒng)無序程度的一個度量，信息是系統(tǒng)有序程度的一個度量。在風(fēng)險評價的多個對象中，某個對象的某個指標(biāo)信息熵越小，說明該指標(biāo)提供的信息量越大，在綜合評價中所起的作用越大，權(quán)重越高。

熵權(quán)TOPSIS模型求解可分為建立風(fēng)險矩陣、確定指標(biāo)權(quán)重、計算風(fēng)險值等3個步驟[9]。

3.1建立風(fēng)險矩陣

設(shè)有

m個評價對象，n個評價指標(biāo)， xij表示第i個評價對象第j個評價指標(biāo)的取值，可得風(fēng)險判斷矩陣

[WTHX]A[WTBX]=（xij）m×n（1）

評價指標(biāo)一般具有不同的量綱和單位，因此需要對評價指標(biāo)進行量綱歸一化處理，計算公式為

bij=（xij-mini

xij）/（maxi

xij-mini xij）

（2）

在對指標(biāo)進行量綱歸一化之前，需要進行同趨勢化處理，將反向指標(biāo)值按相反數(shù)輸入公式進行計算。經(jīng)過對風(fēng)險判斷矩陣的同趨勢化和量綱歸一化處理后，可得標(biāo)準風(fēng)險判斷矩陣

[WTHX]B[WTBX]=（bij）m×n（3）

3.2確定指標(biāo)權(quán)重

首先定義各評價指標(biāo)的熵。設(shè)

fij=（bij+1）mi=1（bij+1），

i=1，2，…，m； j =1，2，…，n

（4）

可得各評價指標(biāo)的熵為endprint

Hj=-1ln

mmi=1

（fijln fij）

（5）

其次，計算各評價指標(biāo)的熵權(quán)：

ωj=（1-Hj）n-nj=1Hj，nj=1ωj=1

（6）

由此得到權(quán)重向量

[WTHX]W[WTBX]=（ωj）T， j =1，2，…，n

（7）

標(biāo)準風(fēng)險判斷矩陣與權(quán)重向量相乘可得到加權(quán)標(biāo)準風(fēng)險判斷矩陣

[WTHX]R[WTBX]

[WTHX]R[WTBX]=（ωj·bij）m×n

（8）

令rij=ωj·bij，則

[WTHX]R[WTBX]可表示為

[WTHX]R[WTBX]=（rij）m×n（9）

3.3計算風(fēng)險值

設(shè)最

大風(fēng)險集為S*，最小風(fēng)險集為S0，則

S*=（r*jj=1，2，…，n）=

（maxi

rijj=1，2，…，n）

（10）

S0=（r0jj=1，2，…，n）=

（mini

rijj=1，2，…，n）

（11）

各評價對象的指標(biāo)評價值向量與最大風(fēng)險集的距離和最小風(fēng)險集的距離可分別表示為

D*i=nj=1rij-r*jq1/q

（12）

D0i=nj=1rij-r0jq1/q

（13）

式中q可根據(jù)實際問題確定，一般選擇歐氏距離q=2。

最后，計算各評價對象的指標(biāo)評價值向量與最大風(fēng)險集的貼近度Fi，并通過對Fi排序來確定各評價對象風(fēng)險的大小。

Fi=D0i/（D*i+D0i）， i=1，2，…，m

（14）

4軟件測試

軟件設(shè)計完成后需要對軟件進行測試[10]，考慮到本軟件的設(shè)計主要為水上交通風(fēng)險評價服務(wù)，因此軟件測試可分為集成測試和驗收測試。集成測試基于漸增式測試理論，通過白盒測試技術(shù)實現(xiàn)，重點測試軟件的基本功能；驗收測試基于Alpha測試理論，通過黑盒測試技術(shù)實現(xiàn)，主要測試軟件的有效性和實用性。

4.1集成測試

4.1.1功能按鈕測試

打開軟件輸入面板，點擊右上角關(guān)閉按鈕，軟件輸入面板正常關(guān)閉。

隨機輸入若干評價對象、等數(shù)量指標(biāo)值，點擊某“評價對象”按鈕，該對象指標(biāo)數(shù)據(jù)清零；點擊“初始化”按鈕，所有評價對象指標(biāo)數(shù)據(jù)清零。

隨機輸入若干評價對象、等數(shù)量指標(biāo)值，點擊“計算”按鈕，彈出軟件輸出面板，顯示軟件計算結(jié)果。

點擊軟件輸出面板右上角的關(guān)閉按鈕，軟件輸出面板正常關(guān)閉。

4.1.2數(shù)據(jù)檢測測試

①無指標(biāo)數(shù)據(jù)輸入測試。

在軟件輸入面板的評價對象指標(biāo)值輸入?yún)^(qū)域不輸入數(shù)據(jù)時，點擊“計算”按鈕，彈出錯誤提示框，顯示“未檢測到評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，無法進行計算！”。

點擊錯誤提示框的“確認”按鈕，錯誤提示框關(guān)閉，返回軟件輸入面板。

②輸入指標(biāo)個數(shù)不等測試。

在軟件輸入面板的評價對象指標(biāo)值輸入?yún)^(qū)域輸入不等量評價指標(biāo)值時，點擊“計算”按鈕，彈出錯誤提示框，顯示“評價指標(biāo)數(shù)量不等，無法進行計算！”。

點擊錯誤提示框右上角的關(guān)閉按鈕，錯誤提示框關(guān)閉，返回軟件輸入面板。

③輸入指標(biāo)數(shù)據(jù)非有理實數(shù)測試。

在軟件輸入面板的評價對象指標(biāo)值輸入?yún)^(qū)域的數(shù)據(jù)存在非有理實數(shù)時，點擊“計算”按鈕，彈出錯誤提示框，顯示“評價指標(biāo)數(shù)據(jù)存在異常值，無法進行計算！”。

4.2驗收測試

驗收測試也稱為確認測試，主要目的是驗證軟件的有效性。為進行驗收測試，擬從現(xiàn)有水上交通風(fēng)險評價研究文獻中選取評價對象、指標(biāo)體系和指標(biāo)值，針對多個評價對象和單一評價對象的情況，分別使用熵權(quán)TOPSIS模型軟件進行評價，對比原結(jié)果與軟件計算結(jié)果，以對軟件評價結(jié)果的準確性進行測試。

4.2.1多對象評價實例

吳定勇等[11]為確定不同航道的安全程度，建立了定量評價航道水域通航環(huán)境風(fēng)險的熵權(quán)物元模型，并選取5條航道作為實例，進行了評價。本文決定選取該文獻中的評價對象、評價指標(biāo)體系和指標(biāo)值，對熵權(quán)TOPSIS模型軟件進行多對象風(fēng)險評價的準確性驗證。

將待評價對象

A，B，C，D，E的評價指標(biāo)值輸入軟件，其中離航道最近的礙航物與航道的距離C7，導(dǎo)助航設(shè)施完善率C11和VTS覆蓋率C12為反向風(fēng)險指標(biāo)，故輸入時以相反數(shù)輸入；點擊“計算”按鈕，彈出風(fēng)險貼近度計算結(jié)果，見圖4。

航道A，B，C，D，E風(fēng)險貼近度的輸出結(jié)果

分別

為0.462 284，0.640 433，0.329 654，0.455 361，0.314 055，得到5條航道通航風(fēng)險狀況為BADCE，與原文通過熵權(quán)物元模型評價的結(jié)果一致。

4.2.2單對象評價實例

周品江等[12]為確

保LNG碼頭的安全，對影響LNG碼頭安全的因素進行了辨識，建立了評價指標(biāo)體系，通過熵權(quán)云模型處理風(fēng)險評價中評價指標(biāo)的隨機性和模糊性，并減少各評價指標(biāo)權(quán)重分配中主觀因素的影響，最后以海南LNG碼頭為例，進行了實例應(yīng)用。本文選取該文獻中的評價對象、評價標(biāo)準、評價指標(biāo)體系和指標(biāo)值，對熵權(quán)TOPSIS模型軟件進行單對象風(fēng)險評價的準確性驗證。

將風(fēng)險評價等級標(biāo)準中各等級下限值作為虛擬評價對象指標(biāo)值，代表各風(fēng)險等級，與待評價LNG碼頭評價指標(biāo)值一同輸入軟件，由于其指標(biāo)均為反向風(fēng)險指標(biāo)，故輸入時均以相反數(shù)輸入；點擊“計endprint

算”按鈕，彈出風(fēng)險貼近度計算結(jié)果，見圖5。

根據(jù)風(fēng)險貼近度輸出結(jié)果，待評價LNG碼頭風(fēng)險貼近度為0.070 456，處于“比較安全”風(fēng)險等級下限0.116 347與“安全”風(fēng)險等級下限0.012 400

之間，且更偏向于“比較安全”風(fēng)險等級下限，屬“比較安全”，與原文利用熵權(quán)云模型得到的評價結(jié)果一致。

5結(jié)束語

為對水上水下活動的通航安全進行評價，綜合考慮現(xiàn)有風(fēng)險評價方法和軟件的優(yōu)劣，開發(fā)了基于熵權(quán)TOPSIS模型的水上交通風(fēng)險評價軟件。通過分析水上交通風(fēng)險評價軟件需求，對軟件功能進行了設(shè)計，基于Visual C++6.0語言編寫了數(shù)據(jù)處理程序，基于MFC框架設(shè)計了軟件界面，最后對軟件進行了集成測試和驗收測試，驗證了軟件的實用性和準確性。

在軟件中，通過熵權(quán)法確定評價指標(biāo)權(quán)重。熵權(quán)法是風(fēng)險評價領(lǐng)域較為常用的方法，但在實際應(yīng)用中，可能會受異常值干擾。因此，如何在軟件的數(shù)據(jù)處理模型中對權(quán)重的計算方法進行改進，保證評價對象指標(biāo)權(quán)重的精確，是后續(xù)的研究工作之一。

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（編輯賈裙平）endprint