李志榮，朱金善，朱景林，黃 成

(大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

隨著我國(guó)“海運(yùn)強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的推進(jìn)，大型高速船舶的通航密度越來越大，加之海上養(yǎng)殖和漁船的活動(dòng)越來越頻繁等因素的影響，使得通航環(huán)境更加復(fù)雜，同時(shí)也增加了海上安全航行隱患。因此，船舶定線制的作用越來越明顯。根據(jù)國(guó)際海事組織(Intemational Maritime Organization,IMO)發(fā)布的《關(guān)于船舶定線制的一般規(guī)定》，船舶定線制作為一種使船舶在某水域航行應(yīng)遵守的海事管理制度[1]，對(duì)船舶航行安全、海上人命安全、通航效率以及海洋資源利用和保護(hù)等都有著重要的意義。

由于船舶的大型化和航行的快速化、定線制水域內(nèi)船舶交通流量的增大以及海上光污染的加重，船舶定線制水域所面臨的安全問題日益突出，原有的船舶定線制方案實(shí)施后的通航安全亟待評(píng)價(jià)。目前，針對(duì)船舶定線制實(shí)施后水域通航環(huán)境評(píng)估方面已有大量的研究。如崔娟[2]采用時(shí)間序列分析法評(píng)價(jià)了船舶定線制實(shí)施后的安全效果；范中洲[3]采用可拓理論和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立了船舶定線制評(píng)價(jià)模型；黃常海等[4]采用組合賦權(quán)-未確知理論建立了船舶定線制水域航行安全評(píng)價(jià)模型；馮自儉[5]構(gòu)建了基于改進(jìn)層次分析法的船舶定線制模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)珠江口水域船舶定線制實(shí)施后的安全性和有效性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；劉紹滿[6]采用基于人為因素的動(dòng)態(tài)四元船舶領(lǐng)域模型對(duì)船舶定線制的通航能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為航道的擴(kuò)寬提供了技術(shù)支持；孫浩[7]運(yùn)用改進(jìn)的均差法并考慮指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)實(shí)施后的擔(dān)桿水道船舶定線制進(jìn)行了評(píng)估研究；Ulus?u等[8]將進(jìn)程調(diào)度的數(shù)學(xué)模型運(yùn)用于船舶定線制水域，進(jìn)而提高了船舶在該水域的通航效率；Szlapczynski[9]基于進(jìn)化算法研究了船舶定線制實(shí)施后水域船舶的最佳航跡；Jensen等[10]通過對(duì)交通流進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)了分道通航制實(shí)施后水域的船舶通航效率；Pietrzykowski等[11]利用AIS數(shù)據(jù)建立了分道通航制實(shí)施后水域的船舶領(lǐng)域模型。

但上述研究未對(duì)船舶定線制實(shí)施后水域通航環(huán)境變化進(jìn)行有針對(duì)性的研究，尤其是船舶定線制實(shí)施后船舶交叉會(huì)遇局面和航路的變更以及海上光污染的出現(xiàn)等，且在對(duì)船舶定線制水域通航安全進(jìn)行評(píng)價(jià)的過程中，指標(biāo)的主觀因素會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的主觀性過強(qiáng)，影響了決策結(jié)果，而物元法可將物元量值反映到[+∞,-∞]實(shí)軸上以客觀表述評(píng)價(jià)對(duì)象的實(shí)質(zhì)，從而減弱了評(píng)價(jià)結(jié)果的主觀性。因此，本文從船舶定線制實(shí)施后的通航安全評(píng)價(jià)出發(fā)，篩選船舶交叉會(huì)遇局面和航路的變更以及海上光污染的出現(xiàn)等具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，引入AHP-熵值法綜合賦權(quán)法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，以克服因主觀性過強(qiáng)而導(dǎo)致客觀信息丟失的不足，同時(shí)還不丟失決策者的主觀信息，并基于物元法綜合評(píng)價(jià)各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)船舶定線制水域通航安全的影響程度，通過關(guān)聯(lián)度計(jì)算安全性綜合評(píng)價(jià)等級(jí)，從而得到更加客觀且準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)模型的建立

1.1 船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

船舶定線制水域通航環(huán)境是“人-船-環(huán)境-管理”構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各因素相互影響和制約。隨著船舶的大型化和航行的快速化、定線制水域內(nèi)船舶密度的增大以及定線制水域沿岸背景光的增強(qiáng)等，導(dǎo)致定線制水域內(nèi)影響船舶航行安全的危險(xiǎn)源增加且更加復(fù)雜。為了更好地評(píng)價(jià)定線制實(shí)施后各影響因素對(duì)船舶航行安全的影響程度，參考有關(guān)船舶定線制、船舶定線制后評(píng)價(jià)以及船舶航行安全評(píng)價(jià)方面取得的研究成果[2-7,12-14]，遵循“代表性、可操作性、科學(xué)性”的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建原則，并結(jié)合船舶定線制的一般規(guī)定，以對(duì)船舶航行安全為評(píng)價(jià)目標(biāo)，將各個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)分為5個(gè)等級(jí)，分別為非常危險(xiǎn)、較危險(xiǎn)、一般安全、較安全、非常安全，依次對(duì)應(yīng)I～V級(jí)，最終構(gòu)建了船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和各指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)閾值，詳見表1。

表1 船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和各指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)閾值

1.2 基于AHP-熵值法的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)水域，每個(gè)水域有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，組成原始的數(shù)據(jù)矩陣X[15]:

(1)

式中:xij為第i個(gè)評(píng)價(jià)水域第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)值。

(2)

式中:ej≥0;k=lnm,k>0。

根據(jù)公式(2)求得每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值權(quán)重為

(3)

式中:gj為第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的差異性系數(shù)，gj=1-ej。

由于通過熵值法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí)缺乏主觀性，因此可利用層次分析法(AHP)來修正熵值法的該缺點(diǎn)，同時(shí)也優(yōu)化了AHP法在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重時(shí)存在主觀性較強(qiáng)的問題。因此，本文采用加法集成原理利用AHP-熵值法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合賦權(quán):

W=aWs+bWo

(4)

1.3 基于物元法的船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)模型的建立

物元法是分析在特定條件下無法達(dá)到理想效果的某些不相容問題的一種方法。該方法根據(jù)某元素的特征值大小判斷所屬某集合的影響程度，并通過關(guān)聯(lián)函數(shù)的大小衡量元素和集合間的關(guān)系。

設(shè)對(duì)象為N，特征為c，量值為x，則它們可構(gòu)成的有序三元組M=(N,c,x)作為描述事物的基本元，簡(jiǎn)稱一維物元，N、c、x稱為物元M的三元素。若對(duì)象N有n(n>1)個(gè)特征，n個(gè)特征Cn=[c1,c2,…,cn]及其對(duì)應(yīng)描述的量值Xn=[x1,x2,…,xn]，則稱n維物元，構(gòu)成的矩陣為

(5)

1.3.1 構(gòu)建經(jīng)典域物元矩陣

船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)的經(jīng)典域物元矩陣Mab為

(6)

式中：Nj為船舶定線制實(shí)施后對(duì)應(yīng)船舶通航安全的評(píng)價(jià)等級(jí)(j=1，2，…，5)；Ci為評(píng)價(jià)船舶定線制后通航安全所構(gòu)建的6個(gè)特征指標(biāo)，分別為船舶密度、船舶會(huì)遇交叉局面、航路變更、漁船航行、障礙物和附近水域或沿岸背景燈光亮度；Xji分別為各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)Nj所對(duì)應(yīng)關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci的量值范圍〈aji,bji〉，即為經(jīng)典域。

1.3.2 構(gòu)建節(jié)域物元模型

物元節(jié)域?yàn)樗_定的評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠滿足的基本要求，包括標(biāo)準(zhǔn)和可轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的事物。船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)的節(jié)域物元矩陣Mp為

(7)

式中：P為船舶定線制水域通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)的全體；xpi為船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)P關(guān)于其全體特征指標(biāo)Ci的量值范圍，即節(jié)域〈api,bpi〉，其取值為船舶定線制實(shí)施后水域通航安全不同評(píng)價(jià)等級(jí)的量值范圍。

1.3.3 構(gòu)建待評(píng)物元模型

(8)

式中：Xi為船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)P關(guān)于其評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci的量值范圍，即為待評(píng)船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)所得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的指數(shù)。

1.3.4 關(guān)聯(lián)度的計(jì)算

船舶定線制實(shí)施后水域通航安全性對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式[16]為

Kj(xi)=ρ(xi,xji)/D(xi,xji,xpi)

(9)

其中：

(i=1,2,…,n)

確定船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)度時(shí)，由于不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重大小不同可得到不同的關(guān)聯(lián)度，則綜合關(guān)聯(lián)度為

(10)

式中：Kj(P0)為待評(píng)船舶定線制水域P0相對(duì)于船舶通行安全評(píng)價(jià)等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度；wi為評(píng)價(jià)指標(biāo)Ci的權(quán)重分配系數(shù)。

1.3.5 確定評(píng)價(jià)等級(jí)

在確定待評(píng)船舶定線制水域P0相對(duì)于船舶通行安全各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度Kj(P0)后，結(jié)合最大關(guān)聯(lián)度原則可得:

(11)

可斷定待評(píng)P0船舶定線制后水域P0通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)為j0級(jí)。Kj(P0)∈[1,+∞)表示待評(píng)船舶定線制水域P0超過了標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的要求程度；Kj(P0)∈[0,1)表示待評(píng)船舶定線制水域P0屬于某安全評(píng)價(jià)等級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的要求程度，數(shù)值越大表示符合程度越高；Kj(P0)∈(-1,0)表示待評(píng)船舶定線制水域P0不屬于任何安全評(píng)價(jià)等級(jí)范圍，不符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的要求程度，但可轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象；Kj(P0)∈[-∞,1)表示待評(píng)船舶定線制水域P0不符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的要求程度且不能轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象。若令:

(12)

可得評(píng)價(jià)等級(jí)的基本變量特征值j*為

(13)

可通過基本變量特征值j*來判斷船舶定線制水域通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)偏向某一級(jí)別的程度。

2 老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后水域的通航安全評(píng)估

根據(jù)遼寧海事局事故統(tǒng)計(jì)，在老鐵山水道及其附近海域近五年發(fā)生了9起海上交通事故，其中有6起為船舶碰撞事故，2起為船舶主機(jī)故障，1起為船舶火災(zāi)事故。船舶碰撞事故是影響老鐵山水域船舶通行安全的最主要原因。碰撞事故的發(fā)生前提是當(dāng)事船舶在海上會(huì)遇，如果減少或避免了船舶會(huì)遇，尤其是交叉會(huì)遇，就會(huì)增進(jìn)老鐵山水道的船舶航行安全。因此，有必要對(duì)老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后水域的通行安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 船舶定線制的實(shí)施概況

2.1.1 基本情況

《老鐵山水道船舶定線制》正式實(shí)施于2006年6月1日，該水道船舶定線制由分隔帶、通航分道和警戒區(qū)構(gòu)成,其中間設(shè)立了寬1 n mile、長(zhǎng)9 n mile的分隔帶，兩側(cè)各為寬2.25 n mile的船舶通航分道，西行船舶走北側(cè)分道，主流向?yàn)?00°(真航向)，東行船舶走南側(cè)分道，主流向?yàn)?20°(真航向)，嚴(yán)格禁止船舶穿越通航分道；此外，鑒于西部進(jìn)出水道的船舶航向比較復(fù)雜，西部端口還設(shè)有一個(gè)半徑為5 n mile的警戒區(qū)，提醒船舶謹(jǐn)慎駕駛，詳見圖1。

圖1 老鐵山水道船舶定線制示意圖

2.1.2 基本功能

根據(jù)IMO《關(guān)于船舶定線制的一般規(guī)定》[1]中列明的船舶定線制的一般作用(見圖2)，以及在充分考慮老鐵山水道自然、水域和交通環(huán)境的特點(diǎn)前提條件下，我國(guó)海事主管機(jī)關(guān)要求老鐵山水道船舶定線制具有以下功能：①分隔老鐵山水道西行和東行方向的交通流；②減少穿越船舶對(duì)通航分道中船舶的碰撞危險(xiǎn)；③確定并簡(jiǎn)化匯聚區(qū)域的交通流模式；④組織水上設(shè)施附近的交通流，以提高船舶的通航效率；⑤組織航行危險(xiǎn)區(qū)域的交通流，以提高船舶航行的安全性；⑥水深不確定區(qū)指導(dǎo)船舶降低擱淺風(fēng)險(xiǎn)；⑦指導(dǎo)或組織船舶讓清或通過捕魚區(qū)。

圖2 船舶定線制的作用示意圖

2.2 水域通航安全評(píng)價(jià)

2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重是通過問卷調(diào)查形式確定，共發(fā)放問卷114份，回收有效問卷105份(其中40份來自船員，36份來自引航員，29份來自遼寧海事局或大連船舶交通服務(wù)中心的工作人員)，并通過SPSS軟件得出水域通航安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的信度系數(shù)為0.834，因信度系數(shù)在0.70以上，則表明該問卷數(shù)據(jù)的可信度高。

(1) AHP法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：根據(jù)已建立的船舶定線制后水域通航安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過問卷調(diào)查數(shù)據(jù)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣為

根據(jù)構(gòu)造的判斷矩陣，結(jié)合相對(duì)權(quán)重的計(jì)算步驟，可得評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為

Ws=[0.264,0.082,0.089,0.142,0.380,0.043]

最后，通過一致性檢驗(yàn)，求得老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的CI=0.093、RI=1.26，兩者的比值CR=0.074≤0.1，表明一致性較好。

(2) 熵值法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：根據(jù)已建立的船舶定線制后水域通航安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過問卷調(diào)查的方式對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)由好到差依次賦值5～1，最后得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的總體平均值為

X=[3.762,4.190,4.267,2.905,3.875,4.250]

根據(jù)熵值法的計(jì)算步驟，求得老鐵山水道船舶定線制后水域通航安全各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值權(quán)重向量為

W0=[0.109,0.236,0.262,0.003,0.134,0.256]

(3) 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重：根據(jù)綜合賦權(quán)法的計(jì)算步驟，將評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重從大到小進(jìn)行重新排序?yàn)?/p>

W0=[0.043,0.082,0.089,0.142,0.264,0.380]

通過a、b的關(guān)系，求得a=0.620、b=0.380，并根據(jù)公式(4)求得評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重為

W=[0.205,0.141,0.155,0.089,0.287,0.123]

2.2.2 水域通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)

根據(jù)老鐵山水道的相關(guān)研究成果[17-19]，并結(jié)合實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)，獲得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量值。在已構(gòu)建的船舶定線制后水域通航安全評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，分別對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各安全評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，得出老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后水域通航安全各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各安全評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，見表2。

表2 老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度

由表2可知，可確定老鐵山水道船舶定線制后水域通航安全各評(píng)價(jià)指標(biāo)所屬于的安全評(píng)價(jià)等級(jí)如下：其中無評(píng)價(jià)指標(biāo)屬于I級(jí)(非常危險(xiǎn))和V級(jí)(非常安全)；漁船航行、障礙物以及附近水域或沿岸背景燈光亮度屬于II級(jí)(較危險(xiǎn))；船舶交叉會(huì)遇局面屬于III級(jí)(一般安全)；船舶密度屬于IV級(jí)(較安全)。

根據(jù)綜合關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式(10)，結(jié)合老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后水域通航安全各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，求得老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后水域通航安全關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)I級(jí)、II級(jí)、III級(jí)、IV級(jí)、V級(jí)的綜合關(guān)聯(lián)度Kj(P0)，并結(jié)合公式(11)、(12)、(13)可計(jì)算得出老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后水域通航安全各評(píng)價(jià)等級(jí)的基本變量特征值j*，見表3。

表3 老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)聯(lián)度和特征值

由表3可知，老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后的通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)屬于II級(jí)(較危險(xiǎn))，偏向III級(jí)(一般安全)，且K2(P0)∈[0,1)，則符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象的要求程度，與文獻(xiàn)[17]、[19]對(duì)老鐵山水道船舶定線制實(shí)施后水域通航安全的評(píng)價(jià)結(jié)果具有較好的一致性?？梢?，物元法可直觀地反映各評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全評(píng)價(jià)等級(jí)，且其評(píng)價(jià)結(jié)果綜合考慮了主客觀信息，克服了主觀因素對(duì)決策結(jié)果的影響。

3 結(jié) 論

本文在分析船舶定線制一般規(guī)定的基礎(chǔ)上，通過對(duì)比相關(guān)文獻(xiàn)確定了船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)的相應(yīng)指標(biāo)，并引入了海上光環(huán)境背景亮度對(duì)船舶夜航安全的影響指標(biāo)，使得船舶定線制實(shí)施后的安全評(píng)價(jià)更加客觀、準(zhǔn)確且具有代表性。在利用AHP-熵值法綜合賦權(quán)的基礎(chǔ)上，本文將物元法應(yīng)用到船舶定線制實(shí)施后水域通航安全的評(píng)價(jià)，通過對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)量值關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)關(guān)聯(lián)度的計(jì)算，從而判斷船舶定線制實(shí)施后水域通航安全的評(píng)價(jià)等級(jí)。

通過對(duì)已實(shí)施12年之久的老鐵山水道船舶定線制水域通航安全的評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：該定線制水域的通航安全評(píng)價(jià)等級(jí)為II級(jí)(較危險(xiǎn))，偏向III級(jí)(一般安全)；各評(píng)價(jià)指標(biāo)所屬于的安全等級(jí)為漁船航行、障礙物以及附近水域或沿岸的背景燈光屬于II級(jí)(較危險(xiǎn))，船舶交叉會(huì)遇局面屬于III級(jí)(一般安全)，船舶密度屬于IV級(jí)(較安全)；現(xiàn)行的該船舶定線制對(duì)于改善船舶通航安全性方面相對(duì)較好。另外，可根據(jù)指標(biāo)的安全評(píng)價(jià)結(jié)果找到其存在問題，進(jìn)而為改進(jìn)該定線制提供具體的參考依據(jù)，如加強(qiáng)對(duì)漁船的管理、擴(kuò)寬水域?qū)挾?、控制海上背景光?duì)船舶夜航安全的影響等。本文建立的船舶定線制實(shí)施后水域通航安全評(píng)價(jià)模型，可運(yùn)用于其他水域的船舶定線制安全評(píng)價(jià)，為重新規(guī)劃已實(shí)施多年的船舶定線制提供一定的參考價(jià)值。