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船舶定线制设计方案评价
第31卷第3期
2010年9月
V01.31No.3
Sept.2010
文章编号:1672—9498(2010)03?0005—05
船舶定线制设计方案评价
张浩,俞斌一,肖英杰,杨小军,白响恩
(1.上海海事大学商船学院,上海201306;2.中化国际(控股)股份有限公司,上海200121)
摘要:为推进船舶定线制的规划和实施,结合近年来进行的长江口船舶定线制研究工作,建立船
舶定线制设计方案评价模型.该模型用群体决策方法确定定性评价指标值;用熵权法确定方案定量
指标值;用逼近理想解排序法实现方案的排序和优选.通过对6种不同的船舶定线制设计方案的评
价表明,该模型对船舶定线制设计方案评价具有适用性.
关键词:船舶定线制;熵权模糊层次分析;群体决策;逼近理想解
中图分类号:U675.5;U676.1文献标志码:A
Alternativedesignevaluationofship'Srouteingsystem
ZHANGHao,YUBin,XIAOYingjie,YANGXiaojun,BAIXiang'en
(1.MerchantMarineCollege,ShanghaiMaritimeUniv.,Shanghai201306,China;
2.SinochemInternationalCorporation,Shanghai200121,China)
Abstract:Inordertoadvancetheplanningandimplementationoftheship'Srouteingsystem,anevalua—
ti,nmodelfortheship'Srouteingsystemisestablished,combinedwiththeresearchofship'Srouteingat
theentranceofYangtzeRiverinrecentyears.Qualitativeevaluationindexesareobtainedbygroupdeci-
sion—makingmethod;quantativeevaluationindexesareobtainedbyentropyweightmethod;andordering
andoptimizationofalternativesarecarriedoutbythemethodofOrderPreferencebySimilaritytoIdeal
Solution.Resultsoftheevaluationmodelbeingusedinevaluatingsixdifferentdesignsshowthatthepro—.
posedmethodisapplicabletothedesignevaluationofship'Srouteingsystem.
Keywords:ship'Srouteingsystem;entropyweight;fuzzyhierarchyanalysis;groupdecision—making;
similaritytoidealsolution
0引言
目前,全球120多个地区已建立分道通航制,其
他的定线制和强制报告制也已经建立8O多个.实践
表明,建立船舶定线制可大量减少船舶碰撞事故.
2000年我国开始在烟台成山头实施定线制,然
后在长江口,长江江苏段,大连大三山和宁波一舟山
核心港区深水航道,青岛水域,珠江口以及琼州海峡
等水域实施船舶定线制,在我国香港地区也实施分
道通航制.近1O年来,交通运输部一直致力于我国
船舶定线制的规划研究和实施工作,并将其作为推
进新安全管理理念的突破口.…
船舶定线制方案的设计过程涉及因素众多,需
综合考虑实际交通流量,船员的习惯航路,航道因素
收稿日期:2009—12—31修回日期:2010—03-02
基金项目:上海市科学技术委员会2009年度创新行动计划(09170502000);上海海事大学校基金(C800209024)
作者简介:张浩(1982一),男,湖北襄樊人,博士研究生,研究方向为海上交通风险评估,(E—mail)[e-mail]
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L一
6上海海事大学第31卷
和管理因素等,对其评价也是1个多准则,多目标的
决策问题,需考虑评价指标体系的建立和评价方法
的选择.邵哲平等通过对厦门湾附近水域海上交
通状况的调查和海难事故的统计分析,提出厦门湾
附近水域船舶定线制的设计方案;翁跃宗等在此
基础上提出符合船舶定线制设计的数据分析方法,
将船舶定线制方案准确表达在电子海图上,具有一
定的通用性;卓永强等在船舶交通系统建模的基
础上提出1种新的基于航路的船舶交通系统模拟方
法;张寿桂等对我国台湾海峡现有船舶定线制连
接部分的类型,组合方式,尺度和位置等问题进行分
析,提出该海域船舶定线制设计方案.综上,国内外
学者对定线制的研究多限于对方案的定性或定量分
析,对方案的评价方法也多为单一方法,鲜有将定性
和定量分析相结合的综合评价,且评价结果与海事
部门的实际情况往往存在较大分歧.
1船舶定线制方案的综合评价方法
结合近年来的长江口船舶定线制研究工作并征
求相关专家的建议,从警戒区,通航分道,长江口灯
船,锚地和引航作业区等方面提出6个不同的设计
方案.6个方案的相同点是全部采用南北槽航道与
相应警戒区相连并在附近辅以锚地和引航作业区的
方式;不同点是警戒区及区外的连接航道,通航分
道,锚地位置和引航作业区位置等的设置不同.
评价方法总体架构见图1.
图1评价方法总体架构
在决策过程中,运用熵值法评价以保证定量指
标评价的客观性,利用模糊层次分析法(Fuzzy—Ana—
lyticHierarchyProcess,FAHP)解决定性指标评价的
模糊性,最后基于逼近理想解排序方法(Technique
forOrderPreferencebySimilaritytoIdealSolution,
TOPSIS)实现方案的排序与优选.
2船舶定线制方案的评价指标体系
结合长江口船舶定线制实际情况,船舶定线制
设计方案的评价指标从效率,安全性和服务性等3
个方面产生,其评价指标体系见图2,其中:效率指
标为定量指标,安全指标和性能指标为定性指标.
评
价
指
标
效
盔
指
标
()
安
全
指
标
()
性
能
指
标
(￡)
航道基础设施()
国际化需要(E
服务水平(的
图2评价指标体系
本文优选的定量评价指标分为两类:一类根据
船舶定线制仿真结果的标准测量和判定指标性能;
另一类通过计算对定线制设计的安全,有序,畅通和
高效产生影响的因素得到评价参数.
一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一
一一一一一一一
一一一一一一一一一
第3期张浩,等:船舶定线制设计方案评价7
3船舶定线制方案的评价方法
3.1熵值法的原理和步骤
熵的概念产生于热力学,用于描述离子或分子
运动的不可逆现象.后由SHANNON引人信息论中,
现已被工程技术和社会经济等领域广泛应用.根据
信息论的基本原理,信息是系统有序程度的度量;
而熵是系统无序程度的度量,二者绝对值相等,符号
相反.信息熵在确定指标权重方面具有较好的客观
性,本文利用熵值法测量船舶定线制设计效率指标
评价结果的不确定性.
以熵值法进行综合评价的步骤:
(1)将各指标同度量化.
正向指标
兰
尸=,∈m;∈n()
p
厶
=
lmax(x)
负向指标
高,:兰
1P
i∈m;∈n(2)
(2)计算第.项指标的熵值
,=～Polnpk=l/Inn(3)
i=1
(3)定义第项指标的熵权
n
W,=(1一E,)/(n—E)(4)
百
3.2FAHP确定定性指标权重
针对一般FAHP不能保证评判矩阵的正反性和
一
致性且不能处理非对称三角函数的问题,提出改
进的FAHP模型_8J,具体计算步骤如下:
步骤1三角模糊数表示为(z,m,u),专家
通过比较表1所示的语言变量值获得矩阵A的上
三角数值,通过取反得下三角数值.
表1语言变量值的模糊数
语言变量值(Z,m,Ⅱ)
同等重要(0.00,0.10,0.25)
稍微重要(0.15,0.30,0.45)
较为重要(0,35,0.50,0.65)
重要(0.55,0.70,0.85)
极其重要(0.75,0.90,1.00)
步骤2每位专家获得模糊比较矩阵,指第
位专家,根据
￡L￡
=
(z,mij,")=(∑z,∑m,∑4)/Lk=1k:1=1
(5)
得专家群体对指标的模糊比较矩阵.
步骤3计算矩阵A的特征向量,将三角模糊
判断矩阵转化为非模糊判断矩阵,实质就是利用一
定的方法将三角模糊数对应于某一非模糊数,可将
中的每个元素转化为非模糊实数,从而构成非
模糊判断矩阵..截集的置信水平
F=[f+OL(m—f),M+(m一")],
∈[0,1];0<OL≤1;i√=1,2,…,n(6)
根据专家满意度因子可进一步预估矩阵元素a:
的准确数值
面=t.ta@+(1一)a,∈[0,1](7)
式中:r上=1+Ot(m一1),.aa=+(m一").当和
肚固定时,模糊比较矩阵可反模糊化.
步骤4检验矩阵A的一致性.j
一
致性指标
c,:(8)
n—l
随机一致性指标
厂,
CR=RI(9)
式中:A…为矩阵的最大特征向量;n为矩阵的维度;
(凡)为提前设定的任意算子,对于3～9阶判断矩
阵,平均随机一致性指标R,的取值见表2
表2肼取值表
n3456789
R,O.58O9O1.121.241.321.4l1.45
注:1阶和2阶判断矩阵总具有完全一致性,RI=0.O0.
若CR<0.10,则判断矩阵求得的权重因数可以
接受;否则对A加以调整,重新计算.
步骤5通过归一化得指标权重,同时可调整
和以应对不同环境下决策的可能变化.
3.3基于群体决策的定性指标评价
模糊语义变量表示风险指标的评估结果,其表
示尺度见表1.按照隶属函数值进行量化,对结果运
用模糊排序加权平均算子进行集成,集结权重
山=Q(i/k)一Q((i一1)/k),
=
1,2,…,k(10)
式中:Q的定义为
8上海海事大学第31卷
r
0,<Ⅱ
O(x)={—三手,.≤<6;口,6,∈Eo,1]
【1.≥b
(11)
q(x)代表不同模糊语义的量化词,通常分为"大多
数","至少一半"和"尽可能多",对应的参数(CI,,b)
分别为(0.3,0.8),(0,0.5)和(0.5,1),见图3.评
价指标体系的上层指标评价结果由下层指标评价结
果加权后相加得到.
00308005005l0
图3模糊语义量词
3.4基于TOPSIS的设计方案排序
TOPSIS根据各被评估对象与理想解和负理想
解之问的距离排列对象的优劣次序.…
(1)定量指标的评价值直接由效益指标按式
(1)或(2)得到.定性评价生成的模糊数可用下式进
行反模糊化
r=(口+26+c,)/4(12)
(2)构造加权评价矩阵
(13)
(3)确定理想解和负理想解.
理想解
X=}={(max,I∈J),
(minI.『∈J2)},i=1,2,'一,凡
负理想解
.
=
{}={(rainl∈J1),
(maxlj-∈J2)},i=1,2,…,n
式中:.,为效益型指标集;为成本型指标集.
(4)计算各方案到理想解和负理想解的距离.
到理想解的距离
厂—————————一
d=^/∑(一)(14)
到负理想解的距离
d?=厂————————一√一)(15)
(5)各方案与理想解的接近程度
C.=/(d?+d.),i=1,2,…,n(16)
(6)方案总体评价值可由定性和定量2种类型
指标的相对接近度加权合成,按
C=OJC,i=1,2,…,m(17)
由大到小排列方案的优劣次序,选出最优方案.
4结果分析
设计方案的效率指标评价值见表3
表3效率指标评价值
方案号研/(艘?(i'1mile).)E;/条/rain/kn
1ll7467.2
267488.6
381l478.1
47l1429.5
513l1498.7
698517.9
方案号E;/次E~/min/艘E;/nmileE5/(.)
114546l3.432145800
2ll9349.62846330o
316238l0.232564600
4156328.23l284200
5166369.7335748o0
617442l2.336125300
从船舶驾驶和管理部门确定3位船长组成决策
专家组,针对评价体系中的性能和经济指标设计方
案.用式(5)～(7)计算定性指标权重,并用式(8)和
(9)进行一致性检验,结果见表4和5.
表4总目标因素集的权重因数
EEEE
0.3730.3540.293
指标A=4.1315CR=0.048704<0.10
表5子目标因素集的权重因数
日EEi
0.0720.2790.649
指标A～3.0649CR=0.055948<0.10
EE;E:
O.3410.1560.4240.079
指标A=4.2226CR:0.082444<0.i0
E;EEj
0.5400.2970.163
指标A=3.0092CR=0.053<O.10
霹El0EE.
0.2560.2480.3630.133
指标A=4.2226CR=0.082444<0.10
第3期张浩,等:船舶定线制设计方案评价9
用式(1)和(2)作归一化处理,由式(3)和(4)
得效率指标权重为0.161604659,0.161820311,
0.157983775,0.013647786,0.148749775,
0.158425816,0.161557306,0.0348492和
0.001361371.6种方案的效率指标接近度分别为
0.193127908.0.918600855.0.478064864,
0.552886707,0.268699162和0.143610426.选
取定性评价结果的集成语气算子为"大多数",
FAHP的决策因子(,/x)的取值为(0.5,0.5),用式
(1O)～(12)计算得安全与性能指标的评价结果见
表6和7.
表6安全指标评价值
方案海员要求航道基础设施值守要求
1(2.316,3.882,4.674)(3.468,5.805,8.974)(0.4168,1.825,3.9714)
2(1.416,1.830,2.502)(1.000,3.000,5.000)(3.4156,4.800,6.906)
3(1376,2.738,4.590)(2.956,4.485,6.578)(2.376,3.744,5.210)
4(2.830,3.285,5.230)(1.360,3.725,5.932)(4.364,6.722,7.974)
5(0.872,1.305,2.208)(2.700,4.812,5.542)(1.425,2.805,5.884)
6(3.486,5.794,7914)(3.684,5.825,7.258)(3.252,4.853,6.140)
表7性能指标评价值
方案国际化需要服务水平可持续性
1(4.455,6.642,8.524)(2.378,4.572,6.479)(1.102,2.949,4.898)
2(2.271,3.992,5.876)(4.146,6.989,9.012)(3.212,5.662,7.891)
3(2684,4.771,6946)(2.246,4.018,5.919)(4.284,6.821,9.348)
4(3.122,6.013,8.567)(3.213,5.195,7.201)(2.110,4.438,6.479)
5(1.362,3.125,4.986)(0.889,2.494,4.229)(1.576,4.032,6.877)
6(0.843,2.562,4.174)(1.478,3.002,5.587)(3.778,5.692,7.674)
用式(13)～(17)构造加权矩阵,并计算6个船
舶定线制方案在效率指标下的相对接近度,见表8.
可知,方案2为最佳方案.
表8方案在效率,安全和性能下的加权相对接近度
方案1方案2方案3方案4方案5方案6
相对0
.56590.68790.38790.352l0.41280.36564t
-
近度
5结论
提出船舶定线制方案评价指标体系,用熵值法
参考文献:
对定量指标进行赋权,用FAHP方法集成多个专家
的意见,得到各准则的模糊数权重,通过群决策理
论的模糊OWA算子评价定性指标,并以TOPSIS法
进行方案的排序,得所有方案的全面评价和各备选
方案优先顺序的多属性决策模型.与传统的船舶定
线制评价方法相比,本文的评价方法能更好地将专
家知识集成到决策过程中,从而更切合实际,更具
灵活性.
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(编辑贾裙平)