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基于熵权的模糊集对模型在港口水域通航风险评价中的应用

2021-12-17 来源:榕意旅游网
第33卷第1期 2012年3月 上海海事大学 学报 Vo1.33 No.1 Mar.2012 Journal of Shanghai Maritime University 文章编号:1672—9498(2012)01・0007—05 基于熵权的模糊集对模型在港口水域 通航风险评价中的应用 徐广波,轩少永,尤庆华 (上海海事大学商船学院,上海201306) 摘要:为控制和降低港口水域的通航风险,基于港口水域通航风险评价指标的不确定性特点,按 照集对分析理论和方法,以信息熵来确定指标权重,构建基于熵权的模糊集对评价模型.将该方法 应用于我国的台州港,对其8个航段的通航风险进行评价和排序.结果表明,基于熵权的模糊集对 模型的评价结果较为客观、合理,并与基于未确知测度评价方法的评价结果一致. 关键词:通航环境;熵;模糊集对模型;联系度;风险评价 中图分类号:U675.59;U676.1;0144;0159;0236 文献标志码:A Application of fuzzy set pair model based on entropy weight in evaluation of navigation risk on port water area XU Guangbo,XUAN Shaoyong,YOU Qinghua (Merchant Marine College,Shanghai Maritime Univ.,Shanghai 201306,China) Abstract:In order to control and reduce the navigation risk on port water area,based on the uncertainty characteristics of the evaluation index of the navigation risk on port water area,and according to the set pair analysis theory and methods,the index weight is determined by information entropy,and a fuzzy set pair evaluation model is constructed based on entropy weight.The method is applied to Taizhou Port in China to evaluate and sort the navigation risks of the eight sections of the port.The results show that the evaluation result of the fuzzy set pair model based on entropy is more objective and reasonable,and it is consistent with the evaluation results of the evaluation method based on the unascertained measure. Key words:navigation environment;entropy;fuzzy set pair model;connection degree;risk evaluation O 引 —口  流量不断增加;与此同时,各种海损事故(船舶碰撞 与搁浅、沉船、火灾、爆炸等)也不断发生. 由于此 经济全球化进程的不断加快和国际贸易的不断 类事故大多发生在港口水域,因此对港口水域通航 扩大,促进船舶与港口工程的繁荣和进步、海上交通 风险的评价分析受到广泛重视. 收稿日期:2011—08—28修回日期:2011.09—29 基金项目:上海市重点学科建设项目(¥30602);上海市教育委员会科研创新项目(09YZ252) 作者简介:徐广波(1983一),男,江苏连云港人,硕士研究生,研究方向为交通信息工程及控制,(E—mail)xuguangbo—gps@163.com; ’轩少永(198O一),男,河南商丘人,讲师,硕士,主要从事载运工具运用安全研究,(E-mail)syxuan@shmtu.edu.cn; 尤庆华(1953一),男,江苏宝应人,教授,硕士,主要从事载运工具运用安全研究,(E—mail)youw6@yeah.net http://www.smujourna1.cn 8 上海海事大学 学报 第33卷 港口水域的交通风险主要是由港口水域通航环 境的开放性和不确定性造成的.目前,用于通航风险 评价的方法很多,主要有模糊综合评价法和灰色聚 类分析法 J、物元分析法 、未确知测度模型分析 法 等,这些方法可以有效解决所获信息中的不确 定性问题,但是由于在表达对象问关系时仅用一个 定量指标描述,难以反映对象间的关系结构和不确 定性关系的动态特征. 本文采用基于熵权的模糊集对分析模型,从同、 异、反3个方面刻画事物的属性,用联系度衡量事物 的各种属性特征,引人信息熵确定权重,从而对港口 通航风险作出合理、客观的评价. 1 港口水域通航风险成因分类 影响港口水域通航风险的因素很多,本文采用 文献[4]所确立的指标体系作为港口水域通航风险 指标体系,见图1. 风和流 自然 因素 航道 因素 交通 因素 信息 因素 图1港口水域通航风险指标体系 依据台州港实际情况,采用风和流影响程度、航 道长度、航道最浅水深、航道宽度、助航设施状况、航 道交叉点数、航道弯曲状况、与碍航物的距离、与泊 位的距离以及VTs服务等10项指标,对台州港港 口水域航行环境进行评价. 2基于熵权的模糊集对模型 集对分析(SPA)是基于对立统一观点和事物普 遍联系的观点建立的.SPA通过联系度表达式展示 关系的整体和局部结构,表达多种不确定性关系.基 于SPA的优良特性,其在哲学、数学、信息管理、人 工智能、水利、资源环境等领域得到广泛应用.港口水域通航风险指标体系  2.1 SPA基本原理 SPA理论是我国学者赵克勤 于1989年提出 的处理不确定性问题的系统理论方法,其核一ti,思想 是把确定和不确定视为一个系统,将确定性分为 “同一”和“对立”两个方面,将不确定性称为“差 异”,从同、异、反3方面分析事物及系统.集对是指 有一定联系的两个集合构成的对子.在具体的问题 背景下,分析由集合A和集合B所组成集对的特 性,在得到的Ⅳ个特性中,有S个为集对中两个集 合所共有,在另外P个特性上两个集合相对立,在 一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一~其余F个挣l生上关系不确定,则两个集合的联系度 “ S + F.+ P. 口+bi+cj . (I…  J 式中:11,为联系度;S/N为集合A与集合B的同一 度,简记为a;F/Ⅳ为差异度,简记为b;P//v为对立 度,简记为C;i为差异度因数,在[一l,1]区间视情 况取值,i也可仅起标记作用; 为对立度因数,其值 为一1,J同样也可仅起标记作用.根据定义,a,b和C 应满足归一化条件 J: a+b+c=1 (2) 进一步将式(1)中的6 拓展为bi=b i.+ b2i +…十bk2i 一 ,可以得到多元(k元)联系度: =a+bli1+b2i2+…+bk2i 2+cj (3) 式中:b ,b:,…,bk_2为差异度分量,即差异度有不同 的级别和层次.该理论可以描述随机、模糊、灰色等 常见的不确定性问题. 2.2模糊集对模型 假设评价指标集A={0 ,a:,…,a )和评价标 准集B={6 ,b ,…,b )构成评价矩阵H=(A,B)= (h ),其中1≤f≤m,1≤ ≤n,评价矩阵为 hl1 hl2 …h1 h2l h22 …h2 H: ● (4) : h 1 m2 …h 式(3)中取k=5,建立5元联系度“=a+ b。i +b2i:+b3i + ,根据港口环境评价指标的特 性,将其分为越小越优型和越大越优型.对越小越优 型指标,其联系度 一一第1期 徐广波,等:基于熵权的模糊集对模型在港口水域通航风险评价中的应用 I+0 l+0 2+0 3+oj, + ¨0i +0i +oj, ≤sI ≤ < 9 32一s1 32一s1 ‘ 2 。+等S3 一S1  + 33 一5l :+0i3+Q。 , S丁2+¥3<z≤ 一 等Sd一 2 。+。 ’, ≤ (5) 。+。 十兰 +S4 S2 …¨ 。 + 4— 一s3 — , >34 < 0+0i1+0i2+0i3+lj, 对越大越优型指标,其联系度 兰 S1—0+ + 32 S1—32‘ +0i +0i,+oj, ‘ S‘ ≤ <s。 +兰L 1一 3 S1 一 S3 +。 ,+Q , 丁2+S3≤ < 丁3+34≤ < 8。+。 +三 S2 一 等S2一S4 。 。+。 , +S4 — …¨‘  ‘ + 4 53一 一 , s ≤ < 式中1 5。,s ,s 和s 分别为评价指标的门限值;k为 第k项评价指标;z为第z个待评价测点; 为测点f 的第k项评价指标的实测值. 2.3熵权法确定指标权重因数 (4)计算评价指标的熵权 W=(wj)1 , w1=(1一 )/(n一 ) 权重因数并结合公式 =(11) 在信息论中,熵是系统无序度的度量.熵权反映 且满足∑Wf=1.通过上面的公式计算出各特性 各指标向决策者提供的有用信息量,通过信息熵构 建指标权重,可以尽量消除各指标权重计算的人为 干扰,使评价结果更符合实际,其计算步骤 如下: (1)假定有m个被评价对象,每个被评价对象 有 个评价指标,构建判断矩阵 R=(r ) ,i=1,2,…,m;J.=1,2,…,n (7) ∑ M =∑Wln +∑wtb , i 十…+ ∑wlbl,k-2i +∑Wlc f=1 (12) (2)将判断矩阵 归一化,得到归一化矩阵曰, 的元素为 确定集对分析中的联系度.令 =∑ o = ∑wlb ,… 一 =∑Wlb 一 =∑W一,则式 (8) (12)变为M = + 用置信度准则 h =( + +…+/ )>A, , b =( 一r )/(r 一r j ) 最大值和最小值. + 2+…+ 一 i 一2+ ,采 式中:r 和rmin分别为同一评价指标下不同事物的 (3)根据传统的熵概念可定义各评价指标的熵 m / =一《∑ ln )/In m, 、f:l A∈[0.50,0.70] (13) 判断危险度等级标准,最终可得出评价结果. i=1,2,…,m; :1,2,…,n (9) 3 实例应用 根据所建立的基于熵权的模糊集对模型,采用 其中 =(1+bo.)/∑(6 +1) =1 , n、 文献[4]中的台州港水域的通航环境指标分类标准 (见表1)和通航环境指标(见表2)进行分析. l0 上海海事大学 学报 第33卷 表1通航环境指标分类标准 危险度等级 评价指标 低Rl 较低R2 中R3 较高R 高R5 风和流影响程度,. 1 2 3 4 5 航道最浅水深12/m [16,。。) [12,l6) [8,12) [4,8) [0,4) 导标完善程度, 1 2 3 4 5 航道长度14/n mile (0,5] (5,10] (10,15] (15,2O] (2O,∞) 航道转向幅度,5/(。) (0,15] (15,30] (30,45] (45,60] (60,180) 航道交叉点数16 O 1 2 3 4 航道宽度17/m [800,∞) [500,800) [300,500) [100,300) (0,100) 与碍航物距离18/m [200,。。) [100,200) [50,100) [20,50) [0,20) 与泊位距离/9/m [250, ) [200,250) [150,200) [100,150) [0,100) VTS服务,lo 1 2 3 4 5 表2台州港通航环境指标 3.2 计算各指标权重及各航段联系度 指标 ,1 I3 厶 l5 I1 8 ,q ,10 利用式(8)~(11)计算各指标的权重 7-l 5 1.8 3 20.3 0 0 550 370 370 4 =(0.136,0.125,0.099,0.058,0.116, 4 1.6 1 21.7 8 1 550 190 140 2 0.104,0.077,0.094,0.109,0.082) 4 2.8 4 12.3 33 0 550 190 140 5 根据式(12)计算各航段联系度,见表4. 乃 3 3.4 3 20.0 60 0 170 190 300 5 5 14.0 4 20.5 78 1 1 852 0 50 3 表4台州港各航段联系度 2 12.O l 33.0 0 1 384 740 5 000 5 联系度 0 2 b z6f 2 6 3 C ,1 .2 5.O l 27.1 70 2 384 930 500 5 M1,Tl 0.423 0.046 0.130 0.082 0.319 2 l7.O O 22.O 37 3 64O 740 500 5 “2,r2 0.290 0.25l 0.064 O.212 0.183 “3.r3 O.179 0.1O3 .O.2oo O.3lO O.2O7 表2中:T 为1号浮到牛头颈航段; 为牛头 “4 ,0.288 O.019 0.234 0.054 0.405 颈到三江口航段; 为三江口到红光码头航段; ¨5.T5 0.077 0.229 0.082 0.099 0.513 为健跳港进港航道; 为大麦屿进港航道;r6为龙 “6.r6 0.4l8 0,302 0.134 0.006 0.140 门进港航道; 为全清进港航道;T8为大陈岛进港 7.¨_1 0.301 0.136 0.175 0.069 0.319 航道. U8, R 0.427 0.214 0.1l6 0.104 0.140 3.1 单一航段各指标联系度的计算 根据表1和2,用公式(5)或(6)计算台州港任 3.3分析评价计算结果 一航段 各指标的联系度,结果见表3(限于篇幅, 根据式(13),取置信度A=0.60,计算各航段危 不再列出其他航段指标的计算结果). 险度等级.对于 航段,取 =3时,h =0.599< 表3 航段各指标联系度 0.60,考虑到其同一度o :0.423,因此判定该航段 联系度 a3 .- b3,2 b3,3 c3 危险度等级为中;对于 航段,取 :3时,h = U3,/l O.0 O.00 0.00 1.OO 0 0.482<0.60,取 =4时,h =0.792>0.60,因此判 M3 12 0.0 0.O0 0.O0 O.0O 1 定该航段危险度等级为较高.用相同的方法判定其 M3.13 0.0 O.00 O.00 1.00 O 他航段的危险度,各航段评价结果见表5. M3,k O.O 0.05 O.95 0.O0 0 根据表5所列结果,建立基于熵权的模糊集对 U3,15 0.O 0.30 O.70 O.00 0 U34]中基于熵权的未确知 ,16 1.0 O.oo O.00 0.00 0 模型计算结果P 与文献[,上3测度计算结果P 的集对H =(P。,P:),计算其联系 . 0.0 O.6O 0.40 O.oo O “3,/8 0.8 0.20 0.0O O.00 0 度“ 同时建立基于熵权的模糊集对模型计算结 u3。/9 0.O 0.O0 O.30 0.70 0 果P 与文献[9]中基于组合赋权的未确知测度计 “3,1J0 0.0 O.0O 0.O0 0.O0 1 算结果P。的集对日 =(P ,P,),计算其联系度 第1期 徐广波,等:基于熵权的模糊集对模型在港口水域通航风险评价中的应用 表5 台州港各航段交通风险的评价结果 基于熵权的模糊集对模型计算结果(P ) 基于熵权的未确知测度 基于组合赋权的未确知测度 11 航段 得分(k:3) l 0.599 计算结果[ ](P2) 危险度 排序 5 计算结果[ ](P3) 排序 4 排序 4 ,r2 0.605 0.482 0.541 R3 死 d 4 7 6 7 5 6 6 7 5 0.389 0.854 Rd R2 8 1 8 1 8 1 0.612 0.756 R3 R2 3 2 3 2 3 2 将P。租P 的排序结果按符号进行对比,统 因素的评价模型,基于SPA原理,将通航环境与其 计符号相同的个数S,差异一(差1级)的个数F , 差异二(差2级)的个数F:,差异三(差3级)的个数 和相反(差4级)的个数P,由公式(1)和(3)得 Up 一 ,安全标准构成一个集对,运用信息熵确定指标权重, 分析各航段指标的同一、对立和差异,根据计算的联 系度以及置信度判别准则,对台州港口水域的通航 环境进行危险度评价.计算表明,本文的评价结果与 文献[4]和[9]的评价结果具有较好的一致性,所用 方法有利于针对原始数据进行数据挖掘和数值分 析,与未确知度数学方法相比,可以较好地剔除主观 =0.625+0.125il+0.125i2+0.125/3+ ,其 中同一度0=0.625(强同一性),对立度c=0,说明 两种方法的评价结果基本一致.同理, 一 = 0.625+0.25il+0.125/2+0 3+ ,其中同——度n= 0.625(强同一性),对立度c=0,说明这两种方法的 评价结果也基本一致. 信息,获得非人为因素控制下的评价结论. 4 结束语 应用集对分析理论建立港口水域通航环境影响 参考文献: [1]张圣坤,白勇,唐文勇 船舶与海洋工程风险评估[M].北京:国防工业出版社,2003:1-20. 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