集对分析法在长江干线水上交通安全上的应用

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(1.武汉理工大学 交通学院；2.长江航运技术行业研发中心水上交通安全与防污染研究基地，武汉 430063；3.泰州中航船舶重工有限公司，江苏 泰州 225327)

近年来，长江水上安全研究得到了较大的发展，但主要体现在长江水上安全事故预警与应急的研究，而在安全评价方面的研究较少且评价方法较单一，多选择主观性较强的综合模糊评价法[1-3]。然而，长江干线水上交通系统是一个非常复杂的确定与不确定的动态系统，仅靠模糊数学理论无法解决模糊的、随机的不确定问题，而由我国学者赵克勤先生创立的集对分析理论，结合了随机不确定性的概率统计理论与模糊不确定性的模糊集合理论，提出联系数的概念，可实现统一处理模糊、随机、中介和信息不完全等不确定性系统[4-5]。本文将集对分析法引入长江干线水上交通安全评价领域，探讨水上交通安全评价的新思路和途径。

1 长江干线水上交通安全评价指标体系的构建

1.1 水上交通安全风险因素分析

水上交通安全系统是一个由“人、船舶、环境和管理”组成的多因素复杂系统。根据文献[6-7]中关于水上交通安全风险因素的分析，结合长江干线安全的实际情况，总结长江干线水上交通安全主要风险因素如下。

1)人员因素。作为船舶航行安全主体的人，是安全的主导因素。人的因素中船员又是最主要的因素。此外，其他人员如管理人员、引航员、码头工人等的出错或过失，也会导致事故发生。

2)船舶因素。船舶因素指船舶的机械设备、船体结构和强度、船舶年龄、操纵性能、货物配载和绑扎等方面的状况。船舶的结构、设施设备的可靠性是船舶正常航行的基础。

3)环境因素。除了不可抵抗力以外，环境因素较少成为事故的直接原因，但常常成为人的失误的主要诱导因素。尤其是船舶发生碰撞、触礁、搁浅、风灾、自沉等事故，与通航环境密切相关。环境因素分为自然环境、航道环境和交通环境。

4)管理因素。管理因素也是影响水上交通安全的主要因素，从事故控制理论出发，通过对水上交通安全“人、船舶、环境”状态的检测、采集和识别风险信息，及时做出安全管理决策并组织实施，可以降低风险，减少或避免安全事故的发生。

1.2 长江干线水上交通安全事故特点

2009～2011年，长江海事局辖区共发生一般以上水上交通事故达83件，见表1。

由表1可见,2009～2011三年内，长江干线水上交通事故数、碰撞数、死亡人数、沉船数、经济损失等事故主要指标总体呈现下降趋势，涉及人员伤亡的事故数明显下降，但仍有反复。总的来说，长江干线水上交通安全形势在上年明显改善的基础上实现了持续改善，安全管理工作成效显著，安全形势持续稳定。

表1 2009～2011年长江干线水上交通事故统计指标

综合表1中数据与实际水上交通安全情况分析，长江干线水上交通安全事故主要特点如下。

1)长江干线超过75%的水上交通事故是由于船员操作不当、违章航行等人为因素所致；客(渡)船、旅游船、高速客船、滚装船(汽渡)4类船(“四客”)船群死伤恶性事故频率较高；

2)船舶不适航、机务事故等船舶因素导致的事故占8%左右；

3)环境因素是导致船员失误的主要诱因，尤其枯、洪季节，恶性沉船死人事件时有发生。

1.3 长江干线水上交通安全评价指标的构建

在分析水上交通安全风险因素和长江干线水上交通安全事故特点的基础上，结合长江海事部门、航运企业及一线船员等的问卷调查，建立图1所示的长江干线水上交通安全评价指标体系。

图1 长江干线水上交通安全评价指标体系

2 基于集对分析的长江干线水上交通安全评价

2.1 集对分析的基本原理与相关公式

集对分析理论，也称“联系数学”，其核心思想是将系统内确定性与不确定性予以辨证分析和数学处理，主要从同、异、反3个方面来分析研究系统的联系和转化状况，采用联系度描述系统不确定性，定量地表示系统的不确定性。

在实际应用中，往往是多集对的情形，则将不确定性系数分解为i1,i2，…，联系度为μ=a+b1i1+…+bn-1in-2+cj， 且称μ的具体值为n元联系数[9]。

集对分析法用于评价的一般步骤有：

①建立集对评价分级标准集，确定各指标权重；

②建立综合评价评语集，确定评级等级；

③构建多元联系数综合评价模型。

2.2 确定指标权重和集对评价标准集

评价体系中的各个评价指标对整个评价对象的影响程度或贡献度是不同的，每个指标都有对于上一层次的权重，本文利用模糊层次分析法确定各级指标权重，并进行一致性和组合一致性检验，对不满足一致性的判断矩阵进行数据调整，确定符合的权重，记入表2。

表2 联系数与危险等级的对应关系

参照国家相关规定，本文将长江干线水上交通安全评价等级确定为一级、二级、三级和四级，并结合调查问卷及相关文献，确定长江干线水上交通安全评价体系的危险度集对评价分级标准集，见表2。

2.3 构建评价模型

集对分析理论中，称μCN(IDCM)为多元联系数模型。表达式如下。

(1)

式中：W——权系数向量，W=(W1,W2,…,Wn);

R——同异反多元测量评价矩阵;

E——联系分量矩阵;

i——不确定系数;

j——对立度系数;

IDC——同(identical)、异(discrepancy)、反(contrary)的缩写；

M(model)——模型；

CN——多元联系数。

根据上节确定危险隶属度为4级，则需建立长江干线水上交通安全综合评价指标危险度的四元联系数模型，并根据文献[9]联系度确定方法计算各指标的联系数。下面以自然环境中能见度指标F311为例，构建能见度危险度的四元联系数μ111[10]。

1)当t1<50时，μ111=1

2)当50

3)当200

4)当500

5)当t1>1 000时，

μ111=j。

同理可以确定其他指标危险度的四元联系数，记入表2。

且四元联系数模型为

(2)

根据均分原则，将四元联系数μ的区间[1,l]四等分，得到[-l,-0.5]、[-0.5,0]、[0,0.5]和[0.5,1]共4个范围区间，从右至左依次对应4级危险、三级危险、二级危险和一级危险等4个等级，其对应关系见表2。

2.4 模型实施及评价结果

对长江干线上某环境下的人、船舶及管理情况作现状评价(状态值见表3)，再根据各指标危险度的四元联系数计算模型，计算得各指标的联系数。

针对上述问题，以环境因素安全的集对分析为例，具体叙述集对分析方法在评价应用中联系数的计算过程。构建的评价指标体系中，环境安全因素共有8个指标，各自危险度分别记为μ311，μ312，μ313，μ321，μ322，μ323，μ331，μ332，与联系度计算公式μ=a+b1i1+…+bn-1in-2+cj对应比较，则可确定系数a,b1,…,bn-1,c的值，从而构成四元联系数模型中集对综合评价矩阵R

环境安全评价各指标的权重W为

W=(0.085 6,0.166 6,0.280 3,0.085 6,0.049 9,0.026 2,0.231 6,0.0772)。

采用四元联系数模型(公式1)，在[-1,1]上从左到右三等分，得到三分点：(1,0.34,-0.34,-1)，即E=(1,i1,i2,j)T=(1,0.34,0,-0.34,-1)T。

表3 长江干线水上交通安全评价体系的危险度集对评价分级标准集及危险度的四元联系数

于是由μ=W·R·E得到长江干线水上交通环境危险度的四元联系数为μ3=0.122 6×1+0.081 8×0.34+0.575 8×(-0.34)+0.219 8×(-1)=0.265 2，属于区间[-0.5,0]，根据危险度等级对应的区间值评价标准，长江干线水上交通的环境状况属于三级危险。

同理可得其他指标危险度的四元联系数及危险程度，见表4。

表4 长江干线水上交通安全各指标危险度的四元联系数及危险度

则长江干线水上交通安全总系统的四元联系系数为μ=0.026 1×1+0.295 7×0.34+0.431 8×(-0.34)+0.246 3×(-1)=-0.266 5，属于区间[-0.5,0]，根据危险度等级对应的区间值评价标准，长江干线水上交通的总系统属于三级危险，且统一度、差异度和对立度为a=0.026 1，b1=0.295 7，b2=0.431 8，c=0.246 3，ac，简化模型为μ=a+bi+cj=0.048 1+0.363 8i+ 0.275 2j，根据集对势等级和次序关系，可确定长江干线水上交通安全系统属于微反势，系统内对立的趋势为主，对立程度微弱。也就是说，尽管该状态现在的安全等级为三级危险，但是安全状况有向差的方向发展的趋势，应引起管理者的重视，提供安全预警，力求改善系统的危险状态，从而避免趋势的恶化和事故的发生。

3 结束语

本文采用联系数学——集对分析理论来处理一些不确定因素，即将长江干线水上交通看成一个集对系统，应用该理论中的多元联系数评价模型对长江干线水上交通安全进行综合评价，判断现状的危险度并预测安全状况的发展趋势。

集对分析法能有效地克服只强调某些方面而忽略另一些方面带来的片面性，考虑了安全系统中的确定与不确定因素，从而实现定性与定量相结合的评价。此方法为长江干线水上交通的安全评价提供了新的方法和途径。通过对评价结果的

集对势分析，反映出长江干线水上交通的安全状况发展的趋势。

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