李术元 王 岩 徐言民 关宏旭 金 诚 陈 敏

(长江南京航道局1) 南京 210011) (武汉理工大学航运学院2) 武汉 430063)

基于云模型的长江南浏段航标效能评估软件开发*

李术元1)王 岩1)徐言民2)关宏旭2)金 诚2)陈 敏2)

(长江南京航道局1)南京 210011) (武汉理工大学航运学院2)武汉 430063)

针对长江南浏段航标系统特点建立评估指标体系，将AHP法和云模型相结合，建立航标效能评估数学模型，并在MATLAB GUI环境下开发航标效能评估可视化软件.利用软件对南浏段航标效能进行评估，并根据评估结果提出长江南浏段航标效能提升措施.

航标效能； AHP ；云模型； MATLAB GUI； 可视化软件

0 引 言

我国依托长江建设中国经济新支撑带战略的实施使得长江航道的重要性凸显.航标是支撑船舶安全航行的设施或系统[1]，航标效能的有效发挥有利于保障船舶航行安全、减少船舶事故，提高航运效率以及经济效益.针对航标效能进行评估，有利于找到制约其发挥的关键因素，为提高航标效能提供科学的依据和思路.以往的航标效能评估多依靠经验的、定性的方法进行.也有学者开展航标效能定量研究，岳志伟[2]、王如政[3]运用模糊综合评判和层次分析法相结合的方法进行航标效能评估，但该方法在处理定性指标与定量指标间的转化方面存在一定的局限性.云模型能构成定性与定量的相互映射[4]，能反应语言值中的不确定性，以及随机性和模糊性之间的关联度.另外，航标系统的效能因时间、区域的不同而不同，人工计算繁琐且难以保证正确率，所以，开发专用的航标效能评估软件非常必要.

1 航标效能评估指标体系

基于层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)的基本原理，遵循科学性、全面性、定量与定性相结合的原则，建立具有3个层次的长江南浏段航标效能评估指标体系，见图 1.

图1 航标效能评估指标体系图

2 航标效能评估建模

2.1 云模型概念

假设U是一个用精确数值表示的定量论域，C为U上的定性概念，若有定量数值x，(x∈U)是定性概念C在定量论域U上的一次随机实现.用μ(x)(μ(x)∈[0,1])表示x对于C的确定度，μ(x)是一个具有稳定倾向的随机数.表达式为：U→[0,1]，∀x∈U，x→μ(x)则x在U上的分布就称为云，每一个x就是一个云滴.

2.2 云模型的数字特征

在云模型理论中，定性概念的定量特征由期望Ex、熵En、超熵He表示，它们共同决定云的形状，被称为云模型的数字特征[5].期望Ex是最能代表定性概念的样本.云滴在距离期望最近的地方集中.熵En表示定性概念可以被度量的粒度，即定性概念的模糊度及概率，熵越大这个定性概念越宏观.超熵He表示熵的离散程度，反应了每个数值代表这个语言值确定度的凝聚性.

2.3 云发生器

在云模型理论中，实现定性概念到定量概念的转化过程称为正向云发生器，反之称为逆向云发生器.根据本文需要，将具体算法介绍如下.

一维正向云发生器实现算法.

输入 定性概念云的3个数字特征和需要的云滴个数n.

输出n个云滴drop(xi,yi).

3) 根据1)和2)计算x属于C的确定度μ.

(1)

4) 重复第1)至第3)步，直至生成n 个云滴.

不需要确定度信息的逆向云发生器实现算法.

输入 样本点(即云滴)xi.

输出 定性概念云模型的3个数字特征.

2.4 用云模型表示各指标

用n组指标评价结果组成决策的矩阵，通过云算法将这n个指标用一个n维综合云模型来表示，这个过程称为云化[6].

韩语学习与国内基础学科的学习存在很多不同之处，具有较大的难度，所以在学习与教学过程中，需要很多教育资源与学习设备加以辅助。但就目前的情况来看，我国很多学校在韩语教学以及学习方面的资源与条件相对缺乏。很多学校在韩语教学中缺乏相关的语音媒体设施以及影像资料等。不同学习方向的韩语教材以及教学资料也较为缺乏，很多学习资料都是学校相关专业教师凭借教学经验以及相关知识进行编制。同时，学校的教学材料没有根据实际情况进行更新，缺乏实时性，致使教材没有足够的实用性。此外，很多学校由于资金短缺等问题，不具备专门供韩语教学使用的多媒体语音教学设备，致使学生的韩语学习受到局限，学生的韩语水平得不到提高。

2.5 云重心表征系统状态

当n个指标所反映的系统状态发生变化时，该n维综合云的形状和其重心会相应变化.基于此，可用云重心向量T的变化情况反映系统状态信息的变化情况.

T=(T1，T2,…,Tn)

(2)

Ti=ai×bi,(i=1,2,…,n)

(3)

2.6 用加权偏离度表征云重心的改变

(4)

2.7 评语集实现

采用11 级评语集V，即V={极差，非常差，很差，较差，差，一般，好，较好，很好，非常好，极好}，分别对应0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1将其用连续的云模型来描述，构成一个定性评测的云发生器，见图 2.

图2 云测评发生器

3 航标效能评估软件开发

将建立的数学模型通过MATLAB语言实现，采用MATLABGUI进行可视化软件开发，首先利用GUI进行软件界面设计，进而编制各菜单和控件的“CallBack”函数.在软件调试无误后可进行激活和发布.该软件包含5个模块：航标服务效能计算、航标技术效能计算、维护管理效能计算、航标总效能计算、单指标云图输出.利用该软件进行航标效能评估的步骤如下.

步骤1 输入评判矩阵、理想状态值以及各指标权重值，计算各三级指标云模型特征参数及二级指标效能值，生成二级指标效能云测评图.

步骤2 输入二级指标分效能和权重，计算总效能，生成航标总效能云测评图.

步骤3 输入单个指标的云模型特征参数，生成该指标评价云图.

4 长江南浏段航标效能评估实例

4.1 指标值的获取

在实际的研究工作中，邀请 5 位专家对定性指标进行评判.采用数据统计的方法获取定量指标值.为保持评判矩阵维度一致.在获取航标用户评价时，分别对海轮用户、江轮用户、海事人员、引航人员、航标维护管理人员5类人群进行用户满意度调查；在获取航标正常率、航标维护正常率时，将南浏段航道分为5段分别统计(以2013年数据为例).各评估指标评价值见表 1～2.

表1 航标服务效能指标评价表

表2 航标技术效能及维护管理效能指标评价表

4.2 指标权重确定

通过AHP理论，获得各二级指标相对于一级指标权重向量为：b=[0.450 9,0.197 6, 0.311 9]，三级指标相对各二级指标权重向量分别为：bV1=[0.085 6,0.314 5,0.150 5,0.112 1,0.187 1,0.052 9,0.047 3,0.049 9]，bV2=[0.469 0,0.104 0,0.278 6,1 484]，bV3=[0.315 7,0.071 9,0.073 1,0.125 2,208 9,0.205 2].

4.3 效能值计算及云测评图生成

为节约篇幅，这里仅以航标技术效能为算例进行展示.航标服务效能及维护管理效能的计算过程与之类似.

根据评判指标表得评判矩阵B1-B3，其中，航标技术效能评判矩阵为B2.

表3 三级指标云特征参数表

进一步点击“云图”按钮，软件自动将效能值输入云测评发生器得到云测评图.

经计算，航标服务效能值为0.729 33；航标技术效能值为0.645 16；维护管理效能值为0.662 63.

总效能计算过程略有不同：只需输入各二级指标效能值及权重向量即可.经计算，总效效能值为0.691 89.

4.4 单指标云图输出

为了解单个指标的评价情况，该软件集成了单指标云图输出功能.以水域生态环境适应性(V24)指标为例，将其特征参数(0.660 0,0.110 3,0.028 9)输入“单指标云图输出”子界面即可绘出该指标的评价云图，见图3.

图3 单指标云图输出子界面

4.5 评估结果分析

航标服务效能介于较好和很好之间，趋向于较好；航标技术效能、维护管理效能均介于好和较好之间；航标总效介于好和较好之间，几乎等于较好.

5 结 束 语

长江南浏段航道在航标技术效能和维护管理

效能方面稍弱.进一步分析可知：在航标技术效能方面，主要是水域生态环境适应性和航标新技术使用情况不够理想；在维护管理效能方面，维护设施配套性、维护管理机制合理性、维护管理人员水平方面表现不足.

针对以上结果，提出长江南浏段航标效能提升措施如下：(1)适当提升航标维护设施及设备的性能及数量[7]；(2)进一步完善航标维护管理机制，制定更加细化航标应急、维护管理方案；(3)在航标遥测遥控系统基础上，构建智能航标管理系统；(4)提高航标维护管理人员数量及素质.

[1]王志英.航标学[M].大连：大连海事大学出版社,2011.

[2]岳志伟.基于航标效能模糊综合评价的川岛水域航标完善方案研究[D].大连:大连海事大学，2014.

[3]王如政.航标效能定量评估方法[J].大连海事大学学报，2011(3)：39-43.

[4]LI D．Uncertainty reasoning based on cloud models in controllers [J].Computers and Mathematics with Applications, 1998(3):99-123.

[5]ZHANG Wenjin,LIU Shunli,SUN Bo,et al. A cloud model-based method for the analysis of accelerated life test data [J]. Microelectronics Reliability, 2014(10):55-60.

[6]许津阁,综合舰桥系统效能评估[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[7]李术元,王 岩,徐言民，等.深水航道航标船配置模型研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2014，28(3)：623-625.

Cloud-model-based Aids to Navigation Efficiency Evaluation Software Development of Yangtze River Nanjing—Liuhekou Section

LI Shuyuan1)WANG Yan2)XU Yanmin2)GUAN Hongxu2)JIN Cheng2)CHEN Min2)

(ChangjiangNanjingWaterwayBureau，Nanjing210098,China)1)(SchoolofNavigation，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063,China)2)

Aiming at the characteristics of the Yangtze River Nan-liu section an evaluation index system is set up. Combined the AHP method with the cloud model, a mathematics model of aids to navigation efficiency evaluation is established, then by using the MATLAB GUI tool the Aids to navigation the efficiency evaluation visualization software is developed. Finally, according to the evaluation results some improvements related to the efficiency of Aids to navigation are put forward.

aids to navigation efficiency; AHP; cloud model; MATLAB GUI; visualization software

2015-04-02

*国家自然科学基金项目(批准号：51109173)、中央高校基本科研业务费专项资金项目(批准号：2013-Ⅱ-019)资助

U644

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.010

李术元(1975- )：男，高级工程师，主要研究领域为内河航道维护管理