蒲艳阳，张庆年

（武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430061）

基于粗糙集的港口水域通航安全指标约简方法

蒲艳阳，张庆年

（武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430061）

港口作为国家和经济发展的驱动行业，在港口本身发展规模越来越大的同时，其背后隐藏的安全风险也显而易见。港口安全评价是衡量港口各方面安全状况的重要尺度，对当前港口通航水域安全评价普遍使用到的评价指标进行了梳理，并引入粗糙集理论，对评价指标体系中的指标进行约简，约简后的评价指标将使评价结果更科学、更精确。

港口水域；通航安全；粗糙集；指标约简

1 引言

在经济全球化的背景下，港口作为连接国内外贸易的通道，对港口所在区域的经济发展有着非常重要的促进作用。但是在港口经济飞速发展的同时，也不能忽视港口水域通航的安全问题：船舶的增多和大型化使得通航密度增大，货物种类的多样化等问题也大大增加了港口环境安全的不确定性[1]。国内外对于港口水域通航安全的评价有很多，可是评价方法中所使用到的评价指标却存在着一定的问题。指标体系中指标个数较多，使得指标之间的相关性过高，造成指标的冗杂，从而最终影响港口水域通航安全评价的结果。因此，需要寻求一种方法，将港口水域通航安全评价中的指标进行规范，将多余、重复的指标剔除，从而使得指标体系更全面、更科学。

传统的指标筛选方法有模糊评价法、专家调研法、层次分析法、回归分析、主成分分析等。模糊评价法、专家调研法和层次分析法的主观性太强，会使得评价结果有失偏颇；而回归分析和主成分分析法则需要大量的样本和数据，否则计算结果会与实际存在较大误差。考虑到上述缺点，本文利用粗糙集理论对安全评价中的指标进行约简。

2 粗糙集理论

2.1 粗糙集理论概述

粗糙集理论是波兰数学家Pawlak Z在1982年提出

的，它是一种处理含糊和不确定信息的新型数学工具。粗糙集理论将知识理解为对数据的划分，每一个被划分的集合称为概念。其主要思想是利用已知的知识库，将不精确或不确定的知识用已知的知识库中的知识来（近似）描述[2]。属性约简是粗糙集理论的核心内容之一。

2.2 知识与知识库

设U≠∅是我们感兴趣的对象组成的有限集合，称为论域。任何子集X⊆U，称为U中的一个概念或范畴。为规范起见，认为空集也是一个概念。U中的任何概念族称为关于U的抽象知识，简称知识。本文主要是对在U上能形成划分的那些知识感兴趣。一个划分f定义为：f=｛X1，X2，…，Xn｝；Xi⊆U，Xi≠∅，Xi∩Xj=∅。

U上的一族划分称为关于U的一个知识库。

2.3 综合评价信息系统和决策表

一个信息系统S是一个系统（U，A），其中U=｛u1，u2，…，u|U|｝是有限非空集，称为论域或对象空间，U中的元素称为对象；A=｛a1，a2，…，a|A|｝也是一个有限非空集，A中的元素称为属性；对于每个a∈A，有一个映射a：U→a（U），且a（U）=｛a（u）|u∈U｝称为属性a的值域。

如果A=C∪D，C∩D=∅，则称信息系统（U，A）为一个决策表。决策表是一类特殊而重要的知识表达系统，多数决策问题都可以用决策表形式来表达，这一工具在决策应用中起着重要的作用。决策表可以根据知识表达系统定义如下：

设S=（U，A，V，f）为一知识表达系统，A=C∪D，C∩D=∅，C称为条件属性集，D称为决策属性集。具有条件属性和决策属性的知识表达系统称为决策表。

2.4 知识约简与区分矩阵

知识约简是粗糙集理论的核心内容之一。在知识库中的知识（属性）并不是同等重要的，甚至其中某些知识是冗余的。知识约简就是在保持知识库分类能力不变的条件下，删除其中不相关或者不重要的知识（属性）。

约简和核是知识约简中的两个基本概念。为了便于理解，对其做出如下定义：

令R为一族等价关系，r∈R，如果ind（R）=ind（R-｛r｝），则称r为R中不必要的；否则称r为R中必要的。

如果每一个r∈R都为R中必要的，则称R为独立的；否则称R为依赖的。

如果R是独立的，P⊆R，则P也是独立的。设Q⊆P，如果Q是独立的，且ind（Q）=ind（P），则称Q为P的一个约简。P中所有必要关系组成的集合称为P的核，记作core（P）。

知识约简的方法有多种，利用区分矩阵进行知识约简有许多优点，特别是它能容易地计算约简和核。

令S=（U，V，A，f）是一个知识表达系统，|U|=n，S的区分矩阵是一个n×n矩阵，其任意元素为α（x，y）=｛a∈A|f（x，a）≠f（y，a）｝。因此，α（x，y）是区别对象x和y的所有属性的集合。在区分矩阵中，需要将核指标纳入到最终约简指标集中，将剩余指标按约简规则进行相应约简，即可得到最终约简指标集。

3 港口水域通航安全影响因素分析

近年来，我国水路一直处于快速发展的态势，航行船舶数量上涨，日益繁忙的港口也纷纷进行扩建，码头的数量和港口的泊位数都在增加，港口创造的效益也大大增加。慢慢地繁忙的港口背后所隐藏着的安全隐患渐渐暴露出来，开始陆续有学者对港口水域通航安全进行评价。在港口通航水域安全评价中，港口的通航水域安全状况通常有三个方面的影响因素，分别是人为因素、船舶因素、环境因素，其中人为因素中还包含管理因素。

3.1 人为因素

船舶在航行过程中，人的因素是船舶是否能安全航行的主要因素之一。一般认为人的因素中包括了生理、心理及能力三个方面。通过研究总结出，驾驶员在操纵船舶过程中遵循“刺激-感觉-判断-行动”这样的行为过程，这种信息处理与判断的过程是相互协调而又连贯的，其中任何一个环节的失误或者忽视都有可能形成一连串的失误，将细小的失误不断地放大，从而最后有可能导致事故的发生。

根据国际海事组织的相关统计，水上交通事故中，至少有80%以上是由人为因素造成的。尽管船舶遭遇水上事故有多方面的原因，但是船员和船长的综合素质却对船舶的安全航行有决定性的因素。所以在人员、船

舶、环境和管理这四个因素中，人员因素是最重要且复杂的。

人为因素包括心理条件、业务能力和生理条件。心理条件包括责任心、自信心和安全意识；业务能力包括学习能力、意志力、工龄和学历；生理条件包括年龄结构和疲劳程度。

管理因素是港口通航安全中的重要因素，有效的管理制度实现了船与人的协调运作，有效减少事故的发生。

3.2 船舶因素

在港口水域通航，船舶是航道水域内的主体，船舶的强度结构、可靠的船上设备是船舶正常航行的基础，没有适航的船舶，无论再好的驾驶环境都无法避免事故的发生。船舶因素包括船舶保养、船龄、船舶吨位、船舶操纵性能、船体结构强度、船舶设备。

船舶保养是指针对船体整个结构和船上设备的修理和保养，如果按照恰当的频率对船舶进行保养维护，可以使船舶处于良好的适航状态，有效地掌握船舶的技术状况，从而延长船舶的使用寿命。船龄指船舶的使用时间，在某种程度上，船龄表明了船舶的现状。一般超过15年以上的船会被认定为失效期，进入失效期的船体会由于老化等原因使故障发生的概率加大。

船舶吨位是表示船舶重量的一种计量单位。在考虑船舶安全状况时，船舶吨位和船长都是重要的因素。在通常情况下，认为船舶吨位与船长是成正比的，船长越大，船舶吨位越大。船舶吨位是影响船舶操纵性能的重要原因，船舶吨位越大，其尺度就越大，在港口通航水域中发生碰撞的概率就大。

船体结构强度和船舶设备对船舶航行安全至关重要。船体的结构强度会影响到船舶航行的稳定性，是否能适应变化的航行环境。失事船只也大多涉及到船体的破损，而这种破损也是导致人命、财产损失、海洋污染的直接原因。船舶设备包括船舶技术系统和通讯系统等，良好的设备有助于船舶的正常航行，应对变化的航行环境。

3.3 环境因素

船舶在港口通航水域中的航行环境比开阔的水面上航行更为复杂。所以港口通航水域的环境因素对船舶的航行安全也很重要。港口通航安全的环境因素分为三个方面：港口水域自然因素、港口水域航道因素和港口水域助航设施因素。

港口水域的自然因素包括能见度、风和水流因素。良好的自然环境是船舶安全航行的基础。

港口水域航道因素包括航道宽度、航道深度、航道长度、交汇处船舶数量和碍航物。港口水域内船舶数量密集，所以，港口水域的合适航道状况是船舶安全航行的保障。

港口水域助航设施因素包括泊位、锚地及其相关的助航设施。港口良好的助航设施可以更好地引导船舶，为其提供准确的航道信息，帮助船舶安全顺利地完成航行任务，到达港口。

4 基于粗糙集的港口水域通航安全指标约简

4.1 港口水域通航安全指标约简体系

4.1.1 指标体系的确定。从上文可以看出，影响港口水域通航安全的因素有很多，从大部分文献来看，学者更倾向于将港口水域通航安全的指标重点放在船舶和环境因素当中。在本文中，结合了人员、船舶和环境因素，构成完整的港口水域通航安全指标体系。

影响因素有三大块，分为人为因素、船舶因素和环境因素。人为因素下辖指标有：安全意识、意志力、学历和疲劳程度。船舶因素下辖指标有：船舶保养、船龄、船舶吨位、船舶操纵性能、船体结构强度、船舶设备。环境因素下辖指标有：能见度、风、水流、航道宽度、航道深度、航道长度、交汇处船舶数量、港口助航设施。

4.1.2 指标语言的确定。评价指标语言的确定关系到最终的评价结果的科学性。本文中要求表现出港口水域通航安全存在的风险，通过对参考文献的研究以及对专家的咨询，最终选择从危险角度出发，将评价标准定为五个等级，分别是：低危险、较低危险、中等危险、较高危险、高危险，以下简称低、较低、中、较高、高，并且规定危险度越高，分值越大。

4.1.3 指标标准的确定。

（1）人为因素指标标准。通过对文献的查阅，目前在人为因素的评价指标标准中还没有完整的对其可以

量化的体系，大多数都停留在定性分析上。通过查阅专业的资料与咨询专家，结合船公司对船员的心里测评结果，对船员的安全意识、意志力、学历进行百分制的打分，船员的疲劳程度按照连续操纵时间（h）确定。具体见表1。

表1 人为因素评价指标分级

（2）船舶因素指标标准。在之前的研究中，已经有很多学者对船舶的各项指标进行了深入考察，所以船舶因素的评价指标大都可以进行量化。但是由于船舶本身的特点，其种类、吨位、尺度都各不相同，对船舶因素的评价指标不可能进行具体细微的量化。船舶吨位和船龄可按照国际惯例的分级标准，船舶保养因素按照船舶季保养次数计，其他船舶因素比如操纵性能、强度等根据相关专业资料以及专家经验，得出船舶因素指标评价标准见表2。

表2 船舶因素评价指标分级

（3）环境因素指标标准。船舶是否能在港口通航水域安全航行，环境因素对其影响很大。在查阅相关资料并询问专家意见后，给出下列环境指标的分级标准。其中能见度和风用一年中不良天数表示，水流因素用最大有效流速表示，航道宽度和深度用相对数表示，航道长度用船舶以标准航速的航行时间表示，交汇处船舶数量用交通密度表示，港口助航设施按百分制打分表示。具体见表3。

表3 环境因素评价指标分级

经过以上详细分析，得出总体指标分级标准见表4。

表4 港口水域通航安全指标分级标准

4.2 基于粗糙集的指标约简

由于文中选取的指标性质不同，其单位也不同，所以在进行指标约简之前先要进行数据的处理。首先利用SPSS软件对数据进行标准化处理，数据在经过标准化处理后依然呈连续型，但在粗糙集方法中要求数据为离散型，所以继续对数据进行离散化处理，并选择A4为参考变量。处理结果见表5。

表5 港口通航水域安全指标离散信息

因为A4为参考变量，所以定义A=｛A1，A2，A3｝，U/ A4=｛｛a，b，c｝，｛d，e｝｝；U/A=｛a，b，c，d，e｝。

按照粗糙集理论，正域：POSA（A4）=｛a，b，c，d，e｝；

Method for Reduction of Navigation Safety Indicators on Harbor Waters Based on Rough Set

Pu Yanyang,Zhang Qingnian
(School of Transportation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430061,China)

In this paper,we went over the indicators universally used in the evaluation of the navigation safety on harbor waters available at the moment and introduced in the rough set theory to further reduce the indicators used and make the evaluation result more scientific and accurate.

harbor waters;navigation safety;rough set;indicator reduction

F224;F550.8

A

1005-152X(2016)10-0058-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.10.015

2016-09-13

蒲艳阳（1992-），女，湖北武汉人，武汉理工大学交通学院硕士，主要研究方向：交通运输系统优化、交通运输规划与管理；张庆年（1957-），男，湖北武汉人，武汉理工大学交通学院教授，博士生导师，主要研究方向：交通运输系统优化与决策。