船舶碰撞危险度评判模型

【摘 要】应用层次分析法和模糊数学综合评判理论，根据目标船的最近会遇距离 、至最近点时间、相对方位、舷角、距离、船速比等6个基本参数作为碰撞危险度的指标体系，建立数学模型。

【关键词】层次分析法；模糊数学综合评判理论；船舶碰撞危险度

0 引言

随着航运事业的不断发展，船舶数量增多，吨位增大，速度加快，船舶碰撞事故时有发生。船舶碰撞事故不仅危及人的生命安全，还会造成海洋环境的污染。因此，许多学者致力于船舶避碰决策的研究和避碰自动化的研究，船舶智能化程度提高，许多助航仪器引入到航海实践，为减少船舶碰撞事故提供了更多的选择[1]。船舶避碰的关键技术就是量化船舶碰撞危险度，由于它的模糊性和不确定性，国际上尚无统一的标准，理论上尚不够系统、完善。本文尝试建立船舶碰撞危险度的评判模型，试图达到科学的避碰效果。提高船舶的航行安全是航海科技战线的专家学者普遍关心的研究课题，而实现船舶避碰的自动化，是避免船舶碰撞事故发生，提高船舶航行安全的关键技术，也是航海技术的前沿课题。因此，在“1996国际海上避碰会议”上曾提出，船舶自动避碰决策系统研究是今后10年乃至20年航海技术领域研究的主攻方向之一[2]。

1 背景知识

1.1 层次分析法原理

层次分析法[3]是20世纪70年代由美国运筹学教授T.L.Saaty提出的。层次分析法是目前系统工程处理定型和定量相结合问题比较行之有效的方法，不同的因素在影响过程中占有不同的地位，通过两两比较，得出各因素的重要程度，从而建立判断矩阵。 通过计算判断矩阵的最大特征值及其相应的特征向量，得到权重向量。

其主要步骤如下：

1.1.1 建立判断矩阵

判断矩阵是层次分析法的基本信息，也是进行各要素优先级权重计算的重要依据。在层次分析法中，判断尺度是表示某一要素对另一要素的相对重要性的数量尺度，关于如何确定aij的值，Satty等建议引用数字l～9及其倒数作为尺度。下表1列出了1～9尺度的含义[4]：

表1 1～9尺度的含义

1.1.2 求特征向量及最大特征值

1.2 模糊综合评判原理

模糊评判法[5]是在确定指标体系的基础上，根据模糊数学中的隶属度的概念，给出评判对象（因素集）的评判等级和相应的评判标准，继而确定各因素的隶属度函数或矩阵，然后根据各指标的权重进行单因素评判。

模糊综合评判主要步骤[6]如下：

（1）建立因素集，因素集是评价对象的各种属性或性能，在不同场合，也成为参数指标或质量指标，他们综合地反映出对象的质量。所谓因素集，就是影响评价对象的各种因素组成的一个普通集合，即U ={u1，u2，...，un}。

（2）建立备择集，备择集又叫评价集，是评价者对评价对象可能做出的各种总的评价结果所组成的集合，即V={V1，V2，…VM}。

（3）建立权重集，是各个指标的相对重要性表示，即W={w1， w2， …wn}。

（4）进行单指标评价，即对指标集内诸因素的评定，是一种模糊映射。对于数量型指标可以根据评价指标和评价标准的要求建立隶属度函数，然后对于评价指标ui分别给出评价方案vj（j=1，m）的隶属度，得到隶属度向量Ri=（ri1，ri2，rim，）。

（5）建立模糊隶属度矩阵，即把针对每个单因素评价的隶属度向量组合起来。

1.3 船舶碰撞危险度

碰撞危险，无论是在船舶避碰领域还是在海上交通工程领域都是一个十分重要的概念。由于碰撞危险度具有模糊性和不度额定性，刘宇宏等学者在建立危险度概念时，引入模糊的概念。国内外尚无公认的度量方法，不同的学者有不同的看法，船舶碰撞危险度[7]这一概念一直存在争议。

2 影响船舶避碰的因素

导致船舶碰撞的因素[8]有很多，其中人为因素占很大比重，因此，研究船舶碰撞事故中操船者的思维过程、避碰行动以及提出较优或优化的避碰决策是很重要的。绝大多数学者都承认DCPA与TCPA是影响船舶碰撞危险度的重要因素，一些学者认为直航船相对方位对让路船避碰行动幅度影响最大。有的学者认为船舶碰撞距离直接影响船舶碰撞危险度的大小。船舶的速度不同，操纵性能不一，这直接影响到船舶的最晚施舵点。环境的因素也起有重要影响，在不同的气象、水文、地理因素下，操船者的心理状态不一，影响船舶的避碰决策。考虑复杂因素对船舶避碰的影响，建立科学的模型，实现船舶的避碰智能化。

3 构建模型

3.1 建立指标体系

根据前文叙述的影响船舶避碰的因素，建立指标集：U={u1，u2，u3，u4，u5，u6}，其中u1，u2，u3，u4，u5，u6分别对应于指标：DCPA 、TCPA、相对方位B、舷角θ、距离D、船速比K。

3.2 确定指标权重

根据对有关专家的调查意见，建立判断矩阵A如表3所示。

根据前文所述的层次分析法计算各因素的权重，如下表4所示。

3.3 建立评价集

本文确定的评价等级评语集可为：V={危险，稍稍危险，临界，稍稍安全，安全}。为了简便起见，简记为V={-2，-1，0，1，2}。

3.4 建立隶属度函数

3.4.1 评价因素的危险评价标准的确定

隶属度函数的确定是进行模糊评判的一个关键问题。本文借鉴了国内外有关学者在这方面的研究成果，并结合船舶航行的实际情况，确立了如表5所示的碰撞危险度等级的评价标准[9]。

说明：（1）相对方位是按360度计算；（2）碰角不区分左右舷；（3）船速比是指他船与本船船速之比。

3.4.2 确定隶属度函数

4 算例

5 结论

从多次验证的结果来看，与实际情况比较相符。用模糊综合评判可以对船舶碰撞危险度进行初步评判，也可以对后续的船舶自动避碰系统的研究提出建议，提供一种船舶碰撞评判的新思路。但是，应当看到，由于对于指标的选择和定性在一定程度上存在主观性，而且选取的指标体系不够完善，难以全面有效的反映航海实践中的避碰实际，还需要作进一步的研究。

【参考文献】

[1]刘军坡.基于模糊模式识别的碰撞危险度评判方法[D].大连海事大学，2011.

[2]郑中义，吴兆麟.船舶避碰决策[M].大连：大连海事出版社，2000.11.

[3]蒋军成，郭振龙.安全系统工程[M].北京：化学工业出版社，2004.

[4]彭祖增，孙韫玉.模糊数学（Fuzzy）数学及其应用[M].武汉：武汉理工大学出版社，2007.9.

[5]孙成功.基于模糊物元模型的黄浦江弯道通航安全评价[D].授予单位所在地：上海海事大学，2011.

[6]张勇慧，林焰，纪卓尚.基于AHP的运输船舶多目标模糊综合评判[J].系统工程理论与实践，2002.11.

[7]陈建华，陈红卫，刘科.基于模糊神经网络的一种船舶碰撞危险度计算方法[J].舰船科学技术，2008，30（4）：135-138.

[8]孙敬明，刘志高.浅谈舰船自动避碰系统的研究[J].江苏船舶，2005，22（5）：4-6.

[9]邱云明.船舶航行碰撞危险度模型的构建[A].//船舶航泊安全的新经验新技术论文集（上册）[C].2007.

[责任编辑：杨扬]

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