CN108182522A - 一种基于ahp-熵权法的航道交通安全风险评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于AHP‑熵权法的航道交通安全风险评估方法，包括以下步骤：S1：确定航道交通安全风险因素，从船舶、环境和管理三个因素出发，构造航道交通安全风险评估指标体系，所述航道交通安全风险评估指标体系分为目标层、准则层和指标层；S2：根据AHP法计算指标层相对目标层的权重，并进行总体一致性检验，然后根据熵权法计算指标权重，再根据CWM法进行组合赋权计算，得到指标综合权重；S3：根据可变模糊法确定航道交通安全风险级别特征值。本发明通过构建航道交通安全风险评估指标体系，实现针对航道水域的安全风险评估，基于风险评估结果实现管控资源合理分配，最终减少和避免航道交通事故。

Description

一种基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法
技术领域
本发明涉及水上交通安全风险评估领域，特别是涉及一种基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法。
背景技术
水上交通具有高风险性的特点，在事故率和破坏性上都较为突出。近年来，随着航运业的发展，船舶数量、类型和吨位都发生了巨大变化，对航道的承载能力和风险管理水平提出了更高要求。根据国际海事组织(IMO)制定的FSA(Formal Safety Assessment，综合安全评估)方法，水上交通风险管理分为危险因素识别、风险评估、风险控制方案制定、成本与效益评估和决策建议五个步骤。
目前，在水上安全风险评估领域与本发明最接近的现有技术方案是基于AHP法结合模糊综合评价的方法，这种方法的缺点在于主观因素影响很大。
发明内容
发明目的：本发明的目的是能够有效减少航道交通事故的基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法。
技术方案：本发明所述的基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法，包括以下步骤：
S1：确定航道交通安全风险因素，从船舶、环境和管理三个因素出发，构造航道交通安全风险评估指标体系，所述航道交通安全风险评估指标体系分为目标层、准则层和指标层；
S2：根据AHP法计算指标层相对目标层的权重，并进行总体一致性检验，然后根据熵权法计算指标权重，再根据CWM法进行组合赋权计算，得到指标综合权重；
S3：根据可变模糊法确定航道交通安全风险级别特征值。
进一步，所述步骤S2中，根据AHP法计算指标层相对目标层的权重并进行总体一致性检验的过程具体包括以下步骤：
S2.11：假设准则层包含p个一级指标，每个一级指标对应位于指标层的二级指标个数为q1,q2,...,qp；通过三标度法对准则层的p个一级指标进行两两比较，得到式(1)所示的判断矩阵A：
A＝(auv)p×p (1)
式(1)中，auv表示准则层因子xu和xv指标重要性比较的取值，u,v＝1,2,...,p；
S2.12：根据式(2)求出判断矩阵A的最大特征根λmax和特征向量W0，W0也就是准则层相对于目标层的一级指标权重向量，设W0＝(w1,w2,...,wp)；
AW0＝λmaxW0 (2)
式(2)中，wk为W0的第k个分量，1≤k≤p；
S2.13：根据式(3)对判断矩阵A进行一致性检验：
CR＝CI/RI (3)
式(3)中，CR为一致性比率，CI为一致性指标，如式(4)所示，RI为随机一致性指标；
式(4)中，r为判断矩阵A的阶数；
S2.14：参照步骤S2.11-S2.13，计算指标层相对于准则层的权重向量W1,W2,...,Wp；
S2.15：根据式(5)计算指标层相对目标层的权重Wall＝(ω1,ω2,...,ωn)T：
Wall＝I′W′ (5)
式(5)中，其中Iqk是阶数为qk的单位对角阵；
S2.16：根据式(6)计算总体一致性比率CRall：
式(6)中，CI＝(CI1,CI2,...,CIp)T是一致性指标向量，CIk是第k个二级指标一致性指标，RI＝(RI1,RI2,...,RIp)T是随机一致性指标向量，RIk是第k个二级指标的随机一致性指标。
进一步，所述步骤S2中，根据熵权法计算指标权重的过程包括以下步骤：
S2.21：随机选定m个航道，假设指标总个数为n，得到风险判断矩阵B：
B＝(bij)m×n，i＝1,2,...,m；j＝1,2,...,n (7)
式(7)中，bij为第i个航道的第j项指标的数值；
S2.22：对B的元素进行无量纲和同趋势化处理得B′＝(b′ij)m×n，其中，对于效益型指标，b′ij如式(8)所示；对于成本型指标，b′ij如式(9)所示：
式(8)中，为第j项指标最大数值，为第j项指标最小数值；
S2.23：对B′进行归一化处理得D＝(dij)m×n，dij如式(10)所示：
S2.24：根据式(11)计算第j项指标熵值Hj：
式(11)中，k为波尔兹曼常数；
S2.25：根据式(12)计算各指标熵权值，得到指标熵权值排序向量W′all＝(ω′1,ω′2,...,ω′n)T：
式(12)中，0≤ω′j≤1，Hx为第x项指标熵值。
进一步，所述步骤S2中，根据CWM法进行组合赋权计算，得到指标综合权重的过程包括以下步骤：
S2.31：利用Wall＝(ω1,ω2,...,ωn)T和W′all＝(ω′1,ω′2,...,ω′n)T，构造如式(13)所示的权重向量矩阵W：
S2.32：根据式(14)计算权重向量矩阵W的每个列向量的2-范数，得向量
S2.33：根据式(15)对向量W′c各元素进行归一化处理，得到综合权重
进一步，所述步骤S3中，根据式(16)求得航道交通安全风险级别特征值Rμ：
Rμ＝Wc TY′C (16)
式(16)中，Wc是指标综合权重向量，Y′＝(yjη)16×5是指标隶属度矩阵，yjη如式(17)所示，C＝(1,2,3,4,5)T是风险级别向量；
式(17)中，j＝1,2,...,n，η∈C，Yj,η-1为第j个指标的第η级风险标准区间的左值，Yj,η为第j个指标的第η级风险标准区间的右值，Xj为第j个指标的取值。
有益效果：本发明公开了一种基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法，通过构建航道交通安全风险评估指标体系，实现针对航道水域的安全风险评估，基于风险评估结果实现管控资源合理分配，最终减少和避免航道交通事故。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图，对本发明的技术方案做进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：确定航道交通安全风险因素，从船舶、环境和管理三个因素出发，构造航道交通安全风险评估指标体系，如表1所示，航道交通安全风险评估指标体系分为目标层、准则层和指标层，其中准则层包括自然环境、通航环境、船舶和管理四个一级指标，每个一级指标之下又包括若干个二级指标。
表1航道交通安全风险评估指标体系
S2：根据AHP法计算指标层相对目标层的权重，并进行总体一致性检验，然后根据熵权法计算指标权重，再根据CWM法进行组合赋权计算，得到指标综合权重。
S3：根据可变模糊法确定航道交通安全风险级别特征值。
步骤S2中，根据AHP法计算指标层相对目标层的权重并进行总体一致性检验的过程具体包括以下步骤：
S2.11：假设准则层包含p个一级指标，每个一级指标对应位于指标层的二级指标个数为q1,q2,…,qp；通过三标度法对准则层的p个一级指标进行两两比较，得到式(1)所示的判断矩阵A：
A＝(auv)p×p (1)
式(1)中，auv表示准则层因子xu和xv指标重要性比较的取值，u,v＝1,2,...,p；三标度判别指标重要性规则如表2所示；以某港口为例，其航道风险一级指标权重判断矩阵
表2三标度法判别指标重要性
Xi与Xj比较 更加重要 同等重要 不重要
hij 2 1 0
S2.12：根据式(2)求出判断矩阵A的最大特征根λmax和特征向量W0，W0也就是准则层相对于目标层的一级指标权重向量，设W0＝(w1,w2,...,wp)；
AW0＝λmaxW0(2)
式(2)中，wk为W0的第k个分量，1≤k≤p。
S2.13：根据式(3)对判断矩阵A进行一致性检验：
CR＝CI/RI (3)
式(3)中，CR为一致性比率，CI为一致性指标，如式(4)所示，RI为随机一致性指标，取值见表3；
表3 RI取值
n 1 2 3 4 5 6 7 8 9
RI 0 0 0.52 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46
n 10 11 12 13 14 15
RI 1.49 1.52 1.54 1.56 1.58 1.59
式(4)中，r为判断矩阵A的阶数。
S2.14：参照步骤S2.11-S2.13，计算指标层相对于准则层的权重向量W1,W2,...,Wp。
S2.15：根据式(5)计算指标层相对目标层的权重Wall＝(ω1,ω2,...,ωn)T：
Wall＝I′W′ (5)
式(5)中，其中Iqk是阶数为qk的单位对角阵。
S2.16：根据式(6)计算总体一致性比率CRall：
式(6)中，CI＝(CI1,CI2,...,CIp)T是一致性指标向量，CIk是第k个二级指标一致性指标，RI＝(RI1,RI2,...,RIp)T是随机一致性指标向量，RIk是第k个二级指标的随机一致性指标。
步骤S2中，根据熵权法计算指标权重的过程包括以下步骤：
S2.21：随机选定m个航道，假设指标总个数为n，得到风险判断矩阵B：
B＝(bij)m×n，i＝1,2,...,m；j＝1,2,...,n (7)
式(7)中，bij为第i个航道的第j项指标的数值。
S2.22：对B的元素进行无量纲和同趋势化处理得B′＝(b′ij)m×n，其中，对于效益型指标，b′ij如式(8)所示；对于成本型指标，b′ij如式(9)所示：
式(8)中，为第j项指标最大数值，为第j项指标最小数值。
S2.23：对B′进行归一化处理得D＝(dij)m×n，dij如式(10)所示：
S2.24：根据式(11)计算第j项指标熵值Hj：
式(11)中，k为波尔兹曼常数。
S2.25：根据式(12)计算各指标熵权值，得到指标熵权值排序向量W′all＝(ω′1,ω′2,...,ω′n)T：
式(12)中，0≤ω′j≤1，Hx为第x项指标熵值。
步骤S2中，根据CWM法进行组合赋权计算，得到指标综合权重的过程包括以下步骤：
S2.31：利用Wall＝(ω1,ω2,...,ωn)T和W′all＝(ω′1,ω′2,...,ω′n)T，构造如式(13)所示的权重向量矩阵W：
S2.32：根据式(14)计算权重向量矩阵W的每个列向量的2-范数，得向量
S2.33：根据式(15)对向量W′c各元素进行归一化处理，得到综合权重
步骤S3中，根据式(16)求得航道交通安全风险级别特征值Rμ：
Rμ＝Wc TY′C (16)
式(16)中，Wc是指标综合权重向量，Y′＝(yjη)16×5是指标隶属度矩阵，yjη如式(17)所示，C＝(1,2,3,4,5)T是风险级别向量；
式(17)中，j＝1,2,...,n，η∈C，Yj,η-1为第j个指标的第η级风险标准区间的左值，Yj,η为第j个指标的第η级风险标准区间的右值，Xj为第j个指标的取值。
本具体实施方式中，风险等级区划如表4所示，表示为式(18)：
转换为可用于计算的标准值矩阵为：
表4航道交通安全风险评估指标标准区间
本具体实施方式中，AHP表示Analytic Hierarchy Process，层次分析法；CWM表示Combination Weighting Method，组合赋权法。

Claims (5)

1.一种基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：确定航道交通安全风险因素，从船舶、环境和管理三个因素出发，构造航道交通安全风险评估指标体系，所述航道交通安全风险评估指标体系分为目标层、准则层和指标层；
S2：根据AHP法计算指标层相对目标层的权重，并进行总体一致性检验，然后根据熵权法计算指标权重，再根据CWM法进行组合赋权计算，得到指标综合权重；
S3：根据可变模糊法确定航道交通安全风险级别特征值。
2.根据权利要求1所述的基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据AHP法计算指标层相对目标层的权重并进行总体一致性检验的过程具体包括以下步骤：
S2.11：假设准则层包含p个一级指标，每个一级指标对应位于指标层的二级指标个数为q1,q2,...,qp；通过三标度法对准则层的p个一级指标进行两两比较，得到式(1)所示的判断矩阵A：
A＝(auv)p×p (1)
式(1)中，auv表示准则层因子xu和xv指标重要性比较的取值，u,v＝1,2,...,p；
S2.12：根据式(2)求出判断矩阵A的最大特征根λmax和特征向量W0，W0也就是准则层相对于目标层的一级指标权重向量，设W0＝(w1,w2,...,wp)；
AW0＝λmaxW0 (2)
式(2)中，wk为W0的第k个分量，1≤k≤p；
S2.13：根据式(3)对判断矩阵A进行一致性检验：
CR＝CI/RI (3)
式(3)中，CR为一致性比率，CI为一致性指标，如式(4)所示，RI为随机一致性指标；
式(4)中，r为判断矩阵A的阶数；
S2.14：参照步骤S2.11-S2.13，计算指标层相对于准则层的权重向量W1,W2,...,Wp；
S2.15：根据式(5)计算指标层相对目标层的权重Wall＝(ω1,ω2,...,ωn)T：
Wall＝I′W′ (5)
式(5)中，其中是阶数为qk的单位对角阵；
S2.16：根据式(6)计算总体一致性比率CRall：
式(6)中，CI＝(CI1,CI2,...,CIp)T是一致性指标向量，CIk是第k个二级指标一致性指标，RI＝(RI1,RI2,...,RIp)T是随机一致性指标向量，RIk是第k个二级指标的随机一致性指标。
3.根据权利要求2所述的基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据熵权法计算指标权重的过程包括以下步骤：
S2.21：随机选定m个航道，假设指标总个数为n，得到风险判断矩阵B：
B＝(bij)m×n，i＝1,2,...,m；j＝1,2,...,n (7)
式(7)中，bij为第i个航道的第j项指标的数值；
S2.22：对B的元素进行无量纲和同趋势化处理得B′＝(b′ij)m×n，其中，对于效益型指标，b′ij如式(8)所示；对于成本型指标，b′ij如式(9)所示：
式(8)中，为第j项指标最大数值，为第j项指标最小数值；
S2.23：对B′进行归一化处理得D＝(dij)m×n，dij如式(10)所示：
S2.24：根据式(11)计算第j项指标熵值Hj：
式(11)中，k为波尔兹曼常数；
S2.25：根据式(12)计算各指标熵权值，得到指标熵权值排序向量W′all＝(ω′1,ω′2,...,ω′n)T：
式(12)中，0≤ω′j≤1，Hx为第x项指标熵值。
4.根据权利要求3所述的基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据CWM法进行组合赋权计算，得到指标综合权重的过程包括以下步骤：
S2.31：利用Wall＝(ω1,ω2,...,ωn)T和W′all＝(ω′1,ω′2,...,ω′n)T，构造如式(13)所示的权重向量矩阵W：
S2.32：根据式(14)计算权重向量矩阵W的每个列向量的2-范数，得向量
S2.33：根据式(15)对向量W′c各元素进行归一化处理，得到综合权重
5.根据权利要求1所述的基于AHP-熵权法的航道交通安全风险评估方法，其特征在于：所述步骤S3中，根据式(16)求得航道交通安全风险级别特征值Rμ：
Rμ＝Wc TY′C (16)
式(16)中，Wc是指标综合权重向量，Y′＝(yjη)16×5是指标隶属度矩阵，yjη如式(17)所示，C＝(1,2,3,4,5)T是风险级别向量；
式(17)中，j＝1,2,...,n，η∈C，Yj,η-1为第j个指标的第η级风险标准区间的左值，Yj,η为第j个指标的第η级风险标准区间的右值，Xj为第j个指标的取值。
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