一种海上运输关键节点风险耦合评估方法及系统与流程

本发明涉及风险评估技术领域，尤其涉及一种海上运输关键节点风险耦合评估方法及系统。

背景技术：

运河、海峡以及重要港口等关键节点，是构成海上运输网路的重要基础和支撑。海上运输关键节点风险耦合是指当这些节点受到恶劣天气、海盗、海上恐怖主义等随机因素相互作用影响时形成的一种安全状态。而影响海上运输关键节点安全的因素具有突发性、不可逆性等特点，如何有效的评估海上运输关键节点的安全性成为研究的重点之一。

海上运输关键节点的安全是保证海上运输顺利进行的前提，也是研究海上运输可持续发展的重要基础，因此，有必要根据影响海上运输关键节点因素的特点，设计一种更加有效的安全评估方法。

海上运输关键节点风险耦合研究在我国处于起步阶段。经文献检索发现，目前有学者对于研究港口船舶通航风险的形成机理，以港口船舶通航复杂性系统为视角，借助系统动力学方法进行港口船舶通航风险成因耦合仿真。有学者分析了传统一些评价方法的优缺点基础上，采用模糊层次分析法对客滚船终端的操作风险耦合进行了评估。有学者通过耦合集对分析和三角模糊数的随机模拟，提出一种基于膨胀和收缩的一种新的风险分析模型。有方案采用传统的基于突变理论的突变级数法来确定风险等级，并建立了一套自动的集成化系统。

现有技术中，主要针对海上运输某一方面进行研究，一定范围内得知了海上运输安全情况，但是没有就具体海上运输关键节点的风险因素耦合关系进行分析评估。此外，突变理论的应用领域研究十分广泛，但是就突变理论应用在海上运输安全方面较少，并且突变理论自身缺点的研究也是不多。

在现有风险耦合研究中，很少针对海上运输关键节点风险耦合进行研究，主要就海上运输某一方面进行安全分析，虽然一些风险评估方法可以对海上运输风险状况进行评价，但现有这些风险评估方法均较难对海上运输关键节点风险因素作用机理进行模拟分析，因此缺乏有效性。

此外，以突变理论为基础进行海上运输关键节点风险研究就少之更少。但对于突变理论在风险评估的应用十分广泛，主要是采用以突变理论为基础的突变级数法，但突变理论在使用中根据不同的实际情况会存在一定的问题，比如说在建立递阶层次结构时，大部分采用定性的方法，缺乏合理性，最终会导致结果准确性较差，而影响海上运输关键节点的因素对海上运输关键节点的安全影响程度是不同的，并且互相之间也存在相互影响，因此，简单定性的进行分类是不科学的，需要采用更加合理的方式来描述这种关系。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种海上运输关键节点风险耦合评估方法及系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

根据本发明的一个方面，提供了一种海上运输关键节点风险耦合评估方法，包括：

根据海上运输关键节点风险影响因素的特征，将所述影响因素分为易损性指标和适应性指标两类；

分别对所述易损性指标和适应性指标进行主成分分析并建立递阶层次结构；

根据所述递阶层次结构确立对应的关键节点耦合程度突变模型；

根据所述关键节点耦合程度突变模型计算风险耦合值；

建立基于平衡曲面和控制平面的海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统，根据所述风险耦合值在所述海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统中状态，评估所述海上运输关键节点风险。

根据所述递阶层次结构确立对应的关键节点耦合程度突变模型，包括：

根据如下公式将所述易损性指标和适应性指标数据规范化；

适应性指标:

易损性指标：

其中，xij^*表示影响因素处理后的值；xij表示第i个关键节点的第j个影响因素；i＝(1，2，…，n)表示关键节点；j＝(1，2，…，m)表示影响因素；max(xij)和min(xij)分别表示第j个影响因素的最大值与最小值；

计算规范化后的所述指标数据的相关系数矩阵rm×m；

计算所述相关系数矩阵rm×m的特征值λi(i＝1，2，…，n)；所述λi为主成分fi所解释原始指标的数据总方差；

主成分fi表示的原始指标数据方差贡献率ωi为：

其中，第i个fi主成分表示原始信息含量所占主成分所表示的全部原始信息的比例；

将所述λi从大到小排序，当第p个特征值的累计方差贡献率大于等于85％时，则选取前p的特征值对应的主成分；

计算因子载荷矩阵其中，bij表示第i个指标在第j个主成分上的因子载荷；aij表示第i个特征值对应的特征向量的第j个分量；

根据所述因子载荷bij建立因素指标的递阶层次结构。

所述根据所述关键节点耦合程度突变模型计算风险耦合值，包括：

根据所述关键节点耦合程度突变模型，依据对应的归一化公式从最底层逐步向上计算所述风险耦合值，最终得到总的海上运输关键节点风险耦合程度值；

所述方法还包括：

根据所述易损性指标和适应性指标之间的相关性情况，采用“互补”与“非互补”原则进行所述风险耦合值的计算。

根据所述风险耦合值在所述海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统中状态，评估所述海上运输关键节点风险，包括：

根据所述关键节点耦合程度突变模型，计算最底层控制变量全是{0，0.2，0.4，0.6，0.8，1}的综合突变ri，并将这6个值作为刻画初始综合值的等级刻度，不同等级水平的相应区间为[ri，ri+1](i＝0，1，…，4)；

将计算得到的风险耦合值rj{r1，r2，…，rn}根据其落入的等级刻度区间[ri，ri+1](i＝0，1，…，4)；所述n为关键节点；将其映射到对应的区间中，得到调整的耦合度为r′j{r′1，r′2，…，r′n}，则

所述建立基于平衡曲面和控制平面的海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统，包括：

根据关键节点耦合程度突变模型描述关键节点的安全系统状态，建立基于平衡曲面和控制平面的海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统图。

所述方法还包括：

在所述基于平衡曲面和控制平面的海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统图中，z曲面是尖点突变的平衡曲面，下面的c平面是由控制变量u和v所在的控制平面；

在平衡曲面中，由上叶、中叶和下叶构成，分别对应海上运输关键节点安全系统的安全状态、突变状态和危险状态；在控制平面中，中间的曲线是中叶所在的曲面在控制平面上的投影，也就是分歧点集构成的曲线；

通过尖点突变的分歧点集方程计算出相应的值，判断每一个关键节点的安全状态是否稳定。

所述方法还包括：

将所述尖点突变的分歧点集方程转化，并对应每一个关键节点的安全状态如下：

时，海上运输关键节点安全系统处于稳定状态；

时，海上运输关键节点安全系统处于临界稳定状态；

时，海上运输关键节点安全系统处于不稳定状态。

根据本发明的另一个方面，提供了一种海上运输关键节点风险耦合评估系统，包括：

指标划分单元，用于根据海上运输关键节点风险影响因素的特征，将所述影响因素分为易损性指标和适应性指标两类；

递阶层次结构建立单元，用于分别对所述易损性指标和适应性指标进行主成分分析并建立递阶层次结构；

模型建立单元，用于根据所述递阶层次结构确立对应的关键节点耦合程度突变模型；

风险耦合值计算单元，用于根据所述关键节点耦合程度突变模型计算风险耦合值；

结果分析单元，用于建立基于平衡曲面和控制平面的海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统，根据所述风险耦合值在所述海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统中状态，评估所述海上运输关键节点风险。

所述递阶层次结构建立单元，用于根据如下公式将所述易损性指标和适应性指标数据规范化；

适应性指标:

易损性指标：

其中，xij^*表示影响因素处理后的值；xij表示第i个关键节点的第j个影响因素；i＝(1，2，…，n)表示关键节点；j＝(1，2，…，m)表示影响因素；max(xij)和min(xij)分别表示第j个影响因素的最大值与最小值；

计算规范化后的所述指标数据的相关系数矩阵rm×m；

计算所述相关系数矩阵rm×m的特征值λi(i＝1，2，…，n)；所述λi为主成分fi所解释原始指标的数据总方差；

主成分fi表示的原始指标数据方差贡献率ωi为：

其中，第i个fi主成分表示原始信息含量所占主成分所表示的全部原始信息的比例；

将所述λi从大到小排序，当第p个特征值的累计方差贡献率大于等于85％时，则选取前p的特征值对应的主成分；

计算因子载荷矩阵其中，bij表示第i个指标在第j个主成分上的因子载荷；aij表示第i个特征值对应的特征向量的第j个分量；

根据所述因子载荷bij建立因素指标的递阶层次结构。

本发明的有益效果是：提供了一种海上运输关键节点风险耦合评估方法及系统。基于改进突变理论的海上运输关键节点风险耦合评估方法,从影响海上运输关键节点的因素出发，根据影响因素的特点及相互作用机理，采用了突变理论进行描述分析。并以此为基础，采用主成分分析法定量建立递阶层级结构，使之更加合理，实现了对海上运输关键节点风险耦合更加准确的评估。

不仅如此，通过对计算结果的改进，不仅可以明确不同节点之间的安全程度，更加有效的说明关键节点处于的安全状态及安全等级，为研究海上运输可持续发展的提供了理论基础与依据。

附图说明

图1为本发明实施例提供的海上运输关键节点风险耦合评估方法原理流程图。

图2为本发明实施例提供的海上运输关键节点风险耦合评估方法操作流程示意图。

图3为本发明实施例提供的递阶层次结构示意图。

图4为本发明实施例提供的海上运输关键节点安全系统尖点突变状态划分图。

图5为本发明实施例提供的海上运输关键节点风险耦合评估系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明目的在于现有技术缺少基于突变理论的海上运输关键节点风险耦合评估以及使用突变理论模型时，建立递阶层次结构缺乏客观性等问题，提供一种基于改进突变理论的海上运输关键节点风险耦合评估方法。考虑到影响海上运输关键节点安全的因素的特点及相互作用机理，如何选择合适的方法进行风险耦合评估是需要解决的重要问题，因此，采用基于改进突变理论方法对海上运输关键节点风险耦合进行评估是本发明目的之一。

另一方面，如何建立有效的海上运输关键节点风险因素指标递阶层次结构是需要考虑的问题。安全影响因素对海上关键节点的影响程度不同，并且因素之间会也会存在信息重复问题，客观有效建立海上运输关键节点风险因素指标递阶层次结构也是本发明的目的。

本发明针对影响海上运输关键节点安全的因素具有突发性的特点，并考虑影响因素之间的影响程度不同及存在信息重复的问题，提供一种基于改进突变理论的海上运输关键节点风险耦合评估方法。该方法基于传统突变理论，优化了评估步骤，提高了海上运输关键节点风险耦合评估的有效性。

如图1所示，为本发明实施例提供的海上运输关键节点风险耦合评估方法原理流程图，具体如下：

步骤11，根据海上运输关键节点风险影响因素的特征，将所述影响因素分为易损性指标和适应性指标两类；

步骤12，分别对所述易损性指标和适应性指标进行主成分分析并建立递阶层次结构；

步骤13，根据所述递阶层次结构确立对应的关键节点耦合程度突变模型；

步骤14，根据所述关键节点耦合程度突变模型计算风险耦合值；

步骤15，建立基于平衡曲面和控制平面的海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统，根据所述风险耦合值在所述海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统中状态，评估所述海上运输关键节点风险。

本发明针对影响海上运输关键节点安全的因素具有突发性的特点，并考虑影响因素之间的影响程度不同及存在信息重复的问题，提供一种基于改进突变理论的海上运输关键节点风险耦合评估方法。该方法基于传统突变理论，优化了评估步骤，提高了海上运输关键节点风险耦合评估的有效性。基于突变理论的海上运输关键节点风险耦合模型。

本发明依据使用突变模型进行分析的要求，即在社会科学领域，如果突变现象具有多态性、突变性、不可达性、磁滞性和发散性等的上述2个以上的突变特质，就可以考虑使用突变模型进行分析。结合影响海上运输关键节点安全因素的特点，构建如下模型：

用g(x，c)表示关键节点耦合程度势函数为，其中x表示状态变量，c为控制变量。其中状态变量为关键节点的耦合度；控制变量为各种影响因素，共同作用决定了关键节点的耦合程度。关键节点的耦合度及判断标准可以描述如下：

g(x)＝f(x，c)公式(1)

其中，公式(1)表示关键节点的耦合程度势函数；公式(2)为关键节点在状态空间的平衡曲面，该曲面表示关键节点自身所受风险因素作用达到了平衡；公式(3)是分歧点集方程，可以判断关键节点耦合程度是否处于稳定状态。当δ＜0时，表示关键节点耦合程度处于不稳定状态；当δ＝0时，表示关键节点耦合程度处于临界稳定状态，即使是微小的干扰也可能造成关键节点的耦合程度的突变；当δ＞0时，表示关键节点耦合程度处于稳定状态。

基于改进突变理论的海上运输关键节点风险耦合评估步骤。

利用突变理论进行评估时，采用的是以突变理论为基础的突变级数法。主要包括对系统的评价目标进行多层次矛盾分解，然后利用由突变理论和模糊数学相结合所产生的突变模糊隶属函数，得到初等突变模型以及其分歧点集方程，并在上述两者的基础上，推导得到归一化公式，由归一化公式进行综合量化运算，最后归一为一个参数，即求出总的隶属函数，进行综合评价。

为了使风险指标能够综合度量各个运输关键节点的耦合程度和客观的说明因素之间的重要程度，本发明采用主成分分析法建立关键节点的递阶层次结构，使之更具有客观性和代表性。

本发明实施例提供的评估方法主要包括以下步骤，参见附图2。

根据影响因素的特征，可以首先将影响因素分为两类，一类是来自外部的灾害因素，定义为易损性指标；另一类是应对灾害的各种措施，定义为适应性指标。

分别对两类指标进行主成分分析并建立递阶层次结构。

首先由于原始数据取值范围和度量单位各不相同，所以要将指标数据规范化，本发明采取规范化的公式如公式(4)和公式(5)，

适应性指标:

易损性指标：

其中，xij^*表示影响因素处理后的值；xij表示第i个关键节点的第j个影响因素；j＝(1，2，…，n)表示关键节点；j＝(1，2，…，m)表示影响因素；此外，max(xij)和min(xij)分别表示第j个影响因素的最大值与最小值。

计算规范化后的指标数据的相关系数矩阵rm×m。

求相关系数矩阵r的特征值λi(i＝1，2，…，n)，λi反映了主成分fi所解释原始指标的数据总方差，则主成分fi表示的原始指标数据方差贡献率ωi为：

公式(6)表示第i个fi主成分表示原始信息含量所占主成分所表示的全部原始信息的比例。将求出的λi从大到小排序，当第p个特征值的累计方差贡献率大于等于85％时，则选取前p的特征值对应的主成分。

计算因子载荷矩阵可以确立了指标的关系和重要程度，最终可以建立因素指标的递阶层次结构，具体模式参见附图3。

其中，bij表示第i个指标在第j个主成分上的因子载荷；aij表示第i个特征值对应的特征向量的第j个分量。

根据建立递阶层次结构确立对应的模型。

本发明依据，任何动态系统，如果控制变量c中的元素不超过4个，则系统势函数最多只有7种突变形式，其中状态变量为一维的势函数及对应的归一化公式见下表。

计算风险耦合值。本发明根据步骤三确立的模型，依据对应的归一化公式从最底层逐步向上计算风险耦合值，并最终求出总的海上运输关键节点风险耦合程度值。计算过程中根据指标之间的相关性情况，采用“互补”与“非互补”原则进行计算。

结果处理分析。在采用突变级数法计算时，得到的值常具有聚集性，本发明为了使计算的耦合度更加直观的表示关键节点的耦合程度和有利于后续操作，对传统突变级数法计算得到的初始耦合度进行了改进。

首先，根据建立的关键节点的耦合程度突变模型，计算最底层控制变量全是{0，0.2，0.4，0.6，0.8，1}的综合突变ri，并将这6个值作为刻画初始综合值的等级刻度，不同等级水平的相应区间为[ri，ri+1](i＝0，1，…，4)。

其次，将计算得到的耦合度rj{r1，r2，…，rn}(n为关键节点)，根据其落入的等级刻度区间[ri，ri+1](i＝0，1，…，4)，将其映射到对应的区间中，得到调整的耦合度为r′j{r′1，r′2，…，r′n}，则

基于以上分析，最终决定关键节点的耦合度是由易损性与适应性指标两方面共同决定的；另外根据表1可以用尖点突变模型描述关键节点的安全系统状态，可以建立基于平衡曲面和控制平面的海上运输关键节点安全系统尖点突变状态划分图，参见附图4所示。

附图4中的z曲面是尖点突变的平衡曲面，下面的c平面是由控制变量u和v所在的控制平面。在平衡曲面中，由上叶、中叶和下叶构成，分别对应海上运输关键节点安全系统的安全状态、突变状态和危险状态；在控制平面中，中间的曲线是中叶所在的曲面在控制平面上的投影，也就是分歧点集构成的曲线。上叶和下叶都是关键节点安全系统的稳定状态，而中叶则处在不稳定状态，容易发生突变。通过分歧点集方程计算出相应的δ值可以判断的每一个关键节点的安全状态是否稳定。为了通过u和v值判断关键节点安全系统所处的状态，将公式尖点突变的分歧点集方程转化如下：

(1)时，海上运输关键节点安全系统处于稳定状态；

(2)时，海上运输关键节点安全系统处于临界稳定状态；

(3)时，海上运输关键节点安全系统处于不稳定状态。

进而可以评估海上运输关键节点的安全。

如图5所示，本发明实施例提供了一种海上运输关键节点风险耦合评估系统，具体如下：

指标划分单元21，用于根据海上运输关键节点风险影响因素的特征，将所述影响因素分为易损性指标和适应性指标两类；

递阶层次结构建立单元22，用于分别对所述易损性指标和适应性指标进行主成分分析并建立递阶层次结构；

模型建立单元23，用于根据所述递阶层次结构确立对应的关键节点耦合程度突变模型；

风险耦合值计算单元24，用于根据所述关键节点耦合程度突变模型计算风险耦合值；

结果分析单元25，用于建立基于平衡曲面和控制平面的海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统，根据所述风险耦合值在所述海上运输关键节点安全尖点突变状态划分系统中状态，评估所述海上运输关键节点风险。

所述递阶层次结构建立单元22，用于根据如下公式将所述易损性指标和适应性指标数据规范化；

适应性指标:

易损性指标：

其中，xij^*表示影响因素处理后的值；xij表示第i个关键节点的第j个影响因素；i＝(1，2，…，n)表示关键节点；j＝(1，2，…，m)表示影响因素；max(xij)和min(xij)分别表示第j个影响因素的最大值与最小值；

计算规范化后的所述指标数据的相关系数矩阵rm×m；

计算所述相关系数矩阵rm×m的特征值λi(i＝1，2，…，n)；所述λi为主成分fi所解释原始指标的数据总方差；

主成分fi表示的原始指标数据方差贡献率ωi为：

其中，第i个fi主成分表示原始信息含量所占主成分所表示的全部原始信息的比例；

将所述λi从大到小排序，当第p个特征值的累计方差贡献率大于等于85％时，则选取前p的特征值对应的主成分；

计算因子载荷矩阵其中，bij表示第i个指标在第j个主成分上的因子载荷；aij表示第i个特征值对应的特征向量的第j个分量；

根据所述因子载荷bij建立因素指标的递阶层次结构。

本发明实施例海上运输节点安全受到来自外部的各种不确定因素影响，但在各种安全措施的保障下，一段时间内这些威胁因素与节点自身的防御能力之间会处于一种相对静止状态，此时运输节点处于一种稳定的均衡状态。而当某个时间点上，新的安全威胁出现或者原有安全威胁影响程度发生改变时，节点原有的均衡状态有可能被打破，运输节点的安全状态发生了突变。因此，海上运输节点处于何种安全威胁之下，且抵御外部安全威胁从而维持其原有均衡状态的能力，综合反应了海上运输节点的安全状况。针对现有方法很难有效捕捉海上运输关键节点风险因素的特点，采用突变理论进行海上运输关键节点风险耦合评估，以准确表征影响海上运输关键节点因素。

根据突变理论使用时，本身固有的缺陷，提出了基于主成分分析法来建立递阶层次结构，以准确衡量海上运输关键节点安全影响因素之间代表性程度。

本发明提出基于改进突变理论的海上运输关键节点风险耦合评估方法,从影响海上运输关键节点的因素出发，根据影响因素的特点及相互作用机理，采用了突变理论进行描述分析。并以此为基础，采用主成分分析法定量建立递阶层级结构，使之更加合理，实现了对海上运输关键节点风险耦合更加准确的评估。

不仅如此，通过对计算结果的改进，不仅可以明确不同节点之间的安全程度，更加有效的说明关键节点处于的安全状态及安全等级，为研究海上运输可持续发展的提供了理论基础与依据。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底””、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。