基于层次分析法的海洋站（点）综合评价体系研究_王鹏.pdf

Vol.42，No.1Feb.2023第42卷第1期2023年2月海洋技术学报JOURNAL OF OCEAN TECHNOLOGYdoi：10.3969/j.issn.1003-2029.2023.01.002基于层次分析法的海洋站（点）综合评价体系研究王鹏，王斌，郭海，张翼飞（国家海洋技术中心，天津300111）摘要：本文针对目前海洋观测网业务化运行的海洋站（点）缺少评价体系的现状，首次应用层次分析法进行海洋站（点）观测能力、运行质量等综合能力评价的研究。通过构建评价指标层次结构，结合定性和定量分析，构建判断矩阵，建立了层次分析法模型。对海洋站（点）的特点和影响其运行质量的主要因素进行分析，从海洋站（点）的布局、观测环境代表性、仪器设备、基础设施和运行管理等方面，设计了海洋站（点）综合评价体系，评价指标权重合理准确，可为海洋站（点）的综合评价和分级管理提供理论依据。关键词：层次分析法；海洋站（点）；综合评价中图分类号：X834文献标识码：A文章编号：1003-2029（2023）01-0016-07收稿日期：2022-07-15基金项目：自然资源部业务化项目（92000YJ10）作者简介：王鹏（1985），男，硕士，工程师，主要从事海洋观测技术研究。E-mail：通讯作者：王斌（1981），男，硕士，工程师，主要从事海洋观测技术研究。E-mail：海洋站（点）是以掌握、描述海洋状况为目的，对海洋水文、气象等要素进行长期、定点、连续观察测量活动，以及由此获取相关海洋环境监测基础数据的场所。海洋站（点）的观监测数据是开展海洋观测预报和防灾减灾、全球气候变化研究、全球海洋气候预测和中国海平面变化研究的重要基础。近年来，我国日益重视对海洋的观测，目前我国沿海有国家和地方省市建设运行的海洋站（点）500 余个，获取了大量海洋观测数据，在环境保护、科学研究、防灾减灾、国防安全等方面起到了重要的服务和保障作用1-2。但是有些海洋站（点）在站点布局合理性、观测环境代表性、基础设施和仪器设备标准规范符合性等方面存在不足，影响了海洋站（点）的正常业务化运行。针对此问题，国内气象、海洋领域专家学者对气象站、海洋站（点）的评估评价方法开展了大量研究。林同勇等3从观测设施、仪器设备、人力资源、运行管理、质量控制等方面，对影响海洋站（点）观测数据准确性的问题进行分析，提出提升海洋站（点）观测数据质量的对策。2017 年，中国气象局颁布了 地面气象观测站探测环境调查评估方法 ，该评估方法根据评估指标，由专家直接赋予权重的方式对气象站的探测环境进行评估，对我国气象站的探测环境进行了全面的综合调查评估4。近年来，自然资源部海洋预警监测司通过海洋站观测环境代表性评估5、国家基本海洋观测网优化整改、地方海洋观测站（点）纳入国家全球海洋立体观测网入网评估等工作对国家和地方海洋观测网进行了现状摸底和能力评估，并有针对性地对海洋站（点）业务化运行中出现的问题进行了优化整改，提升了海洋站（点）的业务化运行质量。但是这些工作多侧重于海洋站（点）某个方面进行评估，缺少对海洋站（点）的综合评价，因此，建立海洋站第1期（点）的综合评价体系势在必行。影响海洋站（点）观测能力和运行质量的部分因素的定量表达难以用单一目标函数表达，必须从多层次多角度进行评价。本文基于层次分析法对海洋站（点）进行综合评价，能够比较准确地确定影响海洋站（点）观测能力和运行质量的主要要素，对海洋站（点）的建设运行和分级管理具有参考价值。1层次分析法的原理及基本流程层次分析法是 20 世纪 70 年代美国运筹学家SAATY T L 提出的一种层次权重决策分析方法。该方法把一个复杂的问题表示为有序递阶层次结构，通过主观思维结合客观事实判断并利用数学方法对决策方案的优劣进行分析，能够处理决策方法中的定性与定量影响因素，具有系统性、层次性和可操作性等优点，可解决多目标、多层次、多准则的决策问题，尤其适用于各评价指标权重因子的确定。近年来，层次分析法被越来越多地应用于科研评价、设备评估、城市规划、区域土地可持续利用评价等领域6，本文主要利用层次分析法建立海洋站（点）综合评价体系。层次分析法基本原理是：根据问题的性质和要达到的总目标，把影响问题的各种因素分解，使之条理化，形成一个多层次的分析结构模型；依据人们对客观事实的判断，对每一层次各个因素的相对重要性进行定量表示；利用数学方法确定每一层次的全部因素相对重要性权重4。层次分析法流程图如图 1 所示。（1）构造判断矩阵。任何系统的分析、评价都建立层次结构模型计算单层次权重子集构建判断矩阵计算总层次权重子集单层一致性检验总层一致性检验通过未通过修改判断矩阵通过未通过权重结果图 1层次分析法流程图是以一定的数据信息为基础。层次分析法的数据信息基础主要来自决策者就每一层因素的相互重要程度给出的判断，即判断矩阵。判断矩阵表示上层某一因素与所支配的下层有关因素之间的相对重要性，即下层各因素两两比较，哪个因素比较重要，重要程度如何7-9。为了使决策判断定量化，形成数值判断矩阵，本文采用 SAATY T L 建议的 19 刻度法，如表 1 所示。（2）计算各判断矩阵的最大特征值和特征向量，对特征向量进行归一化处理，得到权重排序，并依据各个层次的权重排序，得出权重总排序。假设某一因素的下一层受影响的因素数量为 n，判断矩阵为 A，每次取两个因素 ai与 aj进行比较，aij为比较结果。将 A 的每一列归一化得到式（1），ij表示 aij按列归一化后的值。ij=aijnk=1akj（1）对 ij按行相加得到式（2）。i=nj=1ij（2）将向量 i=（1，2，n）T归一化得到式（3）。i=i/ni=1i（3）归一化特征向量 i=（1，2，n）T，求判断矩阵的最大特征向量 max如下。表 1判断矩阵的数字定量及含义定性比较结果数字定量因素 1 相较于因素 2 重要性相同1因素 1 比因素 2 重要性稍强3因素 1 比因素 2 重要性强5因素 1 比因素 2 重要性明显强7因素 1 比因素 2 重要性绝对强9因素 1 与因素 2 相比，相对重要性处于上述等级之间2、4、6、8因素 1 与因素 2 相比，后者的重要性要稍强、强、明显强、绝对强于前者1/3、1/5、1/7、1/9王鹏，等：基于层次分析法的海洋站（点）综合评价体系研究17海洋技术学报第42卷max=1nni=1（A）ini（4）（3）对权重向量进行一致性检验。由于客观事物的复杂性或对事物认识的片面性，致使判断矩阵会存在一定的误差，为了确定误差的大小及生成的判断矩阵是否合理，需要对判断矩阵进行一致性检验。考虑到因素个数的影响，定义一致性指标 CI=（max-m）/m-1，定义平均随机一致性指标CR=CI/RI，其中 RI 表示同阶平均随机一致性指标。当 CR 0.1 时，认为判断矩阵合理10，具体RI 值见表 2。表 2平均随机一致性指标 RI 的数值n1234567891011RI000.580.901.121.241.321.411.451.491.51表 3海洋站（点）综合评价影响因素层次结构目标层 A准则层 B指标层 C海洋站（点）综合评价站点布局 B1所在区域重要城市、重大工程、气候和环境敏感区分布情况 C11所在区域海洋灾害危险等级情况 C13所在区域其他站点布局情况 C12观测环境代表性B2潮汐、温盐观测代表性 C21波浪观测点代表性 C22海滨气象观测环境代表性 C23基础设施B3验潮井和温盐井设计使用寿命 C31验潮室、验潮井和温盐井规范性 C32验潮井破损、淤积情况 C33水准点设置及水准联测 C34海滨气象观测场内配套基础设施 C35海滨气象观测场设计布局 C36用海用地确权情况 C37仪器设备B4观测项目齐全性 C41观测要素规范性 C42有效数据接收率 C43供电保障能力 C44数据通信能力 C45系统故障率 C46防雷系统规范性 C47运行管理B5人员资质 C51观测资料积累年限 C52故障恢复时间 C53备品备件管理 C54设备检定 C55定期对比观测、巡视检查与维护 C562海洋站（点）综合评价指标体系对影响海洋站（点）观测能力和运行质量的相关因素进行分类，构造一个各因素之间相互联结的递阶层次结构。处于最上面的层次一般是评价的预定目标，通常只有一个因素，中间层的因素一般是准则层，最低层是指标层。根据海洋站（点）综合能力评价指标的科学性、可获取性、简单实用性等原则，参考相关规范标准和国内外专家学者的研究结论，经广泛征求海洋、气象、水文等多领域专家意见和建议，充分听取海洋站（点）管理人员和一线值班人员意见，并结合海洋站（点）环境代表性评估和地方海洋站（点）纳入国家全球海洋立体观测网的实践经验进行综合分析，将海洋站（点）综合能力评价影响因素分三层，第一层为海洋综合评价总目标 A，第二层准则层分为 5 项一级指标，分别为站点布局 B1、观测环境代表性B2、基础设施 B3、仪器设备B4和运行管理B5，每项准则层（一级指标）又包含若干个二级评价指标 C11。影响因素层次结构包括 5 项一级指标，26 项二级指标，具体如表 3 所示。站点布局B1是指海洋站及观测点在近岸、沿海和深远海域的分布。主要评估站点在防灾减灾和海洋科学研究中能起到的作用，兼顾站点的重复建设性12-13，包括所在区域重要城市、重大工程、气候和环境敏感区分布情况，所在区域海洋灾害危险等级情况，以及所在区域其他站点布局情况等 3项指标。观测环境代表性B2是指为避开各种干扰，保证水文气象设备设施准确获得水文气象探测信息所必需的最小距离构成的环境空间14。主要评估观测点周边观测环境对观测数据代表性、准确性和连续性的影响，包括潮汐、温盐、波浪、气象等观测项目的环境代表性等 3 项指标。基础设施B3是指能保障水文气象仪器正常运行的验潮室、验潮井和气象观测场等设施。主要评估基础设施对海洋站（点）观测能力、业务运行的保18第1期王鹏，等：基于层次分析法的海洋站（点）综合评价体系研究障能力，包括验潮井和温盐井设计使用寿命，验潮室、验潮井和温盐井规范性，验潮井破损、淤积情况，水准点设置及水准联测，海滨气象观测场内配套基础设施，海滨气象观测场设计布局，用海用地确权情况等 7 项指标。仪器设备 B4是指用于海洋站（点）水文气象观测的传感器、采集器及配套的供电防雷设备等。主要评估仪器设备对海洋站（点）观测能力、业务运行的影响，包括观测项目齐全性、观测要素规范性、有效数据接收率、供电保障能力、数据通信能力、系统故障率、防雷系统规范性等 7 项指标。运行管理 B5是指海洋站（点）业务运行过程中的管理工作。主要评估观测资料、运行管理制度及制度落实方面对海洋站（点）综合能力的影响，包括人员资质，观测资料积累年限，故障恢复时间，备品备件管理，设备检定，定期对比观测、巡视检查与维护等 6 项指标。3海洋站（点）观测能力综合评价3.1构建判断矩阵由自然资源部海洋业务中心和海区局长期从事海洋观测工作的相关专家对各层指标进行打分。专家人数 5 人，分别对具体指标重要性两两进行比较打分，该分值作为 aij，各个专家打分值有差异时，取相同分值人数最多的值作为 aij，本次打分过程中没有出现 5 位专家打分值都不一致的情况，最后构建判断矩阵如下。（1）各准则层 Bi之间重要性比较，得出判断矩阵 A1。A1=125431/214321/5 1/4 1 1/2 1/31/4 1/3 211/21/3 1/2 321|（5）（2）各子指标 C1i之间的相对重要性比较，得出站点布局判断矩阵 B1。B1=1351/3131/5 1/3 1|（6）（3）各子指标 C2i之间的相对重要性比较，得出观测环境代表性判断矩阵 B2。B2=1341/3131/4 1/3 1|（7）（4）各子指标 C3i之间的相对重要性比较，得出基础设施判断矩阵 B3。B3=12345791/21234571/3 1/2123571/4 1/3 1/212351/5 1/4 1/3 1/21351/7 1/5