船舶駕駛員駕駛疲勞程度的模糊綜合評(píng)價(jià)

大連海事大學(xué) 趙萱萱

遼寧海事局 郭 寧

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的海上事故都是由人為因素造成的。在這些事故中，由于船員“判斷錯(cuò)誤”而導(dǎo)致的事故占到了50%。參考文獻(xiàn)[1]中指出造成船員判斷失誤的罪魁禍?zhǔn)准礊榇瑔T疲勞。疲勞使人的身體和頭腦反應(yīng)變得遲鈍，合理判斷情況變化的能力減弱，降低了船員的工作水平和警覺(jué)性，致使事故發(fā)生。英國(guó)威爾士加的夫大學(xué)職業(yè)衛(wèi)生心理學(xué)中心在2006年11月出版的《船員疲勞開(kāi)船當(dāng)班調(diào)查報(bào)告》中得出了船員疲勞當(dāng)班的現(xiàn)象漸漸嚴(yán)重和惡化的結(jié)論。[2]英國(guó)卡迪夫大學(xué)的職業(yè)和健康心理學(xué)中心于2006年12月份在菲律賓走訪了約1 856名海員，在獲得大量調(diào)查資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并取得了一定的研究成果：至少1/4的船員會(huì)在當(dāng)班過(guò)程中因疲勞過(guò)度或者休息不充分等原因而在駕駛臺(tái)打瞌睡，此種情況會(huì)經(jīng)常發(fā)生并處于較高的普遍性水平，而造成船員當(dāng)班懈怠的重要原因就是過(guò)度疲勞、超時(shí)工作等。[3-4]美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)在分析了近期發(fā)生的279件海上事故之后發(fā)現(xiàn)約33%的人員傷亡事故和約16%的重大事故與船員疲勞有關(guān)[5]。

船員疲勞問(wèn)題已成為船舶航行安全的一大威脅，這一問(wèn)題同時(shí)引起了國(guó)際社會(huì)的關(guān)注和重視。如果船員的疲勞程度能夠通過(guò)一定的方法來(lái)準(zhǔn)確測(cè)定，并能預(yù)測(cè)疲勞出現(xiàn)的時(shí)間和程度并作出警告，將不僅能夠減少因?yàn)榇瑔T的疲勞而造成的事故發(fā)生概率，也能在一定程度上減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，從而具有一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

一、模糊推理系統(tǒng)

模糊推理系統(tǒng)是基于模糊集理論、模糊IF-THEN規(guī)則和模糊推理的計(jì)算結(jié)構(gòu)。[6]模糊推理系統(tǒng)利用了比傳統(tǒng)的二值邏輯更加接近人類自然語(yǔ)言和思維方式的模糊邏輯來(lái)處理問(wèn)題，該系統(tǒng)將基于專家的語(yǔ)言規(guī)則轉(zhuǎn)換成自動(dòng)的控制行為，所測(cè)得的分析結(jié)果遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)方法。模糊推理系統(tǒng)還能用于較為復(fù)雜的情況，并且在已知信息不確定或不準(zhǔn)確的情形下，能比傳統(tǒng)方法更有效地進(jìn)行分析。

由于考慮到船員疲勞問(wèn)題本身具有高度的復(fù)雜性、疲勞程度本身的模糊性以及評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)和信息缺乏，有關(guān)衡量駕駛員疲勞的各指標(biāo)很難有定值等特點(diǎn)，本文選擇用模糊推理的方法來(lái)定量評(píng)價(jià)船員疲勞問(wèn)題。該方法便于對(duì)隸屬函數(shù)、權(quán)重和推理規(guī)則進(jìn)行修改，以便對(duì)指標(biāo)量及時(shí)修正，保證評(píng)價(jià)結(jié)果的合理和準(zhǔn)確，能夠方便、快捷、準(zhǔn)確地對(duì)船舶駕駛員進(jìn)行疲勞評(píng)價(jià)。

二、模糊推理系統(tǒng)的應(yīng)用

在利用模糊推理系統(tǒng)來(lái)分析和評(píng)價(jià)船舶駕駛員駕駛疲勞程度時(shí)，按照以下步驟實(shí)施操作：首先，確定駕駛員駕駛疲勞程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即系統(tǒng)的輸入量和輸出量；然后，確定各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)及模糊推理規(guī)則；接著，根據(jù)各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)建立模糊推理綜合評(píng)價(jià)模型；最后，利用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)來(lái)完成模糊推理，得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

船舶駕駛員疲勞評(píng)價(jià)的核心即如何確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。指標(biāo)體系選取和建立是否科學(xué)合理，直接關(guān)系到船員疲勞評(píng)價(jià)的質(zhì)量。本文在對(duì)影響船舶駕駛員疲勞因素進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合船舶駕駛員工作的特點(diǎn)，建立了初步的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)專家調(diào)查篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，在假設(shè)被評(píng)價(jià)對(duì)象身體狀況良好、生活工作等沒(méi)有重大變故的前提下，歸納總結(jié)得出最終的評(píng)價(jià)船舶駕駛員駕駛疲勞程度的指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系通過(guò)工作因素、船員因素和環(huán)境因素等三大指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)駕駛員疲勞。其中，工作因素包括值班、靠離泊周期和從事其他工作等指標(biāo)，船員因素包括睡眠狀況、駕駛技能與經(jīng)驗(yàn)和在船工作時(shí)間等指標(biāo)，環(huán)境因素包括地形條件、船舶交通密度、氣象海況條件和人際關(guān)系和諧程度等指標(biāo)。

2.隸屬函數(shù)的選取

研究要求所選取的隸屬函數(shù)能夠描述整個(gè)變量范圍內(nèi)所有點(diǎn)的物理意義，本文借鑒模糊統(tǒng)計(jì)法、專家確定法、對(duì)比排序法等方法的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合概率分布規(guī)律和主觀經(jīng)驗(yàn)，并利用MATLAB軟件的模糊工具箱來(lái)確定各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)于各等級(jí)的隸屬度，采用分段線性隸屬函數(shù)中的梯形函數(shù)和三角函數(shù)形式，這兩種隸屬函數(shù)具有簡(jiǎn)單性和靈活性等特點(diǎn)。

3.模糊規(guī)則的確定

模糊IF-THEN規(guī)則是一個(gè)模糊算法，由不同的模糊條件語(yǔ)句組成，表示模糊推理系統(tǒng)中各輸入和輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系。船舶駕駛員駕駛疲勞程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)缺少詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，且推理規(guī)則的確定目前無(wú)系統(tǒng)的方法。因此，這里的IF-THEN規(guī)則是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和大量有用的參考資料等來(lái)設(shè)計(jì)的。

在該模糊推理系統(tǒng)中，評(píng)價(jià)因素越多，需要輸入模糊推理的IF-THEN規(guī)則數(shù)量也就越多，即二者呈正相關(guān)增長(zhǎng)關(guān)系。模糊推理規(guī)則的數(shù)量在傳統(tǒng)的單層模糊推理系統(tǒng)中會(huì)以指數(shù)倍數(shù)增加，產(chǎn)生了眾多模糊推理規(guī)則，在一定程度上降低了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀準(zhǔn)確性。為此，本文采用了如圖1所示的等級(jí)模糊推理結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是通過(guò)線性的增長(zhǎng)方式來(lái)有效減少模糊推理規(guī)則的數(shù)量，以使評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀可控。

4.模型的建立

（1）等級(jí)模糊推理評(píng)價(jià)模型的建立

模糊推理的推理步驟如下所示：

①模糊化。即在初始階段通過(guò)對(duì)隸屬函數(shù)和輸入變量的比較來(lái)獲取每個(gè)語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的隸屬值。

②通過(guò)模糊推理算子得到每個(gè)規(guī)則的激活權(quán)。本文結(jié)合了各類模糊推理算子的特性，并考慮到文章模糊評(píng)價(jià)模型的特點(diǎn)，在確定模糊推理算子R時(shí)，選取了Mamdani模糊推理方法，即

③獲取結(jié)果。利用激活權(quán)來(lái)得出每個(gè)規(guī)則的有效結(jié)果（可能清晰或模糊）。

④去模糊化。通過(guò)所有的有效結(jié)果產(chǎn)生明確的輸出，得到評(píng)價(jià)對(duì)象的對(duì)應(yīng)等級(jí)。通過(guò)與去模糊化方法的集中算法相應(yīng)曲線進(jìn)行比較看出，在其他條件確定的情形之下，面積中心法是最優(yōu)的，因此，也選用面積中心法去模糊化。在離散域情況下，面積中心法的輸出如下：

其中，u是規(guī)則數(shù)，wi由T-范數(shù)算子計(jì)算得到。

通過(guò)觀察仿真模型圖，得到本文所應(yīng)用的模糊推理系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)有2個(gè)輸入和5條推理規(guī)則，使本文的推理過(guò)程能較為直觀、形象地體現(xiàn)。

本文以樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)組合6個(gè)模糊推理系統(tǒng)，建立起船舶駕駛員疲勞評(píng)價(jià)等級(jí)模糊推理系統(tǒng)。其中，上一級(jí)的輸入?yún)?shù)由下一級(jí)的輸出結(jié)果來(lái)確定，經(jīng)過(guò)層層推理，最終得出船舶駕駛員駕駛疲勞程度的結(jié)果。

（2）計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)

首先，建立疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重和隸屬函數(shù)，其中根據(jù)國(guó)際公約及法規(guī)來(lái)確定易于量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)；對(duì)于高度模糊性的指標(biāo)，通過(guò)專家調(diào)查或打分來(lái)確定。

其次，通過(guò)對(duì)大量相關(guān)資料的查看、參考，并根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查的結(jié)果以及綜合考慮航海領(lǐng)域?qū)＜?、船公司管理人員和海事管理人員等的意見(jiàn)，我們確定了在模糊推理系統(tǒng)中的模糊推理規(guī)則，建立了該系統(tǒng)中各項(xiàng)輸入與輸出之間的內(nèi)在聯(lián)系。

最后，利用MATLAB中模糊規(guī)則瀏覽器（Rule Viewer），在其中輸入各指標(biāo)的隸屬函數(shù)及兩個(gè)指標(biāo)之間的模糊推理規(guī)則，就能較為直觀地看到計(jì)算結(jié)果。每一等級(jí)模糊推理系統(tǒng)內(nèi)輸入的各單因素值可以是原始數(shù)據(jù)，也可以是下一級(jí)模糊推理系統(tǒng)的輸出結(jié)果。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將輸入值進(jìn)行反模糊化計(jì)算，得出的值直接是該因素對(duì)模糊系統(tǒng)影響等級(jí)的反映。經(jīng)過(guò)層層推理，得出最終目標(biāo)層的等級(jí)，從而確定船舶駕駛員疲勞程度。

三、結(jié) 論

（1）利用本文模型對(duì)部分船舶駕駛員進(jìn)行疲勞程度評(píng)價(jià)，結(jié)果證明，本文所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及疲勞定量評(píng)價(jià)模型是能夠反映實(shí)際情況的，具有可行性。

（2）本文所選的MATLAB模糊邏輯工具箱軟件能夠方便、適時(shí)地對(duì)相關(guān)條件進(jìn)行修改，便于對(duì)駕駛員疲勞程度進(jìn)行定量研究。

（3）本文采用新的研究方法對(duì)預(yù)防、評(píng)估駕駛員疲勞等問(wèn)題作出了進(jìn)一步探索，為保障船舶安全航行作出了一定的貢獻(xiàn)，具有實(shí)用價(jià)值。

[1]陳國(guó)際.船舶配員疲勞因素和安全的綜合評(píng)價(jià)[J].廣西交通科技,1998,12(4):49-54.

[2]尹朝忠.影響船員疲勞的因素及防止措施[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008(4):12-16.

[3]徐伯民,秦臻.海上船舶碰撞事故原因探討——疲勞的剖析[J].中國(guó)航海,2009,12(4):115-119.

[4]SMITH A,ALLEN P,WADSWORTH E.Seafarer fatigue:the Cardiff research program[D].Cardiff:Centre for Occupational and Health Psychology Cardiff University,2006.

[5]America Maritime Officer.Fatigue threaten safety,healthy of all mariners[R].2007.

[6]張德豐.MATLAB模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.