貝葉斯網(wǎng)絡(luò)在長江航運事故管理中的運用

張磊

【摘要】本文從長江水域船舶運輸碰撞事故的角度，運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合事故樣本，構(gòu)建出完整的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，為船舶管理者以及海事部門提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】貝葉斯網(wǎng)絡(luò) 長江航運 船舶事故

一直以來，我國政府積極推進低碳節(jié)能的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，內(nèi)河水運也因污染小、運力大的特點，成為我國在“十二五”期間指定的國家發(fā)展戰(zhàn)略之一。而長江因為其有力地帶動沿岸經(jīng)濟的發(fā)展，地位和作用逐漸提升，也因此被賦予了“黃金水道”的說法[1]。但是在內(nèi)河水運不斷發(fā)展的過程中，各種水上交通事故不斷地發(fā)生使人們開始逐漸關(guān)注船舶行駛的安全問題。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)（Bayesian Network），又稱信念網(wǎng)、因果概率網(wǎng)絡(luò)等，是以貝葉斯定理為基礎(chǔ)，描述變量之間概率關(guān)系的一種圖形模式。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的理論依據(jù)是概率論，推理的基礎(chǔ)是基于貝葉斯定理的概率推理，并以網(wǎng)絡(luò)圖的形式來表達和描述數(shù)據(jù)實例中的關(guān)聯(lián)或因果關(guān)系。

日本在2006提交的關(guān)于在FSA第三步的風險控制中應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進行分析的報告[2]表明：貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以有效地評估各個因素對碰撞和擱淺風險的影響；貝葉斯網(wǎng)絡(luò)也可以評估風險避讓手段。但是劣勢在于還是領(lǐng)域樣本不足，需要運用專家判斷完善條件概率和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

一、船舶碰撞事故分析

（一）船舶碰撞事故發(fā)生過程

船舶碰撞是一種水上船舶運輸中會發(fā)生的事故，絕大部分的船舶碰撞事故是由船舶行駛過程中無法提前預(yù)測的因素而造成的。在船舶碰撞過程中，一般需要經(jīng)歷如下步驟：駕駛?cè)藛T發(fā)現(xiàn)來船、駕駛?cè)藛T判斷碰撞的風險、駕駛?cè)藛T采取避碰措施等幾個步驟，如圖1所示。

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圖1 船舶碰撞過程圖

圖1[3]展示了船舶碰撞事故的整個發(fā)展流程，以及不同操作所導(dǎo)致的不同的事故發(fā)生發(fā)展的方式。與船舶碰撞過程相應(yīng)產(chǎn)生的，則是船舶駕駛員的避碰操作過程，該過程主要依賴于駕駛員所判斷的船舶避碰角度，存在于碰撞發(fā)生的全程。在該過程中，駕駛?cè)藛T擁有正確判斷，并能進行有效避碰行動，則碰撞事故可以避免；否則，事故則會發(fā)生。

（二）船舶避碰過程

船舶避碰過程主要是以下幾個步驟：（1）發(fā)現(xiàn)他船，搜集相關(guān)信息；（2）根據(jù)所搜集的信息，確定安全通過距離；（3）判斷是否需要采取避碰措施；（4）確定何時執(zhí)行避碰措施；（5）判斷采取何種避碰措施；（6）復(fù)航。如圖2所示。

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圖2 船舶避碰的一般過程

通過總結(jié)駕駛?cè)说谋芘霾僮骺梢园l(fā)現(xiàn)，避碰操作主要有以下幾種[4]：（1）維持航向、航速；（2）右轉(zhuǎn)，遵循大幅度原則；（3）右轉(zhuǎn)，與來船平行；（4）右轉(zhuǎn)，使來船在船尾方向；（5）大角度左轉(zhuǎn)；（6）左轉(zhuǎn)；與來船平行；（7）左轉(zhuǎn)，使來船在船位方向；（8）減速；（9）停車；（10）緊急倒車。

通過了解船舶的碰撞以及避碰措施，可以為下面進一步分析船舶碰撞因素提供理論支持。

二、長江船舶碰撞事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立

（一）貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的確定

綜合以往研究文獻與相關(guān)報告，不難看出，船舶在避碰過程中駕駛?cè)藛T在進行三個階段的信息處理，如圖3所示，主要包括：

第一，主要依靠瞭望、雷達、AIS等設(shè)備接收外界信息，發(fā)現(xiàn)其他船只；

第二，根據(jù)接收到的信息，判斷是否存在風險，以及是否需要采取避讓措施；

第三，具體執(zhí)行避讓操作；

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圖3 船舶避碰過程

在遵循代表性、獨立性、有效性原則的基礎(chǔ)上，通過分析所搜集的內(nèi)河船舶交通事故數(shù)據(jù)樣本，將事故中的各種人的不安全行為（人為失誤）按照“接收外界信息——分析信息——采取行動”三個階段劃分。同時，再將一些具有代表性的物的不安全狀態(tài)（船舶不安全因素）加入，最終將導(dǎo)致內(nèi)河船舶交通事故的因素確定為14種，如表1所示。

表1 確定導(dǎo)致長江船舶交通事故的因素

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綜上所述，本文最終確定的Bayesian網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一共為15個，為了在程序中表達方便，將每個節(jié)點對應(yīng)一個標識：

A：發(fā)生碰撞；B1：行動不當；B2：未采取有效避讓措施；C1：未獲取有效信息；C2：判斷失誤；C3：未及早發(fā)現(xiàn)來船；D1：值班不當；D2：管理混亂；D3：雷達、AIS、導(dǎo)航未上線；D4：瞭望不當；D5：未充分了解航線資料；E1：未采用安全航速；E2：未保持安全距離；E3：機械故障；E4：違法航行。

（二）貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定

在以往研究中，確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式有很多，例如專家直接確定法、數(shù)據(jù)驅(qū)動法、兩階段建模法等等。本文建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要步驟如下：

1.通過一個事故樣本，建立一個因果關(guān)系鏈條。基于前文講述的事故發(fā)生的三個階段性行為，從每一個事故樣本中可以找出一條因果關(guān)系鏈。

2.綜合多個樣本數(shù)據(jù)建立混合的因果關(guān)系鏈。

3.建立完整的Bayesian網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。將所有事故樣本中的因果關(guān)系鏈建立，并且綜合在一起，就會形成完整的Bayesian網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

綜上所述，本文通過2005～2012年之間的20份樣本數(shù)據(jù)，可以搭建出的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

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圖4 長江船舶碰撞事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（三）確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點條件概率表

確定條件概率表之前，需要先確定每個節(jié)點的值域。在確定每個節(jié)點值域時，將賦予節(jié)點{0，1}兩個值，其中0表示在該事故樣本發(fā)生過程中該因素未出現(xiàn)，1則表示該因素出現(xiàn)。

在確定了值域后，通過搜集到的事故樣本，通過數(shù)理統(tǒng)計的方法，可以求出各個節(jié)點之間的條件概率。由于有效的海事事故報告較少的原因，在確定了條件概率表之后，需要通過尋找專家調(diào)研，來對條件概率表進行一定調(diào)整，以保證結(jié)果更趨向于現(xiàn)實情況。

最后確定出的條件概率表可以顯示出父子節(jié)點之間的條件概率，例如“瞭望不當”的條件概率表如圖5所示。

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圖5 “望不當”的條件概率表

將所得條件概率表賦予之前確定的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，就完成了整個長江船舶碰撞事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立。

三、結(jié)論

通過本文可以看出，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對事故進行分析時，因果關(guān)系展示的更加清晰。并且可以通過所建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，推斷出造成某起船舶碰撞事故的致因鏈，以及船舶所存在的問題導(dǎo)致船舶發(fā)生碰撞的概率。可以為船舶管理者以及海事調(diào)查人員提供一定的參考價值。

參考文獻

[1]楊邦杰，嚴以新，安雪暉.長江流域“黃金水道”問題分析及對策建議[J].中國發(fā)展，2015（1）：1-7.

[2]Consideration on utilization of Bayesian network at step 3 of FSA Evaluation of the effect of ECDIS，ENC and Track control by using Bayesian network Submitted by Japan.Maritime Safety Committee 81st session Agenda item 18，2006.

[3]鄭中義.船舶自動避碰決策系統(tǒng)的研究[D].大連：大連海事大學，2000.

[4]王永江.船舶避碰決策理論與方法的研究[D].上海：上海海事大學，2004.