海事風(fēng)險評價軟件功能框架設(shè)計

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(1.國家水運安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究中心，武漢 430063)

海事風(fēng)險評價軟件功能框架設(shè)計

嚴新平，張金奮，張笛，汪洋，吳兵

(1.國家水運安全工程技術(shù)研究中心，武漢430063；2.武漢理工大學(xué)智能交通系統(tǒng)研究中心，武漢430063)

針對已有的海事風(fēng)險評價相關(guān)理論和方法在航運、海事等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中仍面臨瓶頸的問題，開發(fā)一套功能完備、簡單易用、界面美觀的海事風(fēng)險評價軟件，以促進海事風(fēng)險評價的實際應(yīng)用，并為解決工程問題提供參考。在系統(tǒng)分析相關(guān)軟件的基礎(chǔ)上，借鑒各軟件的優(yōu)點，開展海事風(fēng)險評價軟件的核心功能框架設(shè)計，并通過案例說明軟件的預(yù)期功能。該研究是海事風(fēng)險評價軟件開發(fā)的積極探索，可為后續(xù)軟件開發(fā)提供一定的參考。

水路運輸；海事管理；風(fēng)險評價；軟件功能框架

Abstract: The theories and methodologies of Maritime Risk Assessment (MRA) is still the bottleneck for its practical application into shipping and maritime industry. In order to overcome such bottleneck, it is practically significant to develop the risk assessment software, which is full-featured, easy to use and with attractive interfaces. The relevant software that can be used to make maritime risk assessment is evaluated systematically. The advantages of the variety of software are discussed for the MRA software developers to draw on them. On the basis of the discussions, the framework of MRA is designed and its expected functions are illustrated with several examples. The research provides a meaningful exploration for the development of MRA software, which provides reference for the follow-up software development.

Keywords: waterway transportation; maritime administration; risk assessment; software framework

水路運輸系統(tǒng)因受到船舶、人員、環(huán)境和管理等因素的影響而在實際運營過程中存在一定的風(fēng)險，因此采取有效的措施將各類風(fēng)險控制在可接受的范圍內(nèi)是航運公司和相關(guān)管理部門關(guān)注的焦點之一。隨著海事風(fēng)險評價相關(guān)理論及方法不斷發(fā)展和完善，利用這些理論及方法客觀、定量評估各類海事風(fēng)險，采取有效措施降低水路運輸系統(tǒng)的風(fēng)險具有重要意義。國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)提出的綜合安全評估(Formal Safety Assessment, FSA)[1]提供有較為完整的海事風(fēng)險評價框架。FSA劃分為風(fēng)險識別、風(fēng)險評價、風(fēng)險控制措施、費用效益分析和決策等5個步驟，每個步驟都推薦可采用的理論和方法。此外，IMO還專門針對船舶建造安全提供一個定量標(biāo)準(zhǔn)，即安全水平法(Safety Level Approach, SLA)。在以往建造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，SLA旨在為船舶制定統(tǒng)一的技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，而不考慮特定工況、極限載荷等具體指標(biāo)。[2]

在這些標(biāo)準(zhǔn)和框架下，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通過長期研究積累，取得了一系列的研究成果。一些典型的風(fēng)險評價方法(如Bayes網(wǎng)絡(luò)[3]、置信規(guī)則庫[4]、時空取證[5]、證據(jù)推理[6]和模糊層次分析法[7]等)及常用的風(fēng)險決策方法(如數(shù)據(jù)包絡(luò)分析[8-9]、船舶避碰決策[10-11]、模糊均值[12]和模糊推理機[13]等)都結(jié)合具體的水路運輸系統(tǒng)風(fēng)險評價案例作較為深入的研究，并開始逐漸形成海事風(fēng)險評價的理論體系。

開發(fā)海事風(fēng)險評價軟件，將各種方法的內(nèi)在邏輯更加直觀地展示給相關(guān)用戶，尤其注重提高軟件模塊的直觀性和易用性，有助于極大地推動海事風(fēng)險評價相關(guān)理論成果的實用化進程，對提升水路運輸行業(yè)的整體安全水平具有重要的現(xiàn)實意義。

1 用于海事風(fēng)險評價的相關(guān)軟件

海事風(fēng)險評價軟件的開發(fā)涉及到Bayes網(wǎng)絡(luò)、故障樹及置信規(guī)則庫等一些較為常用的理論和方法，目前國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)已針對這些方法開發(fā)出一系列相關(guān)軟件，在界面和功能等方面具有很好的借鑒意義。因此，在設(shè)計海事風(fēng)險評價軟件時，需對這些軟件作深入的了解。

1.1 現(xiàn)有相關(guān)軟件

1.1.1Bayes網(wǎng)絡(luò)軟件

Bayes理論和Bayes網(wǎng)絡(luò)理論是FSA中最重要的風(fēng)險評價方法。Hugin Expert開發(fā)的Bayes網(wǎng)絡(luò)軟件是目前海事風(fēng)險評價中最常用的軟件之一，有免費和商用2個版本，其中：免費版可實現(xiàn)Bayes網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建、條件概率輸入與計算、敏感性分析等基本功能，但對網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模有一定的限制；商用版允許的計算規(guī)模更大。Hugin Expert軟件界面見圖1。

圖1 Hugin Expert軟件界面

另一個Bayes網(wǎng)絡(luò)軟件是Graphical Models ToolKit (GMTK)[14]，具備結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)等功能，提供有大量案例供使用者測試。更重要的是，該軟件為Linux環(huán)境下的開源軟件，其源代碼能很好地移植到海事風(fēng)險評價軟件中，從而降低軟件開發(fā)的工作量。

1.1.2離散事件仿真軟件

Arena軟件[15]是Rockwell Automation公司開發(fā)的離散事件仿真軟件，可對一切隨機性工作流進行過程仿真，并以動畫的方式直觀顯示其具體進程。該軟件能在仿真結(jié)束后自動生成計算結(jié)果報告，將仿真中涉及到的所有參數(shù)以圖表的形式完整地呈現(xiàn)出來，使用戶更加詳細地了解仿真的每個參數(shù)。

1.1.3碰撞擱淺風(fēng)險評價軟件

GRACAT[16]是一款專門針對船舶碰撞和擱淺事故風(fēng)險評價的軟件，可實現(xiàn)事故發(fā)生概率和事故后果的評價，有確定性和隨機性2種評價方法；同時，提供有一種簡易的交通流仿真平臺，可實現(xiàn)碰撞和擱淺發(fā)生概率的計算。GRACAT軟件界面見圖2。

圖2 GRACAT軟件界面

1.1.4故障樹軟件

FreeFta[17]是一款永久免費的用于事故樹繪制與分析的軟件，具有簡單易用、功能豐富和算法高效等優(yōu)點，可用于計算最小割集、最小徑集、結(jié)構(gòu)重要度、頂層事件概率和概率重要度等，能滿足風(fēng)險評價的基本需求，但在界面美觀性和計算結(jié)果輸出方面需作進一步的改進。FreeFta軟件界面見圖3。

圖3 FreeFta軟件界面

SmartDraw[18]是美國一家專門做繪圖軟件的公司開發(fā)的軟件，有一個故障樹設(shè)計模塊，可根據(jù)要求設(shè)計出十分美觀的故障樹圖形。該軟件最大的優(yōu)勢體現(xiàn)在繪圖功能上，產(chǎn)生的圖片可輕松插入到其他軟件中，所有圖片均為矢量圖，清晰度高，且可與其他任何圖片進行疊加，但不具備計算功能。

由上述分析可知，F(xiàn)reeFta軟件和SmartDraw軟件有很大的互補性，在開發(fā)海事風(fēng)險評價軟件時，可結(jié)合FreeFta的計算功能和SmartDraw強大的圖形顯示功能提升軟件的易用性。

1.1.5證據(jù)推理軟件

IDS軟件[19]主要用于解決多準(zhǔn)則決策問題，嵌入有證據(jù)推理模塊，可建立多層次的決策結(jié)構(gòu)，能通過定義一個參考評價準(zhǔn)則實現(xiàn)多層次決策結(jié)構(gòu)中定性和定量數(shù)據(jù)到參考評價準(zhǔn)則的轉(zhuǎn)換；同時，其還加入有層次分析法計算模塊，通過兩兩比較層次結(jié)構(gòu)中各因素的重要程度賦予各個影響因素相應(yīng)的權(quán)重。[20]該軟件在模糊三角函數(shù)設(shè)計及模糊規(guī)則庫設(shè)計等方面的功能仍需作一定的擴展。IDS軟件界面見圖4。

圖4 IDS軟件界面

1.2 現(xiàn)有軟件存在的問題

由上述分析可知，目前進行海事風(fēng)險評價研究主要應(yīng)用的是具有通用功能的軟件，存在以下問題：

1)多數(shù)軟件是針對某個特定的理論方法開發(fā)的，無法滿足綜合使用多種方法對海事風(fēng)險進行評價的需求。

2)目前使用的軟件主要面向?qū)W術(shù)研究，使用者往往需掌握有關(guān)理論知識、通過長時間的練習(xí)才能熟練使用，易用性較差，在工程應(yīng)用中推廣難度大。

3)多數(shù)軟件不是開源的，無法直接移植到海事風(fēng)險評價軟件系統(tǒng)中，需重新開發(fā)才能實現(xiàn)對算法的改進。

3 海事風(fēng)險評價軟件系統(tǒng)開發(fā)思路

3.1 軟件核心功能設(shè)計原則

開發(fā)海事風(fēng)險評價軟件的核心目標(biāo)是促進相關(guān)理論研究成果在海事領(lǐng)域得到工程應(yīng)用，并兼顧學(xué)術(shù)研究的需要。因此，軟件需符合功能齊全、操作簡便、結(jié)果直觀、簡單易用和成本適中的原則，盡可能地降低用戶的前期學(xué)習(xí)要求。針對海事風(fēng)險評價的實際工程需要，開發(fā)的海事風(fēng)險評價軟件系統(tǒng)應(yīng)至少具備以下核心功能。

1)海事風(fēng)險評價需大量應(yīng)用相關(guān)專家的主觀知識進行分析，因此軟件需具備調(diào)查問卷設(shè)計與生成、專家數(shù)據(jù)采集與快速輸入等功能。

2)軟件應(yīng)具備多個風(fēng)險評價理論方法聯(lián)合調(diào)用的功能，將一種方法的計算結(jié)果作為另一種方法的輸入，進而得到需要的最終結(jié)果。

3)進行海事風(fēng)險評價時使用的數(shù)據(jù)往往存在模糊性和不確定性，軟件應(yīng)能支持確定性數(shù)據(jù)的處理，同時支持數(shù)據(jù)統(tǒng)計及模糊數(shù)據(jù)的輸入和處理。

4)軟件應(yīng)具備計算結(jié)果展示功能，該功能主要體現(xiàn)在以下2個方面：

(1) 能自動生成分析結(jié)果報告，將所有數(shù)據(jù)與分析結(jié)果以圖表的形式展示出來，便于關(guān)注不同側(cè)面的用戶找到其感興趣的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果；

(2) 生成的圖表清晰美觀，在其他軟件中可隨意插入使用。

3.2 軟件核心功能實現(xiàn)方式

根據(jù)海事風(fēng)險評價軟件系統(tǒng)的主要功能需求，將軟件系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集與處理、理論方法應(yīng)用及結(jié)果顯示輸出等3個主要功能模塊，各個模塊間的關(guān)系見圖5，其功能和實現(xiàn)方式說明如下：

圖5 海事風(fēng)險評價軟件系統(tǒng)模塊設(shè)計

1)數(shù)據(jù)采集與處理模塊是軟件的基礎(chǔ)部分，用戶可根據(jù)自身需要，利用該模塊進行電子版或紙質(zhì)版調(diào)查問卷的設(shè)計；同時，還可利用該模塊對歷史采集數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計，作為用戶建模時的輸入數(shù)據(jù)使用。

2)理論方法應(yīng)用模塊是軟件的核心部分，需對常用的風(fēng)險評價方法加以集成，具備模型基本算法的實現(xiàn)與調(diào)用功能。該模塊的主要作用是為用戶構(gòu)建風(fēng)險評價模型服務(wù)，用戶可根據(jù)建模的需要便捷地調(diào)用不同的方法模塊。為減少該模塊的開發(fā)時間，可通過接入其他能提供接口的風(fēng)險評價軟件、移植開源代碼及改進已有代碼等方式來實現(xiàn)。

3)結(jié)果顯示輸出模塊是軟件的展示部分，可以高清圖表的形式輸出用戶構(gòu)建的模型，同時可輸出計算結(jié)果報告，以統(tǒng)計圖、數(shù)據(jù)表格等形式向用戶展示計算結(jié)果。該模塊注重界面的美觀性和數(shù)據(jù)展示的直觀性。

圖6為海事風(fēng)險評價軟件功能案例。圖6a為基于專家問卷的船舶碰撞事故相對概率計算模型。利用開發(fā)的軟件設(shè)計出專家調(diào)查問卷，專家根據(jù)經(jīng)驗判斷不同通航環(huán)境下事故發(fā)生的相對可能性，用1～9表示2種通航環(huán)境的差別程度。當(dāng)收集到多個專家的數(shù)據(jù)之后，可對問卷進行統(tǒng)計，將統(tǒng)計結(jié)果以圖表的形式展示出來，同時將結(jié)果輸入到計算模型中，調(diào)用Bayes方法模塊和點估計方法模塊得到2種方法的計算結(jié)果比較圖。圖6b為基于歷史事故數(shù)據(jù)的風(fēng)險評價案例，可對事故的各個特征進行統(tǒng)計，以圖表的方式展示統(tǒng)計結(jié)果，并調(diào)用Bayes方法模塊對事故發(fā)生的時空特征規(guī)律及各個因素對事故發(fā)生的影響程度進行定量評價，顯示評價結(jié)果。此外，該軟件還可進一步擴展為將歷史數(shù)據(jù)和專家知識相結(jié)合，設(shè)計功能模塊將歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果與專家調(diào)研結(jié)果相融合，進行海事風(fēng)險評價。

a) 基于專家問卷的船舶碰撞事故相對概率計算模型

b) 基于歷史數(shù)據(jù)的風(fēng)險評價案例

4 結(jié)束語

目前針對海事風(fēng)險評價相關(guān)理論方法的研究正逐漸成熟，現(xiàn)有的風(fēng)險評價相關(guān)軟件可提供模塊功能接口，或?qū)㈤_源代碼移植使用，進一步降低了海事風(fēng)險評價軟件開發(fā)的難度。因此，海事風(fēng)險評價軟件的開發(fā)具有很強的可行性。

海事風(fēng)險評價軟件系統(tǒng)在水路運輸系統(tǒng)運行中可能存在的各類事故的風(fēng)險評價及海事事故和險情的應(yīng)急決策與群體決策方面有廣闊的應(yīng)用前景，對推動相關(guān)理論成果的實用化進程具有積極意義。軟件的開發(fā)將促進風(fēng)險理論研究的發(fā)展，推動算法改進、風(fēng)險建模與仿真及模型驗證的深化。

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Framework of Maritime Risk Assessment Software

YANXinping，ZHANGJinfen，ZHANGDi,WANGYang,WUBing

(1.National Engineering Research Center for Water Transport Safety (WTSC), Wuhan 430063, China; 2.Intelligent Transportation System Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

1000-4653(2016)04-0056-05

U698.6

A

2016-06-29

國家自然科學(xué)基金青年項目(51609194)；國家科技支撐計劃(2015BAG20B05)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20130143120014)；國家水運安全工程技術(shù)研究中心開放基金(16KA03)

嚴新平(1959—)，男，江西蓮花人，教授，博士，研究方向為船舶機械運用工程與水運系統(tǒng)安全及智能化。 E-mail：xpyan@whut.edu.cn