基于信息熵的“育明”輪實(shí)習(xí)安全風(fēng)險(xiǎn)度量

邵秋捷，金永興

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

基于信息熵的“育明”輪實(shí)習(xí)安全風(fēng)險(xiǎn)度量

邵秋捷，金永興

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

為解決在進(jìn)行“育明”輪實(shí)習(xí)安全風(fēng)險(xiǎn)度量的過程中存在的不確定因素難以量化分析的問題,以人員、船舶、環(huán)境和管理為要素構(gòu)建實(shí)習(xí)船安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)。采用故障樹分析法，依據(jù)ISO/IEC 27002標(biāo)準(zhǔn)的層次結(jié)構(gòu)建立故障樹，提出基于信息熵的風(fēng)險(xiǎn)度量模型。將定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合，以“育明”輪實(shí)際航次案例為例,驗(yàn)證理論應(yīng)用的正確性。

水路運(yùn)輸;“育明”輪；實(shí)習(xí)安全；故障樹；信息熵；風(fēng)險(xiǎn)度量

教學(xué)實(shí)習(xí)船在航運(yùn)人才培養(yǎng)方面發(fā)揮著非常顯著的作用，保證其安全性至關(guān)重要。我國各航海院校先后運(yùn)營(yíng)過多艘教學(xué)實(shí)習(xí)船，目前正在運(yùn)營(yíng)并供航海類專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí)的校船有：上海海事大學(xué)散貨船“育明”輪、大連海事大學(xué)雜貨船“育鵬”輪和集美大學(xué)散貨船“育德”輪等。當(dāng)前對(duì)教學(xué)實(shí)習(xí)船進(jìn)行系統(tǒng)化的安全評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)較少，這里以承擔(dān)航運(yùn)教學(xué)實(shí)習(xí)、科學(xué)研究、國際交流及散貨運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)[1]的“育明”輪為研究對(duì)象，對(duì)實(shí)習(xí)安全的風(fēng)險(xiǎn)度量進(jìn)行研究。這里提到的安全是指全體實(shí)習(xí)人員(包括教官)、全體船員、設(shè)備、船舶和貨物的安全；實(shí)習(xí)全過程的安全包括跟班安全、教學(xué)安全、水電氣火使用安全、設(shè)施設(shè)備操作安全、活動(dòng)安全、幫廚安全、衛(wèi)生安全、食品安全、演習(xí)安全和下地安全等。選取設(shè)備、環(huán)境、人員和管理等4個(gè)因素[2]作為教學(xué)實(shí)習(xí)船第一級(jí)子系統(tǒng)，依據(jù)ISO/IEC 27002標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)建立故障分析樹，在獲得某批實(shí)習(xí)生在船上實(shí)習(xí)期間相關(guān)計(jì)劃航線(見圖1)、水文氣象及自然條件等資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)專家評(píng)估獲取相關(guān)原始數(shù)據(jù)，采用信息熵分析算法計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)值。

1 信息熵風(fēng)險(xiǎn)度量算法

信息熵用來表示信源輸出后每個(gè)消息所提供的平均信息量或信源輸出前的平均不確定度[3-5],其基本定義如下。

設(shè)離散隨機(jī)變量X有n個(gè)可能取值，即X={a1,a2,…,an}，相應(yīng)的每種狀態(tài)可能出現(xiàn)的概率為p1，p2，…，pn，其離散概率空間為

圖1 某批實(shí)習(xí)生上下船期間“育明”輪航線

(1)

(2)

則

(3)

式(3)中：H(X)為離散隨機(jī)變量X的信息熵，用來表示系統(tǒng)的有序程度。

文獻(xiàn)[6]提出最大熵原理，定義熵為

(4)

式(4)中：k為比例系數(shù)。

利用信息熵理論計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)值原理如下。

1) 當(dāng)pi取值相等時(shí)，熵最大，即Hmax=lnm，用Hmax對(duì)式(4)作歸一化處理，得到衡量安全風(fēng)險(xiǎn)因素Ri的相對(duì)重要性熵值[7]為

(5)

2) 當(dāng)pij(i=1,2,…,m)取值相等時(shí)，熵為最大值1，即ei滿足0≤ei≤1。當(dāng)熵值最大時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的貢獻(xiàn)最小，此時(shí)可用1-ei度量安全風(fēng)險(xiǎn)因素Ri的權(quán)。對(duì)其歸一化得到風(fēng)險(xiǎn)因素Ri的權(quán)值為

(6)

2 風(fēng)險(xiǎn)度量模型

2.1建立故障分析樹

采用故障樹分析法[8]，依據(jù)ISO/IEC 27002標(biāo)準(zhǔn)的層次結(jié)構(gòu)建立故障樹(見圖2)，過程如下：

1)確定故障樹的頂事件，即評(píng)估目標(biāo)系統(tǒng)的總體風(fēng)險(xiǎn)，這里指“育明”輪實(shí)習(xí)安全總體風(fēng)險(xiǎn)。

2)將“育明”輪實(shí)習(xí)安全的4大類風(fēng)險(xiǎn)作為第1層，即“育明”輪實(shí)習(xí)安全風(fēng)險(xiǎn)的因；將各類風(fēng)險(xiǎn)的二級(jí)指標(biāo)作為第2層，即每類風(fēng)險(xiǎn)的因。

3)確定故障樹的底事件(即故障樹底層各因素底選擇)，應(yīng)參照標(biāo)準(zhǔn)選取，且各底事件之間互不交叉(見表1)。

圖2 基于ISO/IEC 27002的“育明”輪實(shí)習(xí)安全風(fēng)險(xiǎn)故障分析樹

在故障樹建立完成之后，利用信息熵風(fēng)險(xiǎn)分析算法計(jì)算目標(biāo)系統(tǒng)的總體風(fēng)險(xiǎn)。在圖2中,故障樹的第1層、第2層和3層分別用α,β及γ來表示。

2.2信息熵權(quán)值及符合度說明

在故障樹分析的基礎(chǔ)上，先規(guī)定每層風(fēng)險(xiǎn)因素Ri的權(quán)值，用ai表示故障樹第1層的4個(gè)安全要項(xiàng)的權(quán)值；各安全要項(xiàng)由第2層的若干個(gè)要項(xiàng)指標(biāo)體現(xiàn)，用βi,j表示第i個(gè)安全要項(xiàng)下的第j個(gè)要項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)值；各要項(xiàng)指標(biāo)由第3層的若干個(gè)指標(biāo)因素體現(xiàn)，用γi,j,k表示第i個(gè)安全要項(xiàng)、第j個(gè)要項(xiàng)指標(biāo)下的第k個(gè)指標(biāo)因素的權(quán)值(即符合度)。給出符合度的量化定義，共5個(gè)級(jí)別，見表2。符合度的量化值可在區(qū)間內(nèi)任意取值。

2.3風(fēng)險(xiǎn)分析計(jì)算

“育明”輪實(shí)習(xí)安全總體風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算過程如下：

(7)

步驟1 取得符合度的量化值γi,j,k(如表1所示)。

步驟2 由于式(4)具有對(duì)稱性，給所有安全指標(biāo)賦予同樣的權(quán)重，在研究“育明”輪實(shí)習(xí)安全系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮對(duì)實(shí)習(xí)安全影響較大的指標(biāo)，因此對(duì)第3級(jí)指標(biāo)分別賦予權(quán)重ωi,j。結(jié)合式(5)和式(6)，計(jì)算得到第2層各要項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)系數(shù)βi,j和風(fēng)險(xiǎn)權(quán)值φi,j分別為

表1 “育明”輪實(shí)習(xí)安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)各指標(biāo)因素符合度及權(quán)重值

(8)

(9)

步驟3 對(duì)第2層指標(biāo)分別賦予權(quán)重μi，計(jì)算得到第1層各安全要項(xiàng)的熵權(quán)系數(shù)αi及風(fēng)險(xiǎn)權(quán)值φi分別為

(10)

(11)

步驟4 計(jì)算育明輪實(shí)習(xí)安全總體風(fēng)險(xiǎn)的熵權(quán)系數(shù)e和總體風(fēng)險(xiǎn)值φ分別為

(12)

φ=1-e,e≥0,φ≤1

(13)

表2 符合度定義

步驟5 對(duì)照目標(biāo)系統(tǒng)的總體風(fēng)險(xiǎn)φ和表3的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)定義，評(píng)價(jià)目標(biāo)信息系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

3 模型實(shí)例分析

依據(jù)模型計(jì)算步驟，計(jì)算得到“育明”輪實(shí)習(xí)安全各層次要素的熵權(quán)系數(shù)和總體風(fēng)險(xiǎn)值(見表4)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可判斷總體風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)定義可知，目標(biāo)系統(tǒng)的總體風(fēng)險(xiǎn)φ=0.042 09，介于0～0.2，處于極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，可判定該實(shí)習(xí)安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)相對(duì)安全可靠。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)定義

表4 風(fēng)險(xiǎn)權(quán)值計(jì)算結(jié)果

以上評(píng)價(jià)結(jié)果表明“育明”輪上有先進(jìn)的儀器設(shè)備、舒適的實(shí)習(xí)環(huán)境、優(yōu)秀的管理人員及良好的管理模式,其設(shè)備、環(huán)境、人員和管理的有效協(xié)調(diào)可使實(shí)習(xí)安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。此外，仍可發(fā)現(xiàn)該船在學(xué)生實(shí)習(xí)期間存在以下相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)：

1) 電子海圖中缺少大量數(shù)據(jù)，需有關(guān)部門上船更新；實(shí)習(xí)駕駛臺(tái)的部分設(shè)備無法正常工作，應(yīng)加強(qiáng)管理和維護(hù)保養(yǎng)。

2) 廚房、冰庫等生活設(shè)施需改善;相關(guān)備件需及時(shí)補(bǔ)充。

3) 存在實(shí)習(xí)生安全價(jià)值觀和應(yīng)急反應(yīng)能力不強(qiáng)等問題，應(yīng)采取安全教育、技術(shù)培訓(xùn)、應(yīng)急演練和演習(xí)等措施，同時(shí)從制度上約束實(shí)習(xí)生的日常安全行為。[9]

4) 教學(xué)部人員應(yīng)監(jiān)督和督促實(shí)習(xí)生執(zhí)行船舶的各項(xiàng)規(guī)章制度和學(xué)生實(shí)習(xí)守則，隨時(shí)掌握其思想動(dòng)態(tài)和行為情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取相應(yīng)的措施予以解決。大副及輪機(jī)長(zhǎng)應(yīng)積極配合和支持教學(xué)部人員的工作，做好學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操的安排。

5) 加強(qiáng)學(xué)生在各港口下船的管理，做好應(yīng)變部署。下船前由船長(zhǎng)、政委或教官介紹港口的地理環(huán)境、風(fēng)土人情、生活禁忌、船旗國和港口國檢查的基本情況、國家外事紀(jì)律和船舶在國外的活動(dòng)規(guī)定與海關(guān)規(guī)定等。下船學(xué)生應(yīng)根據(jù)教官的指示行動(dòng)，全體師生應(yīng)注重組織紀(jì)律、外事紀(jì)律和時(shí)間觀念，時(shí)刻將安全放在首位。

4 結(jié)束語

根據(jù)ISO/IEC 27002標(biāo)準(zhǔn)的要求及其體系結(jié)構(gòu)，定性分析“育明”輪實(shí)習(xí)安全風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)；在建立風(fēng)險(xiǎn)故障分析樹的基礎(chǔ)上，提出一種基于信息熵的系統(tǒng)安全性定量計(jì)算方法，并形成完整的風(fēng)險(xiǎn)分析模型。在通過專家評(píng)估獲得初始數(shù)據(jù)之后，利用信息熵風(fēng)險(xiǎn)分析模型計(jì)算“育明”輪實(shí)習(xí)安全系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與理論分析的有機(jī)統(tǒng)一。通過對(duì)“育明”輪進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，船舶日常生產(chǎn)作業(yè)和管理中存在相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。對(duì)此，有針對(duì)地提出改進(jìn)措施，以保證船舶的安全。

目前的研究工作仍存在一定的不足，需在以后作進(jìn)一步的完善。研究過程中，該模型的初始數(shù)據(jù)是通過專家評(píng)估調(diào)查獲得的，具有主觀、模糊和不確定性。[10]同時(shí)，在對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)及指標(biāo)因素權(quán)重進(jìn)行確定時(shí)，只是過于簡(jiǎn)單地取其平均值，在以后的研究中，需研究能使賦值更科學(xué)、準(zhǔn)確、客觀的方法，例如幾何平均法、和積法及方根法等。

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SafetyRiskMeasurementwithInformationEntropyforTrainingonVesselYuming

SHAOQiujie，JINYongxing

(Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

In view of the fact that quite a few factors involved in the training ship operation,the safety risk evaluation is difficult to quantification,a comprehensive safety evaluation system of training ship is proposed on the basic of the factors of man-ship-environment-management.A fault tree of the hierarchical structure is built according to the ISO/IEC 27002 standard.An information-entropy-based risk measurement model is constructed.The measuring process combining qualitative analysis and quantitative calculations is illustrated.The actual operation records of the vessel Yuming verifies the correctness of the method.

waterway transportation; vessel Yuming; training safety; fault tree; information entropy; risk measurement

U676.1

A

2017-02-25

邵秋捷(1992—),女,江蘇南通人，碩士生，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程。E-mail:1084785678@qq.com

金永興(1959—),男,上海人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)特性及運(yùn)行品質(zhì)。E-mail:yxjin@shmtu.edu.cn

1000-4653(2017)02-0083-05