船舶引航員人因可靠性研究

吳昊 天津港引航中心

隨著推進(jìn)一帶一路的建設(shè)，我國的航運規(guī)模逐漸擴(kuò)張，港口發(fā)展水平不斷提高。發(fā)展高質(zhì)量港口，最為關(guān)鍵的就是安全引航工作，保障港口運行安全。作為引領(lǐng)船舶安全快速出入港口的重要工作，船舶引航在港口的日常運營中尤為重要。而近年來所出現(xiàn)的海事事故中，有關(guān)引航員所造成的船舶安全事故數(shù)量逐漸上升，為此必須全面重視基于船舶引航員的人因可靠性。

1.船舶引航事故特征

在實施引航作業(yè)的過程中，可能由于人因或是非人因等造成危害生命以及財產(chǎn)安全的事故,也就是船舶引航事故，而大多數(shù)的情況下不難發(fā)現(xiàn)這樣的引航事故主要的原因就是由于人為因素所導(dǎo)致的。通過調(diào)研詢問引航站中的相關(guān)人員，并結(jié)合以往的文獻(xiàn)資料等進(jìn)一步研究引航事故發(fā)生的具體原因，發(fā)現(xiàn)一般在港口附近，船舶即將進(jìn)港或是出港的過程中，由于微小的疏忽都可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，船舶可能會出現(xiàn)擱淺的現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的港口癱瘓或是人員傷亡等情況。

結(jié)合一般性的引航事故而言，存在著明顯的緊急性、信息模糊、多方案可行的特征。由于一般的引航事故多為突發(fā)性事件，因此需要在最短時間內(nèi)解決危機(jī)，最佳時間為20min以內(nèi)，超過這一階段的時間，將會造成嚴(yán)重的人員傷亡問題。并且一旦發(fā)生嚴(yán)重的引航事故，可能會促使船舶結(jié)構(gòu)受損或是人員混亂等，難以獲取更加清晰準(zhǔn)確的信息，在船上的人員對于環(huán)境信息判斷失誤，引航員同樣也難以對事故中的情況做出精準(zhǔn)的判斷[1]。

但是盡管在引航事故發(fā)生之后可能會造成信息不確定，但是仍舊可以通過多種不同的應(yīng)急方案解除危機(jī)，例如船舶觸礁之后，對前后吃水進(jìn)行調(diào)整，或是轉(zhuǎn)移燃料油等方式，并申請外部援助等，從而能夠起到一定的安全應(yīng)急救援作用。

2.船舶引航員可能發(fā)生的人因失誤

2.1 個體層級的人因失誤

在航運過程中，引航員的個人原因所導(dǎo)致的引航事故不在少數(shù)，在這一層級中主要是由于多種不同的因素誘導(dǎo)引航員行為，包括生理狀態(tài)、心理狀態(tài)、記憶信息以及素質(zhì)能力等。如若在引航工作中，引航員明顯處于長久疲勞工作的狀態(tài)，難以集中精力應(yīng)對引航作業(yè)，很可能會導(dǎo)致引航事故的產(chǎn)生?；蚴怯捎谝絾T當(dāng)前的壓力負(fù)荷相對較大，從而在工作中容易出現(xiàn)精神恍惚的問題，無法集中注意應(yīng)對引航作業(yè)中的相關(guān)問題。引航員本身的知識水平、技能經(jīng)驗等同樣會對引航工作的安全產(chǎn)生影響。并且包括引航員對不同港口水域環(huán)境的熟悉程度、引航任務(wù)的熟悉程度以及應(yīng)急能力等，均是引發(fā)引航事故的因素。

2.2 環(huán)境層級的人因失誤

在環(huán)境層級下的引航員人因失誤主要是包括了團(tuán)隊因素、被引船舶屬性、海上交通狀態(tài)、自然條件、碼頭設(shè)施等眾多影響因素。在實施引航作業(yè)的過程中，引航員與團(tuán)隊之間的配合不默契，與其他引航員之間的溝通不及時，或是人員配置不合理等，導(dǎo)致引航作業(yè)難以順利實施。導(dǎo)航設(shè)備過于落后，難以結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)對其進(jìn)行更新優(yōu)化，或是導(dǎo)航設(shè)備存在缺陷，布置不完善等問題，對引航員的正確引航產(chǎn)生影響。包括在引航過程中出現(xiàn)大風(fēng)天氣、潮汐或是大霧等，促使環(huán)境能見度相對較低，無法看清船舶位置等，對船舶位置的判斷失誤從而引發(fā)嚴(yán)重的事故。

2.3 組織層級的人因失誤

由組織層級所導(dǎo)致的引航員人因失誤問題可能是基于組織目標(biāo)、結(jié)構(gòu)、引航管理、駕駛臺資源等眾多現(xiàn)象等存在著一定的問題嚴(yán)重影響到引航工作的實施。包括在同一港口中為引航員同一時間內(nèi)設(shè)置多個不同的任務(wù)與目標(biāo)，促使引航員工作較為緊張，容易出現(xiàn)疏漏問題。每一引航員在受指令組織引航的過程中角色定位不清晰，職責(zé)不分明，無法及時與其他引航員進(jìn)行交流，出現(xiàn)組織管理混亂的問題，嚴(yán)重影響引航員引航工作的正確判斷。對引航員缺乏組織培訓(xùn)，無法促使其深刻掌握引航管理制度以及引航安全準(zhǔn)則，從而在工作中可能會出現(xiàn)疏忽或是未按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行引航作業(yè)的行為[2]。缺失責(zé)任意識以及被引船舶本身的管理水平相對較差，都是引發(fā)引航安全事故的因素。

3.船舶引航員應(yīng)急行為可靠性指標(biāo)

在通過進(jìn)一步對船舶引航員的人因失誤影響層級進(jìn)行詳細(xì)的研究之后，確定船舶引航員產(chǎn)生應(yīng)急行為可靠性的相關(guān)影響因素是否處于正確狀態(tài)尤為關(guān)鍵，將會對預(yù)測船舶引航員的應(yīng)急行為可靠性產(chǎn)生影響。借助于引航員失誤原因進(jìn)行分析，并結(jié)合相關(guān)專家的具體意見，形成具體的應(yīng)急行為可靠性因素指標(biāo)，從三個層級方面分別研究應(yīng)急行為的形成因子，例如將實際當(dāng)中的個體層級、環(huán)境層級、組織影響等進(jìn)行標(biāo)記，以P、E、O代替。其中假設(shè)在個體層級的影響下存在影響引航員行為的因子d，則引航員行為的形成因子可以應(yīng)用到Pd表示，并假設(shè)在某港口運行過程中可能會出現(xiàn)n個事故，則每一事故i中所含有的行為形成因子數(shù)量則表示為Pdi。

如若在眾多事故中，某一事故中存在著明顯的影響引航員行為的因子d，則該事故中形成因子的實際數(shù)量為1，反之則為0。將每一行為形成因子設(shè)定為含有m元素的分序列向量，記為。而在行為因子之外所涵蓋的任何能夠?qū)σ絾T行為產(chǎn)生影響的因子則記為g，對這兩個因子之間所形成的向量夾角進(jìn)行計算，并對因子大小差異性進(jìn)行分析，隨后在余弦定理的作用下，設(shè)定為因子夾角，則形成了以下公式：

在該公式中對向量因子夾角的余弦值進(jìn)行計算，由于在每一不同向量中會產(chǎn)生正數(shù)變量，因此0

4.船舶引航員應(yīng)急行為可靠性分析

在船舶引航過程中，基于引航員的人為失誤可能是由于多種不同的形成因子一同作用從而導(dǎo)致的。因此需要對引航員應(yīng)急行為的可靠性以及行為因子之間產(chǎn)生的關(guān)系進(jìn)行量化，從而精準(zhǔn)反應(yīng)出對引航員人因可靠性產(chǎn)生的影響程度。本文通過上述公式對行為形成因子進(jìn)行篩選并形成了完善的可靠性指標(biāo)之后，根據(jù)此建立起B(yǎng)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并對其進(jìn)行優(yōu)化，在改良之后構(gòu)建基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引航員行為可靠性預(yù)測模型，從而精準(zhǔn)分析人因可靠性表現(xiàn)，能夠為引航員在工作過程中對應(yīng)急行為進(jìn)行糾正提供充足的理論支撐。

4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

預(yù)測引航員的行為可靠性存在著一定的復(fù)雜性特征，其中包括眾多影響因素在內(nèi)將會產(chǎn)生基于非線性存在的關(guān)系，難以僅僅通過某種單一方式展現(xiàn)。并且在分析引航員人因可靠性的過程中所應(yīng)用的信息真實性有待考量并且信息不完整同樣會對預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生影響。因此應(yīng)用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對行為可靠性進(jìn)行預(yù)測，能夠保障以非線性的動態(tài)化應(yīng)用方式，適用于模糊推理以及聯(lián)想記憶等，即使信息不完整也能夠進(jìn)行多因素聯(lián)合精準(zhǔn)預(yù)測。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在運行過程中能夠?qū)Ω黜棽町愋缘闹笜?biāo)進(jìn)行簡化，具有較高運行效率[4]。并且在實際當(dāng)中能夠形成更加精準(zhǔn)的預(yù)測模型，經(jīng)過優(yōu)化改良之后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型能夠精準(zhǔn)提取可靠性指標(biāo)中的機(jī)理與規(guī)律，從而在更新樣本數(shù)據(jù)的過程中，能夠形成關(guān)聯(lián)性的記憶效果，準(zhǔn)確表達(dá)出最終的預(yù)測結(jié)果。并且這樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)容錯能力相對較好，如若在描述指標(biāo)的過程中產(chǎn)生了一定的偏差也能夠及時的做出糾正，從而避免對最終測算結(jié)果產(chǎn)生影響。

4.2 設(shè)計BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

首先確定網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，若對某一非線性的連續(xù)函數(shù)進(jìn)行測算，僅需要三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即可，這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的并行性、簡單易操作、計算量相對較小等特征，能夠在實際中解決多種不同的問題，因此在該模型中則應(yīng)用到三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其次則是確定輸入層，研究應(yīng)急行為的可靠性，根據(jù)引航員在應(yīng)急指揮中對其行為產(chǎn)生影響的因子進(jìn)行測算，從而對其行為可靠性水平進(jìn)行模擬。在以往的評價過程中需要精準(zhǔn)確定每一因子所對應(yīng)的權(quán)重比例，但是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有良好的自學(xué)水平，因此僅通過對樣本數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)就能夠掌握影響行為可靠性的因子規(guī)律。因此在選取指標(biāo)的過程中無需考慮權(quán)重問題。

最后則是確定輸出層，研究引航員應(yīng)急行為的可靠性狀態(tài)，輸出參數(shù)需要能夠精準(zhǔn)反饋這樣的行為表現(xiàn)，劃分為四個不同的等級，包括“差（不可靠）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值小于0.69、一般（可靠性一般）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值小于0.79、較好（較可靠）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值大于0.8、好（可靠）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出值大于0.9”。

在確定基礎(chǔ)的BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型能夠?qū)σ絾T的應(yīng)急行為可靠性進(jìn)行模擬測算之后，還需要結(jié)合LMBP算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化改良，利用非線性函數(shù)的平方和，結(jié)合了最速下降法與高斯牛頓法的優(yōu)勢作用，從而能夠?qū)ι窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)測算過程進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到最快測算的效果。

4.3 處理樣本數(shù)據(jù)

采集近年來在航運過程中基于引航員人因?qū)е碌囊暫跣畔?shù)據(jù)，隨后在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的作用下進(jìn)行全面處理，根據(jù)完成優(yōu)化改良的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對引航員的人因可靠性進(jìn)行測算。經(jīng)過引航站數(shù)據(jù)收集以及網(wǎng)絡(luò)資源的搜索，將近十年間在港口中發(fā)生的船舶引航事故進(jìn)行整合，包括了進(jìn)20起的經(jīng)典引航案例，共計60份事故數(shù)據(jù)樣本中涵蓋了多種不同等級下的事故案例。以此保障在后續(xù)的事故分析中對引航員人因可靠性能夠形成更加科學(xué)客觀的測算[5]。

4.4 分析模型仿真測算結(jié)果

將60組數(shù)據(jù)完成整合之后，劃分成不同的兩組結(jié)構(gòu)，其中的40組供應(yīng)BP仿真模型進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，后20組供應(yīng)驗證與測試，形成更加精準(zhǔn)的可靠性預(yù)測。在BP模型中輸入前40組數(shù)據(jù)供應(yīng)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，設(shè)定數(shù)據(jù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)的次數(shù)、速率與誤差等，隨后展開基于模型的訓(xùn)練，完成訓(xùn)練之后，生成更加完整的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型，并將后20組數(shù)據(jù)上傳到其中，在網(wǎng)絡(luò)計算的作用下，生成預(yù)測值。通過仿真訓(xùn)練，BP模型在測算數(shù)據(jù)的過程中所產(chǎn)生的誤差能夠控制值在0.2之內(nèi)。

基于最為基礎(chǔ)的BP模型對引航員的人因可靠性進(jìn)行模擬仿真測算之后，發(fā)現(xiàn)這樣的模型在測算可靠性的過程中存在著一定的問題，每一次的測算結(jié)果存在差異性，無法維持相對較為穩(wěn)定的測算模型，因此則需要對BP模型進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合LMBP算法，優(yōu)化完成之后的模型在測算引航員行為可靠性的過程中最大的誤差僅為0.07，并且測算時間相較于之前縮短了1/3，進(jìn)而將20組待測算數(shù)據(jù)上傳到優(yōu)化后的模型當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)仿真模擬結(jié)果與可靠性評估結(jié)果呈現(xiàn)出相似性。

證明了LMBP算法下的模型能夠?qū)σ絾T的人因可靠性進(jìn)行精準(zhǔn)的測算，因此在今后的航運過程中，引航員的任何行為都可以借助于這樣的模型進(jìn)行預(yù)測。從而精準(zhǔn)掌握可靠性狀態(tài)，對于引航員應(yīng)急行為中的不當(dāng)問題及時糾正，能夠保障船舶引航安全，避免發(fā)生嚴(yán)重的安全事故。

5.結(jié)束語

隨著我國近年來航運事業(yè)的不斷發(fā)展，國際貿(mào)易過程中更是借助于航運實現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)往來，因此保障航運安全尤為重要。本文通過對引航員失誤原因進(jìn)行分析，對引航員的應(yīng)急行為指標(biāo)進(jìn)行研究，通過建立BP模型從而能夠?qū)σ絾T的每一行為所產(chǎn)生的可靠性因子進(jìn)行測算，保障在今后的引航工作中能夠借助于這樣的BP模型精準(zhǔn)分析引航員人因可靠性，從而加以行為控制，保障航運安全。