貝葉斯網絡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，運用貝葉斯網絡，結合事故樣本，構建出完整的貝葉斯網絡模型，為船舶管理者以及海事部門提供一定的參考。

【關鍵詞】貝葉斯網絡 長江航運 船舶事故

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

貝葉斯網絡（Bayesian Network），又稱信念網、因果概率網絡等，是以貝葉斯定理為基礎，描述變量之間概率關系的一種圖形模式。貝葉斯網絡的理論依據是概率論，推理的基礎是基于貝葉斯定理的概率推理，并以網絡圖的形式來表達和描述數據實例中的關聯或因果關系。

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

一、船舶碰撞事故分析

（一）船舶碰撞事故發生過程

船舶碰撞是一種水上船舶運輸中會發生的事故，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測的因素而造成的。在船舶碰撞過程中，一般需要經歷如下步驟：駕駛人員發現來船、駕駛人員判斷碰撞的風險、駕駛人員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展流程，以及不同操作所導致的不同的事故發生發展的方式。與船舶碰撞過程相應產生的，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，存在于碰撞發生的全程。在該過程中，駕駛人員擁有正確判斷，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）發現他船，搜集相關信息；（2）根據所搜集的信息，確定安全通過距離；（3）判斷是否需要采取避碰措施；（4）確定何時執行避碰措施；（5）判斷采取何種避碰措施；（6）復航。如圖2所示。

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圖2 船舶避碰的一般過程

通過總結駕駛人的避碰操作可以發現，避碰操作主要有以下幾種[4]：（1）維持航向、航速；（2）右轉，遵循大幅度原則；（3）右轉，與來船平行；（4）右轉，使來船在船尾方向；（5）大角度左轉；（6）左轉；與來船平行；（7）左轉，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絡建立

（一）貝葉斯網絡節點的確定

綜合以往研究文獻與相關報告，不難看出，船舶在避碰過程中駕駛人員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等設備接收外界信息，發現其他船只；

第二，根據接收到的信息，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、有效性原則的基礎上，通過分析所搜集的內河船舶交通事故數據樣本，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（船舶不安全因素）加入，最終將導致內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網絡節點一共為15個，為了在程序中表達方便，將每個節點對應一個標識：

A：發生碰撞；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：未及早發現來船；D1：值班不當；D2：管理混亂；D3：雷達、AIS、導航未上線；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）貝葉斯網絡結構的確定

在以往研究中，確定貝葉斯網絡結構的方式有很多，例如專家直接確定法、數據驅動法、兩階段建模法等等。本文建立貝葉斯網絡結構的主要步驟如下：

1.通過一個事故樣本，建立一個因果關系鏈條。基于前文講述的事故發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系鏈。

2.綜合多個樣本數據建立混合的因果關系鏈。

3.建立完整的Bayesian網絡結構。將所有事故樣本中的因果關系鏈建立，并且綜合在一起，就會形成完整的Bayesian網絡結構。

綜上所述，本文通過2005～2012年之間的20份樣本數據，可以搭建出的貝葉斯網絡如圖4所示。

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圖4 長江船舶碰撞事故貝葉斯網絡結構圖

（三）確定貝葉斯網絡節點條件概率表

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

在確定了值域后，通過搜集到的事故樣本，通過數理統計的方法，可以求出各個節點之間的條件概率。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研，來對條件概率表進行一定調整，以保證結果更趨向于現實情況。

最后確定出的條件概率表可以顯示出父子節點之間的條件概率，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絡中，就完成了整個長江船舶碰撞事故的貝葉斯網絡的建立。

三、結論

通過本文可以看出，貝葉斯網絡對事故進行分析時，因果關系展示的更加清晰。并且可以通過所建立的貝葉斯網絡結構，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致船舶發生碰撞的概率。可以為船舶管理者以及海事調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.