海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件功能框架設(shè)計(jì)

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(1.國(guó)家水運(yùn)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(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件功能框架設(shè)計(jì)

嚴(yán)新平，張金奮，張笛，汪洋，吳兵

(1.國(guó)家水運(yùn)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(duì)已有的海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相關(guān)理論和方法在航運(yùn)、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(jiǎn)單易用、界面美觀的海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件，以促進(jìn)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的實(shí)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(diǎn)，開展海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件的核心功能框架設(shè)計(jì)，并通過案例說明軟件的預(yù)期功能。該研究是海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(yùn)輸；海事管理；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；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(yùn)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(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此采取有效的措施將各類風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍內(nèi)是航運(yùn)公司和相關(guān)管理部門關(guān)注的焦點(diǎn)之一。隨著海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(píng)估各類海事風(fēng)險(xiǎn)，采取有效措施降低水路運(yùn)輸系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。國(guó)際海事組織(International Maritime Organization, IMO)提出的綜合安全評(píng)估(Formal Safety Assessment, FSA)[1]提供有較為完整的海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)框架。FSA劃分為風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)控制措施、費(fèi)用效益分析和決策等5個(gè)步驟，每個(gè)步驟都推薦可采用的理論和方法。此外，IMO還專門針對(duì)船舶建造安全提供一個(gè)定量標(biāo)準(zhǔn)，即安全水平法(Safety Level Approach, SLA)。在以往建造經(jīng)驗(yàn)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(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者通過長(zhǎng)期研究積累，取得了一系列的研究成果。一些典型的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法(如Bayes網(wǎng)絡(luò)[3]、置信規(guī)則庫[4]、時(shí)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(xiǎn)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(jī)[13]等)都結(jié)合具體的水路運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)案例作較為深入的研究，并開始逐漸形成海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的理論體系。

開發(fā)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(dòng)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相關(guān)理論成果的實(shí)用化進(jìn)程，對(duì)提升水路運(yùn)輸行業(yè)的整體安全水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 用于海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的相關(guān)軟件

海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已針對(duì)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(jì)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件時(shí)，需對(duì)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(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。Hugin Expert開發(fā)的Bayes網(wǎng)絡(luò)軟件是目前海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中最常用的軟件之一，有免費(fèi)和商用2個(gè)版本，其中：免費(fèi)版可實(shí)現(xiàn)Bayes網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建、條件概率輸入與計(jì)算、敏感性分析等基本功能，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模有一定的限制；商用版允許的計(jì)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(gè)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(cè)試。更重要的是，該軟件為L(zhǎng)inux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(xiǎn)評(píng)價(jià)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(duì)一切隨機(jī)性工作流進(jìn)行過程仿真，并以動(dòng)畫的方式直觀顯示其具體進(jìn)程。該軟件能在仿真結(jié)束后自動(dòng)生成計(jì)算結(jié)果報(bào)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(xì)地了解仿真的每個(gè)參數(shù)。

1.1.3碰撞擱淺風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件

GRACAT[16]是一款專門針對(duì)船舶碰撞和擱淺事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的軟件，可實(shí)現(xiàn)事故發(fā)生概率和事故后果的評(píng)價(jià)，有確定性和隨機(jī)性2種評(píng)價(jià)方法；同時(shí)，提供有一種簡(jiǎn)易的交通流仿真平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)碰撞和擱淺發(fā)生概率的計(jì)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(fèi)的用于事故樹繪制與分析的軟件，具有簡(jiǎn)單易用、功能豐富和算法高效等優(yōu)點(diǎn)，可用于計(jì)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(xiǎn)評(píng)價(jià)的基本需求，但在界面美觀性和計(jì)算結(jié)果輸出方面需作進(jìn)一步的改進(jìn)。FreeFta軟件界面見圖3。

圖3 FreeFta軟件界面

SmartDraw[18]是美國(guó)一家專門做繪圖軟件的公司開發(fā)的軟件，有一個(gè)故障樹設(shè)計(jì)模塊，可根據(jù)要求設(shè)計(jì)出十分美觀的故障樹圖形。該軟件最大的優(yōu)勢(shì)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(jìn)行疊加，但不具備計(jì)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(bǔ)性，在開發(fā)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件時(shí)，可結(jié)合FreeFta的計(jì)算功能和SmartDraw強(qiáng)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(gè)參考評(píng)價(jià)準(zhǔn)則實(shí)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(píng)價(jià)準(zhǔn)則的轉(zhuǎn)換；同時(shí)，其還加入有層次分析法計(jì)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(gè)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(jì)及模糊規(guī)則庫設(shè)計(jì)等方面的功能仍需作一定的擴(kuò)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(jìn)行海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(duì)某個(gè)特定的理論方法開發(fā)的，無法滿足綜合使用多種方法對(duì)海事風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)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(shí)、通過長(zhǎng)時(shí)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(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)中，需重新開發(fā)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)算法的改進(jìn)。

3 海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)開發(fā)思路

3.1 軟件核心功能設(shè)計(jì)原則

開發(fā)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件的核心目標(biāo)是促進(jìn)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(jiǎn)便、結(jié)果直觀、簡(jiǎn)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(duì)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的實(shí)際工程需要，開發(fā)的海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)應(yīng)至少具備以下核心功能。

1)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)需大量應(yīng)用相關(guān)專家的主觀知識(shí)進(jìn)行分析，因此軟件需具備調(diào)查問卷設(shè)計(jì)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(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論方法聯(lián)合調(diào)用的功能，將一種方法的計(jì)算結(jié)果作為另一種方法的輸入，進(jìn)而得到需要的最終結(jié)果。

3)進(jìn)行海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)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(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及模糊數(shù)據(jù)的輸入和處理。

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

(1) 能自動(dòng)生成分析結(jié)果報(bào)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(shí)現(xiàn)方式

根據(jù)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(gè)主要功能模塊，各個(gè)模塊間的關(guān)系見圖5，其功能和實(shí)現(xiàn)方式說明如下：

圖5 海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

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(jìn)行電子版或紙質(zhì)版調(diào)查問卷的設(shè)計(jì)；同時(shí)，還可利用該模塊對(duì)歷史采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)，作為用戶建模時(shí)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(duì)常用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法加以集成，具備模型基本算法的實(shí)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(xiǎn)評(píng)價(jià)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(shí)間，可通過接入其他能提供接口的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件、移植開源代碼及改進(jìn)已有代碼等方式來實(shí)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(shí)可輸出計(jì)算結(jié)果報(bào)告，以統(tǒng)計(jì)圖、數(shù)據(jù)表格等形式向用戶展示計(jì)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(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件功能案例。圖6a為基于專家問卷的船舶碰撞事故相對(duì)概率計(jì)算模型。利用開發(fā)的軟件設(shè)計(jì)出專家調(diào)查問卷，專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷不同通航環(huán)境下事故發(fā)生的相對(duì)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(gè)專家的數(shù)據(jù)之后，可對(duì)問卷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)結(jié)果以圖表的形式展示出來，同時(shí)將結(jié)果輸入到計(jì)算模型中，調(diào)用Bayes方法模塊和點(diǎn)估計(jì)方法模塊得到2種方法的計(jì)算結(jié)果比較圖。圖6b為基于歷史事故數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)案例，可對(duì)事故的各個(gè)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以圖表的方式展示統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并調(diào)用Bayes方法模塊對(duì)事故發(fā)生的時(shí)空特征規(guī)律及各個(gè)因素對(duì)事故發(fā)生的影響程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，顯示評(píng)價(jià)結(jié)果。此外，該軟件還可進(jìn)一步擴(kuò)展為將歷史數(shù)據(jù)和專家知識(shí)相結(jié)合，設(shè)計(jì)功能模塊將歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與專家調(diào)研結(jié)果相融合，進(jìn)行海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

a) 基于專家問卷的船舶碰撞事故相對(duì)概率計(jì)算模型

b) 基于歷史數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)案例

4 結(jié)束語

目前針對(duì)海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相關(guān)理論方法的研究正逐漸成熟，現(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(jìn)一步降低了海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件開發(fā)的難度。因此，海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件的開發(fā)具有很強(qiáng)的可行性。

海事風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)在水路運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行中可能存在的各類事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及海事事故和險(xiǎn)情的應(yīng)急決策與群體決策方面有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)推動(dòng)相關(guān)理論成果的實(shí)用化進(jìn)程具有積極意義。軟件的開發(fā)將促進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)理論研究的發(fā)展，推動(dòng)算法改進(jìn)、風(fēng)險(xiǎn)建模與仿真及模型驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51609194)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAG20B05)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20130143120014)；國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心開放基金(16KA03)

嚴(yán)新平(1959—)，男，江西蓮花人，教授，博士，研究方向?yàn)榇皺C(jī)械運(yùn)用工程與水運(yùn)系統(tǒng)安全及智能化。 E-mail：xpyan@whut.edu.cn