船舶觸碰事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建及事故原因分析

艾義奪

（上海江南長興造船有限責(zé)任公司，上海 201913）

通過建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，可以將這些因素作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，利用歷史數(shù)據(jù)和專家知識來確定它們之間的概率關(guān)系，從而推斷事故發(fā)生的可能原因。在實(shí)際應(yīng)用中，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型可以幫助航運(yùn)企業(yè)、港口管理部門和監(jiān)管機(jī)構(gòu)等對船舶觸碰事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估和預(yù)防策略制定。

1 構(gòu)建船舶觸碰事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 船舶觸碰事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

船舶觸碰事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括人員行為不當(dāng)、船舶條件不良、環(huán)境條件不良和管理問題四個(gè)主要部分（如圖1 所示）。每個(gè)部分都是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，表示可能導(dǎo)致事故發(fā)生的特定因素。

圖1 船舶觸碰故障樹

1.1.1 人員行為不當(dāng)

這個(gè)節(jié)點(diǎn)代表了船員在船舶操縱和決策過程中的行為[1]。人員行為不當(dāng)可能包括以下因素：不正確的航行決策、操作錯(cuò)誤、缺乏專業(yè)知識或培訓(xùn)、疲勞和分心等。該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的連接表示不當(dāng)行為可能導(dǎo)致船舶觸碰事故發(fā)生的概率。

1.1.2 船舶條件不良

這個(gè)節(jié)點(diǎn)代表了船舶自身的狀態(tài)和條件。船舶條件不良可能包括以下因素：機(jī)械故障、設(shè)備失效、導(dǎo)航系統(tǒng)誤差、船只結(jié)構(gòu)受損等。這些因素會(huì)增加觸碰事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的連接,表示船舶條件不良可能對事故發(fā)生的影響。

1.1.3 環(huán)境條件不良

該節(jié)點(diǎn)代表了海洋或水路的環(huán)境條件。環(huán)境條件不良可能包括以下因素：惡劣天氣、能見度差、海洋潮流和浪涌等。這些因素會(huì)增加船舶觸碰事故的風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.4 管理出現(xiàn)問題

每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的連接表示不同因素之間的概率關(guān)系。模型可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和專家知識來確定這些概率值，從而推斷事故發(fā)生的可能原因。例如，如果糟糕的環(huán)境條件和人員行為不當(dāng)?shù)母怕识己芨撸敲创坝|碰事故發(fā)生的概率也會(huì)增加（如圖2 所示）。

圖2 船舶觸碰事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

1.2.1 收集數(shù)據(jù)

首先，需要收集與船舶觸碰事故相關(guān)的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以包括歷史事故報(bào)告、調(diào)查報(bào)告、船舶設(shè)備維護(hù)記錄、船員培訓(xùn)記錄、環(huán)境數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量對于構(gòu)建準(zhǔn)確的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。

1.2.2 確定變量

根據(jù)所收集的數(shù)據(jù)，確定影響船舶觸碰事故的各個(gè)變量[2]。根據(jù)題目要求，主要的變量包括人員行為不當(dāng)、船舶條件不良、環(huán)境條件不良和管理出現(xiàn)問題。針對每個(gè)變量，進(jìn)一步細(xì)化其子變量以便更加詳細(xì)地建模。

1.2.3 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

使用Netica 軟件，創(chuàng)建新的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目，并根據(jù)確定的變量構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在Netica 中，可以通過圖形界面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)和連接的添加。每個(gè)變量對應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的連接表示變量之間的關(guān)系。

1.2.4 設(shè)定節(jié)點(diǎn)屬性和概率表

為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的屬性和概率表。節(jié)點(diǎn)屬性包括名稱、類型和說明。概率表用于描述每個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件概率分布。概率表可以根據(jù)收集的數(shù)據(jù)、領(lǐng)域?qū)＜抑R或模擬方法來確定。應(yīng)盡量使用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)和專業(yè)知識，確保貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

1.2.5 設(shè)置節(jié)點(diǎn)之間的連接

根據(jù)變量之間的關(guān)系，設(shè)置節(jié)點(diǎn)之間的連接。連接可以是直接連接，也可以是通過其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞。Netica 軟件提供了直觀的圖形界面，可以輕松設(shè)置和調(diào)整節(jié)點(diǎn)之間的連接。

1.2.6 驗(yàn)證和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)

完成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和概率表的設(shè)置后，需要進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。使用已有的數(shù)據(jù)集對貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，并與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以評估網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性。如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型存在問題，可以通過添加更多的數(shù)據(jù)、重新設(shè)定節(jié)點(diǎn)的概率表或修改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

1.2.7 進(jìn)行推理和預(yù)測

在完成網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證和調(diào)整后，可以利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行推理和預(yù)測。通過輸入特定的觀察值或變量值，可以計(jì)算出其他變量的概率分布。這樣可以得到關(guān)于船舶觸碰事故可能原因的推斷和預(yù)測結(jié)果。同時(shí)，還可以通過Netica 軟件提供的圖形界面進(jìn)行結(jié)果可視化，以便更好地理解和解釋網(wǎng)絡(luò)的輸出。

2 船舶觸碰事故致因分析

2.1 觸碰事故致因分析

研究人員為分析船舶觸碰事故原因，在引入貝葉斯公式的基礎(chǔ)上，對各種致因元素出現(xiàn)的概率進(jìn)行求解：

基于該公式，船舶觸碰事故致因的分析過程可分為以下七個(gè)步驟：

2.1.1 確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

2.1.2 收集觀測數(shù)據(jù)

在進(jìn)行推理之前，我們需要收集一些觀測數(shù)據(jù)作為已知條件。觀測數(shù)據(jù)是指在實(shí)際情況中獲得的、與所要推斷的變量相關(guān)的信息[3]。

2.1.3 設(shè)置觀測節(jié)點(diǎn)

在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中，我們需要將收集到的觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。這些節(jié)點(diǎn)稱為觀測節(jié)點(diǎn)，它們的狀態(tài)已知，作為推理的起點(diǎn)。在此過程中，研究人員引入條件概率公式，該公式能夠推導(dǎo)一個(gè)事件在另一個(gè)事件發(fā)生的條件下的概率。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理中，條件概率用于計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的依賴關(guān)系。其公式為：

2.1.4 進(jìn)行前向推理

通過給定的觀測節(jié)點(diǎn)，我們可以使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的前向推理算法來計(jì)算其他未知節(jié)點(diǎn)的概率。前向推理是從觀測節(jié)點(diǎn)開始，逐步向目標(biāo)變量進(jìn)行推理的過程。

首先，我們需要對觀測節(jié)點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的值。這些值可以是具體的數(shù)值，也可以是模糊的狀態(tài)（如高、中、低）。

其次，我們從網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點(diǎn)開始，根據(jù)已知觀測節(jié)點(diǎn)計(jì)算子節(jié)點(diǎn)的條件概率分布。這些條件概率分布描述了節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)之間的依賴關(guān)系[4]。

再次，根據(jù)已知觀測節(jié)點(diǎn)和計(jì)算得到的條件概率分布，我們可以計(jì)算下一層節(jié)點(diǎn)的條件概率分布。這個(gè)過程會(huì)一直持續(xù)下去，直到到達(dá)目標(biāo)變量。

最后，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)變量時(shí)，我們可以通過累積所有路徑上的概率來計(jì)算目標(biāo)變量的邊際概率分布。這個(gè)分布表示了目標(biāo)變量各個(gè)取值的概率。

2.1.5 進(jìn)行后向推理

除了前向推理之外，我們還可以使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的后向推理算法來計(jì)算已知目標(biāo)變量情況下其他變量的概率。后向推理是從目標(biāo)變量開始，逐步向觀測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行推理的過程。

首先，我們需要對目標(biāo)變量設(shè)置相應(yīng)的值，即已知的觀測節(jié)點(diǎn)。

其次，我們從網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)開始，根據(jù)已知目標(biāo)變量計(jì)算父節(jié)點(diǎn)的條件概率分布。

再次，根據(jù)已知目標(biāo)變量和計(jì)算得到的條件概率分布，我們可以計(jì)算上一層節(jié)點(diǎn)的條件概率分布。這個(gè)過程會(huì)一直持續(xù)下去，直到達(dá)到觀測節(jié)點(diǎn)。

最后，當(dāng)?shù)竭_(dá)觀測節(jié)點(diǎn)時(shí)，我們可以通過累積所有路徑上的概率來計(jì)算觀測節(jié)點(diǎn)的邊際概率分布。這個(gè)分布表示了觀測節(jié)點(diǎn)各個(gè)取值的概率。

2.1.6 進(jìn)行參數(shù)學(xué)習(xí)與模型更新

在實(shí)際應(yīng)用中，我們可能需要根據(jù)新的觀測數(shù)據(jù)對貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行參數(shù)學(xué)習(xí)與更新。參數(shù)學(xué)習(xí)是指利用觀測數(shù)據(jù)來估計(jì)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中的條件概率表。通過學(xué)習(xí)到的參數(shù)，可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行推理。其公式為：

2.1.7 進(jìn)行推理結(jié)果評估與解釋

通過觀察概率分布、計(jì)算期望值等方法來評估推理結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，需要將推理結(jié)果與實(shí)際情況進(jìn)行解釋，提供有意義的結(jié)論和建議。

2.2 致因分析

本次研究中使用局部分析作為靈敏度分析手段，并對觸碰事故節(jié)點(diǎn)發(fā)生狀態(tài)進(jìn)行不同輸入?yún)?shù)值的采樣，使用各節(jié)點(diǎn)后驗(yàn)概率值的方差來衡量靈敏度大小。通過分析SF、HF、EF、MF 四大因素，研究人員對船舶觸碰故障致因進(jìn)行總結(jié)：

船舶觸碰事故是航運(yùn)領(lǐng)域中常見的事故類型之一，通常由多個(gè)因素共同作用引起。在進(jìn)行致因分析時(shí)，可以從人員行為不當(dāng)、船舶條件不良、環(huán)境條件不良和管理出現(xiàn)問題四個(gè)方面入手，以深入探究船舶觸碰事故的潛在原因[5]。

2.2.1 人員行為不當(dāng)

人員行為不當(dāng)是船舶觸碰事故中最為常見的致因之一。它涉及船員的技能水平、專業(yè)素養(yǎng)以及對安全操作規(guī)程的遵守情況。以下是可能導(dǎo)致船舶觸碰事故的相關(guān)人員行為不當(dāng)：

（1）疏忽駕駛：船員未能始終保持集中注意力，或存在疲勞駕駛情況，導(dǎo)致未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)或采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

（2）操縱錯(cuò)誤：船員在操作船舶的過程中，可能存在操縱錯(cuò)誤的情況，如誤操作操縱設(shè)備、舵機(jī)操作不當(dāng)?shù)取?/p>

（3）通信失誤：船員之間的溝通存在問題，導(dǎo)致信息傳遞不暢或存在誤解，進(jìn)而影響船舶的操縱和決策。

2.2.2 船舶條件不良

船舶本身的狀態(tài)和條件對于船舶觸碰事故具有重要影響。以下是可能導(dǎo)致船舶觸碰事故的相關(guān)船舶條件不良：

（1）設(shè)備故障：船舶關(guān)鍵設(shè)備（如操縱系統(tǒng)、通訊設(shè)備等）存在故障或運(yùn)行不良，影響到船舶的操縱和監(jiān)控。

（2）船舶維護(hù)不善：船舶的定期維護(hù)保養(yǎng)工作未能得到有效執(zhí)行，導(dǎo)致船舶設(shè)備狀況下降、船體結(jié)構(gòu)損壞等。

3 結(jié)論討論

本文對船舶觸碰事故的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建及事故原因分析進(jìn)行了總結(jié)。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建方面，本文通過確定關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、建立節(jié)點(diǎn)間的依賴關(guān)系，并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和歷史數(shù)據(jù)來設(shè)定節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和概率值。這樣的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型可以有效地表達(dá)各因素之間的關(guān)系，并推斷出各節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率值。通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行事故原因分析，可以識別出導(dǎo)致船舶觸碰事故的主要因素。