基于數(shù)據(jù)挖掘的船舶引航事故致因分析

陳浩 廣州港引航站

陳炎 上海海事大學(xué)

1.引言

隨著船舶大型化、專業(yè)化、高速化的發(fā)展，港口船舶引航的風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越大，船舶引航對(duì)于保證船舶安全航行、提高港口作業(yè)效率和保護(hù)水域環(huán)境具有重要意義，因此需要進(jìn)行加強(qiáng)船舶引航安全管理，進(jìn)行船舶引航事故致因的研究。

船舶引航是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，引航風(fēng)險(xiǎn)影響因素繁多且呈現(xiàn)出復(fù)雜的相互關(guān)聯(lián)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)船舶引航風(fēng)險(xiǎn)的成因進(jìn)行研究。方泉根等采用FSA對(duì)出船舶引航風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了全面的分析和評(píng)估，就如何確保船舶在受限水域安全引航操作進(jìn)行了新的探索；郭云龍等在利用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行船舶引航動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)引航任務(wù)進(jìn)行分級(jí)管理；周麗麗等通過構(gòu)建船舶引航風(fēng)險(xiǎn)成因的灰色關(guān)聯(lián)分析模型，求得引航風(fēng)險(xiǎn)成因的最優(yōu)關(guān)聯(lián)系數(shù)，進(jìn)行船舶引航風(fēng)險(xiǎn)成因的關(guān)聯(lián)度排序。關(guān)于船舶交通事故成因的數(shù)據(jù)挖掘方面的研究，張曉輝利用數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)水上交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行全因素挖掘?qū)嶒?yàn)。劉正江等利用數(shù)據(jù)挖掘?qū)θ藶槭д`與其影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行挖掘，初步確定船舶避碰過程中人為失誤與引發(fā)因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

然而，上述研究較少涉及船舶引航事故致因的研究，尤其是船舶引航事故形成過程的事故鏈的研究。本文采用Apriori算法對(duì)船舶引航事故的致因進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘，結(jié)合定性貝葉斯網(wǎng)絡(luò)事故致因分析推導(dǎo)最可能的船舶致因事故鏈。

2.基于Apriori算法的船舶引航事故致因分析模型

2.1 關(guān)聯(lián)規(guī)則及Apriori算法

關(guān)聯(lián)規(guī)則是數(shù)據(jù)挖掘中非常重要的分支，當(dāng)前有很多關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的算法，其中R.Agrawal等人提出的Apriori算法是最為著名的，以下是關(guān)于Apriori算法的一些概念。

1）項(xiàng)集或候選集。Item={Item，Item，...，Item}稱為k項(xiàng)集或k項(xiàng)候選集。假設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)DB包含m項(xiàng)屬性（A，B，...，M），1項(xiàng)集1_Item=（{A}，{B}，...，{M}），2項(xiàng)集2_Item=（{A，B}，{A，C}，...，{A，M}，{B，C}，...，{L，M}），共有[m×（m-1）/2]個(gè)項(xiàng)集；3項(xiàng)集3_ Item=（{A，B，C}，{A，B，D}，...，{B，C，M}，...，{K，L，M}）；以此類推，m_ Item={A，B，...，M}，有一個(gè)項(xiàng)集。

3）強(qiáng)項(xiàng)集或頻繁項(xiàng)集。如果k項(xiàng)候選集的支持度大于或者等于設(shè)定的最小支持度，則稱該項(xiàng)候選集為k項(xiàng)強(qiáng)項(xiàng)集或者k項(xiàng)頻繁項(xiàng)集。

根據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則所涉及的維數(shù)可以將其劃分為單維關(guān)聯(lián)規(guī)則和多維關(guān)聯(lián)規(guī)則。當(dāng)關(guān)聯(lián)規(guī)則中屬性只有一維，就稱其為單維關(guān)聯(lián)規(guī)則或者一維關(guān)聯(lián)規(guī)則，否則稱為多維關(guān)聯(lián)規(guī)則。由于船舶引航事故通常由多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素綜合影響所致，因此應(yīng)進(jìn)行多維關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘。

2.2 船舶引航事故影響因素

根據(jù)“人-機(jī)-環(huán)-管”（MMEM）系統(tǒng)安全理論，船舶引航事故主要由人員（引航員、船員、其他船舶人員和拖輪人員等）因素、船舶因素、環(huán)境因素和管理因素組成。本文通過對(duì)某港近3年的104起船舶引航事故分析，結(jié)合MMEM理論和專家建議，將引航事故分為碰撞事故、觸損事故、擱淺事故、失控事故和其他5類，將事故致因分為安全監(jiān)管不足、引航員狀態(tài)不佳、物理環(huán)境不良、技術(shù)環(huán)境不良、其他人員因素、船舶因素、人員疏忽、技術(shù)技能不足和違章操作9類因素，為了便于因素識(shí)別，對(duì)各類事故和致因進(jìn)行編碼如下：碰撞事故（Y1）、觸損事故（Y2）、擱淺事故（Y3）、失控事故（Y4）、其他（Y5）、安全監(jiān)管不足（X1）、引航員狀態(tài)不佳（X2）、物理環(huán)境不良（X3）、技術(shù)環(huán)境不良（X4）、其他人員因素（X5）、船舶因素（X6）、人員疏忽（X7）、知識(shí)技能不足（X8）、違章操作（X9）。

根據(jù)引航事故致因的分類對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行整理，將各個(gè)因素按照屬性及相近原則進(jìn)行分類，其中安全監(jiān)管不足包括監(jiān)督不充分、引航計(jì)劃不適當(dāng)、沒有及時(shí)糾正問題、監(jiān)督違章等因素；引航員狀態(tài)不佳包括生理和心理狀態(tài)不良；物理環(huán)境不良包括能見度不良、風(fēng)、流、大浪、潮汐和不可抗力等因素；技術(shù)環(huán)境不良包括航道彎度、礙航物、助航設(shè)施、通航密度、可航水域水深和寬度等因素；其他人員因素包括本船船員失誤、他船船員失誤、拖輪船員失誤和通信合作過失等；船舶因素包括設(shè)備缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷、貨物問題和船舶限制等；人員疏忽包括瞭望疏忽、航行戒備疏忽和情景意識(shí)缺失等；知識(shí)技能不足包括應(yīng)急處置過失和操縱行為失誤等；違章操作包括引航員違章、他船船員違章和拖輪操作違章等。

3.船舶引航事故過程分析

3.1 船舶引航事故形成過程

通過船舶引航過程和事故案例的分析，分析船舶引航事故形成的過程，為獲取最大可能事故致因鏈建立事故形成過程網(wǎng)絡(luò)圖，首先建立的引航事故形成流程圖如圖1所示。

圖1 船舶引航事故形成流程圖

不同船舶引航事故是由不同的因素的相互作用造成的，各因素間呈現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，本文采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)表示船舶因素事故各因素的作用關(guān)系。

3.2 船舶引航事故網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)有向無(wú)環(huán)圖，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由代表變量節(jié)點(diǎn)及連接這些節(jié)點(diǎn)有向邊構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)代表隨機(jī)變量，節(jié)點(diǎn)間的有向邊代表了節(jié)點(diǎn)間的互相關(guān)系（由父節(jié)點(diǎn)指向其子節(jié)點(diǎn)），變量間的關(guān)系由條件概率表示。應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可直觀描述船舶引航事故形成過程。結(jié)合引航事故數(shù)據(jù)庫(kù)分析引航事故形成過程，構(gòu)建每一起事故貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，將104起事故樣本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擬合成一個(gè)綜合引航事故致因網(wǎng)絡(luò)，如圖 2 所示。

圖2 船舶引航事故致因網(wǎng)絡(luò)圖

4.船舶引航事故致因鏈分析

事故致因鏈?zhǔn)菍?dǎo)致某類事故的最可能的路徑，可以反映事故的形成規(guī)律。運(yùn)用Apriori算法對(duì)事故數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行挖掘可以得到多維的各個(gè)因素的強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到的強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系可能呈現(xiàn)分散的狀態(tài)，結(jié)合上文的事故致因網(wǎng)絡(luò)圖綜合分析可以得到引航事故的致因鏈。

4.1 構(gòu)建事故數(shù)據(jù)庫(kù)

對(duì)某港近3年的104起船舶引航事故數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行整理，將其中各因素用表1、表2中國(guó)的代碼進(jìn)行表示，沒有包含的因素則相應(yīng)位置空缺，構(gòu)建得到Apriori算法挖掘的數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.2 事故數(shù)據(jù)挖掘

采用Apr ior i算法對(duì)上文建立的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行挖掘，可以使用R、Python、Java、Matlab、SAS等進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在市面上有很多專業(yè)的數(shù)據(jù)挖掘軟件，本文選用使用較為普遍的Weka軟件進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則的挖掘。在軟件中選取Apriori算法，最小支持度和最小置信度的設(shè)置采用迭代法，通過迭代最終確定支持度的閾值為0.4，可信度的閾值為0.5。運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。

圖3 挖掘的頻繁項(xiàng)集

軟件挖掘結(jié)果顯示，引航碰撞事故Y1與X1（安全監(jiān)管不足）、X3（物理環(huán)境不良）、X7（人員疏忽）、X8（知識(shí)技能不足）在設(shè)置閾值下呈現(xiàn)出強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，結(jié)合引航事故致因網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行分析可以得到引航碰撞事故最可能的致因鏈如圖4所示，為完善事故數(shù)據(jù)鏈添加“碰撞危險(xiǎn)”節(jié)點(diǎn)。根據(jù)該事故致因鏈可知預(yù)防引航碰撞事故發(fā)生的關(guān)鍵是避免出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)，而一旦出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)避碰的操縱行為和引航員的應(yīng)急處理就顯得尤為重要，要加強(qiáng)引航員應(yīng)急能力和臨危心理素質(zhì)的培養(yǎng)。

圖4 引航碰撞事故致因鏈

4.3 致因分析

通過建立基于全部因素的關(guān)聯(lián)分析，探究在引航事故中的致因因素，以及致因因素間的關(guān)聯(lián)性。可以識(shí)別出在引航事故的發(fā)生中致因因素眾多，主要包括環(huán)境因素、船員因素、瞭望失誤、避讓行為失誤、應(yīng)急處理失誤、船舶設(shè)備操作失誤以及違規(guī)等相關(guān)因素。綜合事故致因的分析圖，可以發(fā)現(xiàn)引航事故發(fā)生時(shí)，涉及到很多的致因因素，而且因素之間存在著許多的關(guān)聯(lián)性。主要的致因因素包括環(huán)境因素，以及引航員在操作時(shí)的應(yīng)急操作失誤和船舶設(shè)備操作失誤。環(huán)境因素主要是風(fēng)和流的變化因素以及航道船舶密度因素，風(fēng)流以及航道環(huán)境因素的突變?nèi)菀准哟笠绞鹿实娘L(fēng)險(xiǎn)值，因此加強(qiáng)對(duì)引航過程中的環(huán)境因素，尤其是風(fēng)與流，以及航道密度的觀測(cè)，有助于引航過程中安全水平的提升。同時(shí)不安全行為中還有引航員感知行為失誤的行為，對(duì)船舶位置以及船速等的錯(cuò)誤操作，導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此有必要加強(qiáng)對(duì)引航員的知識(shí)安全培訓(xùn)和對(duì)引航機(jī)構(gòu)安全文化建設(shè)，以避免失誤行為的出現(xiàn)。接下來(lái)結(jié)合多因素間的關(guān)聯(lián)性，分析得出引航事故的發(fā)生是由于船舶之間通信與合作出現(xiàn)失誤，以及在瞭望的過程中存在疏忽，引航員在操作船舶避讓時(shí)避讓行為也出現(xiàn)失誤，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。其中包括環(huán)境層（風(fēng)、流以及船舶密度）、引航員應(yīng)急操作失誤、瞭望疏忽、危險(xiǎn)處理失誤等因素。在前文的相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)，引航員的不安全行為和引航的組織影響建設(shè)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此要加強(qiáng)對(duì)引航站組織氛圍的安全文化建設(shè)，減少引航員不安全行為的出現(xiàn)，同時(shí)加強(qiáng)在引航過程中對(duì)環(huán)境因素的識(shí)別與關(guān)注，特別是針對(duì)風(fēng)與流以及航道交通密度的檢測(cè)，發(fā)揮VTS 系統(tǒng)的作用。多因素中較為關(guān)鍵的是引航過程中的瞭望，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)引航過程中的問題，并針對(duì)突發(fā)問題采取正確合適的措施，避免違規(guī)現(xiàn)象的出現(xiàn)，最終降低事故發(fā)生的概率，提升引航的安全水平。

1) 針對(duì)被引航的船舶的相關(guān)措施建議。

引航船舶是引航過程中的重要部分。在構(gòu)造的引航事故致因分析路徑中，可以識(shí) 別到引航船舶與他船的通信合作過失以及瞭望過程中的過失是較為關(guān)鍵的致因因素。因此引航船舶應(yīng)做好船員的安全培訓(xùn)，構(gòu)建安全的組織氛圍，并在引航前檢查船上設(shè)備的完好性，并在引航過程中，提高警惕，注意瞭望，時(shí)刻注意與他船之間的通信與合作，從而保證引航過程中的安全。

2）針對(duì)引航員的相關(guān)措施建議。

引航員的不安全行為是導(dǎo)致引航中事故發(fā)生的最直接原因，通過對(duì)引航事故的研究分析，發(fā)現(xiàn)引航員的通信合作以及在應(yīng)急處理過程中存在的過失較為重要，因此針對(duì)引航人員，首先要從自身出發(fā)，在平時(shí)提高自己的安全意識(shí)，主動(dòng)學(xué)習(xí)引航過程中的相關(guān)規(guī)定條例，提升自身的安全素養(yǎng)。同時(shí)在引航的過程中，要注重與他船之間的通信合作，加強(qiáng)瞭望，觀察航道的實(shí)時(shí)狀況，遇到緊急問題采取適宜的舉措，化險(xiǎn)為夷，將引航過程中的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

3）針對(duì)引航站的相關(guān)措施建議。

在本文的研究中發(fā)現(xiàn)，組織氛圍的建設(shè)和不安全行為是有密切的相關(guān)性。引航站應(yīng)加強(qiáng)組織氛圍建設(shè)，加強(qiáng)對(duì)引航員的安全文化教育，提升引航人員的安全意識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，從而減少引航人員感知型失誤行為的出現(xiàn)。同時(shí)引航站應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)建設(shè)，加強(qiáng)對(duì)航道內(nèi)的風(fēng)、流以及航道交通密度的檢測(cè)，實(shí)時(shí)防范環(huán)境中存在的風(fēng)險(xiǎn)，降低環(huán)境因素對(duì)引航安全的影響，從而提升引航的安全水平。

5.結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和Apriori算法數(shù)據(jù)挖掘法綜合確定船舶引航事故形成過程的事故致因鏈，綜合利用兩種方法的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，是引航事故致因研究的一種新的思路，研究結(jié)果有助于船舶引航的科學(xué)監(jiān)管。但是，由于事故數(shù)據(jù)庫(kù)中觸損、擱淺和失控等事故類型的案例較少，因此未能挖掘這些事故類型的致因鏈，通過構(gòu)建更加豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)、選取合適的閾值參數(shù)等可以得到更加科學(xué)全面的分析結(jié)果。