摘 要

风险的本质是一种不能确定，但能够预测到的事件状态，反应的是事物的不确定性状态。现行基于通航环境的评价模型中，权重分配主要是以主观定权为主流。随着海事事故样本的不断收集完善，虽还未达到大数据分析的要求，但在局部微观领域已经能够反应事故风险的部分特征。因此，现阶段风险评价逐渐由主观评价模型转变为主观与客观相融合的评价模型。相应的,基于评价指标的定权模型也转化为基于主、客观指标影响的动权模型。

本文首先基于贝叶斯推理方法，通过离散化方式将基于事故特征识别出来的碰撞事故关键因子进行无量纲化处理，形成可供分析的原始基础影响概率矩阵。然后通过对事故的影响概率原始矩阵进行均值化权重、主观权重和客观权重模型处理，得到基于模型优化的中间过程矩阵。构造可供深入分析的基于事故特征的模型。

为了对基于通航环境的风险状态进行评价，将均值、主观及客观权重下对应的概率进行融合，建立了通航环境评价模型。其主要过程为：采用D-S方法对单一指标进行融合并对其置信区间进行均值化处理；针对均值权重、主观权重和客观权重带来的阈值的差异性，基于单一指标融合值的影响进行分析，对基于事故特征的实际动态风险评价进行解释。

论文成果能够有效对船舶通航环境风险等级进行预警，并能通过机器学习等方式不断对新增事故特征进行学习，为降低水域船舶碰撞事故风险提供有效的帮助。

关键词：通航环境；动态权重；评价方法；模型

Abstract

The nature of risk is an uncertain, but predictable event state that reflects the uncertainty of things. In the current evaluation model based on the navigation environment, the distribution of weight is mainly based on subjectively determined power. With the continuous collection and improvement of marine accident samples, although the requirements of big data analysis have not yet been met, some features of accident risk have been able to be reflected in the local microcosmic areas. Therefore, at this stage, risk assessment gradually shifts from a subjective evaluation model to a subjective and objective evaluation model. Correspondingly, a weighting model based on evaluation indicators also translates into a dynamics model based on the influence of main and objective indicators.

Firstly, based on the Bayesian reasoning method, this paper discretizes the key factors of collision accidents identified based on accident features in a dimensionless manner to form the original basic influence probability matrix that can be analyzed. Then through the original matrix of impact probability of the accident, the mean weight, subjective weight and objective weight model are processed to obtain an intermediate process matrix based on model optimization. Construct an accident-feature-based model for in-depth analysis.

In order to evaluate the risk status based on the navigable environment, the corresponding probabilities under the mean, subjective, and objective weights were combined to establish a navigation environment assessment model. The main process is: use DS method to fuse single-indicator and average the confidence interval; analyze the influence of single-indicator fusion value based on the difference of average value weight, subjective weight and objective weight. Explain the actual dynamic risk assessment based on accident characteristics.

The results of the dissertation can effectively provide early warning to the risk level of the navigable environment of the ship, and can continuously learn the features of new accidents through machine learning, etc., and provide effective help for reducing the collision risk of ships in water areas.

Keywords: navigational environment; dynamic weight; evaluation method; model

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外研究综述 1

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究技术路线及可能的创新点 3

1.3.1 研究技术路线 3

1.3.2 创新点 4

1.3.3 论文组织结构 4

第2章 基于通航环境的动态权重模型 6

2.1 基于通航环境的风险评价 6

2.2 指标权重模型 7

2.2.1 基于贝叶斯推理方法的基础数据挖掘与处理 7

2.2.2 数据无量纲化处理 8

2.2.3 主观权重与客观权重模型构建 9

2.2.4 基于主观和客观权重模型的数据融合 14

2.3动态权重模型构建 15

2.3.1 基本假设 15

2.3.2 动态权重模型构建 16

2.4 本章小结 16

第3章 风险指标的量化与计算 18

3.1 研究水域分析 18

3.2 研究水域事故选取 18

3.3 通航环境影响因子的选取 19

3.3.1 通航环境影响因子选取原则 20

3.3.2 影响因子的选取 20

3.4基于贝叶斯条件概率的事故数据挖掘 21

3.4.1 影响因子等级划分 21

3.4.2 基于贝叶斯条件概率的事故数据 21

3.4.3 数据拟合及分析 22

3.4.4 均值权重影响概率 26

3.4.5 基于主观权重模型的影响概率 27

3.4.6 基于客观权重模型的影响概率 27

3.5 本章小结 28

第4章 基于通航环境的评价应用 29

4.1 数据融合 29

4.1.1 融合实例 29

4.1.2 融合结果 30

4.2 基于事故特征的阈值分析 30

4.3 基于单因素融合值的动态风险评价 32

4.3.1 均值权重概率下单因素融合值的风险评价 32

4.3.2 主观权重概率下单因素融合值的风险评价 33

4.3.3 客观权重概率下单因素融合值的风险评价 34

4.3.4 三者权重概率下单因素融合值的风险评价 35

4.4 本章小结 36

第5章 结论及展望 37

5.1 研究结论 37

5.2 展望 37

参考文献 38

致谢 40

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

经济全球化的背景之下，水路运输是国际贸易及人员运输最主要的运输方式，提升通航环境评价标准，保障水路交通安全、提高船舶运输安全与效率是船舶交通领域的核心问题。目前，国内外对于水域通航环境的风险评价方法大多数基于航道中的某段尺度水域，并没有将航道变化以及其他外部因素考虑在内，是一种纯粹的静态风险评价，并且评价方法中的通航环境影响因子的权重往往是根据有关专家的主观经验进行确定，这就使得评价结果受人为的影响较大，不能准确地反映出某类事故发生时的客观情况，造成风险评价过程中的差异性与不确定性较大。随着海事部门管理能力的不断提高以及“大数据”时代的兴起，能够将事故统计资料进行不断收集与完善，当前通航环境风险评价有能力实现从专家主观评价阶段进入到依靠实际统计资料的客观评价阶段。但由于可采集的事故样本资料数量并未达到可完全进行客观评价，因此，实际评价过程应将专家主观经验与事故环境统计资料客观数据的融合，基于客观条件下的动态风险评价方法将会逐步取代传统的基于主观的动态评价方法，使风险评价得到进一步的完善与成熟。

1.1.2 研究意义

本文针对目前通航环境评价中所产生的问题，充分运用碰撞事故统计资料，通过对宁波-舟山港区附近水域通航环境的变化及碰撞事故样本进行研究，建立了一个通航环境动态权重模型，该模型基于研究样本实际数据、客观事故样本与专家主观经验融合，实现由纯主观经验向主、客观融合的转变，并对该附近水域风险阈值进行计算，形成基于实际、主观、客观融合的水域通航环境动态风险评价方法。本研究对通航环境风险评价理论及应用方法进行了知识更新和升级，丰富了通航环境风险评价的内容和内涵，进一步提升海事管理部门的风险评价能力，为通航安全管理部门提供通航环境风险认知的理论依据，提高海上安全，确保船舶能够安全航行。

1.2 国内外研究综述

现阶段，水域通航环境风险评价正处于由主观专家经验向基于客观事故样本统计数据的转变过程，但由于可采集的事故样本资料数量并未达到可完全进行客观评价，因此，现阶段只能将主、客观数据进行融合，并不能达到纯客观。为了能够使海事主观部门对其所管辖的范围水域船舶的通航环境风险进行客观的、全面的评价，减少过多人为因素对安全评估的影响，需要对船舶通航水域风险评价进行不断改进与完善，使通航环境风险由静态的、主观的评价模式转变为动态的、客观的评价模式。

1.2.1 国外研究现状

在通航环境评价方面，在很早之前国外一些学者就开展了海上交通安全相关的课题，其中日本和欧洲的研究相对比较成熟，取得了显著的成果具有代表性^[1]。

小林弘明从船舶操纵难度出发，将操船难度作为航行环境安全性评价标准，并将其划分为5个等级，以此定量评价通航水域能见度、风、流、航道水深、航道弯曲状况、船舶种类以及船型尺度对船舶操纵特性的影响，进而评价航行环境的安全状况^[2]。新井康夫在研究自然环境对航行安全的影响中，给出了影响船舶操纵能力的自然因素指标的量化方法以及量化值，验证主观船舶操纵感觉与评价指标之间的联系，为客观评价船舶航行安全，采取必要的安全决策提供了理论依据^[3]。井上欣三通过对驾驶环境产生的压力值和航行环境产生的压力值进行了定量计算，得出了基于环境压力模型的通航安全评价方法^[4]。该学者在另一项研究中还对通航过程中的遇船概率进行了模拟，定量分析了遇船概率对驾驶者主观操作能力的影响，提出了基于遇船概率的通航安全评价方法^[4]。英国学者Vldimierm Trbojevic，通过对船舶交通安全的深入研究，分析事故发生的原因以及各要素对船舶交通安全的影响，建立了基于评价指标危险度的港口安全管理系统，为改进交通管理模式提供了依据^[5]。

1.2.2 国内研究现状

我国在海上交通安全领域开展的研究要晚于日本和欧洲一些国家。近些年我国许多专家学者在对通航风险评的评价研究中做了大量细致的工作，并且建立了很多种适用于海上交通风险评价的模型^[1]。

李振福等人运用灰色模糊综合评价方法对北极航线通航环境进行了初步评价。因为没有确切数据，指标值采用专家调查法来确定，最终得到北极航线通航环境为不安全可通航^[6]。王飞龙等在系统识别锚地通航环境方面存在风险的基础上，对各风险因素进行了定量评价，主要考虑了影响锚泊安全的环境因素，从锚地条件、自然条件、交通条件三个方面对锚地环境进行评价^[7]。丁钦构建了东北航道通航环境评价指标体系，选用云模型评价法对东北航道的通航环境进行了评价分析^[8]。黄晶晶运在分析航道通航环境影响因子的基础上，根据集队分析的基本原理，建立了航道通航环境的集队分析模型，并结合实例对模型进行了应用验证，得到的结果符合实际情况，能对通航环境给出较为客观的评价^[9]。吴卫兵利用模糊综合评价的方法对蛇移门航道通航环境进行评价，建立了一个完整的蛇移门航道通航环境安全评价层次结构和新的评价指标体系^[1]。庄元在模糊综合评价的基础上结合船舶过桥状态的计算机模型，建立了桥梁通航安全评价体系，为桥壤的选址优化提供了重要参考依据^[10]。刘越琪等用层次分析和模糊综合评价法相结合对危险品运输安全进行评价研究^[11]。张清运用灰色系统理论进行锚地水域安全风险研究，采用了改进的层次分析法将安全评价指标量化，得到锚地水域通航风险评价体系^[12]。段爱媛等把综合安全评估法（FSA）的流程应用于港口水域船舶通航安全评价，得到港口水域的通航安全评价体系^[13]。

综上所述，目前我国水上安全评价方法主要包括安全指数法、危险指数法、模糊数学、灰色系统理论、综合安全评估法、集队分析法等评价手段，其中模糊数学评价法使用较为广泛。虽然在通航安全评价领域我国起步较晚，但近年来大量学者投入到该领域进行研究，取得了显著的成就。

1.3 研究技术路线及可能的创新点

1.3.1 研究技术路线

本文通过查阅相关文献以及对水域事故进行分析，提取出碰撞事故发生时的关键影响因子，运用相关方法分别计算出碰撞事故的实际权重、主观权重及客观权重并将其进行融合建立出通航环境评价模型，采用动态权重分配的方法计算宁波-舟山水域通航风险阈值，得到该水域通航环境影响下事故发生的临界值（或区间），将动态评价模型在实践中不断应用与深化，最终达到能够对潜在风险进行有效预测与识别的目的。其研究技术路线如图1.1。

图1.3-1 研究技术路线

1.3.2 创新点

本文主要创新点如下：

1. 构建基于事故影响因子的主观和客观权重调整模型。
2. 构建基于D-S证据理论的事故通航环境影响因子融合模型。
3. 基于单因子置信区间和事故阈值的动态风险分析方法。

1.3.3 论文组织结构

本文共有5个章节，主要工作安排如下：

第1章绪论：介绍本文研究背景及意义，国内外研究现状、技术路线以及可能的创新点；

第2章基于通航环境的动态权重模型：介绍贝叶斯推理理论、数据无量纲化处理、权重调整、数据融合等相关方法并构建出动态权重模型；

第3章风险指标的量化与计算：通过对研究水域的分析，选定宁波-舟山附近水域的碰撞事故为研究对象，按照相关原则选定风、流、浪、能见度、交通密度、相对速度作为本文研究中用到的影响因子，基于贝叶斯条件概率计算出均值、主观、客观权重影响下的概率；

第4章基于通航环境的评价应用：采用改进的D-S方法对单一指标进行融合并对其置信区间进行均值化处理；针对均值权重、主观权重和客观权重带来的阈值的差异性，基于单一指标融合值的影响进行分析，对基于事故特征的实际动态风险评价进行解释。

第5章结论与展望：主要对本次的研究成果进行了总结并对本次工研究中存在的问题进行了分析，希望能够对海事管理部门有所帮助。

第2章 基于通航环境的动态权重模型

2.1 基于通航环境的风险评价

水上交通运输是由人员、船舶、货物、环境和管理等因素组成的一个系统，

该系统中的因素由若干子系统组成，各子系统又分为若干子因素，子因素处于一个随船舶航行不断变化的动态过程之中。当这五种因素中的一种或几种子因素存在不安全状态时，由于一种因素的单独作用或几种因素的相互作用，就会诱发事故隐患，进而引发海事事故。单独或几种因素的异常变化即失谐因素，直接导致海事事故风险突变。各失谐因素的具体内容如下：

（1）人员因素

在事故发生过程中，人员因素是事故发生的最直接因素，其中船员是最主要的人员因素。船员的驾驶技能、身体状况、驾引经验、知识水平、以及思想意识等都直接影响船员的行为，对事故的发生起决定性作用。其他的人员如引航员、管理人员等，也会在履行各自职责时出现差错，在某些事故中成为事故发生的因素。

（2）船舶因素

船舶因素有时会成为事故的主要因素，特别是在船舶沉没事故以及在船舶失控的情况下发生的事故。船舶因素有时受环境因素的压迫，在某些环境因素下会出现操纵性能问题而被动触发（如航道、气象水文条件），有时也会随船龄等自身因素的变化而出现主动异常情况。船舶因素包括船舶航行操纵设备、船舶材料及质量、导助航设备、船舶的稳性、吃水、惯性等。

（3）货物因素