摘 要

长江是我国最重要的一条水上经济带，江苏段水域处于这条经济带的“咽喉”，其重要性不言而喻。随着我国航运的发展，船舶数量和种类增多、密度增大，航行态势也越来越复杂，这也就导致了船舶碰撞发生的机率也在增加，如何保证船舶安全航行，降低船舶碰撞的发生率也就成为急需解决问题。因此，有必要对船舶碰撞事故的原因进行分析，并对其进行更进一步的探讨，发现其内在规律，从而可以为相关部门、相关企业提供一定的决策依据，以达到降低船舶碰撞率的目的。

本文通过大量的文献参考，从人-船-环境三个方面考虑，分析船舶碰撞因素，并将贝叶斯网络运用于船舶碰撞事故分析，根据前人的研究和专家指导，确定贝叶斯网络节点和结构，结合江苏段船舶碰撞事故数据，确定节点概率，最终构建江苏段的船舶碰撞模型。通过江苏段的一起船舶碰撞事故验证了模型的有效性，并运用GeNIe软件模拟船舶碰撞，找到了江苏段船舶碰撞事故的最高概率致因链：船员疲劳-瞭望不当-信息了解不全面-操纵不当-碰撞。

关键词：江苏段; 船舶碰撞; 贝叶斯网络; 事故分析

Abstract

The Yangtze River is China's most important water economic belt. The waters of the Jiangsu section are in the “throat” of this economic belt, and its importance is self-evident. With the development of China's shipping industry, the number and types of ships have increased, the density has increased, and the navigation situation has become more and more complicated. This has led to an increase in the probability of ship collisions. How to ensure the safe navigation of ships and reduce the occurrence of ship collisions. It has become an urgent problem to be solved. Therefore, it is necessary to analyze the causes of ship collision accidents, and further explore them, and find out its inherent laws, so that it can provide certain decision-making basis for relevant departments and related enterprises, so as to achieve the purpose of reducing the collision rate of ships.

Through a large number of literature references, this paper analyzes the ship collision factors from the three aspects of human-ship-environment, and applies the Bayesian network to the analysis of ship collision accidents. Based on previous research and expert guidance, the node and structure of the Bayesian network is determined. Combined with the data of ship collision accidents in Jiangsu section, the node probability is determined, and the ship collision model of Jiangsu section is finally constructed. The validity of the model was verified by a ship collision accident in the Jiangsu section, and the GeNIe software was used to simulate the ship collision, and the highest probability causal chain of the ship collision accident in the region was found, its Crew fatigue-Improper outlook-Incomplete information-Improper manipulation- Collision.

Keywords: Jiangsu section; ship collision; Bayesian networks; accident analysis

目录

摘要 3

Abstract 4

第1章 绪论 7

1.1研究背景 7

1.2研究的目的及意义 7

1.2.1研究目的 7

1.2.2研究意义 8

1.3国内外研究现状 8

1.4本章小结 10

第2章 相关理论 11

2.1船舶碰撞理论 11

2.1.1船舶碰撞概念概述 11

2.1.2船舶碰撞过程 11

2.2贝叶斯网络理论概述 12

2.3本章小结 13

第3章 船舶碰撞事故致因因素分析 14

3.1人为因素 14

3.1.1船员素质 14

3.1.2疲劳驾驶 14

3.2船舶因素 14

3.2.1船龄 15

3.2.2船舶尺寸 15

3.2.3船舶航海资料 15

3.2.4船舶类型 16

3.2.5货物积载不当 16

3.3环境因素 16

3.4本章小结 17

第4章 基于贝叶斯网络的船舶碰撞模型 18

4.1贝叶斯网络模型节点的确定 18

4.2贝叶斯网络模型节点值域的确定 19

4.3贝叶斯模型结构的确定 19

4.4贝叶斯模型的条件概率确定 20

4.5本章小结 21

第5章 贝叶斯网络模型验证 22

5.1船舶碰撞模型的软件实现 22

5.2船舶碰撞模型验证 23

5.3船舶碰撞最高概率致因链的确定 26

第6章 结论与展望 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1研究背景

海洋是连接各国经济贸易文化的天然纽带，90%以上的国际贸易都是通过水上运输，是全球贸易中十分重要的一环。虽说近年来航运市场不景气，但是在全球贸易中，水上运输仍然占据着主导地位。2013年，习总书记提出构建“21世纪海上丝绸之路”，其中一个方面就是因为我国的油气资源和矿产资源都比较依赖国外，而这些资源的输入主要是通过水上运输输送到国内，“海上丝绸之路”的开辟，将会大大增加我国的战略安全。

在“21世纪海上丝绸之路”的战略下，我国的航运业不断发展，造船技术的进步使船舶数量不断增多，船型不断增大，船速也不断提高，导致水域内的航行态势更加复杂，在长江水域更为明显，尤其是在江苏段。作为海洋和内河的连接点，在该段水域内，船舶数量多，密度大，航行态势复杂，12.5米深水航道的开通，使进出长江口水域的船舶船型更大。如此复杂的航行环境，增加了事故发生的可能性，据统计，在2017和2018两年，仅发生在江苏段的船舶碰撞事故就高达182起, 根据我国交通部在2015年颁布的《水上交通事故统计办法》的规定，根据事故船舶溢油吨数、死亡人数和造成的直接经济损失这三个方面对事故分级，如表1。在这182起事故中，小事故有155起，一般事故有22起，较大事故有5起，共造成12艘船舶沉没，直接经济损失就高达1亿多元，13人死亡，5人受伤，22人失踪，造成的其他损失更是巨大。

表1 事故等级分类表

1.2研究的目的及意义

1.2.1研究目的

长江是我国的黄金水道，是我国一条重要的经济带，江苏段作为整个长江最繁忙的区域，保证船舶在这个区域的航行安全就显得尤为重要。但是近年来，该区域大小事故频发，严重影响了人们日常的生产生活，而碰撞事故作为水上交通事故船舶事故中最常见的一种，也是危害较为严重的事故，对海上航行安全造成严重的威胁，一旦发生通常会导致人命、货物以及船舶的巨大伤害和损失，此外还会对航行环境造成非常严重的污染，因此，探究该区域的船舶碰撞事故就显得尤为重要。

近年来，随着人们对碰撞事故的研究的增多，各种各样的船舶碰撞模型应运而生。本文将通过对人-船-环境三个方面的分析，利用贝叶斯网络，构建导致船舶发生碰撞的贝叶斯模型，分析导致长江江苏段船舶碰撞事故原因，并探究导致船舶碰撞事故发生的最高概率致因链。船舶发生碰撞是一个复杂的过程，不单单是由某个因素导致的事故发生，它具有多面性，并且这些因素还存在一定的关联，某个因素的失误引起下个因素的发生，长此以往，最终导致碰撞事故的发生。贝叶斯网络在数据挖掘和推理方面有很强的能力，将其运用到碰撞事故的分析，是科学的，可行的。

1.2.2研究意义

本文通过对近两年来江苏段船舶碰撞事故的研究，分析造成船舶碰撞的因素，结合贝叶斯网络构建江苏段的船舶碰撞模型，并且能够根据本文所建立的模型进行事故的分析与推测，其意义主要在于：

1)本文通过对长江江苏段船舶碰撞事故的研究，分析该段水域船舶碰撞的原因，发现其中的关键节点，有助于海事机构采取针对性的措施，保障船舶安全，降低船舶碰撞事故数，同时也可以防止船舶碰撞造成的财产损失和环境污染。

2)本文所建立的基于贝叶斯网络的船舶碰撞事故模型同样可以用来对某一起碰撞事故进行分析，找出事故发生的致因链，帮助海事人员更好的分析，再现事故的形成机理。

1.3国内外研究现状

贝叶斯网络是一种具有推理能力的网络，在解决不确定性和不完整问题方面具有突出的能力。正是因它的这个优点，越来越多的人把它用于事故风险分析。

在船舶碰撞事故方面，现在主要分为两类，第一类是从人为因素方面入手，现在大量的研究资料表明，海上事故的发生基本上都与人为因素有关。陈亚东^[1]利用Swain＆Guttmann模型信息处理过程简化为感知、认知、反应和行动3个阶段，分析在驾驶船舶的过程中可能会有哪些人为因素导致碰撞事故发生，再利用贝叶斯网络构建模型，最终得到值班不当，疲劳驾驶，雷达、ARPA设备使用不当这三个影响最大的因素。尚云龙^[2]选取80起船舶碰撞事故样本，将贝叶斯网络和船舶碰撞事故致因分析相结合,从事故发生的人为因素出发，通过建立船舶碰撞事故贝叶斯网络模型,找出导致碰撞事故发生的最可能致因链：值班不当-瞭望不当-使用资料不充分进行判断-碰撞危险判断失误-未及时采取行动-两船碰撞。Maria^[3]研究贝叶斯网络模型中人为因素对船舶碰撞概率的影响，其中影响最大的变量时驾驶员在遭遇情况下改变航向，其次是驾驶员的动作、情况评估、危险探测、个人状况和丧失行为能力等变量检验网络的有效性。高霞^[4]通过案例挖掘，找出船舶碰撞事故中的人为因素，并根据事故样本确定各个人为因素的因果关系链，并根据搜集的数据进与贝叶斯网络相结合进行定量分析，构建船舶碰撞的贝叶斯模型。

第二类分析的因素更为全面，从人-船-环境三方面分析。张艳艳^[5]通过对船舶碰撞事故特性和态势进行分析，从人-船-环境利用贝叶斯网络构建船舶碰撞事故态势模型，最后以福建水域的船舶碰撞事故样本为例，对模型进行了验证。张磊^[6]通过搜集和整理大量的船舶碰撞的数据，确定网络节点，根据事故致因理论构建贝叶斯网络模型，通过GeNIe软件，找到导致船舶碰撞的最高概率致因。孙俊君^[7]通过对事故案例的分析，从事故发生的人-船-环境三个方面寻找原因，利用贝叶斯网络建立模型，设定目标节点的概率推出对目标节点影响最大的证据节点的因素，发现对港口船舶安全影响最大的因素是人为因素。高荣欣^[9]从人-船-环境三方面入手，采用定性和定量相结合的方法分析可能影响港口船舶交通的因素，并且引入贝叶斯网络，建立基于贝叶斯网络的港口交通安全评价系统。赵博宇^[11]通过收集大量集装箱船碰撞的数据，从人-船-环境三方面，分析每一起事故的致因链，再将所有的致因链结合得到贝叶斯网络模型图，最后用GeNIe软件和MATLAB软件对模型进行了验证，得出了最可能的致因链。肖仲明^[12]通过搜集相关的船舶搁浅事故的数据样本，从人-船-环境三个方面进行分析事故原因，确定网络节点，再根据事故链建立贝叶斯网络模型并进行仿真，最后利用HUGIN软件，分析出搁浅事故各因素的概率。乔赛雯^[13]通过对干散货船事故数据的搜集，从人-船-环-管四个方面分析，分析船舶发生碰撞、搁浅、自沉事故的敏感因素，得出最常见的事故是碰撞事故，并得出了最大概率致因链：碰撞-人为因素-未及时采取行动-信息了解不充分-瞭望不当。

此外，Pentti Kujala^[14]另辟蹊径，利用港口国监督检查数据，发现船舶上发现的各类缺陷，并将之用于贝叶斯网络模型构建，此外，通过一个隐藏变量，将事故与港口国控制结果联系起来。分析表明，船舶类型、港口状态控制检查类型、结构方面的相关缺陷对船舶事故影响较大。

1.4本章小结

本章主要通过讲述长江江苏段目前船舶碰撞事故的现状以及本研究的意义和目的，并通过总结国内外关于船舶碰撞研究现状的分析以及贝叶斯网络模型的应用现状，来寻找本文要使用的研究方法。

第2章 相关理论

2.1船舶碰撞理论

2.1.1船舶碰撞概念概述

船舶碰撞概念可以分为传统概念和新概念，传统的船舶碰撞概念又可以分为广义和狭义两种。

广义的船舶碰撞概念是指船舶在任何水域中发生了实质性接触，最后造成一方或者多方损害的海上事故。从概念中我们可以看出，碰撞要发生在船舶间，反过来说，船舶和非船舶间的碰撞，如和码头、防波堤等之间的碰撞不属于船舶碰撞。其次，发生碰撞的船舶间要发生实质性接触，并且要有损害，也就是说，如果没有实质性接触或者没有损害发生，也构不成船舶碰撞。最后就是规定发生碰撞的水域可以为任何水域。

狭义上的船舶碰撞定义上与广义的大体相似，不同点主要有以下两方面：

1)船舶范围变小了，不包括20总吨以下的船艇，不包括政府公务船和军用船舶。

2)适用的水域范围变小了，这里的适用水域范围仅限于海上或与海相通水域。

船舶碰撞的新概念在传统概念上进行了扩充，在原有的基础上又增加了新的内容，一是改变了原来船舶碰撞必须有实质性的接触，如果是因为某一方违反航行规章航行或者操纵不当，导致其他船舶遭受损失的，也被视为发生了船舶碰撞。二是适用船舶的范围变大了，基本上包括了所有船舶。

2.1.2船舶碰撞过程

船舶碰撞是一个极其复杂的过程，并且在发生前没有人会预料到。从船舶避碰的角度出发，碰撞事故可以分为航行瞭望，在紧迫局面下的避碰决策和操纵几个方面，我们可以通过下图来了解船舶碰撞发生的过程^[7]，如图1所示。

图1 船舶碰撞过程图

上图描述了船舶碰撞的发展过程，从图中可以看出，避免船舶发生碰撞首先要进行系统的观察，并采取正确的避碰操作。当然，碰撞是两个船舶之间的事，单靠一方的努力也许是不够的，需要双方都采取正确的措施，否则，单凭一方的行动最终也还是会导致碰撞发生。此外，还需要认真观察了望，否则也会因为疏于了望而导致紧迫危险的发生，最终导致船舶碰撞。

2.2贝叶斯网络理论概述

贝叶斯网络，又称为信念网络，它是以贝叶斯公式为基础，具有推理能力的概率网络，在解决不确定性问题方面具有突出的能力。它可以通过先验概率或者样本数据进行推理，进而获得一些未知变量的信息。