（交通信息工程及控制专业论文）基于MGM1n的船舶交通事故预测研究.pdf

中文摘要 摘要 本文首先从人、船舶、环境、管理等方面对船舶交通事故的相关影响因素进 行分析，在查阅了大量资料，分析并总结前人的相关研究，在前人通过专家调查 法，事故树法等一系列定性分析结果的基础上初步确定了相对重要的船舶事故影 响因素指标，并用灰色关联分析方法对事故影响因素指标进行进- 二步的定量分析 和筛选，由于普通灰色关联分析方法具有关联度差异不明显的缺陷，本文使用改 进的灰色关联分析方法克服了该缺点，最终得到了与船舶交通事故关联度较高的 影响因素指标体系，为事故预测模型的建立奠定基础。 由于船舶交通事故是受多种因素影响、制约和协同发展的随机事件，根据船 舶交通事故的相关影响因素建立事故预测模型比较符合实际情况。本文在分析了 现有的交通事故预测模型的基础上，采用多元灰色预测m g m ( 1 ，刀) 模型对船舶 交通事故进行预测。在实际建模中，由于事故预测实际数据光滑度不够好，为了 改善原始数据序列的光滑度，增强原始数据的规律性，弱化其随机性，提高预测 精度，采用幂函数变换对原始数据进行处理，然后利用生成数列建立多变量灰色 预测模型，运用实际数据对所建模型进行验证，初步得到船舶交通事故的预测结 果，为了使模型得到进一步的优化，提高模型的预测精度，最后对预测模型进行 残差分析，以残差数列为基础，建立残差g m ( 1 ，1 ) 模型，对原预测值进行残差 修正，实现模型优化，进一步提高预测精度，结果表明，所建立的事故预测模型 在一定误差范围内揭示了船舶交通事故与相关影响因素的变化规律。 关键词：船舶交通事故改进的灰色关联度多元灰色预测残差修正模型 英文摘要 a b s t r a c t h lt h i sp a p e r ，f i r s t l yw ea n a l y s i st h ea f f e c t i n gf a c t o r sa b o u ts h i pt r a f f i ca c c i d e n t s i n c l u d i n gp e o p l ef a c t o r s ，v e s s e lf a c t o r s ，e n v i r o n m e n tf a c t o r s ，a n dm a n a g e m e n tf a c t o r s e t c ；a f t e rr e f e r r i n gal o to fi n f o r m a t i o n ，a n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h ep r e v i o u s r e s e a r c h ，t h i sp a p e rc o n f i r m st h er e l a t i v e l yi m p o r t a n tf a c t o r so nt h eb a s i so fp r e v i o u s q u a l i t a t i v ea n a l y s i ss u c ha se x p e r ti n v e s t i g a t i o nm e t h o da n da c c i d e n tt r e em e t h o da n ds o o n ，t h e nu s et h eg r e yr e l a t i o n a lm e t h o d st od oaf u r t h e rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n d s e l e c t i o n ，b e c a u s et h eo r d i n a r yg r a yr e l a t i o n a lm e t h o dh a st h ef l a wo fi n t e r r e l a t e d n e s s d i f f e r e n c en o to b v i o u s ，t h i sa r t i c l eu s e dt h ei m p r o v e m e n tg r e yr e l a t i o n a la n a l y s i s m e t h o dt oo v e r c o m et h i s s h o r t c o m i n g ，f i n a l l yg e tt h em o r er e l a t i v ef a c t o r ss y s t e m c o n c e m i n gt h es h i pt r a f f i ca c c i d e n t s ，w h i c hp a v et h ew a yf o re s t a b l i s h i n gt h em o d e lo f a c c i d e n t sf o r e c a s t b e c a u s et h es h i pt r a f f i ca c c i d e n t sa r et h er a n d o mt h i n g sw h i c ha r ea f f e c t e d ， c o n s t r a i n e da n dt h ej o i n t l yd e v e l o p e df a c t o r s ，s oe s t a b l i s h i n gt h et r a f f i ca c c i d e n t sm o d e l a c c o r d i n gt ot h ef a c t o r sc o n f o r m st ot h ea c t u a ls i t u a t i o nr e l a t i v e l y s oa f t e ra n a l y z i n ga l l t h ep r e s e n ts h i pt r a f f i ca c c i d e n t sf o r e c a s tm o d e l ，t h i sp a p e ru s e sm u l t i f a c t o rg r e ym o d e l m g m ( 1 ，1 ) f o rp r e d i c t i n gs h i pt r a f f i ca c c i d e n t m o d e l i n gi np r a c t i c e ，d u et ot h e s m o o t h n e s sa b o u tt h ea c c i d e n tp r e d i c t i o nd a t ei sn o tg o o de n o u g h ，i no r d e rt oi m p r o v e t h es m o o t h n e s sa b o u tt h eo r i g i n a ld a t as e q u e n c e ，e n h a n c et h er e g u l a r i t yo ft h eo r i g i n a l d a t a , w e a k e ni t sr a n d o n m e s s ，a n di m p r o v ep r e d i c t i o na c c u r a c y ，t h i sp a p e ru s ep o w e r f u n c t i o nt r a n s f o r m a t i o nf o rd a t ap r o c e e d i n g , a n dt h e nu s eg e n e r a t e ds e q u e n c et o e s t a b l i s hm u l t i - v a r i a b l e g r e yp r e d i c t i n gm o d e l ，u s i n ga c t u a ld a t et 0 t e s tt h em o d e l ， a f t e ri n i t i a l l yo b t a i n st h es h i p st r a f f i ca c c i d e n tf o r e c a s tr e s u l t ，i no r d e rt oo b t a i nt h e f u r t h e ro p t i m i z a t i o no ft h ef o r e c a s tm o d e la n de n h a n c et h ef o r e c a s tp r e c i s i o no ft h e m o d e l ，f i n a l l yd ot h er e s i d u a la n a l y s i st ot h ep r e d i c t e dm o d e lo nt h eb a s i so ft h en u m b e r o fr e s i d u a l s ，t h e ne s t a b l i s hr e s i d u a lg m ( 1 ，1 ) m o d e l ，a n dd ot h er e s i d u a lc o r r e c t i o nt o a c h i e v et h em o d e lo p t i m i z a t i o na n di m p r o v et h ef u r t h e rp r e d i c t i o na c c u r a c y t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ea c c i d e n t sf o r e c a s tm o d e lr e v e a l st h er u l eo fs h i pt r a f f i ca c c i d e n ta n d a s s o c i a t e df a c t o r sw i t h i nac e r t a i nm a r g i no fe l t o r 英文摘要 k e yw o r d s ：s h i pt r a f f i ca c c i d e n t sf o r e c a s tm o d e l ；i m p r o v e dg r e yr e l a t i o n a ld e g r e e ； m u l t i f a c t o r sg r e yp r e d i c t i o n ；r e s i d u a lc o r r e c t i o nm o d e l 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 = = 基王m 鱼丛【! ：坠) 的墅艟交通蔓趑亟冽班究：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：落蜜盔 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名疆氨蠲塌导师签名：关鸪荨 日期：乙唧年石月可1 日 基于m g m ( 1 ，n ) 的船舶交通事故预测研究 第1 章绪论 本章概要的说明了论文研究的背景，阐述了论文研究的目的和意义，并详细 介绍了船舶交通事故预测的研究现状，分析了现有事故预测模型的优点及不足之 处，并说明了论文对事故预测的研究方法和所作的主要工作等。 1 1 课题研究的背景 改革开放以来，中国航运经济的持续稳定的发展，贸易的繁荣增长带来了水 路交通运输的巨大需求；在水、陆、空、铁路、管道等多种运输方式中，水路运 输以其运量大、成本低等特点被广大旅客和货主普遍认可和接受【l 】。同时，水上交 通事故率远远低于道路交通事故率，是一种相对来说比较安全的运输方式，因此 水路运输已经发展成为一种非常重要不可或缺的运输方式；但从另外一个角度来 讲，水上交通事故虽然属于小概率事件，但由于其运量大、运输工具庞大而灵活 性差、受自然环境影响较大以及受地域环境的限制，如果发生船舶交通事故就很 难快速的进行救助，这不但造成巨额经济损失，人员的伤亡，还可能会造成严重 的海洋环境污染，破坏水域的生态环境【2 】【3 】，危及海洋生态资源，影响到人类的健 康和生存环境。 而近年来，随着国内经济的持续发展和国际贸易的快速增长，海上交通运输 日益繁忙，船舶数目增多、船舶吨位变大、船速加快、重要水域及航道中往来船 舶的密度越来越大，超大型船舶在我国水域频繁进出，使我国沿海水域的通航环 境变的更加复刹4 1 ，尽管近十年来从全国范围看，水上交通事故件数总体呈一定的 下降趋势，各级海事监督部门也正积极通过整治航道、建立s 、使用先进航标 设备、加强交通水上交通安全管理、完善水上交通安全法规等手段，增进了水上 交通安全形势的好转，提高了水上交通效率【5 】；但就局部来看，港口事故统计数据 仍然不容忽视，而且大事故和重大事故时有发生，特大事故仍然未能杜绝，且船 舶交通事故件数的年下降幅度在逐渐减小，尤其是近几年，因船舶交通事故而导 致的直接经济损失呈上升趋势【6 】，而且由于目前超大型油轮以及运输危险货物的船 舶不断增多，导致船舶溢油事故、溢油污染的风险增大，旦发生船舶交通事故， 第1 章绪论 会带来更大范围内的危害，水上交通安全形势仍然很严峻，水上交通安全已经成 为一个人们越来越重视的研究课题，船舶交通安全状况也广泛受到各国的重视。 因此，如何加强水上交通运输安全管理，减少船舶交通事故的发生对国家经济和 社会都有着非常重要的意义。 1 2 论文研究的目的与意义 通过以上对论文背景的描述和分析，可以知道，随着中国航运经济持续稳定 的发展，带来了水上交通运输的巨大需求，也带来了船舶大型化趋势的进一步加 大、船速的加快、交通流量及交通密度的进一步增加，水上交通安全形势不容乐 观，如果发生水上交通事故就容易导致众多人员的伤亡、财产、环境遭受巨大损 失【3 】，因此，我国水上交通安全仍然面临着巨大的压力和威胁，如何加强水上交通 安全管理，对船舶交通事故进行预防和控制，保障船舶航行安全和防止海域污染， 已成为海事领域里一个具有重要社会意义的研究课题。 水上交通安全管理的方式大致可分为事故处理型和安全目标管理模式【7 1 ，前者 即在事后寻找原因，后者是在事前进行预防控制。目前我国水上交通安全管理正 处于由事故处理型向安全目标管理模式的转变阶段【5 】。因此，如何运用合适的数学 方法对事故进行定量研究，建立符合水上交通事故数据特点的船舶交通事故预测 模型，正是现阶段我国加强水上交通安全管理进程，促进水运业发展的重要一步。 预测，就是根据事物以前发展变化的过程和客观规律，依照已经出现或正在 出现的各种可能性，运用数学的、统计的和管理等各种方法，对事物未来可能出 现的变化趋势和可能达到的水平所作的科学推测【8 】。 因此根据预测的定义可知，船舶交通事故的总体发展水平和趋势是可以用适 当的数学方法进行分析和预测的，因为不管事故原因有多少种，相互关系有多么 复杂，事故的发生总是有其内在的系统规律的【9 】。 这里需要指出的是，船舶交通事故预测不是要预测在什么地点什么时间会发 生什么交通事故，因为这只是一种理想情况，在实际工作中，人们只能采取各种 有效措施保证一定时期一定范围内尽量少发生或不发生事故，而如果是更大范围 基于m g m ( 1 ，n ) 的船舶交通事故预测研究 或从长远角度来说，事故的发生又是不可避免的，这是因为船舶交通事故的发生 是个随机事件。 因此，本论文中所说的船舶交通事故的预测是指某一地区未来特定时期内事 故总的发展趋势，将会达到什么样的水平，特别是近期的发展趋势和水平，这是 海事管理部门所关心的主要问题，如能有效地得到这方面的资料，对本区域船舶 交通事故量进行预测，进而根据水上交通事故的特点来发挥主观能动性采取相应 的管理措施将事故量控制在一定的限度，对改善水上交通安全将有很大作用【l o 】。 通过上述分析可以看出，我国水上安全形势比较严峻，因此开展事前的预测 和防范研究是十分必要的。而目前我国的水上交通安全管理侧重于事后原因寻找 及责任的追究，缺乏预测性控制性研科1 1 】。这将不利于我国海事管理部门改善及 加强水上交通的安全监督和管理。因此我们有必要加大对事故预测与防范的研究， 从根本上控制和减少事故的发生，将事故造成的损失降下来，对改善我国水运安 全形势，加强船舶交通安全管理有着非常重要的意义。 由于船舶交通事故实质上是一个受人为因素、船舶、环境等多种因素影响的 随机事件，环境、船舶、操作人员等信息的不确定，人、船舶、环境等因素之间 又相互影响，所有因素的综合作用都可能会导致事故发生，区别在于影响的程度 有大有小，有主有次而己。而且因为船舶交通事故发生的原因复杂多样，在进行 船舶交通事故预测的同时，综合考虑交通事故与相关影响因素之间的关系是非常 重要的。 总的来说，本论文的研究主要基于以下几个目的： ( 1 ) 加强水上交通事故的预警、预测、控制能力，改善水上交通安全环境， 达到减少和预防控制船舶交通事故的发生量。 ( 2 ) 为海事管理部i - j 力l 强水上安全监督和管理提供决策依据。 ( 3 ) 为海事管理部门科学制定水上交通安全管理法律法规提供参考依据。 ( 4 ) 本论文是结合国家“9 7 3 计划前期项目“船舶航运安全机理及事故预 测理论的研究 课题( 编号：2 0 0 8 c b 4 1 7 2 1 5 ) 所作的研究。 第1 章绪论 1 3 船舶交通事故预测的国内外研究现状 事故预测最初可以追溯到2 0 世纪3 0 年代美国所开展的安全分析评价工作， 我国自2 0 世纪8 0 年代开始事故预测与安全评价工作，起初主要是引进消化并应 用国外的各种安全分析方法，解决系统的局部安全问题，随着对安全系统工程认 识的逐步提高，进一步加强了对整个系统安全状况的研究，重点开展了若干子系 统组成的整个系统的安全评价工作【1 2 】。 船舶交通事故即船舶发生碰撞、搁浅、触礁、触碰、浪损等的水上交通事故【l3 1 。 针对船舶交通事故发生原理的分析、预测以及控制方法的研究一直受到国内外广 泛关注。船舶交通事故的发生是由多种因素造成的，在研究事故与影响因素的关 系中，国内外许多专家学者分别从人、船舶、环境这三者上分析事故发生的相关 因素，最早出现的是针对单个因素的研究分析，偏重于对事故致因的分析，为了 便于研究，把事故的发生重点归结为由某一种因素引起，该理论在分析研究事故 的主要原因时，简单直观，便于抓住重点进行有效的分析，但是忽视了船舶交通 事故发生过程中其他次要因素的作用。在船舶交通事故研究中对碰撞、溢油、人 为因素研究比较多；在研究人的因素方面，美国u s c g ( u n i t e ds t a t e sc o a s tg u a r d ) 早在t 9 9 2 年就开始对人为因素进行了系统的研究【1 4 】，它是“以人为中心的旨在减 少海难事故和海洋污染的系统的研究方法 ，通过对人为因素的系统研究来减少 或控制人为因素对船舶交通安全的危害。西方学者对人为因素进行了较为广泛的 研究【1 5 】【16 】【1 7 1 。由于单一因素分析具有一定的局限性，多个影响因素的综合分析得 到发展，主要是从“人一船舶一环境”三因素着手，广泛用于各种事故分析，国 内外许多专家学者从各个不同的角度分别对人为因素、环境因素、船舶因素进行 了研究，提出了一些预防和减少海难事故的措施、方法和理论依据。如在环境因 素与船舶事故的相互关系上，国外专家g r l e w i s o n 对多弗尔海峡上能见度与碰撞 事故的关系进行了研列1 8 】；日本研究学者神鸟昭对日本关门海峡上视程与碰撞事 故的关系进行了研究，同时，他还运用回归分析方法研究了关门海峡各种风级频 率与碰撞事故的关系【1 9 】；日本在船舶交通事故研究方面投入了大量的时间和精力， 做了许多研究工作【1 0 1 ，根据搜集到的文献资料进行分析，日本比较有代表性的是： 基于m g m ( 1 ，n ) 的船舶交通事故预测研究 东京湾交通模型基础数据生成、海上交通系统环境安全评价研究模拟( 1 9 9 1 年) 等；在人、船、环境定量评价指标的开发与研究方面有日本航海学会论文集中 在船舶交通事故中关于人一机系统的研究的研究论文【2 0 1 。 在国内，近年来许多专家学者也从不同的侧面对海上交通事故的原因进行分 析、预防和采取相应措施以减少船舶交通事故的发生，分别从人、船舶、环境、 管理等因素方面进行海上交通安全评价，提出了预防和减少海上事故的措施、方 法和理论依据。如我国学者邓洪章根据关门海峡发生的碰撞事故和不同流速发生 率的统计数据，得出在某一流速范围内的碰撞事故的多少和这个流速发生率的大 小是相近的【2 1 】。大连海事大学广泛开展了应用神经网络、灰色理论、模糊数学等 理论方法定量综合评价了港口航道水域操船环境危险度方面的研究，预测船舶交 通事故的发生；文献 2 2 】根据影响船舶操纵安全的相关因素采用模糊综合评判法、 a h p 法建立了安全综合评判数学模型，对船舶操纵安全问题进行了研究；文献 2 3 】 中运用安全指数法对船舶交通安全情况进行评价；刘正江等在海上安全综合评价 方面做了较深入的研究，从影响船舶交通安全的人、船舶、交通环境、管理等因 素入手，通过综合考核各影响因素的安全状况，运用模糊数学等理论建立评判海 上交通安全的综合评判数学模型，并着重从人的因素上进行了较为细致的分析研 究，为加强船舶安全管理，预防船舶交通事故的发生提供了有益的帮助2 4 1 1 2 5 】【2 6 1 ； 文献【2 7 】运用灰色系统理论研究了港口诸因素与船舶事故之间的关系，便于找出导 致船舶事故的主要影响因素，为水上安全宏观管理提供依据。文献 2 8 】中采用预先 危险性分析法分析船舶事故与船舶航行环境的关系，识别事故的产生原因和影响 因素，找出船舶航行环境的主要潜在危险，对预防港口水域船舶事故的发生有一 定意义；陈涛在文献 2 9 q a 通过对碰撞事故样本分组数据进行相关分析、曲线拟合 以及非线性回归分析，得到了船舶尺度与船舶碰撞事故数的数学关系模型，根据 样本进行分析，得出随着船舶尺度的增大，船舶发生碰撞事故呈减小趋势，进一 步丰富了船舶碰撞事故的理论研究。 在船舶交通事故致因分析、海上交通安全综合评价方面的研究比较广泛和深 入，在对船舶交通事故综合、系统的预防、预测研究方面不是很多。吕晓夫、杨 第1 章绪论 亚东等用回归分析方法预测船舶交通事故的发生【3 0 】；肖景坤、殷佩海在文献 3 1 】 中运用灰色拓扑分析方法对船舶溢油事故的时间序列进行预测；倪秀晖等用灰色 系统理论预测渔船船舶交通事故等【3 2 】。华清在文献 3 3 】中运用混沌分析理论对船舶 交通事故数量时间序列进行预测，运用小波分析等理论在提高预测精度和噪声产 生预测误差增大方面做了细致分析。赵佳妮在文献 3 4 中详细讨论了一元回归分析 预测法、灰色g m ( 1 ，1 ) 预测法和指数平滑预测法的建模过程，然后运用残差修 正模型和马尔可夫模型进一步优化灰色g m ( 1 ，1 ) 模型，建立了灰色马尔可夫预 测模型，并根据实例验证对这几种事故预测方法的优缺点进行了分析比较。马召 学在文献 3 5 】中以某海事辖区水域为例，使用线性回归分析的方法对某海事辖区水 域船舶交通事故数与船舶流量、查处违法数量的关系进行了研究分析，建立该水 域月度事故次数的预测模型，分析表明，随着船舶交通流量的增加和违章数量的 增加，某海事辖区的事故数量呈增长趋势。 有关交通事故预测的方法和模型主要有：回归分析预测模型一包括一元线性 回归、多元线性回归、非线性回归预测等；灰色理论g m ( 1 ，1 ) 预测，灰平面的区间 预测，灰色聚类预测等；时间序列趋势外推法预测；马尔可夫链状预测，以及各 种预测方法的组合预测模型，比如文献 3 6 建立了基于回归一马尔可夫链的复合预 测模型，在回归拟合函数的基础上引入马尔可夫链状预测理论；文献 3 7 1 建立了模 糊加权马尔可夫链预测模型；文献 3 8 中建立的灰色马尔可夫预测模型；模糊灰色 系统理论预测等一系列改进的组合预测方澍3 9 】。近来也有将混沌数学、小波分析 理论用于事故预测中作为开辟事故预测的新途径，取得了比较好的预测效果【4 0 】。 然而运用这些方法对船舶事故进行预测主要是仅针对船舶交通事故数的时间序列 本身进行预测，没有考虑船舶交通事故相关影响因素的变化。 而船舶交通事故是一个受人一船一环境等多种因素影响的随机事件，环境、 船舶、操作人员等信息的不确定，人、船舶、环境等因素相互影响相互作用，船 舶行驶中各因素随时间、空间的变化而变化，这种状况反映在预测工作中，就要 求在船舶交通事故预测的同时，综合考虑船舶事故数的时间序列与事故相关影响 因素的时间序列之间的关系。由于船舶交通事故预测指标与其相关影响因素之间 基于m g m ( 1 ，n ) 的船舶交通事故预测研究 存在着灰色性、不确定性、模糊性，并且这些因素之间通过高度的非线性关系相 互影响、相互作用，具有较大的随机性，因此，在对船舶交通事故进行预测的时 候，如何能在定性认识的基础上，根据事故的主要影响因素对船舶交通事故的未 来发展趋势和水平进行事先预测有着重要的意义。 在对船舶交通事故进行多因素预测方法上有用b p 神经网络进行预测，b p 神 经网络通常包含了输入层、输出层及若干隐藏层，各层包含了若干神经元，在线 性和非线性之间显现出较好的平衡，可实现输入和输出间的任意非线性映射，适 用于中长期预测，优点是逼近效果好，计算速度快，不需要建立数学模型，它的 缺点是没有明确的数学模型，无法表达和分析被预测系统的输入和输出间的关系， 使预测人员无法参与预测过程，且收敛速度慢，难以处理海量数据，得到的网络 容错能力差，算法容易陷入局部小。 船舶交通事故灰色系统中包含多个变量，且各变量相互影响，互相关联，共 同发展，随着时间的推进，海事安全管理部门会采取一系列改进安全措施的新技 术新情况，这必然会带来其中某个或多个影响因素发生变化，增加一些新的影响 因素或减少一些旧有的影响因素，随着增强海上交通安全的新技术的不断发展， 也许原来影响很大的因素会变的不再非常重要，原来没有的因素会成为新的重要 影响因素，这些都必然会影响到船舶交通事故的未来发展趋势和水平，因此，根 据事故发生的影响因素来对交通事故进行预测将更加符合客观实际，更具有实用 性。因此本文采用能够考虑多个相关变量的灰色预测m g m ( 1 ，力) 模型，它能够反映 多个变量间的相互关系，协同发展与制约情况，通过建立刀个刀元微分方程，使 多变量灰色预测模型中的参数能够反映变量间的相互影响。而且灰色系统理论是 针对“少数据不确定性 问题提出的数学理论，解决了船舶交通事故相关数据奇 缺带来的预测困难的问题，而且通过建立的数学模型参数能够反映预测系统输入 变量与输出之间的关系，且能够根据实际情况即时添加或减少变量进行预测，使 预测更具有实用性。 第1 章绪论 1 4 论文的结构与研究方法 本文主要在综合考虑事故影响因素变化发展的基础上对船舶交通事故进行预 测，运用多变量灰色预测模型建立了事故预测模型，实验证明了该) 基具有可行 性，取得了较好的预测结果。 全文共分为六章，其主要内容和结构安排如下： 第一章为绪论，说明了论文的研究背景，研究目的和意义，详细阐述了船舶 交通事故预测的历史和国内外研究现状，最后给出本文的结构安排和论文的主要 工作。 第二章，船舶交通事故的致因分析与主要因素的选取，详细的从人为因素、 船舶因素、环境因素等对船舶交通事故成因进行研究分析，并总结以前对船舶事 故致因分析的研究论文，借鉴前人通过专家打分法等定性分析方法所得到的影响 船舶交通事故的主要因素的研究结论，初步确定出影响船舶交通事故的主要影响 因素。 第三章，改进的灰色关联分析及事故影响因素指标体系的建立。运用灰色关 联分析方法对初步确定的船舶交通事故的主要影响因素进行进步的定量分析， 最终得到影响船舶交通事故的因素指标体系，为预测模型的建立奠定基础。 第四章，多变量灰色预测模型的建立和预测，运用多变量灰色理论建立了 m g m ( 1 ，刀) 事故预测模型，用v b 语言对模型进行编程运算，并用实际数据进行预 测。 第五章，预测模型的优化，运用残差修正模型对所建模型进行优化，提高了 模型的预测精度，实验结果表明模型具有可行性。 第六章，对本论文进行总结，并指出目前还存在的问题以及进一步的研究方 向和工作的展望。 基于m g m ( 1 ，n ) 的船舶交通事故预测研究 1 5 论文的主要工作 本论文是从过去船舶交通事故的历史资料和相关影响因素出发，寻求历史船 舶交通事故与主要影响因素之间的内在联系和发展变化规律，对未来的船舶交通 事故的发生趋势进行预先估计。其主要工作如下： ( 1 ) 本文对船舶交通事故的宏观影响因素人、船舶、环境等方面进行系统 的分析，在分析总结并借鉴前人对船舶事故致因的定性分析的基础上，初步得到 了具有代表性的船舶交通事故相关影响因素。 ( 2 ) 运用灰色关联分析方法对于定性分析所初步得到的事故影响因素进行进 一步的定量分析，由于通常使用的灰色关联模型，会出现缺乏判断的准确性和关 联程度不显著的现象，论文使用改进的灰色关联分析法对事故影响因素进行定量 分析，克服了普通关联分析法的缺点，通过筛选，最终得到事故的影响因素指标 体系。 ( 3 ) 系统的阐述了多变量灰色预测理论的原理及过程，根据该理论建立了船 舶交通事故预测m g m ( 1 ，刀) 模型对船舶交通事故进行预测。 ( 4 ) 在实际建模中，根据实际数据的特点，为了改善原始数据序列的光滑度， 弱化其随机性，采用幂函数变换方法对原始数据进行了预处理。 ( 5 ) 用实际数据对所建模型进行验证，建立残差修正模型对原预测值进行残 差修正，实现模型的优化，进一步提高模型预测的精度。 第2 章船舶交通事故的致因分析与主要影响因素的选取 第2 章船舶交通事故的致因分析与主要影响因素的选取 近年来，随着海运事业的发展，由船舶运输而引起的海上交通事故频繁出现。 海上交通事故，不仅造成了人员伤亡财产损失，还造成海洋环境的污染，破坏了 海洋生态平衡。 海上交通安全系统是由人、船舶、交通环境三要素构成的。这三个要素中， 交通环境是基础，船舶是根本，人是关键。水上交通安全事故的发生与交通环境、 船、人三方面密切相关，三者相互依赖，相互作用。国际海事组织( i m o ) 将船 舶交通事故原因分为三类，第一类为人为的差错，包括没有遵守条文规定，疏忽 大意，操作不当，保养不当等；第二类为船舶机械或设备故障，包括主机或辅机 故障，航海及通讯设备故障等；第三类为与船舶无关的原因，包括风、流、浪的 影响，船体设计或结构上的错误，第三方责任以及助航出差错等【4 。我国在对事 故进行统计分析时，通常将事故原因分为：操纵不当、了望疏忽、机器故障、违 章、大风、信息不足和其他原因七项。 对船舶交通事故原因和影响因素进行分析，并选取船舶交通事故的主要影响 因素，建立船舶交通事故相关影响因素指标体系，是建立船舶交通事故预测模型 的前提和基础。因此，本文在考虑并分析船舶交通事故的影响因素时，对起主要 作用的相关影响因素进行初步选取。 2 1 影响因素的选取原则 在分析和选取船舶交通事故的主要影响因素时，要遵循以下几个原n - 2 1 1 相关性原则 所选定的因素指标与所要预测的指标必须相关，这是船舶交通事故影响因素 指标确定的最基本要求。 2 1 2 可靠性原则 影响因素指标本身必须可靠，能够起到实际作用；指标的数据来源必须可靠， 否则将造成预测结果失真。由此确定的预测结果才有意义。 基于m g m ( 1 ，n ) 的船舶交通事故预测研究 2 1 3 可行性和实用性原则 为了便于对事故影响因素进行定量分析，指标的意义要明确，影响因素指标 的测量要有较好的可操作性和实用性，能够保证指标值能准确、快速的获取，且 便于用现有的方法和模型进行定量分析。 2 1 4 定性与定量相结合原则 在建立影响因素指标体系时，由于影响因素繁多复杂，采用定性与定量分析 相结合要比单纯的定性分析或者定量分析更客观实际。 因此，在选取事故主要影响因素的时候需要要综合考虑以上四个原则，才能 使建立的事故预测模型既具有客观性，同时还具备可操作性。 2 2 船舶交通事故的致因分析 海上交通工程学认为，人船一环境三要素构成了海上交通安全系统，三要 素中某一个或任意几个方面相互作用出现问题，就可能导致交通事故发生【4 2 】。根 据大量的经验及研究表明，船舶交通事故的发生是由人、船舶、环境的不协调原 因所导致的。把这些因素归结为以下六种基本的致因条件：船员条件、船舶条件、 自然条件、交通条件、航道条件、管理条件，这6 个条件综合作用于人船一环 境所组成的水上交通系统，使系统在其自身的运动中因某些因素产生不协调行为 而造成船舶交通事故。并且据i m o 统计资料显示【4 3 】，海上交通事故中人的原因占 了7 5 - - 8 0 。如果加上人的因素与船舶、人与环境共同引起的事故，那么，至少 9 0 的事故与人的因素有关。可见，人为因素是影响海上交通安全的主要原因。当 然，还存在着其他造成水上交通事故发生的影响因素，在实际分析过程当中，抓 住事故发生原因的本质，找到影响事故发生的基本影响因素对研究事故将会有很 大帮助。影响船舶交通安全的人为因素主要是指船员条件和管理条件如船员的技 能知识经验、健康状况等；船舶因素主要就是指船舶条件，比如船舶的强度、船 舶机械设备的状况等；环境因素主要分为自然条件，交通条件和航道条件。下面， 论文将对涉及船舶交通事故成因的三大方面即六种基本条件作个详细的分析。 第2 章船舶交通事故的致冈分析与主要影响冈素的选取 2 2 1 人为因素 i m o 在国际标准化组织( i s o ) 规则中指出，海上交通事故的发生大约有8 0 是由人为因素引起的，而如果加上人的因素与船舶、人与环境共同引起的事故， 那至少有9 0 的事故与人的因素有关【3 6 1 。船员是海上交通安全的重要因素，也是 安全系统中最为活跃，最难控制的要素。由于船员受到的教育、海上资历、自控 能力、判断能力及性格各有不同，遇到危险局面采取不同的行为方式，产生不同 的结果。而影响船员行为因素的主要是船员所具有的知识、技能、经验、健康状 况、心理以及生理等各方面的情况】【4 5 】【4 6 1 。 人为因素是一个综合因素，涉及面很广，主要可分为以下几个方面组成：船 员专业知识技能及教育培训，船员心理因素，船员生理因素，船员管理因素。 ( 1 ) 专业技能培训 专业技能培训因素主要包括学历、培训、资历、知识、实际操作能力等。 学历：根据中华人民共和国海船船员适任考试、评估和发证规则( 简称 “0 4 规则”) 的规定，持有适任证书担任高级船员职务的船员，均接受了本科、 大专或中专的航海学历教育。我国的学历教育制度是从高分到低分依次由本科、 专科、中专录取，其学年制、经费投入、师资力量、科研状况等也是依次递减， 所以，学历在一定程度上能够较客观的反映出一个人的专业知识水平。一个具有 良好的专业理论知识的船员，实际工作中对问题的判断推理能力、学习实践方法、 领悟能力等，相对来说要比没有学历或学历较低者快些，因此，学历对于提高船 员素质和技能具有重要作用。 培训：培训包括取得适任证书前的培训，取得证书后的知识更新以及保持适 任能力所需要的培训。培训可以有效的提高船员的技术水平。培训对船员上岗适 任是至关重要的，然而目前船员培训中还存在着一些弊端，影响了培训质量，给 海上安全带来隐患，如培训手段落后，效果差；考试制度不合理，忽视了技能、 心理素质等的培训；培训内容方面涉及面窄，除了强制培训外，接受非强制项目 培训的人很少，造成船上设备不能充分发挥功效，船舶货物得不到妥善的照管等 等【4 7 1 。因此，在船员培训方面仍需要进一步完善。 基于m g m ( 1 ，n ) 的船舶交通事故预测研究 船员水上资历：资历是一个人工作经验的反映。航海是一个实践性较强的活 动，一个人的工作经验与事故发生的可能性关系很密切。据对1 9 8 3 年 - - 1 9 9 2 年间 生在加拿大水域的各种海上事故的统计表明【4 8 】【4 9 1 ，每年的搁浅事故占海事总数的 2 0 、碰撞事故约占有1 8 、火灾事故约占11 ，这三项事故相加约占事故总数 的5 0 左右。分析发生这些事故的原因，经验不足是发生这些事故的重要原因之 一。海龄是衡量船员水上资历的其中一项重要的标准，海龄又称海上服务资历， 一般在公约或国家规则中，都以“月为计算单位。我国政府主管机关对海上服 务资历的认可，一般以船员服务簿中“任解职 一栏上的记录为准。航海是 一种技能型职业，不但需要相应的理论知识，更需要具备相应的技能，缺乏相应 的理论知识和技能，航海就带有很大的盲目性和危险性，所以s t c w 公约 ( i n t e m a t i o n a lc o n v e n t i o no ns t a n d a r d so ft r a i n i n g ，c e r t i f i c a t i o na n dw a t c h k e e p i n gf o r s e a f a r e r s ) 对船员考证时海上服务时间做出严格要求。而考察现在的高级船员，总 体是提升很快，在较低的岗位上服务时间很短( 见表2 1 ) 1 5 0 ，不再像以前的高级 船员那样拥有丰富的航海经验，同时由于目前船员服务簿上的任职资历涂改或造 假现象时有发生，这对海上交通安全来说将是一个隐患。 表2 1 驾驶员现职岗位上的海上服务时间( ) t a b2 1m a r i n es e r v i c et i m eo f d r i v e ro nc u r r e n tp o s i t i o np o s t 年限( 年)船长大副 二副 1 - 53 25 67 2 6 - 1 02 4 2 61 6 1 1 - 1 51 586 1 5 年以上2 91 06 知识：掌握航海所需的专业知识是船员适任性的最基本要求，国家对评判船 员的知识建立了完善的考试制度。从1 9 8 8 年开始，对无限航区适任证书考试实施 全国统考，1 9 9 2 年，将沿海航区以上的适任证书考试全面纳入全国统考。船员的 专业培训证书和特殊培训证书由海事主管机关授权的考试机关组织实施考试予以 第2 章船舶交通事故的致因分析与主要影响冈素的选取 颁发证书。船员适任证书的考试按照主管机关颁布的考试大纲进行，因此，考试 成绩在一定程度上也是能够比较客观地反映出船员的专业知识水平的。 ( 2 ) 心理因素 近年来，船员的心理健康对航海安全的影响和威胁引起了航海界专家的普遍 关注。如何衡量船员的心理素质，不同的专家看法不同。部分航海专家指出，在 航海理论知识、实际操作技能和心理素质三者中，心理素质至关重要。由于船员 工作环境不固定性，这就要求船员具有比一般人更好的环境适应性，船员若没有 过硬的心理素质，面对环境的多变性、工作环境的单调性、繁重的工作，远离亲 人、脱离正常社会交际的日常生活，就很容易引发船员的心理疾病；船员的心理 健康出现问题，就可能会增加船上的不安全因素，因此，心理状态的好坏对船航 行安全也有着举足轻重的作用，特别是在紧急情况处理时。心理素质好的人面对 紧急情况，能很快调整心态，对局面做出较为准确判断，实施对策，心理素质较 差的人面对紧急情况很难做出快速正确的决策。由于心理素质很难从定量上进行 分析，因此将心理素质分为四个等级依次为：好、次好、次差、差。 ( 3 ) 生理因素 生理因素主要指的是船员身体健康程度及身体抗疲劳的能力。显而易见，没 有健康的身体，无法保证航海活动的安全性，尤其船舶长期在海上航行，工作强 度大，不但要求船员能够承受长时间的持续工作，而且要求船员能够承受不同航 区所造成的气候的多变，因而船员的身体健康程度必定对海上交通安全造成影响。 尽管船员在获得适任证书之前己接受过体检，但是由于疾病的突发性，船员的健 康状况随时会发生变化；船上恶劣的工作和生活环境，使船员产生某种程度的孤 独感、情绪起伏难以稳定从而导致船员疾病的发生，进而影响到航行安全。因而， 生理因素也是保障海上航行安全的重要因素之一。 ( 4 ) 船员管理 i m o 在i s o 规则中指出，海上事故的发生约有8 0 是由于人为因素引起的， 而人为因素中约有8 0 可以通过管理加以有效的控制，即通过强化公司的内部管 理和船舶的安全管理加以控制【4 5 1 。只有有效的管理，才能使公司的各个部门、船 基于m g m ( i ，n ) 的船舶交通事故预测研究 上各个环节和不同的个体，有机的联系在一起，使各部门间动作协调，减少海上 事故的发生。 在对船舶交通事故影响因素进行定量分析和选取的过程中，为了抓住主要因 素和避免因因素过于繁杂而导致错误结论，在人为因素中，综合考虑船员心理因 素在一段时间内状况相对稳定且难以量化，船员生理、心理因素、船员管理因素 对事故的影响不太直接而且很难进行量化，因此本文在总结了前人定性分析的基 础上，借鉴前人通过专家调查法研究所得到的定性结论【5 1 】，选取1 个因素即船员 平均水上资历作为评价指标，船员水上资历是以上因素的一个综合反映。 2 2 2 船舶因素 船舶条件中包括船舶大小、船龄、船体结构、船舶设