（交通信息工程及控制专业论文）基于粗糙集和神经网络的海船船员适任性研究.pdf

创新点摘要 创新点摘要 1 提出了采用粗糙集数据挖掘方法定量研究海船船员适任性的新途径。初步解 决了目前在该领域所用的评价方法的局限性。用粗糙集来处理不确定性问题的优 点在于它不需要关于数据的预先或附加的信息，粗隶属度的计算是从被分析的数 据中直接获取而比较客观，可降低评价者对评价结果的影响，且用粗隶属度代替 条件概率可降低计算的复杂程度。基于粗糙集数据处理系统的粗糙集数据约简技 术提高了研究结果的通用性和适用度。 2 首次将b p 神经网络的精确逼近功能运用到对船员适任性的评价中。运用 m a t l a b 7 0 建立了两个三层b p 网络的仿真模型，较精确地分析了单指标条件下 海船船员适任性评价指标与海事发生的关系。 中文摘要 摘要 针对目前在海船船员适任性研究方面的不足，运用统计分析、粗糙集和神经 网络方法对海船船员适任性进行了研究。基于海船船员信息数据库的统计研究表 明，目前我国甲乙丙丁各类海船船员证书者为1 8 6 7 9 5 人，其中甲类证书持证人数 9 5 4 8 7 人，乙类证书持证人数5 3 4 0 人，丙类证书持证人数4 4 8 6 2 人，丁类证书持 证人数4 1 0 7 0 人；持证海船船员的年龄和航海类教育程度有较大改善；我国海船 船员在国际劳务市场所占份额约为4 。运用粗糙集数理方法对辽宁海事局辖区近 5 年的典型海事调查报告进行挖掘的结果表明：海船船员适任性评价指标中，航海 类教育程度指标的重要度最大，而持证类别指标重要度最小；各评价指标引起一 般及以下等级事故的可信度在o 6 4 至0 6 6 之间；在总隶属度上，海船船员的年龄 与发生海事的隶属度成反比，接受较高航海类教育的海船船员发生海事的隶属度 较低，任职资历与发生海事的隶属度成反比，持甲类证书者发生海事的隶属度最 高而持乙类证书者最小，船长发生海事的概率最高，在0 0 0 0 一1 2 0 0 值班时间段发 生海事的隶属度较高，在其余的时间段发生事故的隶属度较低，值班持续时间与 发生海事的隶属度成反比。运用l i k e n 五级量化表对1 5 8 位管理级船员的问卷调 查表明，本研究的结果可信度均大于3 0 。选取 a g e ，s t 2 ，d t d u r ) 和 e d u ，s t l ， t ) e ，r a n k ，d t ) 两个约简集，训练出网络结构为4 1 0 1 和5 1 2 1 的两个b p 神 经网络，对海船船员适任性评价指标体系中各指标对海事发生的一维关系进行了 研究。研究结果表明其概率变化规律与粗糙集方法中的隶属度变化规律基本一致。 基于基础研究的重要性，提出了建立我国海船船员数据收集机制的四个对策：提 高我国海员可持续发展的意识；建立统一的数据收集标准和收集程序；培训适任 的数据收集人员和数据分析人员及全员参与。 关键词：海船船员适任；粗糙集；粗隶属度；可信度；b p 神经网络 英文摘要 a b s t r a c t a i m i n ga tt h ew e a k n e s so fc u r r e n ts t u d yo f t h ec o m p e t e n c yf o rs e a f a r e r s ，t h es t a t i s t i c a n a l y s i sa n dr o u g hs e t , 鹪w e l la sn e u r a ln e t w o r ka r ei n t r o d u c e dt os t u d yt h ec o m p e t e n c y f o rs e a f a r e r s s e a f a r e r i n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e ds t u d ys h o w st h a tt h ec u r r e n tn u m b e ro f c e r t i f i c a t eh o l d e r si s18 6 7 9 5 ，a n dt h en u m b e r so fj ，yb ，d c e r t i f i c a t eh o l d e r sa r e9 5 4 8 7 ， 5 3 4 0 4 4 8 6 2a n d410 7 0s e p a r a t e l y h o w e v e ri ts h a r e sa b o u t4 o fi n t e r n a t i o n a l1 a b o u r m a r k e t t h es e a f a r e r s a g ed i s t r i b u t i o na n de d u c a t i o nd e g r e eh a v e b e e ni m p r o v e dg r e a t l y 们1 er e s u l t so fr o u g hs e tb a s e dd a t am i n eo n5 0w e l l s e l e c t e dm a r i t i m ei n v e s t i g a t i o n r e p o r t si nl i a o n i n gm a r i t i m es a f e t ya d m i n i s t r a t i o ni n d i c a t et h a tt h em a r i t i m ee d u c a t i o n e x t e n ti st h em o s ti m p o r t a n tt os e a f a r e r c o m p e t e n c y , w h e r e a st h et y p eo fc e r t i f i c a t eh a s l e a s ti m p o r t a n c e t h ec o n f i d e n t i a lf a c t o r so f8a s s e s s m e n ti n d e x e st og e n e r a la n dl o w e r m a r i n ea c c i d e n t sa r eb e t w e e no 6 4a n do 6 6 n 圮g e n e r a lr o u g hm e m b e r s h i pd e g r e eo f m a r i t i m ea c c i d e n t si sa l li n v e r s er a t i ot os e a f a r e r sa g e ，a n dt h em e m b e r s h i pd e g r e eo f m a r i t i m ea c c i d e n t si sa l s o 趾i n v e r s er a t i ot os e a f a r e r ss e ae x p e r i e n c e h i g h l ye d u c a t e d s e a f a r e r sh a v el o w e rm e m b e r s h i pd e g r e e s ，h o w e v e ri l l e d u c a t e ds e a f a r e r sh a v eh i g h e r o n e s t y p ejc e r t i f i c a t eh o l d e r sh a v eh i g h e rm e m b e r s h i pd e g r e e sa n dt y p ey c e r t i f i c a t e h o l d e r sh a v el o w e ro n e sa n dt h em a s t e rh a sh i g h e s td e g r e e t h ew a t c h - k e e p i n gt i m e p e r i o d si n0 0 0 0 1 2 0 0h a v eh i g h e s td e g r e e s ，w h e r e a si n1 2 0 0 2 4 0 0 ，t h em e m b e r s h i p d e g r e e sa r er e l a t i v e l yl o w i nf a t i g u ea s p e c t ，t h em e m b e r s h i pd e g r e eo ft h o s es e a f a r e r s w i t hw a t c h k e e p i n gd u r a t i o nl e s st h a n2h o u r si sab i tl o w e rt h a nt h o s ew i t hm o r et h a n2 h o u r s t l 硷q u e s t i o n n a i r e sf r o m15 8m a n a g e m e n tl e v e lo 伍c e r sc o n f i r mt h a tt h er e s e a r c h r e s u l t sa r er e l i a b l e t w or e d u c t i o ns e t sa r ei n t r o d u c e dt ot r a i n2b pn e u r a ln e t w o r k s s e p a r a t e l y b a s e do nt h o s et w ow e l lt r a i n e db pn e u r a ln e t w o r k s ，t h es t u d yo nt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e n8a s s e s s m e n ti n d e x e sa n dt h em a r i n ea c c i d e n t si sc o n d u c t e d t h e r e s u l t sr e v e a lt h a t ，b a s i c a l l y , t h et r e n do fp r o b a b i l i t yi sc o n s i s t e n tw i t ht h ec h a n g eo f m e m b e r s h i pd e g r e e t h er e c o m m e n d a t i o n so nh o wt oe s t a b l i s ht h eh u m a ne l e m e n t s r e l a t e dd a t ac o l l e c t i o nm e c h a n i s ma r ep r o p o s e d ：t h ea w a r e n e s so fs e a f a r e r s s u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ts h o u l db ei m p r o v e d ，a n dt h eu n i f i e dc o l l e c t i o ns t a n d a r d sa n dp r o c e d u r e s s h o u l db ee s t a b l i s h e d i ti sa l s oi m p o r t a n tt ot r a i nq u a l i f i e do f f i c e r st ot a k et h ec o l l e c t i o n a n da n a l y s i sr e s p o n s i b i l i t i e s k e yw o r d s ：s e a f a r e r s c o m p e t e n c y ；r o u g hs e t ；r o u g hm e m b e r s h i pd e g r e e ； c o n f i d e n t i a lf a c t o r ；b pn e u r a ln e t w o r k 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， 撰写成博士学位论文= = 基王担撞塞塑袖经圆终酸瀣赶超虽适焦世班究：一。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： 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。 论文储犏7 铷彳导师躲夏咖勺 l e f t , 扣写年fj 月步矿日 创新点摘要 创新点摘要 1 提出了采用粗糙集数据挖掘方法定量研究海船船员适任性的新途径。初步解 决了目前在该领域所用的评价方法的局限性。用粗糙集来处理不确定性问题的优 点在于它不需要关于数据的预先或附加的信息，粗隶属度的计算是从被分析的数 据中直接获取而比较客观，可降低评价者对评价结果的影响，且用粗隶属度代替 条件概率可降低计算的复杂程度。基于粗糙集数据处理系统的粗糙集数据约简技 术提高了研究结果的通用性和适用度。 2 首次将b p 神经网络的精确逼近功能运用到对船员适任性的评价中。运用 m a t l a b 7 0 建立了两个三层b p 网络的仿真模型，较精确地分析了单指标条件下 海船船员适任性评价指标与海事发生的关系。 基于粗糙集和神经网络的海船船员适任性研究 1 1 选题背景和研究意义 第1 章绪论 1 1 1 选题背景 海上交通安全伴随着海上运输的产生而存在。在当今海运业迅猛发展，海运 已占世界货运总量9 0 以上，船舶朝大型化、专业化、高速化、自动化发展的前 提下，航行安全显得更为突出。为促进海上交通安全，防止船舶污染海洋，国际 海事组织( i m o ) 先后制定了一系列的国际公约，如国际海上人命安全公约 ( s o l a s ) 、国际防止船舶造成污染公约( m a r p o l ) 、海员培训、发证和值班 标准国际公约( s t c w ) 等，从法律和技术上对船舶构造、设备性能、操作规程、 人员培训作出了规范【1 ，2 ，3 】。但新技术和新设备的应用并没有引起海上运输安全形势 的根本好转，因此航运界将关注的重点从“重视技术”转向了“重视人”。 航运界对事故致因进行的统计分析证明了人的因素在海事致因中的重要作 用。英国海事安全部门进行的研究表明：9 0 的碰撞和搁浅，7 5 的火灾与爆炸 与人的因素有关 4 1 。美国对海事的统计研究表明，在1 9 7 0 至1 9 7 9 年的十年中， 以人为失误为主要原因的海事占6 5 以上【5 1 。荷兰对液化气船1 1 年间在沿海地区 发生的搁浅与碰撞事故的研究表明，有2 3 的搁浅和所有的碰撞事故由人的失误造 成旧。挪威、芬兰、日本和德国等国的研究也有类似的结论【7 ，8 ，9 ，1 0 1 。尽管各国的统 计分析所用资料来源不完全相同，考虑角度也有所不同，但结论却趋于一致，通 常认为海难事故的8 0 与人的因素有关。i m o 前秘书长奥尼尔先生针对8 0 的海 难与人的因素有关的事实发问：“既然引发海事的主要原因是人为失误，为何总是 把注意力集中在技术方面呢? “一个政策无论它在减少海事影响方面是多么成 功，只要不把人为失误考虑进来，就永远不能减少海事的发生”【l l 】。 航运界对人的因素的研究主要致力于以下几个方面：影响船员行动因素的系 统调查；有关人的因素的数据收集与分析：改善人一一船接口的方法；人的因素 分类以及人的可靠性问题【1 2 1 。 从上个世纪9 0 年代初期起，i m o 开始将人的因素的研究纳入议事日程 1 3 , 1 4 , 1 5 】， 其主要工作集中在五个方面：海上安全管理，疲劳，综合安全评估( f s a ) ，船员 第1 章绪论 适任标准以及海上事故调查。m 0 的目的是通过研究，进而采取有效措施，如制 定规则、标准、指南、手册等，以减少人的因素的负面影响【1 6 1 。 在海上安全管理方面，i m o 制定了安全管理规则( i s m 规则) 。i s m 规则 是i m o 制定的涉及人的因素最有代表性的文件，其目的是“为船舶安全管理和操作 以及防止船舶污染海洋提供一个国际标准”。该规则的通过标志着i m o 从主要依赖 技术标准促进海上交通安全，向同时减少人的因素影响来提高海上交通安全水平 转变【1 7 1 ，通过管理和安全文化，解决操船人员的安全态度，正如奥尼尔先生所言 “虽然我们都按公约、规则办事，但我们的态度不同，有我要( w a n t t o ) ，还有 我不得不( h a v et o ) ，要真正达到航行安全的目的，航运界必须培育我要的态 度【1 3 】。 在船员适任性方面，i m o 主持制定了1 9 7 8 年海员培训、发证和值班标准国 际公约( s t e w 公约) 并进行了全面修订。s t e w 公约为各国提供了一个普遍接受 的海员培训、发证和值班标准方面的最低标准，该公约于1 9 8 4 年4 月2 8 日生效 后，对促进缔约国海员素质的提高，控制人的因素对海难事故的影响做出了巨大 的贡献。且随着海运业的发展，船舶科技水平的提高，配员的多国化，以及i m o 及其成员国对人的因素的日益重视和对航行安全的严重关注，i m o 对s t e w 公约 进行了多次修正。1 9 9 5 年s t e w 修正案和s t e w 规则于9 8 年8 月1 日起强制实 施。经全面修订的s t e w 公约增强了对缔约国主管机关的国际性监督，强调了在 全球实施s t e w 公约的统一性和规范性，从制度上强化了港口国对海员适任性的 监督，保障各国的海员至少达到s t e w 公约规定的最低适任标准和值班标准；在提 高职业要求的同时，增强了对海员培训、考试、评估和发证的质量控制，目前有 1 3 7 个缔约国加入该公约，约占世界商船吨位的9 8 。近年来，i m o 对s t c w 公 约又一次全面修正，预计2 0 1 0 年将通过新的全面修正案。 我国政府为履行s t c w 公约( 以下称履约) 进行了卓有成效的工作 i s , 1 9 ：建 立全面覆盖s t e w 公约各项规定，涵盖培训、发证、值班三大内容的规章、实施 措施及技术性规范三个层次的体系结构，包括3 个交通部部门规章、1 0 个专业和 特殊培训规定及1 7 5 个适任考试和评估大纲。在政府教育主管部门的直接主持下， 航海教育和培训机构全面修订了航海教育与培训计划，并且重点在新技术应用、 基于粗糙集和神经网络的海船船员适任性研究 英语能力、实际动手能力、敬业精神和法律知识等方面强化教育和培训。在教学 内容、手段和实施方面，按s t c w 公约的最新要求，重新编写统一的教材和相关 材料；积极鼓励航海教育与培训机构使用各种功能的模拟器；全面提高师资的职 业资格和加大航海教育与培训机构实验设备的投资力度。 参考国际标准化组织i s o9 0 0 0 质量体系的基本原理，主管机关颁布了船员教 育、培训、考试、评估和发证的质量体系标准，并对质量体系的建立、审核和认 证后管理出台了一整套系统、规范的程序和指导文件。目前，所有航海教育与培 训机构和海事管理机构都已建立了相应的质量标准体系。 实施海员培训的专家组审核制度有效地解决了作为世界上海员最多国家以及 航区、船舶种类、等级较为复杂的国情所出现的难以解决的问题。实践证明，专 家组审核制度对保障海员培训管理的连续性和有效性起到了积极的作用和良好的 管理效果。这一制度的建立不仅是履行s t c w 公约方面的重要举措，而且，也在 国际海事界树立了一个良好的形象。 针对s t c w 公约要求并结合以往我国海员教育与培训重书面知识、轻实践技 能、轻综合应用能力和紧急应变能力的情况，编制了s t c w 公约中规定的各个单 项培训和我国法规、规章中规定的各项实践考核评估项目的技术规范标准，指导 各航海院校、海员培训中心和海事机构按照统一的标准进行教学、训练和考试。 基于上述背景，本学位论文选择海船船员适任性采用先进且实用的数理分析 方法对我国海船船员的适任性进行定性与定量相结合的评价，并对海船船员适任 因素与海事的致因关系进行量化分析，以便为提高我国海船船员的适任水平和在 国际劳务市场的竞争力提供具有学术参考价值和实际指导意义的研究成果。 1 1 2 研究现状 在海运安全评价方面，国内外的学者们进行了相关的研究。文华对国内外海 运安全评价指标和评价模式进行了分析【2 0 】。事故数评价指标方面，国际上长期以 来采用“事故数 、“事故死亡人数 、“千船事故率”、“沉船率 4 个事故 绝对数指标作为海上交通安全评价指标f 2 1 ，2 2 2 3 1 ，后来又提出“p 刊 指标【2 4 】；我国 交通主管部门一直采用“事故次数”、“直接经济损失”、“死亡和失踪人数 、 “受伤人数和“沉船艘数”这五项指标来评价水域或航运企业交通安全状况 。 第1 章绪论 除了海事统计报告中广泛采用的事故评价指标外，国外的研究者则主张从风险的 角度研究海运安全评价问题【2 5 1 2 6 翊，风险定义为不希望事件发生的概率和严重性 2 8 , 2 9 1 。还有一些研究通过建立计算机模型，通过仿真试验，统计成功和失败的情 况，从中得到所需要的风险指标值【3 0 烈, 3 2 1 。在我国海事专家在建立综合评价指标体 系进行安全评价方面也取得了一些成果。邵哲平等人建立了人、船、交通环境系 统安全评价模糊推理系统，将人、船、交通环境因素操船危险度最为输入，进行 海上交通安全评价【3 3 】。卓永强等人提出隐患因素与风险因素相结合的方法，利用 计算机模拟船舶在狭水道的操纵过程得出风险指标评价值【3 4 1 。 国外在船员适任性方面的研究，主要集中在人的因素对航行安全的影响【3 5 , 3 6 , 3 7 和海事安全文化方面。i m o 前秘书长奥尼尔先生强调了关注入的因素对航行安全 的重要性1 3 8 , 3 9 ，也有专家对海船船员的教育、培训和激励问题进行了研究【4 0 4 1 1 。还 有专家成功运用心理测试技术对高级船员的适任性进行7 狈t j 试【4 2 】。同时国外在人 的因素统计研究方面取得了一些成果。在对船员疲劳的研究方面，美国海岸警卫 队( u s c g ) 的研究表明1 6 的船舶事故和3 3 的人员伤亡事故与疲劳有关【4 3 】。 澳大利亚的研究表明驾驶员疲劳在海上事故致因中占1 0 2 5 1 4 4 1 。在对船员知识 水平研究方面，一项研究表明7 8 的船员缺乏有关船舶的系统专业知识，大多数 船员不能理解船上的自动化设备是如何工作的【4 5 】。知识体系的不完善使船员常常 在使用设备时犯错误，另一项研究表明3 5 的事故源于船员无法正确使用设备【4 6 】。 u s c g 的研究指出，在所调查的海事中，2 2 的重大事故与船员的知识和技能缺陷 有关【4 7 】。在船员任职资格研究方面。卡地夫大学海员国际研究中心( s i r c ) 对全 球3 7 0 0 多名海员所做的系统调查表明，在许多船上有不胜任的船员。其研究方法 如下：由引航员填写标准调查表，评分标准按1 0 0 分计，低于7 0 分的则认为船员 素质差，低于6 0 分则认为船员素质非常差。此次调查平均得分7 7 分，其中澳大 利亚( 8 8 分) 、西欧( 8 2 分) 、北欧国家( 8 3 分) 得分较高，且低于6 0 分的比例 分别为1 、4 、1 ；环黑海国家( 6 8 分) 、环太平洋国家( 6 9 分) 、东欧国家( 7 0 分) 的得分较低，且低于6 0 分的比例较大，分别为2 5 、2 2 、1 8 4 引。 有关船员之间通迅交流质量对船员任职能力影响的一项研究表明，甲板部船 员只使用一种语言，平均得分7 8 分；甲板部船员使用两种语言，平均得分低于7 6 ： 基于粗糙集和神经网络的海船船员适任性研究 使用三种以上语言的得分仅为6 9 分。此外1 6 的船员使用符号语言，平均得分降 低1 4 分，9 的船员使用图文语言，平均得分降低6 分 4 9 1 。u s c g 在研究中将船 员之间通迅交流过程分为四个阶段，研究表明7 8 的通迅交流问题出在“信息准 备 和“信息发送 阶段，同时“船长与引航员之间信息交流不畅 被列为三大 船员安全影响因素之一【5 0 】。 随着国际社会对人的因素的重视和我国履约工作的开展，国内对海船船员适 任性的研究也得到了发展，从定量和定性两个方面开展了许多的研究。典型的定 量研究有：黄燕品【5 l 】在分析海上安全研究状况的基础上确立了人为失误风险性评 价指标体系，并经专家调查利用模糊综合评价法探索了人为失误风险的定量评估； 曾华岚【5 2 】采用定性和定量相结合的分析方法，借助于模糊推理方法建立了影响船 舶交通安全的船员总体安全水平的定量化评价模型；文华【2 0 】将船员安全状况评价 指标作为海运企业安全状况评价指标体系中的一个子系统进行了研究；刘先杰【5 3 j 根据船公司任用船员的实际标准，研究确定了评价船员持证后适任性的指标体系， 并建立了人一船一环境安全系统中评价船员适任能力的量化评价模型；张锦朋1 5 4 】 等从人一船一环境安全系统基本要素出发，全面分析了导致航海人员不安全行为 的各种因素后研究了评价航海人员安全行为的指标体系，并从理论上探讨了建立 综合评价模型的可能性；余廉【5 5 】从宏观和微观层面提出了水运交通灾害预警中船 员状况监测指标并研究了人工神经网络技术在水运灾害管理中的应用。高守一【5 6 l 建立了船员个体可持续发展能力的评价指标体系，利用层次分析法构建了综合评 价模型。王兴琦等【7 】研究了船长实际适任能力评价体系，并建立了模糊综合评判 模型从业务、管理、生理和心理素质对船长实际适任能力进行了评价。徐红明【5 8 】 建立了四个层次的船员适任性评价指标体系，运用层次分析法和灰色评价理论构 建了海船船员适任性多层次灰色评价模型，对海船船员的适任能力进行了定量评 价。 对海船船员适任性的定性研究，主要集中在船员素质与航行安全、船员适任 性研究两个方面。国内航海界的专家学者在船员素质和航行安全方面有大量的研 究，仅中国航海学会船员综合素质与安全论文集就收录6 8 篇之多，其中涉及船员 综合素质内涵1 2 篇，综合素质与保证安全4 5 篇，综合素质与未来1 1 篇【5 9 1 。在船 第l 章绪论 员适任性研究方面，陆军提出影响船员适任性的因素主要有教育和培训，专业知 识和技能，工作能力，工作态度，证后管理以及身心素质【6 0 】。航海教育界的专家 学者对航海类教学改革，促进海船船员适任能力的提高进行了研究【6 1 , 6 2 , 6 3 , 6 4 ，也有 专家学者在海船船员培训、考试及评估方面进行了研究6 5 , 6 6 , 6 7 , 6 8 ，在船员适任能力 和标准研究方面，也有一些研究成果f 6 9 , 7 0 , 7 1 】。海事信息化技术在保障海船船员适任 能力方面也有研究【7 2 , 7 3 , 7 4 。 1 1 3 问题的提出 船舶运输安全学将船舶运输系统分为人、船、环境3 个子系统【7 5 】。海上交通 工程学者在对海上交通进行研究时也将船员、船舶和环境3 个要素纳入一个系统 中，探索各自内在的规律性及相互作用，以达到海上交通安全畅通【7 6 1 。加上“管 理”这个安全科学的基本要素，四个要素就构成了m m e m 系统【7 7 7 引。海上交通结 构模型如图1 1 所示【5 5 1 ，其中一个或几个要素出现问题，就可能导致事故的发生。 一般认为船员因素往往起决定性作用；船员的适任水平如身体状况、知识水平、 航海技能、思想意识以及航海经验，都直接影响船员行为。 图1 1 海上交通结构模型 f i g 1 1m a r i n et r a f f i cs t r u c t u r em o d e l 图1 1 的结构模型【5 5 】包括了8 个区域，分别为船员因素区、船舶因素区、环境 因素区、管理因素区、船员船舶综合因素区( a ) 、船员_ 环境综合因素区( b ) 、 环境船舶综合因素区( c ) 、船员船舶环境综合因素区( d ) 。 基于粗糙集和神经网络的海船船员适任性研究 从致灾机理上说，上述8 个区域共对应8 种致灾情形，分别是船员因素致灾、 船舶因素致灾、环境因素致灾、船员船舶综合因素共同致灾( a ) 、船员一环境 综合因素共同致灾( b ) 、环境一船舶综合因素共同致灾( c ) 、船员船舶一环境 综合因素共同致灾( d ) 、管理因素致灾，管理的对象是以上7 个区域的活动。 正如海事安全专家强调的那样，目前的海上安全研究绝大部分从系统的角度 出发，将人、船、环境因素作为系统安全因素，构造包含船员、船舶、海上环境 各方面因素在内的安全评价指标体系，从系统整体出发，对系统中船员、船舶、 海上环境安全因素进行评价，充分体现了事前安全的思想，同时由于综合考虑了 影响系统安全的各种因素，可以较为全面反映系统的潜在危险性。从本质上讲， 这是一个从灰色系统的角度，从系统各种因素的安全来考察系统整体的安全。 船员系统安全影响因素众多，各种影响因素之间关系相当复杂。由于缺乏对 船员系统安全影响因素及其相互关系进行系统分析的研究成果，使得对船员系统 安全状况的认识处于模糊状态。 目前虽然有专家学者对船员适任性进行了一些研究，也取得了一定的成果。 但该项研究尚有待进一步深入，尤其在构建评价指标体系和船员的适任水平评估 的系统化和定量化方面。例如针对具体研究对象建立评价指标体系和选择评价方 法，尚有一定的局限性，主要表现在： 评价指标方面。研究者针对具体情况，通过问卷和文献查阅后设计出的评价 指标体系，基本能满足具体评价的需求，但部分指标针对性不够强，有些指标过 于理想化，有些操作性不够强，未能紧密结合实际以更为全面地反映海船船员适 任状况。 评价方法方面。研究者采用模糊或灰色理论作为评价方法，评价参数的选取 以专家调查为主，客观性不够强，可能会导致评价结果产生较大偏差。 评价数据方面。评价数据的客观性不太够，引用的数据尚不能充分满足船员 适任性评价的实际要求。 1 1 4 研究意义 本文将从安全管理的角度出发，通过分析海船船员适任的特征，进一步明确 海船船员适任性评价的指标，对我国海船船员进行定量的和系统评价，并希望由 第1 章绪论 此促进航运界在此领域进一步深入研究。 本研究利用粗糙集理论对来自海事调查报告的数据进行挖掘，在一定程度上 减少了评价参数选取的主观性。通过粗糙集数据分析，从可信度和粗隶属度入手， 揭示海船船员适任性和海事发生的内在联系。应用神经网络的精确逼近功能，从 绝对概率的角度，评价海船船员适任性。 从实践上说，国际船员劳务市场重心已向东移。我国有5 0 多万海员，但外派 船员仅4 5 万人，所占市场份额很低，与我国丰富的劳动力资源和航海教育资源不 成比例【7 9 】。我国政府在履约过程中制定了一整套的管理办法，特别是如中华人 民共和国海船船员适任考试、评估和发证规则( 以下称0 4 规则) 8 0 】，对船员 的适任标准作了明确规定，对提高我国船员的整体素质起了积极的作用。但不可 否认，我国是一个发展中国家，目前东部沿海地区和经济发达地区愿意进入船员 队伍的人员逐渐减少，国家积极鼓励中西部地区有志青年的参与，但受客观条件 和其他种种原因的限制，与主管机关和航运公司的要求，客观上限制了船员队伍 的发展。因此本研究取得的成果可为主管机关的决策提供参考。 1 2 研究方法和研究内容 1 2 ，1 研究方法 在海上安全定量评价中，研究者提出了很多的评价方法，如事故树分析法 i 8 1 , s 2 , 8 3 、模糊综合评价法 8 4 , 8 5 8 6 8 7 , 8 8 , 8 9 】、灰色系统安全评价法 9 0 , 9 1 , 9 2 1 、计算机模拟评 价法 9 3 , 9 4 、神经网络评价法【9 5 , 9 6 , 9 7 , 9 8 1 、层次分析法【5 s , 7 6 等。而对船员安全水平的定 量评价，主要以模糊综合评价为主。模糊综合评价的一般程序可归纳为： ( 1 ) 评价指标体系的设计与确定 ( 2 ) 评价指标权重的确定 ( 3 ) 隶属函数的确定 ( 4 ) 综合评判模型的建立 ( 5 ) 计算机辅助评价 ( 6 ) 模型验证 由于海上安全或危险本身就是一个模糊概念，且影响评价的因素众多，具有 基于粗糙集和神经网络的海船船员适任性研究 较强的模糊性，对危险度的安全等级很难明确界定，只是一种在某一安全等级前 后的模糊分布。在海上安全评价时，用模糊风险值评价系统安全程度，将复杂的 评价计算过程自动化，具有较强的实用性。但是这种方法也存在局限性，即其评 价指标的权重确定，隶属函数的确定、模型算子的选取依赖于经验和专家判断， 具有较大的主观性，有可能影响评价的结果。本研究意在解决上述问题，利用粗 糙集数据分析技术和人工神经网络对船员适任水平进行定性和定量研究。 粗糙集( r o u g hs e t s ，r s ) 理论嗍由波兰学者p a w l a k 于1 9 8 2 年提出的，它 作为一种刻化具有不完整性和不确定性的信息全新的数学工具，已经成为人工智 能领域的一个新的学术热点【l o o 。 粗糙集方法与模糊集方法最大的不同是：后者需要依赖先验知识对不确定性 的定量描述，如统计分析中的先验概率、模糊集理论中的模糊度等等；而前者只 依赖数据内部的知识，用数据之间的近似来表示知识的不确定性。用粗糙集来处 理不确定性问题的优点在于，它不需要关于数据的预先或附加的信息，而且容易 掌握和使用。 粗糙集模型是一种结构化的，非数值化的信息处理方法，适用于离散数据处 理，对于连续数据的处理能力有限【1 0 。目前基于粗糙集的数据分析方法多是针对 离散数据的。运用粗隶属度函数分析得到的结果可以解释为条件概率。人工神经 网络，作为人工智能领域的一个重要分支，它最能吸引人的一点是其数值逼近能 力。它能够处理定量的、数值化的信息，能较好适用于指标之间相互影响而呈现 非线性关系的情况且样本容量不受限制。较粗糙集方法而言，人工神经网络方法 能够得出更精细的结梨1 0 0 。本研究分别从粗隶属度和绝对概率两个方面，研究海 船船员适任性与海事发生的内在联系。 1 2 2 研究内容 本研究共分6 章。 第1 章介绍本研究的选题背景和研究意义及研究内容，对i m o 在人的因素 研究工作和我国履行s t c w 公约的工作进行了简单回顾，然后对国内外在本研究 领域的工作进行了概述，并分析了前人的研究，说明了本研究的研究目的和研究 重点。 第1 章绪论 第2 章主要研究我国海船船员的的基本状况。鉴于目前在该方面的研究主 要集中在航海教育和航海技术方面，对海员群体的现状和特性不甚了解，本研究 借助数理统计技术、数据库和问卷调查等手段，综合分析了我国海船船员的状况。 第3 章介绍s t c w 公约对船员适任性的一般规定、我国船员考试评估及发 证的相关规定，在确定本研究的范围的基础上，明确了海船船员适任指标的选取 原则，建立了针对性较强的海船船员适任性评价体系。 第4 章主要对船员适任性进行系统分析，运用粗糙集理论离散数据，约简 决策表，对海事调查报告进行数据挖掘并计算规则可信度和粗隶属度，分析船员 适任性评价体系各指标与海事发生的关系。 第5 章利用神经网络的精确逼近功能，从事故致因的分析入手，研究单指 标条件下海船船员适任性评价指标体系中各指标与海事发生的概率。 第6 章总结本研究完成的主要任务，分析本研究有待完善的方面，基于数 据收集过程中发现的问题提出了做好我国海船船员数据收集工作的设想。 1 3 本研究创新点 本研究的主要创新点有： 提出了采用粗糙集数据挖掘方法定量研究海船船员适任性的新途径。初步解 决了目前在该领域所用的评价方法的局限性。用粗糙集来处理不确定性问题的优 点在于它不需要关于数据的预先或附加的信息，粗隶属度的计算是从被分析的数 据中直接获取而比较客观，可降低评价者对评价结果的影响，且用粗隶属度代替 条件概率可降低计算的复杂程度。基于粗糙集数据处理系统的粗糙集数据约简技 术提高了研究结果的通用性和适用度。 首次将b p 神经网络的精确逼近功能运用到对船员适任性的评价中。运用 m a t l a b 7 0 建立了两个三层b p 网络的仿真模型，较精确地分析了单指标条件下 海船船员适任性评价指标与海事发生的关系。 基于粗糙集和神经网络的海船船员适任性研究 第2 章我国海船船员基本状况 2 1 研究现状 国家海事主管机关每年以年报或汇编形式【1 0 2 , 1 0 3 , 1 0 4 发布我国船员基本信息，主 要内容涉及船员专业、特殊培训考试的总期数和总人数，船员适任考试期数和证 书发放数量等事宜，提供的数据具有一定的权威性。 除上一章介绍的航海界的专家和学者在技术层面研究如何提高我国海船船员 的适任能力外，还有关于我国海船船员的国际劳务市场竞争力方面的研究。宋溱【1 0 5 1 分析了国际海员劳务市场的情况，讨论了过中国海员劳务外派的发展前景和面临 的困难以及中国海员的弱点，提出了对我国航海教育和船员培训进行改革的若干 设想；顾剑文【1 0 6 , 1 0 7 】通过对国际劳务市场和中国船员资源的数量和质量的分析，认 为中国远洋高素质船员资源严重短缺，发展中国远洋船员劳务外派产业的机遇和 挑战并存，并就如何应对国际劳务市场的需求，培养高素质远洋船员提出了见解； 王建平等人【1 0 明研究了影响我国海船船员国际竞争力的因素后，提出了加强船员实 际操作能力和应急反应能力，建设国家级实操评估中心，完善动态管理等措施提 高海船船员的适任能力。这些研究的角度不尽相同，但都涉及我国海员自身素质 的问题。 上海大学沈关宝教授等人【1 0 9 ，对我国海船海员的工作和生活状况进行了较为 系统的调查研究，该研究包括：( 1 ) 作为宏观背景的中国海运业现状和航海教育； ( 2 ) 海员的群体规模和数量特征；( 3 ) 海员的招募、工作和生活；( 4 ) 海员劳动 力外派的现状和问题：( 5 ) 海员劳动力市场的进程、问题与前景。该研究运用实 地考察、深度访谈和抽样调查的方法搜集资料，然后经过分析、整理，得出了许 多颇有参考价值的数据。 2 2 我国海舟r 日1 旁r 日1 员的数量 由于我国的海员从未实行过严格的登记制度，主管部门也没有进行过严格意 义上的普查，因而从不同的统计口径得到的数据有较大差距【1 0 9 ，通常的认为是我 国现在拥有1 5 5 万船员，其中海船船员约6 9 万 1 l o 。 截至2 0 0 8 年底通过对海船船员信息数据库的统计，持适任证书的职务船员( 以 第2 章我国海船船员基本状况 下称职务船员) 共有1 8 6 7 5 9 人。 2 3 职务船员持证状况的研究 2 3 1 职务船员总体持证状况 综合各类定义和国内法律、法规的定义 2 , 8 0 a l l 】，本文将适任证书定义为：按照 有关国内法律、法规和s t c w 公约的要求，由授权的海事管理机构签发的，认可 合法持证人在相关种类、航区、吨位、推进功率和推进方式的船舶以所指定的责 任等级和功能从事航行服务的证书。 根据海船船员信息数据库相关数据进行统计，得出截至0 8 年底持各类海船船 员适任证书的职务船员数量，见表2 1 至表2 4 。 表2 1 持甲类海船船员适任证书人数 t a b 2 1t y p ejc e r t i f i c a t eh o l d e r s 资料来源：海船船员信息数据库 基于粗糙集和神经网络的海船船员适任性研究 资料来源：海船船员信息数据库 表2 3 持丙类海船船员适任证书人数 t a b 2 3t y p ebc e r t i f i c a t eh o l d e r s 资料米源：海船船员信息数据库 第2 章我国海船船员基本状况 表24 孝t 英洱册册员遗任证书人数 t a b2 4 聊d c e r t i f i c a t eh o l d e r s 船长8370 大副 7 4 8 0 二副 2 4 0 0 一 ! 副 1 7 5 0 轮机长 9 2 0 0 太管轮 7 6 0 0 二管轮 2 7 7 0 三营轮 l5 0 0 从表2i 至表2 4 可以得到，持甲类证书者9 5 4 8 7 人，持乙类证书者5 3 4 0 人 持丙类证书者4 4 8 6 2 人，持丁类证书持有者4 1 0 7 0 人。各类别证书持有者分布图 如图2 i 所示。 国2i 各类别证书持有者分布图 f i g2ld i s t r i b u t i o no f c e r t i f i c a t eh o l d e r s 232 基于适任证书类别的分析 ( 1 ) 甲类适任证书 基于粗糙集和神经网络的海船船员适住性研究 2 0 0 1 年底( 以下称2 0 0 1 年) 的统计资料表明，我国海船船员持甲类证书者为 3 8 2 3 7 a t 1 嘲，2 0 0 1 年和2 0 0 8 年底( 以下称2 0 0 8 年) 甲类证书持有人对比如图2 2 。 图222