顧麗娟 劉孝磊 孫慧靜 劉 波

（海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)部 煙臺(tái) 264001）

船舶安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定＊

顧麗娟 劉孝磊 孫慧靜 劉 波

（海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)部 煙臺(tái) 264001）

船舶安全管理是一個(gè)受眾多因素影響的復(fù)雜系統(tǒng)。為了科學(xué)地對(duì)船舶安全管理管理系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，論文根據(jù)系統(tǒng)工程的人－機(jī)－環(huán)境－管理理論，提出了船舶安全管理評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，并運(yùn)用模糊聚類的方法對(duì)該指標(biāo)體系進(jìn)行篩選和優(yōu)化，進(jìn)而得到精簡(jiǎn)的指標(biāo)體系，這為船舶安全管理的科學(xué)評(píng)估提供了理論依據(jù)。

船舶；指標(biāo)篩選；安全管理；模糊聚類分析；模糊相似矩陣

Class NumberU676.1

1 引言

海洋運(yùn)輸屬高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，船舶型號(hào)復(fù)雜，擔(dān)負(fù)的任務(wù)各不相同，管理水平參差不齊，存在著許多隱患，常常導(dǎo)致船舶發(fā)生海上事故［1～2］。為從根源上解決這些問題，有必要建立船舶安全管理評(píng)價(jià)體系，通過評(píng)估查找、分析船舶運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)和有害因素，識(shí)別船舶安全管理中的缺陷和不足，為減少事故隱患和實(shí)現(xiàn)科學(xué)化的船舶安全管理提供決策建議和理論依據(jù)。

船舶安全管理評(píng)價(jià)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到的問題較多，具有多因素、不確定性和難以度量等特點(diǎn)。目前，對(duì)于船舶安全管理評(píng)價(jià)方面的研究不是很多［3］，面對(duì)一個(gè)如此復(fù)雜、模糊的系統(tǒng)，很難用單因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，我們常常建立指標(biāo)體系來綜合評(píng)估它。對(duì)于指標(biāo)體系的建立，如果片面地追求指標(biāo)體系的全面性，企圖使指標(biāo)體系包含研究對(duì)象所有的特征，結(jié)果往往造成指標(biāo)選擇過多，導(dǎo)致專家判斷上的困難，而且也容易導(dǎo)致指標(biāo)的權(quán)重過小，使反映主要特征的指標(biāo)沒能體現(xiàn)出來，造成評(píng)估結(jié)果失真，因此，需要對(duì)指標(biāo)體系中指標(biāo)數(shù)量進(jìn)行合理的設(shè)置和科學(xué)的篩選［4～5］。本文首先從人、機(jī)、環(huán)境和管理四個(gè)方面建立一個(gè)較粗但較為全面的指標(biāo)體系，這些指標(biāo)基本涵蓋了船舶安全管理評(píng)價(jià)所包含的有效信息，再利用模糊聚類方法對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行篩選和優(yōu)化，進(jìn)而建立一個(gè)簡(jiǎn)潔、有效的船舶安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)集。

2 方法及步驟

聚類分析就是按照分析對(duì)象之間在性質(zhì)、特征等方面的相似程度進(jìn)行分類的一種方法。聚類分析的對(duì)象是樣本，樣本是由能反映其特征的若干指標(biāo)，即聚類指標(biāo)來表征的。假設(shè)有m個(gè)樣本，每個(gè)樣本有n項(xiàng)屬性作為分類指標(biāo)，設(shè)被分類的指標(biāo)集為｛x1，x2，…，xn｝，第j個(gè)樣本的第i個(gè)指標(biāo)變量的取值為aij（i＝1，2，…，n，j＝1，2，…，m）。

模糊聚類的優(yōu)點(diǎn)是在無任何專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，就能給出各個(gè)變量之間的關(guān)系，即用模糊的方法來處理聚類問題。利用模糊聚類方法確定指標(biāo)體系主要分為以下幾步［6］：

1）確定隸屬函數(shù)，求得初始化數(shù)據(jù)矩陣

模糊數(shù)學(xué)的基本思想是隸屬度的思想。應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵是建立符合實(shí)際的隸屬函數(shù)。本文給出以下隸屬函數(shù)的確定方法：

定義1 隸屬函數(shù)的定義［7］

設(shè)t是某類屬性的分類數(shù)，Ap為第p個(gè)類，N（Ap）為類Ap包含的屬性值的個(gè)數(shù)，X為Ap的一個(gè)屬性值，其隸屬函數(shù)為

經(jīng)上述處理得到初始化數(shù)據(jù)矩陣，用bij表示第i行第j列的屬性值，則有0≤bij≤1，且bij的大小反映了該屬性值，對(duì)于屬性的依賴程度。

2）建立模糊相似矩陣

用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)計(jì)算出衡量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)之間的相似程度rij，這步工作也稱為標(biāo)定，標(biāo)定的方法很多，如數(shù)積法、相關(guān)系數(shù)法、絕對(duì)值指數(shù)法、最大最小方法等。本文從實(shí)際情況出發(fā)，采用最大最小方法，即

根據(jù)式（2），建立關(guān)于指標(biāo)的模糊相似矩陣R＝（rij）n×n，其中rij＝rji且rii＝1。

3）構(gòu)建模糊等價(jià)矩陣

上述矩陣R＝（rij）n×n一般不滿足傳遞性，即不具有模糊等價(jià)關(guān)系，必須根據(jù)傳遞閉包原理進(jìn)行改造。改造方法是按模糊關(guān)系合成原則，分別計(jì)算

直至

R＊便是模糊等價(jià)矩陣。

4）模糊聚類和指標(biāo)篩選

適當(dāng)?shù)剡x取閾值λ∈［0，1］，求出R＊的λ截矩陣，根據(jù)不同的要求，對(duì)模糊等價(jià)矩陣進(jìn)行模糊分類。

對(duì)已經(jīng)做好的分類，可從每一類中選取一個(gè)具有代表性的指標(biāo)作為典型指標(biāo)具體的方法是：首先計(jì)算各個(gè)分類指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)，再計(jì)算每個(gè)指標(biāo)與其他指標(biāo)相關(guān)系數(shù)平方的均值，即相關(guān)指數(shù)，從中選取相關(guān)指數(shù)最大者為典型指標(biāo)。如果分類中只有一項(xiàng)指標(biāo)，直接將其納入指標(biāo)集；如果分類中有兩項(xiàng)指標(biāo)，可任選其一。

3 指標(biāo)體系的初建

3.1 指標(biāo)的選取原則

評(píng)價(jià)指標(biāo)的初選需要遵循以下原則：

1）目的性原則。在初建指標(biāo)體系前，首先必須明確和評(píng)價(jià)目的，它們?cè)谝欢ǔ潭壬蠜Q定了指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法。

2）客觀性原則。所選擇的指標(biāo)盡可能以客觀的數(shù)據(jù)資料為依據(jù)，盡量減少主觀評(píng)判過程，使評(píng)價(jià)結(jié)果能夠客觀地反映船舶安全管理的真實(shí)情況。

3）可行性原則。指標(biāo)體系的設(shè)定要具有可操作性和實(shí)用性，要考慮到評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)收集和綜合評(píng)價(jià)模型使用時(shí)的方便、快捷。

4）系統(tǒng)性原則。選擇的指標(biāo)要盡可能地覆蓋評(píng)價(jià)的內(nèi)容，能全面地反映船舶安全管理的各個(gè)方面，并且具有很好的代表性。

5）時(shí)效性原則。所選指標(biāo)不僅要能夠反映一定時(shí)期內(nèi)系統(tǒng)安全性的變化，而且要具有適時(shí)性，在指標(biāo)容易發(fā)生變化時(shí)也能適用。

3.2 指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

船舶運(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)，習(xí)慣上稱人－船舶－環(huán)境系統(tǒng)。人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)在自然的運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生要素間的不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致一方壓倒它方或多方的情況，從而引發(fā)事故。因此人為干預(yù)（管理）必須貫徹始終，形成“人－機(jī)－環(huán)境－管理（Man－Machine－Environment－Management）”系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱MMEM系統(tǒng)［8］。

本文從MMEM系統(tǒng)科學(xué)理論出發(fā)，遵循上述指標(biāo)體系的構(gòu)建原則，通過梳理文獻(xiàn)［9～11］和專家的綜合判斷，選擇人、機(jī)、環(huán)境和管理四個(gè)方面的因子作為聚類指標(biāo)。其中，人子系統(tǒng)指標(biāo)包括：安全價(jià)值觀（I1）、安全管理知識(shí)技能（I2）、海上資歷（I3）、專業(yè)與學(xué)歷適合崗位程度（I4）、責(zé)任心及安全意識(shí)（I5）、身心素質(zhì)（I6）、日常安全工作情況（I7）、應(yīng)急管理能力和反映能力（I8）、安全培訓(xùn)程度（I9）；機(jī)子系統(tǒng)包括：缺陷糾正措施情況（I10）、安全檢查制度（I11）、船齡危險(xiǎn)度（I12）、船舶綜合技術(shù)情況（I13）、船舶違章、險(xiǎn)情、事故記錄（I14）、船務(wù)人員培訓(xùn)工作（I15）；環(huán)境子系統(tǒng)包括：惡劣海況規(guī)避措施及執(zhí)行情況（I16）、復(fù)雜航段航行措施及執(zhí)行情況（I17）、應(yīng)急規(guī)避措施的執(zhí)行情況（I18）、船舶破損后管理措施及執(zhí)行（I19）、工作環(huán)境的安全性（I20）、防護(hù)措施的配置情況（I21）、危險(xiǎn)作業(yè)防護(hù)措施及執(zhí)行（I22）；管理子系統(tǒng)包括：安全方針（I23）、信息管理（I24）、控制決策靈敏度（I25）、情況反饋機(jī)制健全程度（I26）、任務(wù)完成程度（I27）、管理制度落實(shí)程度（I28）。

4 實(shí)證分析

表1 原始數(shù)據(jù)表

由于船舶安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)中存在大量定性分析指標(biāo)，采用李克特五點(diǎn)量表對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行賦值：｛非常不滿意，不滿意，稍微滿意，滿意，非常滿意｝分別以“1，2，3，4，5”的數(shù)值量化，以期更有效地測(cè)度各評(píng)價(jià)指標(biāo)。

選取煙臺(tái)港某船舶數(shù)據(jù)作為樣本，這里樣本容量為8個(gè)，原始數(shù)據(jù)如表1所示。

4.1 數(shù)據(jù)的初始化處理

由式（1）求出各屬性的隸屬函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化處理，得到初始化數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 初始化數(shù)據(jù)表

4.2 建立模糊相似矩陣

采用最大最小法建立模糊相似矩陣，由式（2）得到人、機(jī)、環(huán)境和管理這四個(gè)方面的模糊相似矩陣R如式（4）～式（7）所示。

4.3 建立模糊等價(jià)矩陣

利用傳遞閉包原理，得到人、機(jī)、環(huán)境和管理這四個(gè)方面的模糊等價(jià)矩陣R＊如式（8）～式（11）所示。

4.4 模糊聚類

對(duì)λ從大到小依次賦值，對(duì)模糊等價(jià)矩陣進(jìn)行聚類。與人、機(jī)、環(huán)境和管理這四個(gè)方面相關(guān)的指標(biāo)聚類結(jié)果分別如表3～表6所示。

表3 與人子系統(tǒng)相關(guān)的指標(biāo)聚類結(jié)果

表4 與機(jī)子系統(tǒng)相關(guān)的指標(biāo)聚類結(jié)果

表5 與環(huán)境子系統(tǒng)相關(guān)的指標(biāo)聚類結(jié)果

表6 與管理子系統(tǒng)相關(guān)的指標(biāo)聚類結(jié)果

4.5 指標(biāo)的篩選

本文擬在人、機(jī)、環(huán)境和管理子系統(tǒng)這四個(gè)方面的28項(xiàng)指標(biāo)中選取12項(xiàng)指標(biāo)，其中每個(gè)方面包含三項(xiàng)指標(biāo)。因此，對(duì)人子系統(tǒng)方面，選擇λ＝0.6171，具體分類為｛I1，I3，I4，I5，I6，I7，I9｝，｛I2｝，｛I8｝。其中｛I2｝，｛I8｝是單獨(dú)一類，可直接納入指標(biāo)集；｛I1，I3，I4，I5，I6，I7，I9｝聚為一類，需要從中選出一個(gè)典型指標(biāo)納入指標(biāo)集。

采用相關(guān)指數(shù)法計(jì)算人子系統(tǒng)｛I1，I3，I4，I5，I6，I7，I9｝的相關(guān)指數(shù)。首先由式（4）得到｛I1，I3，I4，I5，I6，I7，I9｝的相關(guān)系數(shù)rij，如表7所示。

表7 相關(guān)系數(shù)

計(jì)算人子系統(tǒng)｛I1，I3，I4，I5，I6，I7，I9｝的相關(guān)指數(shù)，結(jié)果如下所示。

顯然，R3最大，將I3作為典型指標(biāo)納入指標(biāo)集。故人子系統(tǒng)的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為｛I2｝，｛I3｝，｛I8｝。對(duì)其他三個(gè)子系統(tǒng)，重復(fù)上述過程，最終得到精簡(jiǎn)的指標(biāo)體系，如表8所示。

表8 船舶安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

5 結(jié)語

對(duì)指標(biāo)體系的確定，本文本著循序漸進(jìn)的思想，從指標(biāo)體系的初建到篩選和優(yōu)化，逐步深入地開展研究，將影響船舶安全管理的四個(gè)方面共28項(xiàng)指標(biāo)，利用模糊聚類方法，精簡(jiǎn)為能夠反映主要特征的12項(xiàng)指標(biāo)，最終提供了一個(gè)科學(xué)、簡(jiǎn)潔的指標(biāo)體系。這對(duì)開展船舶安全管理分析研究，找出船舶運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)，提出合理可行的安全管理措施，防止海上交通事故的發(fā)生有著深遠(yuǎn)的意義。

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Determination of An indicant to Evaluate ShipSafetyManagement

GU Lijuan LIU Xiaolei SUN Huijing LIU Bo
（Institute of Systems Science and Mathematic，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001）

Ship safety management is a complex system that involves many factors.In order to analyze and estimate ship safety management，it is possible to present the general index system based on the theory of man－machine－environmentmanagement.Further，fuzzy clustering is proposed as a tool for simplifying the index system，and a brief and reasonable index system is obtained as a result.These provide remarkably meaningful theory for studying ship safety management.

ship，screened targets，safety management，fuzzy cluster analysis，fuzzy similar matrix

U676.1DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.031

2015年5月3日，

2015年6月24日

國家自然基金（編號(hào)：41471223）；山東省自然科學(xué)基金（編號(hào)：ZR2014JL026）資助。

顧麗娟，女，碩士，講師，研究方向：武器系統(tǒng)效能分析。劉孝磊，男，碩士，講師，研究方向：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。孫慧靜，女，博士研究生，講師，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)及評(píng)估。劉波，男，碩士，講師，研究方向：軍事運(yùn)籌學(xué)。