船舶駕駛員駕駛疲勞程度的模糊綜合評價

大連海事大學 趙萱萱

遼寧海事局 郭 寧

根據統計，80%的海上事故都是由人為因素造成的。在這些事故中，由于船員“判斷錯誤”而導致的事故占到了50%。參考文獻[1]中指出造成船員判斷失誤的罪魁禍首即為船員疲勞。疲勞使人的身體和頭腦反應變得遲鈍，合理判斷情況變化的能力減弱，降低了船員的工作水平和警覺性，致使事故發生。英國威爾士加的夫大學職業衛生心理學中心在2006年11月出版的《船員疲勞開船當班調查報告》中得出了船員疲勞當班的現象漸漸嚴重和惡化的結論。[2]英國卡迪夫大學的職業和健康心理學中心于2006年12月份在菲律賓走訪了約1 856名海員，在獲得大量調查資料的基礎上進行了實驗，并取得了一定的研究成果：至少1/4的船員會在當班過程中因疲勞過度或者休息不充分等原因而在駕駛臺打瞌睡，此種情況會經常發生并處于較高的普遍性水平，而造成船員當班懈怠的重要原因就是過度疲勞、超時工作等。[3-4]美國海岸警衛隊在分析了近期發生的279件海上事故之后發現約33%的人員傷亡事故和約16%的重大事故與船員疲勞有關[5]。

船員疲勞問題已成為船舶航行安全的一大威脅，這一問題同時引起了國際社會的關注和重視。如果船員的疲勞程度能夠通過一定的方法來準確測定，并能預測疲勞出現的時間和程度并作出警告，將不僅能夠減少因為船員的疲勞而造成的事故發生概率，也能在一定程度上減少人員傷亡和經濟損失，從而具有一定的經濟、社會效益。

一、模糊推理系統

模糊推理系統是基于模糊集理論、模糊IF-THEN規則和模糊推理的計算結構。[6]模糊推理系統利用了比傳統的二值邏輯更加接近人類自然語言和思維方式的模糊邏輯來處理問題，該系統將基于專家的語言規則轉換成自動的控制行為，所測得的分析結果遠好于傳統方法。模糊推理系統還能用于較為復雜的情況，并且在已知信息不確定或不準確的情形下，能比傳統方法更有效地進行分析。

由于考慮到船員疲勞問題本身具有高度的復雜性、疲勞程度本身的模糊性以及評價數據和信息缺乏，有關衡量駕駛員疲勞的各指標很難有定值等特點，本文選擇用模糊推理的方法來定量評價船員疲勞問題。該方法便于對隸屬函數、權重和推理規則進行修改，以便對指標量及時修正，保證評價結果的合理和準確，能夠方便、快捷、準確地對船舶駕駛員進行疲勞評價。

二、模糊推理系統的應用

在利用模糊推理系統來分析和評價船舶駕駛員駕駛疲勞程度時，按照以下步驟實施操作：首先，確定駕駛員駕駛疲勞程度的評價指標，即系統的輸入量和輸出量；然后，確定各項指標的隸屬度函數及模糊推理規則；接著，根據各項評價指標來建立模糊推理綜合評價模型；最后，利用計算機輔助系統來完成模糊推理，得出綜合評價結果。

1.評價指標體系的建立

船舶駕駛員疲勞評價的核心即如何確定評價指標體系。指標體系選取和建立是否科學合理，直接關系到船員疲勞評價的質量。本文在對影響船舶駕駛員疲勞因素進行綜合分析的基礎之上，結合船舶駕駛員工作的特點，建立了初步的評價指標體系。通過專家調查篩選評價指標，在假設被評價對象身體狀況良好、生活工作等沒有重大變故的前提下，歸納總結得出最終的評價船舶駕駛員駕駛疲勞程度的指標體系。該指標體系通過工作因素、船員因素和環境因素等三大指標來評價駕駛員疲勞。其中，工作因素包括值班、靠離泊周期和從事其他工作等指標，船員因素包括睡眠狀況、駕駛技能與經驗和在船工作時間等指標，環境因素包括地形條件、船舶交通密度、氣象海況條件和人際關系和諧程度等指標。

2.隸屬函數的選取

研究要求所選取的隸屬函數能夠描述整個變量范圍內所有點的物理意義，本文借鑒模糊統計法、專家確定法、對比排序法等方法的優點，結合概率分布規律和主觀經驗，并利用MATLAB軟件的模糊工具箱來確定各個指標對應于各等級的隸屬度，采用分段線性隸屬函數中的梯形函數和三角函數形式，這兩種隸屬函數具有簡單性和靈活性等特點。

3.模糊規則的確定

模糊IF-THEN規則是一個模糊算法，由不同的模糊條件語句組成，表示模糊推理系統中各輸入和輸出之間的內在聯系。船舶駕駛員駕駛疲勞程度的評價指標缺少詳細數據信息，且推理規則的確定目前無系統的方法。因此，這里的IF-THEN規則是根據專家經驗和大量有用的參考資料等來設計的。

在該模糊推理系統中，評價因素越多，需要輸入模糊推理的IF-THEN規則數量也就越多，即二者呈正相關增長關系。模糊推理規則的數量在傳統的單層模糊推理系統中會以指數倍數增加，產生了眾多模糊推理規則，在一定程度上降低了評價結果的客觀準確性。為此，本文采用了如圖1所示的等級模糊推理結構來進行分析評價，該結構的特點是通過線性的增長方式來有效減少模糊推理規則的數量，以使評價結果更為客觀可控。

4.模型的建立

（1）等級模糊推理評價模型的建立

模糊推理的推理步驟如下所示：

①模糊化。即在初始階段通過對隸屬函數和輸入變量的比較來獲取每個語言標準的隸屬值。

②通過模糊推理算子得到每個規則的激活權。本文結合了各類模糊推理算子的特性，并考慮到文章模糊評價模型的特點，在確定模糊推理算子R時，選取了Mamdani模糊推理方法，即

③獲取結果。利用激活權來得出每個規則的有效結果（可能清晰或模糊）。

④去模糊化。通過所有的有效結果產生明確的輸出，得到評價對象的對應等級。通過與去模糊化方法的集中算法相應曲線進行比較看出，在其他條件確定的情形之下，面積中心法是最優的，因此，也選用面積中心法去模糊化。在離散域情況下，面積中心法的輸出如下：

其中，u是規則數，wi由T-范數算子計算得到。

通過觀察仿真模型圖，得到本文所應用的模糊推理系統，其基本結構如圖2所示，該系統有2個輸入和5條推理規則，使本文的推理過程能較為直觀、形象地體現。

本文以樹形結構來組合6個模糊推理系統，建立起船舶駕駛員疲勞評價等級模糊推理系統。其中，上一級的輸入參數由下一級的輸出結果來確定，經過層層推理，最終得出船舶駕駛員駕駛疲勞程度的結果。

（2）計算機輔助系統

首先，建立疲勞評價指標體系及各項指標的權重和隸屬函數，其中根據國際公約及法規來確定易于量化的評價指標；對于高度模糊性的指標，通過專家調查或打分來確定。

其次，通過對大量相關資料的查看、參考，并根據問卷調查的結果以及綜合考慮航海領域專家、船公司管理人員和海事管理人員等的意見，我們確定了在模糊推理系統中的模糊推理規則，建立了該系統中各項輸入與輸出之間的內在聯系。

最后，利用MATLAB中模糊規則瀏覽器（Rule Viewer），在其中輸入各指標的隸屬函數及兩個指標之間的模糊推理規則，就能較為直觀地看到計算結果。每一等級模糊推理系統內輸入的各單因素值可以是原始數據，也可以是下一級模糊推理系統的輸出結果。系統會自動將輸入值進行反模糊化計算，得出的值直接是該因素對模糊系統影響等級的反映。經過層層推理，得出最終目標層的等級，從而確定船舶駕駛員疲勞程度。

三、結 論

（1）利用本文模型對部分船舶駕駛員進行疲勞程度評價，結果證明，本文所建立的評價指標體系及疲勞定量評價模型是能夠反映實際情況的，具有可行性。

（2）本文所選的MATLAB模糊邏輯工具箱軟件能夠方便、適時地對相關條件進行修改，便于對駕駛員疲勞程度進行定量研究。

（3）本文采用新的研究方法對預防、評估駕駛員疲勞等問題作出了進一步探索，為保障船舶安全航行作出了一定的貢獻，具有實用價值。

[1]陳國際.船舶配員疲勞因素和安全的綜合評價[J].廣西交通科技,1998,12(4):49-54.

[2]尹朝忠.影響船員疲勞的因素及防止措施[J].武漢船舶職業技術學院學報,2008(4):12-16.

[3]徐伯民,秦臻.海上船舶碰撞事故原因探討——疲勞的剖析[J].中國航海,2009,12(4):115-119.

[4]SMITH A,ALLEN P,WADSWORTH E.Seafarer fatigue:the Cardiff research program[D].Cardiff:Centre for Occupational and Health Psychology Cardiff University,2006.

[5]America Maritime Officer.Fatigue threaten safety,healthy of all mariners[R].2007.

[6]張德豐.MATLAB模糊系統設計[M].北京:國防工業出版社,2009.