基于貝葉斯網的船舶溢油應急演練績效評價

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(上海海事大學 交通運輸學院，上海 201306)

隨著我國水域上油船和超大型油船的頻繁行駛，通航環境變得更加繁忙和復雜，船舶溢油污染的風險增大。1973—2007年，中國沿海共發生大小船舶溢油事故2 742起，此中溢油50 t以上的事故共79起，總溢油量37 877 t。1973—2016年，中國沿海共發生溢油量10 t以上的船舶污染事故156起。

船舶溢油事故一旦發生，不僅會引起包含貨品、船舶、碼頭設施損毀等經濟損失，以及人員傷亡，而且還會引發極其嚴重的環境污染。近幾年，隨著相關政策和法律法規的頒布，中央政府和各地的海事部門在船舶溢油事故的應急能力提升上投入了大量精力和財力。不同層面舉辦的溢油應急演練次數也隨之增加。目前大多數應急演練更為注重“演”而缺乏“練”，無法使應急人員在演練中真正發現問題、提升能力。為此，構建一套合理、科學、定量化的應急演練評估方法。

1 基于貝葉斯網絡評估理論

貝葉斯網絡具有概率論及圖論的理論基礎，是一種不確定知識表達模型，能夠較好地解決復雜系統的決策問題，同時又能很好地保留節點之間的各種關系和影響，所以廣泛應用于工業控制、決策支持、系統故障診斷等領域[1-6]。

在應急演練評估方面，將貝葉斯網絡引入應急演練評估模型的研究非常不足，缺乏基于貝葉斯網絡的應急演練評估的研究體系。

2 船舶溢油應急演練內容

船舶溢油應急演練，可以測試溢油應急計劃中的通知和警報程序，測試或驗證應急計劃以保護敏感的海岸資源。一系列的演習由若干組成部分構成，從而形成全面的演練，涉及多個機構，組織和司法管轄區，并且可以驗證許多方面防備。可以通過這些演練來測試一個廣泛的應急計劃、程序組織危機、應急響應和溢油應急安排。

船舶溢油應急演練前期準備需要評估當前狀態，參考前景趨勢、應急管理政策以及相關溢油應急計劃中確定的需求。根據需要對現有的防溢油準備和溢油后應急能力進行評估。明確演練計劃的目標，確定演練活動的初步目標，確定與其他內部或外部組織聯合行使的責權。確定發展和開展演練活動的暫定時間表。該時間表應包括：①確定每項演練活動的內容；②每項活動所需的計劃時間；③演練前可能需要參加培訓的要求；④組織演練時可能會存在影響安排的計劃活動。溢油應急演練同時需要保障物資、通信、場地等的硬件設施。

溢油應急反應是整個溢油應急計劃的重要組成部分，溢油事故的應急反應由溢油應急指揮部組織實施，并按圖1所示的程序和內容進行。

3 應急演練績效評價體系的構建

3.1 指標構建原則和流程

圖1 船舶溢油事故應急反應程序

評價指標體系的構建是否科學合理直接關系到最后的評估結果，構建指標體系應符合一定的原則，客觀反映溢油應急演練的真實水平，注重演練評價自身的特點。以全面完整性為目標，評價指標體系的結構要符合邏輯，科學合理，內涵清楚，遵循科學性原則；不同的評價指標之間相互聯系又相互獨立，明確指標間的關系，遵循邏輯性原則；保證各個評價指標都有一定的代表性，突出關鍵性指標，遵循代表性原則。

構建完整的評價指標體系應綜合考慮多方面的因素，從整體出發，遵循一定的流程，從而保證評價指標體系的系統性、科學性等。首先查閱國內近幾年的溢油應急演練新聞，對演練的過程和步驟有一定的了解，參考相關政策法規和國內外研究現狀，保證構建的評價指標體系符合實際且有理有據；其次通過對實際案例的分析，咨詢專家，借鑒有關行業評價指標體系的構建經驗，對評價指標進行初步選取；第三是根據評價指標體系的構建原則，選取符合科學性、邏輯性和代表性的指標，建成科學完整的評價指標體系。

關鍵性評估指標的設置過程見圖2。

圖2 關鍵性評估指標設置流程

3.2 貝葉斯網絡結構建立

為了構造基于貝葉斯網絡的船舶溢油應急演練績效評估模型，需要先確定貝葉斯網絡結構中，各個節點可能狀態以及節點間的有向弧。

3.2.1 節點確定

貝葉斯網絡中的節點代表船舶溢油應急演練過程中各項任務的完成情況，劃分為4個層次，分別用R，Si，Xj，Tk表示。

R指演練任務的完成情況。

Si指演練準備階段的任務完成情況。

Xj指演練實施階段的任務完成情況。

Tk指演練后評估階段的任務完成情況。

3.2.2 節點的變量狀態確定

對評估模型中各變量在船舶溢油應急演練過程中所顯示出來的狀態進行分析，確定各變量在船舶溢油應急演練的績效評估模型中的評估狀態，本文的評價指標體系見表1。

通過專家經驗知識確定節點狀態，也可以根據節點數據自身的特點進行分析后確定節點狀態。根據通常的專家經驗知識，確定每個影響因素的狀態，將節點的狀態歸分為三大類即優、良、差，分別用1、2、3來表示。

表1 船舶溢油應急演練的評價指標體系—貝葉斯網絡中的各個節點

每個指標節點的滿意度得分定義在[1，5]區間內。假設得分是均勻分布的，閾值區間通過25%的概率來確定，再將每個指標的最后得分與閾值區間對應起來，確定網絡中節點狀態的分布情況。因此，我們將滿意度得分在[4，5]區間上定義為優的級別，用1表示；滿意度得分在[2，4]區間上定義為良的級別，用2表示；滿意度得分在[1，2]區間上定義為差的級別，用3表示。

3.2.3 有向弧確定

貝葉斯網絡中的有向弧代表各節點變量之間的關系。根據節點的變量，同時基于船舶溢油應急演練內容的分析，得到船舶溢油應急演練各項指標的貝葉斯網絡有向弧結構，見圖3。

圖3 船舶溢油應急演練評估的貝葉斯網絡結構

3.3 評估算法

采用Poly Tree消息傳遞算法，利用貝葉斯網絡的結構，給每一個節點分配一個處理機，每一個處理機利用相鄰節點傳遞來的消息和存儲于該處理機內部的條件概率表進行計算，從而求得自身的后驗概率，并將結果向其余相鄰節點傳播。在實際計算中，貝葉斯網絡接收到證據后，證據節點的概率值發生改變，該節點的處理機將這一改變向它的相鄰節點傳播，如此繼續直到證據的影響傳遍所有的節點為止。

該算法將節點間的關系劃分為三類：“與”關系，“或”關系，因果關系，本文節點為“與”關系。

以圖4中的4個變量的關系為例，A、B、C和D之間為“與”關系。以“1”，“2”和“3”分別代表“優”，“良”和“差”三種狀態。則條件概率見表2。

圖4 變量結構

根據表2，可得：

P(D=1)=P(A=1)P(B=1)P(C=1)+

P(A=1)P(B=1)P(C=2)+

P(A=1)P(B=2)P(C=1)+

P(A=2)P(B=1)P(C=1)

P(D=2)=P(A=1)P(B=1)P(C=3)+

P(A=1)P(B=2)P(C=2)+

P(A=1)P(B=2)P(C=3)+

P(A=1)P(B=3)P(C=1)+

P(A=1)P(B=3)P(C=2)+

P(A=2)P(B=1)P(C=2)+

P(A=2)P(B=1)P(C=3)+

P(A=2)P(B=2)P(C=1)+

P(A=2)P(B=2)P(C=2)+

P(A=2)P(B=2)P(C=3)+

P(A=2)P(B=3)P(C=1)+

P(A=2)P(B=3)P(C=2)+

P(A=3)P(B=1)P(C=1)+

P(A=3)P(B=1)P(C=2)+

P(A=3)P(B=1)P(C=1)+

P(A=3)P(B=1)P(C=2)

P(D=3)=P(A=1)P(B=3)P(C=3)+

P(A=2)P(B=3)P(C=3)+

P(A=3)P(B=1)P(C=3)+

P(A=3)P(B=2)P(C=3)+

P(A=3)P(B=3)P(C=1)+

P(A=3)P(B=3)P(C=2)+

P(A=3)P(B=3)P(C=3)

且P(D=1)+P(D=2)+P(D=3)=1。

根據貝葉斯法中的公式推理過程結合貝葉斯網絡結構圖，得到整體貝葉斯網絡的推理公式如下。

1/T1,T2,T3,T4,T5,X1)P(T1)P(T2)·

P(S10)P(S11)P(S12)

4 結論

在船舶溢油應急演練績效評估的過程中，盡可能考慮各個評價指標的概率對評估結果的影響，本文提出了一種新的評估方法。與其他各種評估方法不同的是，運用貝葉斯動態網絡，不但能明確表達各種信息、因果推理和知識發現，而且能將文字化的知識用圖形化表示，使得知識的表達更加清晰、直觀。將貝葉斯方法應用于船舶溢油應急演練績效評估中，將各個評價指標作為節點，確定各個指標間的關系，與傳統的評估方法相比，使得評估效果更真實，更加符合邏輯。

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