船舶驾驶员驾驶疲劳程度的模糊综合评价

大连海事大学 赵萱萱

辽宁海事局 郭 宁

根据统计，80%的海上事故都是由人为因素造成的。在这些事故中，由于船员“判断错误”而导致的事故占到了50%。参考文献[1]中指出造成船员判断失误的罪魁祸首即为船员疲劳。疲劳使人的身体和头脑反应变得迟钝，合理判断情况变化的能力减弱，降低了船员的工作水平和警觉性，致使事故发生。英国威尔士加的夫大学职业卫生心理学中心在2006年11月出版的《船员疲劳开船当班调查报告》中得出了船员疲劳当班的现象渐渐严重和恶化的结论。[2]英国卡迪夫大学的职业和健康心理学中心于2006年12月份在菲律宾走访了约1 856名海员，在获得大量调查资料的基础上进行了实验，并取得了一定的研究成果：至少1/4的船员会在当班过程中因疲劳过度或者休息不充分等原因而在驾驶台打瞌睡，此种情况会经常发生并处于较高的普遍性水平，而造成船员当班懈怠的重要原因就是过度疲劳、超时工作等。[3-4]美国海岸警卫队在分析了近期发生的279件海上事故之后发现约33%的人员伤亡事故和约16%的重大事故与船员疲劳有关[5]。

船员疲劳问题已成为船舶航行安全的一大威胁，这一问题同时引起了国际社会的关注和重视。如果船员的疲劳程度能够通过一定的方法来准确测定，并能预测疲劳出现的时间和程度并作出警告，将不仅能够减少因为船员的疲劳而造成的事故发生概率，也能在一定程度上减少人员伤亡和经济损失，从而具有一定的经济、社会效益。

一、模糊推理系统

模糊推理系统是基于模糊集理论、模糊IF-THEN规则和模糊推理的计算结构。[6]模糊推理系统利用了比传统的二值逻辑更加接近人类自然语言和思维方式的模糊逻辑来处理问题，该系统将基于专家的语言规则转换成自动的控制行为，所测得的分析结果远好于传统方法。模糊推理系统还能用于较为复杂的情况，并且在已知信息不确定或不准确的情形下，能比传统方法更有效地进行分析。

由于考虑到船员疲劳问题本身具有高度的复杂性、疲劳程度本身的模糊性以及评价数据和信息缺乏，有关衡量驾驶员疲劳的各指标很难有定值等特点，本文选择用模糊推理的方法来定量评价船员疲劳问题。该方法便于对隶属函数、权重和推理规则进行修改，以便对指标量及时修正，保证评价结果的合理和准确，能够方便、快捷、准确地对船舶驾驶员进行疲劳评价。

二、模糊推理系统的应用

在利用模糊推理系统来分析和评价船舶驾驶员驾驶疲劳程度时，按照以下步骤实施操作：首先，确定驾驶员驾驶疲劳程度的评价指标，即系统的输入量和输出量；然后，确定各项指标的隶属度函数及模糊推理规则；接着，根据各项评价指标来建立模糊推理综合评价模型；最后，利用计算机辅助系统来完成模糊推理，得出综合评价结果。

1.评价指标体系的建立

船舶驾驶员疲劳评价的核心即如何确定评价指标体系。指标体系选取和建立是否科学合理，直接关系到船员疲劳评价的质量。本文在对影响船舶驾驶员疲劳因素进行综合分析的基础之上，结合船舶驾驶员工作的特点，建立了初步的评价指标体系。通过专家调查筛选评价指标，在假设被评价对象身体状况良好、生活工作等没有重大变故的前提下，归纳总结得出最终的评价船舶驾驶员驾驶疲劳程度的指标体系。该指标体系通过工作因素、船员因素和环境因素等三大指标来评价驾驶员疲劳。其中，工作因素包括值班、靠离泊周期和从事其他工作等指标，船员因素包括睡眠状况、驾驶技能与经验和在船工作时间等指标，环境因素包括地形条件、船舶交通密度、气象海况条件和人际关系和谐程度等指标。

2.隶属函数的选取

研究要求所选取的隶属函数能够描述整个变量范围内所有点的物理意义，本文借鉴模糊统计法、专家确定法、对比排序法等方法的优点，结合概率分布规律和主观经验，并利用MATLAB软件的模糊工具箱来确定各个指标对应于各等级的隶属度，采用分段线性隶属函数中的梯形函数和三角函数形式，这两种隶属函数具有简单性和灵活性等特点。

3.模糊规则的确定

模糊IF-THEN规则是一个模糊算法，由不同的模糊条件语句组成，表示模糊推理系统中各输入和输出之间的内在联系。船舶驾驶员驾驶疲劳程度的评价指标缺少详细数据信息，且推理规则的确定目前无系统的方法。因此，这里的IF-THEN规则是根据专家经验和大量有用的参考资料等来设计的。

在该模糊推理系统中，评价因素越多，需要输入模糊推理的IF-THEN规则数量也就越多，即二者呈正相关增长关系。模糊推理规则的数量在传统的单层模糊推理系统中会以指数倍数增加，产生了众多模糊推理规则，在一定程度上降低了评价结果的客观准确性。为此，本文采用了如图1所示的等级模糊推理结构来进行分析评价，该结构的特点是通过线性的增长方式来有效减少模糊推理规则的数量，以使评价结果更为客观可控。

4.模型的建立

（1）等级模糊推理评价模型的建立

模糊推理的推理步骤如下所示：

①模糊化。即在初始阶段通过对隶属函数和输入变量的比较来获取每个语言标准的隶属值。

②通过模糊推理算子得到每个规则的激活权。本文结合了各类模糊推理算子的特性，并考虑到文章模糊评价模型的特点，在确定模糊推理算子R时，选取了Mamdani模糊推理方法，即

③获取结果。利用激活权来得出每个规则的有效结果（可能清晰或模糊）。

④去模糊化。通过所有的有效结果产生明确的输出，得到评价对象的对应等级。通过与去模糊化方法的集中算法相应曲线进行比较看出，在其他条件确定的情形之下，面积中心法是最优的，因此，也选用面积中心法去模糊化。在离散域情况下，面积中心法的输出如下：

其中，u是规则数，wi由T-范数算子计算得到。

通过观察仿真模型图，得到本文所应用的模糊推理系统，其基本结构如图2所示，该系统有2个输入和5条推理规则，使本文的推理过程能较为直观、形象地体现。

本文以树形结构来组合6个模糊推理系统，建立起船舶驾驶员疲劳评价等级模糊推理系统。其中，上一级的输入参数由下一级的输出结果来确定，经过层层推理，最终得出船舶驾驶员驾驶疲劳程度的结果。

（2）计算机辅助系统

首先，建立疲劳评价指标体系及各项指标的权重和隶属函数，其中根据国际公约及法规来确定易于量化的评价指标；对于高度模糊性的指标，通过专家调查或打分来确定。

其次，通过对大量相关资料的查看、参考，并根据问卷调查的结果以及综合考虑航海领域专家、船公司管理人员和海事管理人员等的意见，我们确定了在模糊推理系统中的模糊推理规则，建立了该系统中各项输入与输出之间的内在联系。

最后，利用MATLAB中模糊规则浏览器（Rule Viewer），在其中输入各指标的隶属函数及两个指标之间的模糊推理规则，就能较为直观地看到计算结果。每一等级模糊推理系统内输入的各单因素值可以是原始数据，也可以是下一级模糊推理系统的输出结果。系统会自动将输入值进行反模糊化计算，得出的值直接是该因素对模糊系统影响等级的反映。经过层层推理，得出最终目标层的等级，从而确定船舶驾驶员疲劳程度。

三、结 论

（1）利用本文模型对部分船舶驾驶员进行疲劳程度评价，结果证明，本文所建立的评价指标体系及疲劳定量评价模型是能够反映实际情况的，具有可行性。

（2）本文所选的MATLAB模糊逻辑工具箱软件能够方便、适时地对相关条件进行修改，便于对驾驶员疲劳程度进行定量研究。

（3）本文采用新的研究方法对预防、评估驾驶员疲劳等问题作出了进一步探索，为保障船舶安全航行作出了一定的贡献，具有实用价值。

[1]陈国际.船舶配员疲劳因素和安全的综合评价[J].广西交通科技,1998,12(4):49-54.

[2]尹朝忠.影响船员疲劳的因素及防止措施[J].武汉船舶职业技术学院学报,2008(4):12-16.

[3]徐伯民,秦臻.海上船舶碰撞事故原因探讨——疲劳的剖析[J].中国航海,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]张德丰.MATLAB模糊系统设计[M].北京:国防工业出版社,2009.