基于信息熵的“育明”轮实习安全风险度量

邵秋捷，金永兴

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

基于信息熵的“育明”轮实习安全风险度量

邵秋捷，金永兴

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

为解决在进行“育明”轮实习安全风险度量的过程中存在的不确定因素难以量化分析的问题,以人员、船舶、环境和管理为要素构建实习船安全风险系统。采用故障树分析法，依据ISO/IEC 27002标准的层次结构建立故障树，提出基于信息熵的风险度量模型。将定性分析与定量计算相结合，以“育明”轮实际航次案例为例,验证理论应用的正确性。

水路运输;“育明”轮；实习安全；故障树；信息熵；风险度量

教学实习船在航运人才培养方面发挥着非常显著的作用，保证其安全性至关重要。我国各航海院校先后运营过多艘教学实习船，目前正在运营并供航海类专业学生实习的校船有：上海海事大学散货船“育明”轮、大连海事大学杂货船“育鹏”轮和集美大学散货船“育德”轮等。当前对教学实习船进行系统化的安全评价的文献较少，这里以承担航运教学实习、科学研究、国际交流及散货运输等任务[1]的“育明”轮为研究对象，对实习安全的风险度量进行研究。这里提到的安全是指全体实习人员(包括教官)、全体船员、设备、船舶和货物的安全；实习全过程的安全包括跟班安全、教学安全、水电气火使用安全、设施设备操作安全、活动安全、帮厨安全、卫生安全、食品安全、演习安全和下地安全等。选取设备、环境、人员和管理等4个因素[2]作为教学实习船第一级子系统，依据ISO/IEC 27002标准的体系结构建立故障分析树，在获得某批实习生在船上实习期间相关计划航线(见图1)、水文气象及自然条件等资料的基础上，经专家评估获取相关原始数据，采用信息熵分析算法计算各风险因素的风险值。

1 信息熵风险度量算法

信息熵用来表示信源输出后每个消息所提供的平均信息量或信源输出前的平均不确定度[3-5],其基本定义如下。

设离散随机变量X有n个可能取值，即X={a1,a2,…,an}，相应的每种状态可能出现的概率为p1，p2，…，pn，其离散概率空间为

图1 某批实习生上下船期间“育明”轮航线

(1)

(2)

则

(3)

式(3)中：H(X)为离散随机变量X的信息熵，用来表示系统的有序程度。

文献[6]提出最大熵原理，定义熵为

(4)

式(4)中：k为比例系数。

利用信息熵理论计算风险因素权值原理如下。

1) 当pi取值相等时，熵最大，即Hmax=lnm，用Hmax对式(4)作归一化处理，得到衡量安全风险因素Ri的相对重要性熵值[7]为

(5)

2) 当pij(i=1,2,…,m)取值相等时，熵为最大值1，即ei满足0≤ei≤1。当熵值最大时，风险因素对系统风险评估的贡献最小，此时可用1-ei度量安全风险因素Ri的权。对其归一化得到风险因素Ri的权值为

(6)

2 风险度量模型

2.1建立故障分析树

采用故障树分析法[8]，依据ISO/IEC 27002标准的层次结构建立故障树(见图2)，过程如下：

1)确定故障树的顶事件，即评估目标系统的总体风险，这里指“育明”轮实习安全总体风险。

2)将“育明”轮实习安全的4大类风险作为第1层，即“育明”轮实习安全风险的因；将各类风险的二级指标作为第2层，即每类风险的因。

3)确定故障树的底事件(即故障树底层各因素底选择)，应参照标准选取，且各底事件之间互不交叉(见表1)。

图2 基于ISO/IEC 27002的“育明”轮实习安全风险故障分析树

在故障树建立完成之后，利用信息熵风险分析算法计算目标系统的总体风险。在图2中,故障树的第1层、第2层和3层分别用α,β及γ来表示。

2.2信息熵权值及符合度说明

在故障树分析的基础上，先规定每层风险因素Ri的权值，用ai表示故障树第1层的4个安全要项的权值；各安全要项由第2层的若干个要项指标体现，用βi,j表示第i个安全要项下的第j个要项指标的权值；各要项指标由第3层的若干个指标因素体现，用γi,j,k表示第i个安全要项、第j个要项指标下的第k个指标因素的权值(即符合度)。给出符合度的量化定义，共5个级别，见表2。符合度的量化值可在区间内任意取值。

2.3风险分析计算

“育明”轮实习安全总体风险的计算过程如下：

(7)

步骤1 取得符合度的量化值γi,j,k(如表1所示)。

步骤2 由于式(4)具有对称性，给所有安全指标赋予同样的权重，在研究“育明”轮实习安全系统时，应充分考虑对实习安全影响较大的指标，因此对第3级指标分别赋予权重ωi,j。结合式(5)和式(6)，计算得到第2层各要项指标的熵权系数βi,j和风险权值φi,j分别为

表1 “育明”轮实习安全风险系统各指标因素符合度及权重值

(8)

(9)

步骤3 对第2层指标分别赋予权重μi，计算得到第1层各安全要项的熵权系数αi及风险权值φi分别为

(10)

(11)

步骤4 计算育明轮实习安全总体风险的熵权系数e和总体风险值φ分别为

(12)

φ=1-e,e≥0,φ≤1

(13)

表2 符合度定义

步骤5 对照目标系统的总体风险φ和表3的风险等级定义，评价目标信息系统的风险等级。

3 模型实例分析

依据模型计算步骤，计算得到“育明”轮实习安全各层次要素的熵权系数和总体风险值(见表4)。

根据计算结果可判断总体风险。对照风险等级定义可知，目标系统的总体风险φ=0.042 09，介于0～0.2，处于极低风险区域，可判定该实习安全风险系统相对安全可靠。

表3 风险等级定义

表4 风险权值计算结果

以上评价结果表明“育明”轮上有先进的仪器设备、舒适的实习环境、优秀的管理人员及良好的管理模式,其设备、环境、人员和管理的有效协调可使实习安全风险降到最低。此外，仍可发现该船在学生实习期间存在以下相对薄弱的环节：

1) 电子海图中缺少大量数据，需有关部门上船更新；实习驾驶台的部分设备无法正常工作，应加强管理和维护保养。

2) 厨房、冰库等生活设施需改善;相关备件需及时补充。

3) 存在实习生安全价值观和应急反应能力不强等问题，应采取安全教育、技术培训、应急演练和演习等措施，同时从制度上约束实习生的日常安全行为。[9]

4) 教学部人员应监督和督促实习生执行船舶的各项规章制度和学生实习守则，随时掌握其思想动态和行为情况，发现问题及时采取相应的措施予以解决。大副及轮机长应积极配合和支持教学部人员的工作，做好学生现场实操的安排。

5) 加强学生在各港口下船的管理，做好应变部署。下船前由船长、政委或教官介绍港口的地理环境、风土人情、生活禁忌、船旗国和港口国检查的基本情况、国家外事纪律和船舶在国外的活动规定与海关规定等。下船学生应根据教官的指示行动，全体师生应注重组织纪律、外事纪律和时间观念，时刻将安全放在首位。

4 结束语

根据ISO/IEC 27002标准的要求及其体系结构，定性分析“育明”轮实习安全风险因素指标；在建立风险故障分析树的基础上，提出一种基于信息熵的系统安全性定量计算方法，并形成完整的风险分析模型。在通过专家评估获得初始数据之后，利用信息熵风险分析模型计算“育明”轮实习安全系统的风险，实现数据与理论分析的有机统一。通过对“育明”轮进行数据调查发现，船舶日常生产作业和管理中存在相对薄弱的环节。对此，有针对地提出改进措施，以保证船舶的安全。

目前的研究工作仍存在一定的不足，需在以后作进一步的完善。研究过程中，该模型的初始数据是通过专家评估调查获得的，具有主观、模糊和不确定性。[10]同时，在对各项指标及指标因素权重进行确定时，只是过于简单地取其平均值，在以后的研究中，需研究能使赋值更科学、准确、客观的方法，例如几何平均法、和积法及方根法等。

[1] 吴栋奎.浅谈教学实习船育明轮的安全管理[J].珠江水运，2016(3)：51-55.

[2] 李建民.基于耗散理论的海上危化品运输安全研究[D].大连：大连海事大学，2014.

[3] SHANNON C E.A Mathematical Theory of Communication[J].The Bell System Technical Journal,1948,27:379-423,623-656.

[4] WANG C H,GOPAL R D.ZIONTS S.Use of Data Envelopment Analysis in Assessing Information Teachnology Impact on Firm Performance[J].Annals of Operations Research,1997,73(1):191-213.

[5] SEIFORD L M,ZHU J.Profitability and Marketability of the Top 55 US Commercial Banks[J].Management Science,1999,45(9):1270-1288.

[6] JAYNES E T.Information Theory and Statistical Mechanics[J].Physical Review,1957,106(4):620-630.

[7] KAO C,HWANG S N.Efficiency Decopposition in Ttwo-Stage Data Envelopment Analysis:An Application to Non-Life Insurance Companies in Taiwan[J].European Journal of Operations Research,2008,185(1):418-429.

[8] 姜茸，钱泓澎.一种度量国家经济安全风险的方法与预警[J].生态经济，2015，31(4)：14-19.

[9] 刘立国.教学实习船综合安全评价[D].大连：大连海事大学，2010.

[10] 鲍君忠.面向综合安全评估的多属性专家决策模型研究[D].大连：大连海事大学，2011.

SafetyRiskMeasurementwithInformationEntropyforTrainingonVesselYuming

SHAOQiujie，JINYongxing

(Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

In view of the fact that quite a few factors involved in the training ship operation,the safety risk evaluation is difficult to quantification,a comprehensive safety evaluation system of training ship is proposed on the basic of the factors of man-ship-environment-management.A fault tree of the hierarchical structure is built according to the ISO/IEC 27002 standard.An information-entropy-based risk measurement model is constructed.The measuring process combining qualitative analysis and quantitative calculations is illustrated.The actual operation records of the vessel Yuming verifies the correctness of the method.

waterway transportation; vessel Yuming; training safety; fault tree; information entropy; risk measurement

U676.1

A

2017-02-25

邵秋捷(1992—),女,江苏南通人，硕士生，研究方向为载运工具运用工程。E-mail:1084785678@qq.com

金永兴(1959—),男,上海人,教授,博士生导师,研究方向为船舶结构特性及运行品质。E-mail:yxjin@shmtu.edu.cn

1000-4653(2017)02-0083-05