基于知识图谱聚类分析海船船员疲劳研究

林雨欣，谭志荣，杨梓茹，孙 偲，徐碧苑

2021年12月，国际海事组织（IMO）第32届大会通过了关于“2018—2023六年期IMO战略计划”的决议，指出人为因素是IMO重点议题之一。随着船舶技术的进步，当今船舶的最低配员数量约为上世纪的50%，船员人力成本约占船舶营运成本的35%。众所周知，船员疲劳会给海上安全、保安和海洋环境保护带来重大风险。据美国海岸警卫队的统计数据：海员疲劳导致了20%的船舶损失和30%的船员伤亡。由于知识图谱在分析问题方面具有能够用可视化的图谱形象地描述知识资源的优势，所以运用知识图谱回顾海员疲劳的研究历程，有助于指导主管机关、船公司和船员等有效应对海员疲劳。通过国际海事组织文件网站IMO DOCS的文献检索、科学引文索引（SCI）和万方数据等检索上百篇文献，从国际、区域和公司等3个层面分类论述，对海员疲劳的相关技术进行对比分析。

一、海员疲劳研究现状

以IMO为主，国际劳工组织（ILO）及国际运输工人联盟（ITF）等国际组织正持续提升对疲劳相关热点问题的讨论，在相关公约、提案与规定方面作出了突出贡献，IMO发布的《疲劳指南》逐渐成为近年来疲劳研究的指导性、纲领性文件。在此基础上，区域性组织、政府开展系统项目研究，为船公司的具体疲劳调查进一步奠基。

（一）国际议程与公约对疲劳相关因素的探索

历史议程与指南显示，为缓解和管理疲劳，IMO始终以航行安全研究为主题组织多方努力探索疲劳相关因素。1999年5月19日至28日召开的MSC 71次会议上，IMO正式开始讨论建立应对船员疲劳因素的指南，并于2001年通过了《疲劳减缓与管理指南》；2014年11月，IMO人为因素、培训和值班分委会（HTW）同意开展指南的修订工作，最终于2018年12月的MSC 100次会议上通过了经修订的《疲劳指南》。

《疲劳指南》中包含的6个模块涉及疲劳定义、公司管理及培训等相关因素，导致疲劳的原因有睡眠不足、休息质量差、长时间熬夜及工作量过大（长期精神和/或体力消耗）等，并将一切可能导致疲劳（无论短期或长期、涉及职业或值班）的因素分为海员特定因素、管理因素（岸上和船上）、特定船舶因素、环境因素、操作因素5类。基于此给出疲劳对策，例如管理睡眠习惯、提供咖啡因、适时运动、午睡等。

在此期间通过并于2011年1月1日生效的《国际海上人命安全公约》（SOLAS）第V/19条明确了强制性安装驾驶台航行值班报警系统（BNWAS）的要求，以计时提醒方式减少值班驾驶员由疲劳等导致的疏于瞭望、打瞌睡和失误等问题[1]。

图1用时间线描述了HTW关于人为因素及疲劳的重点决议节点。2013年IMO开展的“地平线项目”是高度重视海船船员值班疲劳的里程碑。

图1 HTW关于人为因素及疲劳的重点决议时间轴

2015年，ILO通过了《2006年海事劳工公约》海事职业安全和健康规定的导则（Guidelines on Maritime Occupational Safety and Health Provisions of MLC 2006），指出海员正面临的苛刻工作条件、隔离、长时间工作会带来高水平的压力和疲劳[2]。譬如第98条提及振动和噪音的影响中，其中一项为船员疲劳；在第149点中提到船舶及其设备不符合人体工程学的布局、设计和布置可能会由于紧张的工作姿势导致短期和长期的不利健康影响，“会导致肌肉和关节酸痛、疼痛、僵硬和疲劳”。

ITF以主管机关、船公司管理为主体挖掘与事故风险相关的疲劳因素，调查显示管理层往往减少了船上工作人员，而延长了工作时间。此前2006年ITF的研究《海员疲劳：危险觉醒》等报告的调查结果亦表明全球工作时间非常高，加剧了船员疲劳[3]。在2018年展开的《巴拿马运河拖船船长的疲劳》研究中，ITF呼吁建立独立监督机构以管理配员和工作时长问题。

（二）欧盟地区关于海员疲劳的两大研究路径

欧盟高度重视海员疲劳研究，其中在波罗的海区域展开的地平线（HORIZON）项目（2009—2012）以及欧盟资助项目安全模式（SAFEMODE）（2019—2022）的人类风险信息设计框架 （Human Risk-Informed Design，HURID）方法展现了当前两大研究路径，对未来研究提供有效指导。

1. HORIZON项目采用模拟器的方式，对不同节律的船员进行测试，包括针对人的简单操作所需要的时间，驾驶台环境和机舱外的噪声测量等。为模仿英吉利海峡的真实航程，项目以在福利和鹿特丹之间7天重复2次的航行为背景，期间通过脑电图、简单测验等方式度量模拟器内船员的疲劳程度。项目同时通过划分模拟空间，结合前述方法对人员活动状况进行分析，最终研究出不同节律对船员疲劳的影响程度[4]。

2. SAFEMODE项目的HURID方法表明，将人为风险因素纳入考量，对其更深入地了解和整合在评估整体风险方面发挥着重要作用。HURID包括人为因素分类、风险模型等四大模块[5]，基于事件分析和人为因素数据开发，过程中通过事故树分析法、专家决策等方式判定疲劳对风险的影响，从而对最终应对风险的全生命体系策略进行指导。作为一个简单的学习周期，HURID能够操作和维护一个系统，获取有关系统性能的数据以进行学习，然后将其与人为因素（HF）的专业知识和技术一起应用，是一种改进的、基于风险的设计[6]。目前HURID在航空领域的研究亦证明其可靠性。

（三）船公司对于船员疲劳开展相关研究

基于2018年世界海事大学（WMU）系统讨论的疲劳定义及热点项目，进一步对船公司的综合研究进展进行聚类分析。以玛莎（MARTHA）项目为例，聚焦研究亚、欧船公司管理与海员疲劳关系，于2013年至2016年展开3年的长期研究[7]，结合以下3个方法进行研究分析：1. 问卷：收集1 000多份来自管理者和海员的问卷并深度访谈；2. 日记：即船上日志，记录在船上工作的志愿者的持续数据和活动记录（期间使用Karolinska困倦量表（KSS）和多维疲劳量表（MFI）指数）；3. 设备：利用Actigraphy data，一种帮助记录登船2周的活动数据（包括睡眠时间）的设备。

与《疲劳指南》一致，从1999年至今国内外其他相关研究都习惯于采取人船管环四大因素，或包括操作在内的五大因素进行疲劳致因穷举，贯穿工作前中后全周期。据统计发现，2017年前后主流采用基于统计产品与服务解决方案（SPSS）软件的数据回归统计[8]，即首先通过问卷调查由船员填写量表描述睡前、醒来以及工作期间三节点对自身疲劳的感知，后用SPSS进行回归。近年来研究方法走向多元化，如：利用态势分析法（SWOT）对影响疲劳的正面、负面因素进行罗列，总结有利的举措和威胁疲劳的因素；利用矩阵、建模方式还原船员生活场景等[9]。多种方法的涌现表明疲劳正被深度关注着，同时推动更多企业和其他区域性政府、组织进一步深入研究海船船员疲劳。

二、海员疲劳检测技术

（一）疲劳预警检测

防疲劳预警技术应用的第一步是发现船员疲劳，上述区域性、企业级研究都各自采用不同方式进行疲劳的检测和判定，当前技术可大体分为直接与间接方式两类：

直接判定多数呈现为问卷调查形式，以KSS为例，用1至9分表示从极度警觉到非常困倦，需要保持清醒的操作时间越长（周），KSS越高，KSS得分超过7表明有很高的入睡风险。分析发现非常严重的困倦（KSS为8或9）在6个月后明显增加，对应计量折线图（见图2）。

图2 KSS得分与船上时间的关系

间接方式中常采用模拟或简单测验来检验船员是否处于疲劳状态，例如要求船员独自一人在室内完成PVT测试（一种对疲劳敏感的警戒测试），其中一项是当屏幕上出现2种不同颜色（绿色和红色）的单词，参与者必须尽快单击对应的颜色而忽略所显示单词的含义[10]。

（二）防止疲劳技术

场景不同意味着需求不同，为保障海上航行安全，根据不同船员的职责和立场建立不同防疲劳技术。从国际性值班公约到船公司的值班时间表可以窥见防疲劳的重要性。通过检索分析重点防疲劳技术，结合前述疲劳检测技术建立了气泡图（见图3）。

图3 疲劳检测技术气泡图

根据气泡图可知，疲劳检测预警技术总体分为2种：一大分支为运动医学，意味着基于人体生理、心理所反映的现象推断疲劳并加以抑制；另一大主流为环境科学，通过改变或观察船员周围环境提醒船员以免进入疲劳状态，多个船公司基于SOLAS强制驾驶台航行值班报警系统（BNWAS）进行改进，如为船员提供无线复位系统等。

三、知识图谱特征

（一）近10年关键词的变化趋势

通过检索万方等数据库当年典型代表文献，聚焦于船员疲劳研究路径及其趋势分析并以时间为轴构建折线图（见图4）。

图4 近10年船员疲劳研究数量与趋势统计

其中4个关键词“概述”“检测与判定”“因素列举”“关联度”分别代表了近年来对总体疲劳研究概述、疲劳的具体检测与判定技术、疲劳致因列举以及主成分分析的趋势。

（二）疲劳内涵的趋势

基于前述三个层面对疲劳研究的进展和趋势，以三个核心侧重关注点（致因、后果、度量）为横轴、三领域（国际性、区域性、船公司）为纵轴构建三维表（见图5），其中“致因”代表其通过针对疲劳致因进行了列举和分析；“后果”表示其以最终威胁和风险程度为导向，辨析了疲劳相应对策；“度量”意指设定疲劳相关指标，利用模拟器、问卷调查、专家决策等方法构建疲劳的测度。

图5 三维典型案例统计对比

图5表明，三个层面各自在疲劳致因分析、疲劳后果探析以及疲劳度量方面具有从浅入深、由表及里的建树，国际性组织为区域性组织、政府以及船公司的疲劳致因分析奠基，后两者利用具体方法对公约所提倡的内容展开更深层次的探究。

（三）交叉学科研究

当前各领域内的疲劳研究缺乏多学科交叉，运动医学、环境科学防疲劳技术的现实应用效果同理想需求不匹配，提出两种交叉学科研究方法以供参考。

唾液测定技术：由于缺少便捷可靠、无侵入性、性价比高的疲劳检测方法，唾液在疾病诊断和预后判断的潜在作用并未显现[11]，通过了解基于人体唾液蛋白测定重点行业职业疲劳程度的检测系统[12]，建议船公司、企业在海员领域开始尝试收集船员唾液相关疲劳标志物，制作数据库，为疲劳的检测判定奠定基础。

引入有色噪声，区分不同环境：在噪声研究中有一种“有色噪声”的概念，其中白色噪声代指类似风声、海洋声等单调的声音刺激；粉红噪声中具有代表性的是瀑布声、小雨声；褐色噪声所描述的低频噪声，整体同工厂运作声音相似。最新船舶噪声超标区域的分析发现，居住舱室噪声低且要求高，其船舶固有频率和共振造成的长期固定噪声可以定义为各色噪声[13]，是职业疲劳的基本因素。然而，船员值班室环境一般不存在直接噪声源，通常被认为与白色、粉红噪声相关，因此工作期间的单调环境成为值班疲劳诱因之一。然而随着机舱同驾驶舱之间的靠近、融合，船员值班环境正在逐步改变，因此，同SOLAS强制噪声防护规范中区分工作区域、休闲区域的噪声标准相对应[14]，海船船员疲劳研究中同样建议根据职业疲劳和值班疲劳进行有色噪声辨别，从而依托标准和区间建立对策。

（四）存在难点与不足

1. 概念界定不清晰

通过检索分析发现，现阶段存在将职业疲劳与值班疲劳混淆的现象，缺乏对值班疲劳的系统研究。职业疲劳是睡眠、海上特殊生活环境等导致的，船员在上岗工作前已损失部分素质能力的状态，涉及船员工作的前中后全周期，而值班疲劳更侧重于船员在岗期间受驾驶舱内噪声、航行单调环境等因素影响出现长期关注雷达且疏于结合海图海况等行为的状态。前文两大组织在疲劳公约条款方面止步于所有疲劳致因的列举，《疲劳指南》侧重于睡眠等职业疲劳致因研究。然而从事故和险情导向性来看，对海船船员疲劳的研究应该侧重于值班疲劳。因此，应当将两者进行辨析以对值班疲劳进一步深入研究。

2. 技术链条不完整

目前疲劳度量手段少、没有统一衡量标准，问卷调查为主的社会学研究导致数据被迫包含许多主观因素，使得比较和评估研究结果影响的任务极其困难或缺乏普适性[15]。由10年来的研究趋势图以及三维图发现，尽管更注重睡眠质量和时长的普适疲劳影响，对疲劳的研究正从概述走向致因分析，预示着未来更需要走向主成分分析，最终建立疲劳测量的行业标准。

从三个层面目前的研究特征看，多学科交叉融合的案例少之又少，然而疲劳研究天然跨越生理学、运动医学、计算机技术等领域，未来值班疲劳更需要引入跨学科的知识与技术，实现从基础到应用。同其他学科的知识和成熟技术的交流结合将成为未来海船船员疲劳研究的一大催化剂。

3. 技术与需求的吻合度不高

基于前文可知，在国际组织公约方面，2011年SOLAS驾驶台预警系统已经难以适应新时代值班疲劳的环境，其对船员的疲劳缓解作用难以发挥预期效果。更新驾驶台预防疲劳系统是改善船员工作环境，防止疲劳的一项重大需求。建议对海船船员实行分级疲劳对策，根据驾驶室特征和船员疲劳相应需求参照IMO提出的午睡策略和航空业飞行员的三级休息室进行设置。同时可以参考并应用HORIZON项目的单机系统，通过测试船员反应时间等方式间接测定其疲劳程度。

借助知识图谱对当前不同领域不同特征的船员疲劳研究进行聚类分析，剖析当前研究脉络和趋势，从解决疲劳风险的根本需求出发，因职业特殊性导致的职业疲劳无法克服，后续需进一步辨析船员职业疲劳和值班疲劳，从值班疲劳角度进一步开展多学科的交叉研究。鉴于当前防疲劳技术局限于值班监控系统的功能改进，应当通过人机工程设计，改善当前驾驶台瞭望环境，建立全景驾驶台让船员视野更广阔，最终减少甚至杜绝海船船员疲劳导致的隐患、险情及事故。