袁建中， 蔡存強(qiáng)， 胡志武

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

港口國監(jiān)督(Port State Control, PSC)，指國家航政主管機(jī)關(guān)為確保停泊于國內(nèi)港口的外國船舶的船況、設(shè)備及人員操作等均能符合國際公約及相關(guān)規(guī)定而進(jìn)行的監(jiān)督和檢查工作.[1]通過采取強(qiáng)制糾正和滯留等手段，PSC工作人員促使途經(jīng)的外籍船舶在海上航行設(shè)備、工作條件和防止污染等諸多方面逐漸符合公約規(guī)定.[2-3]PSC要求每艘受檢船舶維持一定的國際安全標(biāo)準(zhǔn)，不但對船舶本身是一種安全督促，也能保障港口的運(yùn)營安全.[4-5]

對于PSC而言，信息界的決策支持和數(shù)據(jù)挖掘理念依然屬于新鮮課題，業(yè)界少有探索.[6-7]PSC工作人員主要依靠人工檢查經(jīng)驗(yàn)的定性累積，對后續(xù)工作進(jìn)行糾偏以及對新人進(jìn)行培訓(xùn).現(xiàn)代決策支持技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘方法，可以對寶貴的PSC查船記錄進(jìn)行科學(xué)、高效的信息揀選與處理，提取船舶缺陷的內(nèi)在規(guī)律[8-9]，很好地協(xié)助工作人員提高工作效率與品質(zhì).本文以臺灣島4大港口(基隆、臺中、花蓮、高雄)施行PSC工作所記錄數(shù)據(jù)信息為背景，基于數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)規(guī)則原理[10-11]，提出一套現(xiàn)實(shí)可行的數(shù)據(jù)化PSC決策支持算法，為PSC工作人員提供翔實(shí)可靠的客觀建議，輔助PSC工作高效進(jìn)行[12-13].本算法將現(xiàn)代決策支持的具體技術(shù)引入業(yè)界，具有較強(qiáng)的可行性.

1 PSC數(shù)據(jù)信息整理

本文算法的提出，主要以臺灣島4大港口2002年8月至2010年1月的883次查出缺陷的船只情況記錄(未有缺陷的船只不計(jì)入)為算法的計(jì)算依據(jù).本文對查船記錄進(jìn)行整理，修正壞數(shù)據(jù)，去除船公司名、船級社名等隱私保護(hù)項(xiàng)，整理為表1所示的PSC數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)格式.

表1 PSC數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)格式

每條記錄只包含目標(biāo)船的一條缺陷信息，若某目標(biāo)船含有N條缺陷，則在數(shù)據(jù)庫中連續(xù)記錄N行.表1中的“缺陷總目”與“缺陷細(xì)目”即船舶缺陷代碼的大類與細(xì)分.臺灣航政主管部門主要采用美國海岸警備隊(duì)制定的缺陷代碼(DEFICIENCY CODES)對照表[14]，對PSC工作的目標(biāo)船進(jìn)行缺陷標(biāo)定.表2為各缺陷總目的涵義.

表2 缺陷總目對照表

表2僅為缺陷總目，每目之下還有細(xì)分.例如09(Safety in general)下包含有24個(gè)缺陷細(xì)目，其中0936為“Steering gear”，0983為“Hull-corrosion”，等.

2 PSC決策支持算法的提出

2.1 算法的數(shù)理依據(jù)簡介

本算法的理論依據(jù)是數(shù)據(jù)挖掘理論中的關(guān)聯(lián)規(guī)則.關(guān)聯(lián)規(guī)則是指，通過對數(shù)據(jù)庫中兩個(gè)或多個(gè)屬性數(shù)據(jù)相互關(guān)系的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征的提取，找到各屬性之間可能存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián).例如，可以通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，得知某兩類缺陷存在相依關(guān)系，即常常同時(shí)出現(xiàn)；而有些缺陷則“蘊(yùn)含”著其他缺陷，即該缺陷發(fā)生的情況下另外某些缺陷發(fā)生的概率很大，但另外缺陷發(fā)生時(shí)該缺陷并非常常發(fā)生.這些屬性間可能存在的關(guān)聯(lián)規(guī)律，對于PSC工作人員，尤其是工作經(jīng)驗(yàn)較少的年輕工作者，具有指導(dǎo)意義，并且由于從數(shù)據(jù)庫中提煉出的關(guān)聯(lián)規(guī)律的客觀性，可在一定程度上避免人為經(jīng)驗(yàn)的偏頗.

圖1(a)中A與B為相依關(guān)系，可以依照條件概率推出A?B和B?A;圖1(b)中A與B為蘊(yùn)含關(guān)系，可以依照條件概率推出A?B.具體的相依或蘊(yùn)含的程度，則可通過計(jì)算得到的條件概率值定量呈現(xiàn).

圖1船舶某兩缺陷的關(guān)系

2.2 PSC決策支持算法流程設(shè)計(jì)

基于第2.1節(jié)所闡述的關(guān)聯(lián)規(guī)則，結(jié)合PSC工作的特性，提出一種十分具有可操作性的決策支持算法.基本流程如下.

(1)依據(jù)PSC數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計(jì)出缺陷總目的單項(xiàng)頻繁項(xiàng)集(本文以缺陷總目為算法的簡要示例，缺陷細(xì)目也可用相同方法處理，需要更大的計(jì)算量)，即PSC工作中最頻繁查到的幾類總目的頻繁程度信息.單項(xiàng)排名可為PSC工作人員提供初始檢查項(xiàng)目建議.如表3所示，經(jīng)過對臺灣4大港口9年間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可得到臺灣地區(qū)最常出現(xiàn)的22類總目，其中09類總目以883次檢查任務(wù)中有547次出現(xiàn)的高頻度位居該類缺陷之首.09,12以及07等高頻出現(xiàn)的總目，無疑是臺灣地區(qū)PSC檢查工作的重點(diǎn).

(2)依據(jù)上述得到的高頻項(xiàng)集(22類)的數(shù)據(jù)信息，統(tǒng)計(jì)出缺陷總目的雙項(xiàng)頻繁項(xiàng)集信息，建立相依性矩陣.先計(jì)算出22類最頻繁出現(xiàn)的單項(xiàng)中某一項(xiàng)A出現(xiàn)的前提下另一項(xiàng)B出現(xiàn)的概率，即B相對于A的條件概率.依據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則的具體原理，條件概率即為蘊(yùn)含式的置信度指標(biāo),所以條件概率數(shù)值越大，對應(yīng)的蘊(yùn)含規(guī)則越可信.

表3 單項(xiàng)頻繁項(xiàng)集排名

表4中行屬性和列屬性均為頻繁度最高的22項(xiàng)缺陷總目(限于篇幅，表中只列出7項(xiàng)缺陷總目).表中行屬性為蘊(yùn)含式母項(xiàng)，列屬性為蘊(yùn)含式子項(xiàng)，從表中可讀出22類中任意兩類的蘊(yùn)含規(guī)則置信度.例如“09?06”的置信度為0.614(61.4%)，而“06?09”的置信度為0.985(98.5%)，顯然后者的蘊(yùn)含規(guī)則更加可靠；因?yàn)閮商N(yùn)含式的置信度都較高，所以前后兩對代碼在一定程度上分別存在相依關(guān)系.

(3)依據(jù)相依矩陣導(dǎo)出蘊(yùn)含規(guī)則，并按置信度排列.例如依據(jù)相依矩陣可知“09?06”的置信度低于“06?09”，則關(guān)于該兩者的關(guān)聯(lián)關(guān)系以后者為準(zhǔn)，即“06?09”.本文所導(dǎo)出的蘊(yùn)含規(guī)則見表5(以缺陷總目01，02，03為例).PSC工作人員可依據(jù)該清單中的蘊(yùn)含規(guī)則，找出客觀上嫌疑程度最大的潛在缺陷.

表5中部分蘊(yùn)含規(guī)則置信度超過1(100%)，是由有些船舶同時(shí)被檢出同一個(gè)缺陷總目下的多個(gè)缺陷細(xì)目造成的.例如蘊(yùn)含式“01?09”的置信度為3.18(318%)，表示在查船過程中，每出現(xiàn)一個(gè)01類缺陷總目的同時(shí)，平均伴隨3個(gè)以上的09類缺陷總目，可能是0910，0915或0920等各不同細(xì)目的缺陷.所以，本文中的置信度概念為廣義置信度概念，取值范圍較靈活.

表4 雙項(xiàng)頻繁項(xiàng)相依性矩陣

表5 蘊(yùn)含規(guī)則排名清單示例

2.3 使用算法進(jìn)行決策的步驟

本算法依據(jù)臺灣島4大港口歷年的PSC數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到表3和5兩個(gè)決策支持清單.PSC工作人員的使用方法是：

(1)當(dāng)工作人員登上目標(biāo)船后，在沒有其他信息提示的情況下，可根據(jù)表3找到頻繁度最高即嫌疑最大的潛在缺陷進(jìn)行查看，例如09總目和12總目.在有其他信息提示的情況下，例如通過其他信息確信該船不會發(fā)生09總目缺陷的前提下，12總目成為最大嫌疑目標(biāo)，清單建議工作人員從12總目開始，依次著手展開檢查.

(2)當(dāng)工作人員查到某總目存在缺陷時(shí)，可根據(jù)表5找出接下來潛在的最大嫌疑目標(biāo).例如當(dāng)查出某船02總目存有缺陷時(shí)，根據(jù)表5可知12總目被檢出缺陷的潛在可能最大，工作人員在沒有其他信息的參考下可依據(jù)該清單查看12總目.如12總目沒有查到缺陷，可繼續(xù)查找15總目(15總目位列第2).

(3)依次類推，直到PSC工作結(jié)束.

3 結(jié)束語

在本文所提出的決策支持算法的客觀輔助下，工作人員的工作效率顯著提高.經(jīng)驗(yàn)不足的PSC工作人員，在沒有其他有效信息的輔助下，可依據(jù)本算法運(yùn)算導(dǎo)出的決策支持清單，找到一條理論上最優(yōu)化的檢查次序.本算法僅提供運(yùn)算模式，由于不同海域流通的船舶具體情況的差異，依照不同港口的PSC歷史數(shù)據(jù)庫，運(yùn)算得出的決策支持清單也會各有不同.但只要PSC歷史數(shù)據(jù)庫中記錄的信息真實(shí)可靠，就可以通過本文提出的算法得到具有實(shí)際輔助意義的詳細(xì)PSC建議.

本算法將關(guān)聯(lián)規(guī)則的核心思想與PSC數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，引入PSC工作領(lǐng)域，是一次探索性的嘗試.數(shù)據(jù)挖掘思想中的關(guān)聯(lián)規(guī)則是智能計(jì)算領(lǐng)域常用到的思路，將智能思想廣泛引入PSC領(lǐng)域，可為PSC工作帶來更多的發(fā)展空間.關(guān)于PSC領(lǐng)域的智能化研究，未來將會有更多更有益的研究成果.

參考文獻(xiàn)：

[1] Tokyo MOU. Annual report on port State control in Asia-Pacific region 2006[R]. 2006: 8-9．

[2] 李文華, 袁國強(qiáng). 從價(jià)值鏈角度論中國PSC競爭力[J]. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 9(1): 48-50.

[3] PLAZA F. The future for flag State implementation and port State control[M]// NORDQUIST M H, MOORE J N. Current maritime issues and the International Maritime Organization (center for oceans law & policy). Netherlands: Martinus Nijhoff Publishers, 1999: 199-201.

[4] 馬雪梅, 羅衛(wèi)華. 論船級社檢驗(yàn)、船旗國監(jiān)督與港口國監(jiān)督三者關(guān)系[J]. 航海技術(shù), 2007(1): 74-75.

[5] WU Zhaolin, FU Yuhui, ZHU Yuzhu．Maritime safety administration management[M]. Dalian: Dalian Maritime Univ Pr, 2001: 25-37．

[6] 徐東. 2008—2010年P(guān)SC檢查數(shù)據(jù)分析[J]. 中國海事, 2011(6): 21-23.

[7] 李凱里, 王立宏, 童向榮. 預(yù)期關(guān)聯(lián)規(guī)則集及其基數(shù)的定量分析[J]. 模式識別與人工智能, 2010, 23(3): 402-407.

[8] 蘇健, 高濟(jì). 粗糙決策支持方法[J]. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào), 2003, 26(6): 738-739.

[9] 黃志. 福建沿海船舶事故的灰色關(guān)聯(lián)分析[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 27(1): 21-23.

[10] 馮宏祥, 肖英杰. 基于灰色關(guān)聯(lián)度的航道方案評價(jià)[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 28(3): 2-4.

[11] 黃曉霞, 程論. 綜合評價(jià)與數(shù)據(jù)挖掘的比較[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 28(4): 54-56.

[12] 宓為建, 徐子奇, 劉園. 大型港機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值與小車位置關(guān)聯(lián)規(guī)則的數(shù)據(jù)挖掘[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 28(3): 44-46.

[13] 張金區(qū), 王開泳, 王云鵬. 面向統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的三位一體可視化關(guān)聯(lián)分析[J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2012, 38(3): 258-260.

[14] US Coast Guard. Port State control report of inspection. [R]. 2004, 5: 1-13.