董良雄， 盧金樹， 朱發(fā)新

(浙江海洋學(xué)院 海運與港航建筑工程學(xué)院, 浙江 舟山 316022)

船舶風(fēng)險診斷推理模型的設(shè)計與應(yīng)用

董良雄， 盧金樹， 朱發(fā)新

(浙江海洋學(xué)院 海運與港航建筑工程學(xué)院, 浙江 舟山 316022)

在船舶風(fēng)險管理中，為從已有的風(fēng)險監(jiān)測實例中挖掘出潛在的風(fēng)險診斷知識，將人工智能的思想應(yīng)用于風(fēng)險狀態(tài)識別，利用基于信息熵的決策樹的知識獲取方法從監(jiān)測實例中推理風(fēng)險與相應(yīng)特征的對應(yīng)關(guān)系。采用主元分析方法約簡條件屬性，采用C4.5算法度量風(fēng)險監(jiān)測實例表中各條件屬性對狀態(tài)識別的重要性，建立基于狀態(tài)監(jiān)測實例庫的風(fēng)險診斷推理模型。通過運用此模型對船體腐蝕程度進行風(fēng)險監(jiān)測管理，驗證了診斷推理的效果，相應(yīng)的信息處理流程為船舶的持續(xù)風(fēng)險監(jiān)控提供了手段支持。

水路運輸；船舶風(fēng)險診斷；推理系統(tǒng)；知識獲?。粵Q策樹

根據(jù)《國際安全管理(International Safety Management,ISM)規(guī)則》，船舶應(yīng)能根據(jù)本船已發(fā)生的風(fēng)險案例，對船舶安全狀態(tài)進行有效監(jiān)測，并建立一套診斷與預(yù)控機制來確定船舶運行的風(fēng)險。通過定期檢驗船舶與報告船舶運行管理中的事故隱患機制，可以收集許多風(fēng)險信息或監(jiān)測實例。因此，為在船舶營運中有效識別風(fēng)險，必須從這些監(jiān)測實例中挖掘出風(fēng)險辨識知識，并以此為基礎(chǔ)進行風(fēng)險診斷推理。

船舶風(fēng)險通常具備隨機性、模糊性，風(fēng)險的特征又常常具有信息不完全性，具體表現(xiàn)為征象組合重疊、復(fù)雜多變，實際中這些特征直接導(dǎo)致風(fēng)險檢測困難?，F(xiàn)有風(fēng)險分析方法常常不能兼顧客觀性和普適性，客觀性強的分析方法因缺乏普適性而應(yīng)用困難，普適性強的分析方法的客觀性往往又很差。文獻[1]和[2]建立了船舶風(fēng)險狀態(tài)的綜合評估模型，但較多地依靠人員的現(xiàn)場經(jīng)驗，風(fēng)險推理過程中主觀性過強。文獻[3]和[4]建立了船舶管理信息系統(tǒng)，形成了岸基管理人員和船舶共同使用的綜合性網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了船舶狀態(tài)監(jiān)控、風(fēng)險診斷以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計等功能，這也是現(xiàn)代船舶管理公司普遍采用的管理平臺，但目前在平臺建設(shè)中多強調(diào)管理系統(tǒng)的整體性，功能上多注重閉環(huán)控制與嚴(yán)密性，在風(fēng)險診斷中存在特征因素分析和數(shù)據(jù)處理方面的困難。

為解決這些問題，可在風(fēng)險辨識中利用監(jiān)測得來的信息和數(shù)據(jù)，通過知識工程的思路和技術(shù)，借助計算機技術(shù)，實現(xiàn)風(fēng)險自動識別[5]，兼顧風(fēng)險診斷中的普適性和客觀性，使風(fēng)險管理更科學(xué)、更智能，從而使船舶信息管理系統(tǒng)不斷完善。

1 基于學(xué)習(xí)推理的風(fēng)險診斷原理

完整的船舶風(fēng)險診斷需要監(jiān)測較多的狀態(tài)參數(shù)，實施困難；而通過分類辨識和歸納學(xué)習(xí)，從大量的實例中提取相關(guān)知識，形成相應(yīng)的推理規(guī)則，能夠在參數(shù)較少的情況下進行船舶風(fēng)險狀態(tài)辨識，從而將風(fēng)險診斷與船舶已有的信息管理系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)風(fēng)險自動識別。其原理結(jié)構(gòu)見圖1，包括數(shù)據(jù)庫模塊、診斷規(guī)則庫模塊、推理模塊和結(jié)果輸出模塊等。[6]通過數(shù)學(xué)方法對案例庫中的實例進行篩選和知識提取，從而將診斷規(guī)則載入診斷模塊。新監(jiān)測的風(fēng)險特征向量經(jīng)離散化處理后實時送到診斷模塊，診斷模塊則根據(jù)診斷規(guī)則進行推理并輸出相應(yīng)結(jié)果。此外，由于風(fēng)險本身的不確定性和多變性，案例庫和規(guī)則庫也需要隨風(fēng)險進行動態(tài)更新，利用每次風(fēng)險發(fā)生后收錄與存儲的數(shù)據(jù)促進風(fēng)險診斷的優(yōu)化。

圖1 風(fēng)險診斷推理模型

2 決策樹學(xué)習(xí)算法

目前獲取知識應(yīng)用較多的方法是決策樹算法，此處選用C4.5決策樹算法，依據(jù)信息增益比來選擇測試屬性。設(shè)實例樣本空間S由k類組成，分別為C1,C2,…,Ck，對應(yīng)的概率為pi=|Ci|/|S|，i=1,2,…,k，則該樣本空間的期望分類信息熵為

(1)

如果監(jiān)測屬性A可取n個不同的值，在劃分規(guī)則下可將樣本空間S劃分為n類集合S1,S2,…,Sn，pj=|Sj|/|S|，pij=|Si∩Ci|/|S|，j=1,2,…,n，樣本空間S的條件信息熵、信息增益、分裂信息、信息增益比分別為

(2)

gain(S,A)=H(S)-H(S,A)

(3)

(4)

GainRatio(S,A)=Gain(S,A)/SI(S,A)

(5)

依次針對所有監(jiān)測屬性計算上述各參數(shù)，比較各監(jiān)測屬性的信息增益比，將具有最大信息增益比的屬性作為決策樹的根節(jié)點。若樣本空間被劃分為m個不相交的子集，則從根節(jié)點下伸出m個分叉而形成m個新的葉節(jié)點[7]。根節(jié)點的不同屬性值同樣將樣本空間劃分為幾組，同樣選擇各組新的根節(jié)點作為該組的新分類依據(jù)，依此類推，直到所有的實例樣本都被分類，或?qū)嵗龢颖具_到某一設(shè)定的分類程度(即決策樹建成)。對樹中每一分支進行描述，便形成風(fēng)險診斷知識的產(chǎn)生式分類規(guī)則。

3 主元分析約簡算法

樣本空間往往會有大量狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)或?qū)傩?，但并不是所有的狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)都是必須的，因為參數(shù)之間可能存在冗余，且參數(shù)越多，所需花費的狀態(tài)辨識時間越長；形成的決策樹太大會導(dǎo)致規(guī)則的普適性不強，精度也有可能降低。因此，要對監(jiān)測屬性進行篩選。采用主元分析法，原理是數(shù)據(jù)空間降維，即將原來的n維空間降至m維空間，也就是將原來的n維空間融合為m維空間，此時的m維空間數(shù)據(jù)仍能表達原來信息的大部分內(nèi)容[7]，因而更適合船舶風(fēng)險監(jiān)測實例的數(shù)據(jù)特征。

4 診斷步驟與實例

船體腐蝕是影響船舶安全的重要因素，一般在塢檢時根據(jù)船體測厚數(shù)據(jù)進行判斷。由于上塢全面檢查間隔期一般較長,且會有較大的經(jīng)濟損失，因此可在船舶非停航狀態(tài)下采集船體局部測厚數(shù)據(jù)對整體腐蝕程度進行診斷推理，將船舶塢檢的記錄作為監(jiān)測實例，通過學(xué)習(xí)歸納和提取實例中的知識，將這些知識以決策樹的形式表示出來,并從中提取辨識規(guī)則，做到對船體腐蝕風(fēng)險的持續(xù)監(jiān)測。

4.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與離散化

為提高建立決策樹的效率，需對連續(xù)屬性進行離散化變換。數(shù)據(jù)離散化有等距離劃分、等頻率劃分及信息熵等方法。等頻率劃分是將屬性中的m個對象劃為k段，這樣每段中有m/k個對象，把每個監(jiān)測屬性值從小到大排列，然后等頻率劃分為幾個等級。以某公司同型船的塢修記錄為數(shù)據(jù)來源的離散化樣本見表1。

表1 離散化的船體腐蝕監(jiān)測樣本

表1中,決策屬性為船體腐蝕程度，采用評價值，即高、低、中3種狀態(tài)與決策屬性{H，M，L}相對應(yīng)，評價值結(jié)合實測定量數(shù)據(jù)、船體強度計算數(shù)據(jù)等進行綜合判斷；局部船體監(jiān)測點的腐蝕程度采用等頻率劃分法分為高、中、低3種狀態(tài),使之與條件屬性值{3，2，1}相對應(yīng)。根據(jù)屬性約簡的主元分析方法計算各條件屬性的貢獻率，可知前7個條件屬性(C1～C7)的累計貢獻率已超過85%，因此選取這些條件屬性數(shù)據(jù)向量能有效表達樣本整體信息。

4.2決策樹根節(jié)點的確定

由于樣本的決策屬性被分成了3類，因此該樣本的期望分類信息熵為

以C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7為條件屬性，對各監(jiān)測屬性的信息分類熵、增益值、分裂信息及增益比按式(1)～式(4)進行計算，以屬性C1為例計算為

Gain(S,A)=1.554-0.499=1.055

GainRatio(S,A)=0.677

用同樣方法計算其他屬性參數(shù)，為方便對比，將各屬性計算值列于一個表中(見表2)。

表2 按屬性取值劃分的子類表

由表2可知,監(jiān)測屬性C1的增益比最大，因而將監(jiān)測屬性C1作為決策樹的根節(jié)點。

4.3決策樹生成及規(guī)則提取

決策樹的根節(jié)點確定后，可看到C1把監(jiān)測屬性樣本S劃為3個子集C11，C12，C13，其中：C11的樣本已是同一類，因而不需要分解;C12和C13則需要繼續(xù)挑選最大增益比的測試屬性并進行分解，計算方法與根節(jié)點計算方法相同,逐步計算，直到無法繼續(xù)分類。對決策樹進行剪枝[9]得到的船體腐蝕風(fēng)險推理決策樹見圖2。由于決策樹中從根節(jié)點到每個葉節(jié)點的路徑都表示相應(yīng)的規(guī)則，因此根據(jù)生成的決策樹可產(chǎn)生6條IF-THEN規(guī)則。這些獲取的知識具有可移植性，從而在風(fēng)險的特征空間與狀態(tài)空間形成了對應(yīng)關(guān)系的狀態(tài)辨識推理體系。

圖2 風(fēng)險診斷決策樹

4.4信息流程設(shè)計

利用挖掘的風(fēng)險診斷知識進行風(fēng)險辨識推理的實質(zhì)是對風(fēng)險信息進行分析、轉(zhuǎn)化和推斷[10]，采集、更新風(fēng)險信息，從而輸出風(fēng)險評估及對策建議，使原始信息高效地轉(zhuǎn)化為可用于決策的有用信息。將診斷模型應(yīng)用到目前廣泛使用的船舶信息管理系統(tǒng)[2]中，即可建立風(fēng)險管理過程中的信息模式與流程(見圖3)。

圖3 風(fēng)險診斷系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)圖

圖3明確了風(fēng)險診斷推理及相關(guān)任務(wù)的完成過程以及相應(yīng)的信息收集、信息存儲、信息加工、信息管理、人機對話與輸出等步驟，可促進船舶信息管理系統(tǒng)風(fēng)險辨識與預(yù)警功能的完善。

5 結(jié) 語

運用知識獲取方法進行船舶的風(fēng)險診斷，采用決策樹和主元分析方法從船舶狀態(tài)監(jiān)測實例中獲取相對簡單的風(fēng)險診斷規(guī)則，為風(fēng)險辨識與預(yù)警提供了有效的方法和手段。其中，診斷模型通過新監(jiān)測數(shù)據(jù)判別船舶設(shè)備所處的風(fēng)險狀態(tài)，使用參數(shù)較少，且具有較高的準(zhǔn)確率和工作效率，在船舶信息管理系統(tǒng)的建設(shè)中具有較高的工程實用價值。

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DesignandApplicationofInferenceModelforShipRiskDiagnosis

DONGLiangxiong,LUJinshu,ZHUFaxin

(School of Shipping and Ports Architecture Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China)

The artificial intelligence method of knowledge acquisition for ship risk management to extract hidden diagnostic knowledge from the risk monitoring instances is introduced. The knowledge about condition-risk relations are acquired from monitor instances through building decision trees based on information entropy. The attributes of observations are reduced by principal component analysis and the importance of each attribute for the condition identification is measured by the C4.5 algorithm afterwards. With the results of the processing, the inference model for ship risk diagnosis based on monitor instances is established. The method has been used to predict ship hull corrosion and proved to be effective. The process is suitable for continuous risk monitoring and management.

waterway transportation; ship risk diagnosis; reasoning system; knowledge acquisition; decision tree

2014-09-02

浙江省重大科技專項(2013C03033)；舟山市科技計劃項目(2013C11015)；浙江省自然科學(xué)基金(LQ14E090001)；浙江海洋學(xué)院科研啟動經(jīng)費資助(201185011513)

董良雄(1974—), 男, 湖北武漢人，博士，從事設(shè)備綜合管理與船舶交通安全研究。E-mail:434368381@qq.com

1000-4653(2014)04-0084-04

U698

A