引航员不安全行为干预的系统动力学仿真

引航员不安全行为干预的系统动力学仿真作者：田力胡甚平席永涛张欣欣
来源：《上海海事大学学报》2021年第01期
摘要：
为减少引航员的不安全行为，采用鱼骨图分析引航员不安全行为的影响因素，提出引航员不安全行为的干预策略，进而建立引航员不安全行为干预的系统动力学模型。

结合港口引航员调研数据，对引航员不安全行为的动态演变过程进行仿真。

案例计算结果表明：在干预策略实施期间，引航员驾引过程中不安全行为、不安全心理、不安全生理水平呈现先增后减的抛物线趋势。

安全价值观和安全能力提升速度最快，干预效果最显著。

提升引航员的安全價值观和安全能力是减少引航员不安全行为的重要策略。

关键词：
引航员; 不安全行为干预; 系统动力学; 仿真
中图分类号： U675.98; U698
文献标志码： A
System dynamics simulation on unsafe behavior intervention of pilots
TIAN Li， HU Shenping， XI Yongtao， ZHANG Xinxin
（Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）
Abstract：
In order to reduce the unsafe behaviors of pilots， the fishbone diagram is used to analyze the influencing factors of pilot unsafe behaviors， the intervention strategies of pilot unsafe behaviors are proposed， and the system dynamics model of pilot unsafe behavior intervention is established. Based on the port pilot survey data， the dynamic evolution of the pilot unsafe behaviors is simulated. The case calculation result shows that， during the implementation of intervention strategies， the unsafe level of behavior， psychology and physiology of pilots in the course of operation keeps a parabolic trend of increasing first and then decreasing. The safety values and the safety ability are promoted fastest and the intervention effects are the most significant. Improving the pilot safety values and the pilot safety ability is an important strategy for reducing the pilot unsafe behaviors.
Key words：
pilot; unsafe behavior intervention; system dynamics; simulation
收稿日期： 2020-02-10
修回日期： 2020-06-24
基金项目：
国家重点研发计划（2019YFB1600600）;上海市重点学科建设项目（T0603）;上海市2020年度“科技创新行动计划”软科学重点项目（20692108700）
作者简介：
田力（1994—），男，甘肃天水人，硕士研究生，研究方向为水上交通运输安全，（E-mail）****************;
胡甚平（1974—），男，湖北通城人，教授，博士，研究方向为载运工具运用工程与安全工程，（E-mail）**************.cn
0 引言
引航员是船舶引航作业的执行者，是保障船舶引航过程安全的关键人物[1]。

据统计，90%以上的船舶引航事故是引航员或船员的不安全行为造成的[2]，引航员不安全行为是导致船舶引航重大
事故发生的关键因素之一。

因此，研究引航员不安全行为的动态演变规律，针对不安全行为影响因素进行干预，对减少引航员的不安全行为，保障引航安全具有关键意义。

目前，国内外专家学者主要从影响因素和形成机理角度、预控干预角度研究人的不安全行为。

影响因素和形成机理方面：CHOUDHRY等[3]指出不安全行为影响因素主要包括安全意识、工作压力、安全态度、心理和生理因素、设施、环境、安全培训和教育、安全管理等。

预控干预方面：ZAIRA等[4]开发了针对建筑工人不安全行为的综合安全干预措施的结构方程模型。

BERGHEIM等[5]指出，提高员工的职业素质和安全行为能力是减少不安全行为的重要措施。

现有研究多关注引航员人因可靠性影响因素分析和定量预测[6-7]。

不安全行为方面：张欣欣等[8]
分析了船舶港口引航风险中的人和组织因素（human and organizational factors， HOF），得出绝大多数引航事故由不安全的引航行为导致;席永涛等[2]通过结构方程模型和多级回归分析探究了引航员危险态度对其安全行为的影响。

上述研究均从静态角度定性、分散地分析和处理问题，缺少对不安全行为影响因素间多维关系以及动态演变的研究，特别是对引航员不安全行为动态变化过程的研究还未涉及。

本文通过对导致引航员不安全行为的因素的分析，提出引航员不安全行为影响因素鱼骨图，引入系统动力学理论，构建引航员不安全行为干预的系统动力学仿真模型。

结合某港口引航员调研数据，对引航员不安全行为干预进行仿真，以期提出有效的、有针对性的不安全行为干预策略。

1 问题描述
1.1 导致引航员不安全行为的因素
结合相关文献[9-10]，通过对上海港1995—2019年890起引航事故原因的分析[11]，归纳出引航员不安全行为的影响因素（见图1引航员不安全行为影响因素鱼骨图），主要包括：①心理因素（职业压力、侥幸心理、自负心理、紧张心理、疲劳心理、粗心大意）;②生理因素（慢性疲劳、身体素质差、年龄大小、引航作业强度、带病上岗、睡眠不足）;③安全能力因素（专业技能不足、理论知识匮乏、应急演练少、模拟训练少、硬件设备水平低、综合处理能力（沟通协调能力、临时应变能力）弱）;④安全价值观因素（安全观念、安全意识、安全态度）;⑤环境因素（自然环境、通航环境、交通环境、人机匹配、引航设备条件）;⑥组织管理因素（引航员管理不到位、引航管理制度不完善、安全监督力度小、安全投入力度小）。

1.2 引航员不安全行为的干预策略和干预系统
基于對引航员不安全行为影响因素的分析提出相应的干预策略。

在引航员不安全行为影响因素及相应干预策略的基础上，构建引航员不安全行为干预系统的7个子系统（见表1）：引航员心理干预系统、引航员生理干预系统、引航员安全能力干预系统、引航员安全价值观干预系统、作业环境干预系统、组织管理干预系统、不安全行为事后干预系统[12]。

用↑表示系统水平随着干预力度增加而增加，↓表示系统水平随着
干预力度增加而减小。

通过对干预系统的分析，得出引航员不安全行为干预系统的4个主要反馈回路：①安全教育培训↑→安全价值观水平↑→安全作业能力水平↑→不安全行为水平↓→安全教育培训↑;②安全宣传水平↑→安全价值观水平↑→不安全心理水平↓→不安全行为水平↓→安全宣传水平↑;③安全引航管理↑→合理安排引航任务量↑→不安全生理水平↓→不安全行为水平↓→安全引航管理↑;④安全作业能力水平↑→不安全行为水平↓→业务知识培训↑→模拟训练↑→安全作业能力水平↑。

2 模型建立
2.1 系统动力学原理
系统动力学建模方法是基于控制论和非线性动力学理论的建模方法，由Forrester教授于1958年首次提出。

该方法使用计算机仿真对各种具有动力学反馈的系统进行建模，同时通过对系统中多因素之间的复杂相互作用建模来研究非线性相互作用是如何随时间影响系统行为的。

[13-15]Vensim是一种系统动力学模拟软件，变量类型包含状态变量、速率变量、辅助变量和常量等，库存流程图通过内置各种函数将定性关系转换为定量关系。

系统动力学建模流程见图2。

2.2 确定系统动力学模型变量
鉴于建立系统动力学流图的需要，根据表1确定模型变量集，包括水平变量（也叫状态变量）
L、速率变量R、辅助变量A和常量C，具体变量名称及符号见表2。

2.3 确定系统动力学流图及变量函数关系
运用Vensim-PLE建立引航员不安全行为干预系统动力学流图，见图3。

模型的系统动力学方程包含水平方程和速率方程。

水平方程是一个一阶差分方程，具有固定的表现形式，用来描述模型存量的变化[13]。

存量是流量变化随时间的积累，采用差分方程的形式进行描述：
Lk=Lj+Rin，jk-Rout，jkΔT （1）
式中：Lk表示水平变量L在时刻k的取值;Lj表示水平变量L在时刻j的取值;Rin，jk表示流入速率变量Rin在时刻j与时刻k之间的取值;Rout，jk表示流出速率变量Rout在时刻j与时刻k之间的取值;ΔT表示仿真时间步长，即在时刻j与时刻k之间求解时间间隔的长度[13]。

速率方程为水平变量、辅助变量和常量的函数，即
R=f（L，A，C）（2）
3 仿真算例
3.1 数据采集和分析
以某港在职引航员为主要调研对象，通过微信扫码填写问卷的方式对各级在职引航员227人进行调研，其中调研样本的学历和级别构成见图4。

选取最常用的克朗巴哈系数（Cornbach’sα）来检验问卷的可靠性，利用SPSS 19.0计算得到调查问卷的克朗巴哈系数为0.876（>0.60），表明问卷可靠性良好，通过其获得的真实值水平都在可接受范围内。

3.2 模型参数确定
依据引航员安全管理制度及行为规范，结合问卷调研数据和专家评分，对数据进行无量纲化处理，并取其算术平均值作为系统值，得到的各水平变量初始值见表3。

采用熵权法确定各辅助变量和各干预系数值。

设有m个子系统、n个评价指标，指标值为xij（1≤i≤m，1≤j≤n），具体步骤如下：
（1）对决策矩阵X=（xij）m×n进行标准化处理，再进行归一化处理，使数据在[0，1]范围内，得到矩阵X′=（x′ij）m×n。

（2）计算各评价指标的熵值：
（3）确定第j个评价指标的熵权：
φj=αjnj=1αj （4）
式中：αj表示第j个评价指标的差异系数，且αj=1-Hj。

运用MATLAB计算出各辅助变量和各干预系数值，见表4。

本文通过对导致引航员不安全行为的因素的分析，提出引航员不安全行为影响因素鱼骨图，引入系统动力学理论，构建引航员不安全行为干预的系统动力学仿真模型。

结合某港口引航员调研数据，对引航员不安全行为干预进行仿真，以期提出有效的、有针对性的不安全行为干预策略。

1 问题描述
1.1 导致引航员不安全行为的因素
结合相关文献[9-10]，通过对上海港1995—2019年890起引航事故原因的分析[11]，归纳出引航员不安全行为的影响因素（见图1引航员不安全行为影响因素鱼骨图），主要包括：①
心理因素（职业压力、侥幸心理、自负心理、紧张心理、疲劳心理、粗心大意）;②生理因素（慢性疲劳、身体素质差、年龄大小、引航作业强度、带病上岗、睡眠不足）;③安全能力因素（专业技能不足、理论知识匮乏、应急演练少、模拟训练少、硬件设备水平低、综合处理能力（沟通协调能力、临时应变能力）弱）;④安全价值观因素（安全观念、安全意识、安全态度）;⑤环境因素（自然环境、通航环境、交通环境、人机匹配、引航设备条件）;⑥组织管理因素（引航员管理不到位、引航管理制度不完善、安全监督力度小、安全投入力度小）。

1.2 引航员不安全行为的干预策略和干预系统
基于对引航员不安全行为影响因素的分析提出相应的干预策略。

在引航员不安全行为影响因素及相应干预策略的基础上，构建引航员不安全行为干预系统的7个子系统（见表1）：引航员心理干预系统、引航员生理干预系统、引航员安全能力干预系统、引航员安全价值观干预系统、作业环境干预系统、组织管理干预系统、不安全行为事后干预系统[12]。

用↑表示系统水平随着干预力度增加而增加，↓表示系统水平随着
干预力度增加而减小。

通过对干预系统的分析，得出引航员不安全行为干预系统的4个主要反馈回路：①安全教育培训↑→安全价值观水平↑→安全作业能力水平↑→不安全行为水平↓→安全教育培训↑;②安全宣传水平↑→安全价值观水平↑→不安全心理水平↓→不安全行为水平↓→安全宣传水平↑;③安全引航管理↑→合理安排引航任务量↑→不安全生理水平↓→不安全行为水平↓→安全引航管理↑;④安全作业能力水平↑→不安全行为水平↓→业务知识培训↑→模拟训练↑→安全作业能力水平↑。

2 模型建立
2.1 系统动力学原理
系统动力学建模方法是基于控制论和非线性动力学理论的建模方法，由Forrester教授于1958年首次提出。

该方法使用计算机仿真对各种具有动力学反馈的系统进行建模，同时通过对系统中多因素之间的复杂相互作用建模来研究非线性相互作用是如何随时间影响系统行为的。

[13-15]Vensim是一种系统动力学模拟软件，变量类型包含状态变量、速率变量、辅助变量和常量等，库存流程图通过内置各种函数将定性关系转换为定量关系。

系统动力学建模流程见图2。

2.2 确定系统动力学模型变量
鉴于建立系统动力学流图的需要，根据表1确定模型变量集，包括水平变量（也叫状态变量）
L、速率变量R、辅助变量A和常量C，具体变量名称及符号见表2。

2.3 确定系统动力学流图及变量函数关系
运用Vensim-PLE建立引航员不安全行为干预系统动力学流图，见图3。

模型的系统动力学方程包含水平方程和速率方程。

水平方程是一个一阶差分方程，具有固定的表现形式，用来描述模型存量的变化[13]。

存量是流量变化随时间的积累，采用差分方程的形式进行描述：
Lk=Lj+Rin，jk-Rout，jkΔT （1）
式中：Lk表示水平变量L在时刻k的取值;Lj表示水平变量L在时刻j的取值;Rin，jk表示流入速率变量Rin在时刻j与时刻k之间的取值;Rout，jk表示流出速率变量Rout在时刻j与时刻k之间的取值;ΔT表示仿真时间步长，即在时刻j与时刻k之间求解时间间隔的长度[13]。

速率方程为水平变量、輔助变量和常量的函数，即
R=f（L，A，C）（2）
3 仿真算例
3.1 数据采集和分析
以某港在职引航员为主要调研对象，通过微信扫码填写问卷的方式对各级在职引航员227人进行调研，其中调研样本的学历和级别构成见图4。

选取最常用的克朗巴哈系数（Cornbach’sα）来检验问卷的可靠性，利用SPSS 19.0计算得到调查问卷的克朗巴哈系数为0.876（>0.60），表明问卷可靠性良好，通过其获得的真实值水平都在可接受范围内。

3.2 模型参数确定
依据引航员安全管理制度及行为规范，结合问卷调研数据和专家评分，对数据进行无量纲化处理，并取其算术平均值作为系统值，得到的各水平变量初始值见表3。

采用熵权法确定各辅助变量和各干预系数值。

设有m个子系统、n个评价指标，指标值为xij（1≤i≤m，1≤j≤n），具体步骤如下：
（1）对决策矩阵X=（xij）m×n进行标准化处理，再进行归一化处理，使数据在[0，1]范围内，得到矩阵X′=（x′ij）m×n。

（2）计算各评价指标的熵值：
（3）确定第j个评价指标的熵权：
φj=αjnj=1αj （4）
式中：αj表示第j个评价指标的差异系数，且αj=1-Hj。

运用MATLAB计算出各辅助变量和各干预系数值，见表4。

本文通过对导致引航员不安全行为的因素的分析，提出引航員不安全行为影响因素鱼骨图，引入系统动力学理论，构建引航员不安全行为干预的系统动力学仿真模型。

结合某港口引航员调研数据，对引航员不安全行为干预进行仿真，以期提出有效的、有针对性的不安全行为干预策略。

1 问题描述
1.1 导致引航员不安全行为的因素
结合相关文献[9-10]，通过对上海港1995—2019年890起引航事故原因的分析[11]，归纳出引航员不安全行为的影响因素（见图1引航员不安全行为影响因素鱼骨图），主要包括：①心理因素（职业压力、侥幸心理、自负心理、紧张心理、疲劳心理、粗心大意）;②生理因素（慢性疲劳、身体素质差、年龄大小、引航作业强度、带病上岗、睡眠不足）;③安全能力因素（专业技能不足、理论知识匮乏、应急演练少、模拟训练少、硬件设备水平低、综合处理能力（沟通协调能力、临时应变能力）弱）;④安全价值观因素（安全观念、安全意识、安全态度）;⑤环境因素（自然环境、通航环境、交通环境、人机匹配、引航设备条件）;⑥组织管理因素（引航员管理不到位、引航管理制度不完善、安全监督力度小、安全投入力度小）。

1.2 引航员不安全行为的干预策略和干预系统
基于对引航员不安全行为影响因素的分析提出相应的干预策略。

在引航员不安全行为影响因素及相应干预策略的基础上，构建引航员不安全行为干预系统的7个子系统（见表1）：引航员心理干预系统、引航员生理干预系统、引航员安全能力干预系统、引航员安全价值观干预系统、作业环境干预系统、组织管理干预系统、不安全行为事后干预系统[12]。

用↑表示系统水平随着干预力度增加而增加，↓表示系统水平随着
干预力度增加而减小。

通过对干预系统的分析，得出引航员不安全行为干预系统的4个主要反馈回路：①安全教育培训↑→安全价值观水平↑→安全作业能力水平↑→不安全行为水平↓→安全教育培训↑;②安全宣传水平↑→安全价值观水平↑→不安全心理水平↓→不安全行为水平↓→安全宣传水平↑;③安全引航管理↑→合理安排引航任务量↑→不安全生理水平↓→不安全行为水平↓→安全引航管理↑;④安全作业能力水平↑→不安全行为水平↓→业务知识培训↑→模拟训练↑→安全作业能力水平↑。

2 模型建立
2.1 系统动力学原理
系统动力学建模方法是基于控制论和非线性动力学理论的建模方法，由Forrester教授于1958年首次提出。

该方法使用计算机仿真对各种具有动力学反馈的系统进行建模，同时通过对系统中多因素之间的复杂相互作用建模来研究非线性相互作用是如何随时间影响系统行为的。

[13-15]Vensim是一种系统动力学模拟软件，变量类型包含状态变量、速率变量、辅助变量和常量等，库存流程图通过内置各种函数将定性关系转换为定量关系。

系统动力学建模流程见图2。

2.2 确定系统动力学模型变量
鉴于建立系统动力学流图的需要，根据表1确定模型变量集，包括水平变量（也叫状态变量）
L、速率变量R、辅助变量A和常量C，具体变量名称及符号见表2。

2.3 确定系统动力学流图及变量函数关系
运用Vensim-PLE建立引航员不安全行为干预系统动力学流图，见图3。

模型的系统动力学方程包含水平方程和速率方程。

水平方程是一个一阶差分方程，具有固定的表现形式，用来描述模型存量的变化[13]。

存量是流量变化随时间的积累，采用差分方程的形式进行描述：
Lk=Lj+Rin，jk-Rout，jkΔT （1）
式中：Lk表示水平变量L在时刻k的取值;Lj表示水平变量L在时刻j的取值;Rin，jk表示流入速率变量Rin在时刻j与时刻k之间的取值;Rout，jk表示流出速率变量Rout在时刻j与时刻k之间的取值;ΔT表示仿真时间步长，即在时刻j与时刻k之间求解时间间隔的长度[13]。

速率方程为水平变量、辅助变量和常量的函数，即
R=f（L，A，C）（2）
3 仿真算例
3.1 数据采集和分析
以某港在职引航员为主要调研对象，通过微信扫码填写问卷的方式对各级在职引航员227人进行调研，其中调研样本的学历和级别构成见图4。

选取最常用的克朗巴哈系数（Cornbach’sα）来检验问卷的可靠性，利用SPSS 19.0计算得到调查问卷的克朗巴哈系数为0.876（>0.60），表明问卷可靠性良好，通过其获得的真实值水平都在可接受范围内。

3.2 模型参数确定
依据引航员安全管理制度及行为规范，结合问卷调研数据和专家评分，对数据进行无量纲化处理，并取其算术平均值作为系统值，得到的各水平变量初始值见表3。

采用熵权法确定各辅助变量和各干预系数值。

设有m个子系统、n个评价指标，指标值为xij（1≤i≤m，1≤j≤n），具体步骤如下：
（1）对决策矩阵X=（xij）m×n进行标准化处理，再进行归一化处理，使数据在[0，1]范围内，得到矩阵X′=（x′ij）m×n。

（2）计算各评价指标的熵值：
（3）确定第j个评价指标的熵权：
φj=αjnj=1αj （4）
式中：αj表示第j个评价指标的差异系数，且αj=1-Hj。

运用MATLAB计算出各辅助变量和各干预系数值，见表4。