王西召，顧學(xué)康，聶明明

(1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214000；2.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

綜合安全評估在客船破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)修訂中的應(yīng)用

王西召1，顧學(xué)康1，聶明明2

(1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214000；2.大連海事大學(xué) 航海學(xué)院，遼寧 大連 116026)

針對SOLAS 2009有關(guān)客船破損穩(wěn)性的要求，分析綜合安全評估(FSA)在提高客船破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)論證中的具體應(yīng)用方式，認(rèn)為FSA在提高客船R指數(shù)中得到全面的應(yīng)用，建立的風(fēng)險模型可評價現(xiàn)有郵輪和滾裝船的社會風(fēng)險水平，可作為成功修訂IMO規(guī)則的一個范例。

綜合安全評估;SOLAS公約;客船;概率破損穩(wěn)性;要求的分艙指數(shù)R

綜合安全評估(FSA)作為一種結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)化的風(fēng)險分析與費(fèi)效評估方法在國際海事組織(IMO)規(guī)則制定中的應(yīng)用日趨廣泛，它包括危險識別、風(fēng)險分析、風(fēng)險控制方案的提出、費(fèi)效評估與決策建議5個基本步驟[1-2]。該方法以情景分析為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)潛在危險進(jìn)行全面分析，評估危險發(fā)生的可能性及后果的嚴(yán)重程度，提出以降低危險發(fā)生的頻率或減輕后果為目的的風(fēng)險控制措施，并在對風(fēng)險控制措施進(jìn)行費(fèi)效評估的基礎(chǔ)上，篩選出符合費(fèi)效準(zhǔn)則的措施，為規(guī)則的制定或修訂提供科學(xué)依據(jù)[3]。成員國或國際組織在向IMO提交關(guān)于公約和規(guī)則的修訂建議時，常常借助于FSA對其建議的事項進(jìn)行分析，并利用分析結(jié)果驗證其建議的可行性。

自SOLAS公約公布概率破損穩(wěn)性規(guī)則(簡稱SOLAS 2009)后，IMO成員國針對SOLAS 2009中的一些漏洞(如未考慮客滾船滾裝甲板進(jìn)水對破損穩(wěn)性的影響[4])開展研究，比較突出的是歐盟開展的客船破損穩(wěn)性研究項目(分別簡稱EMSA1、EMSA2和EMSA3)和英國與丹麥聯(lián)合開展的基于費(fèi)效分析的客船風(fēng)險型破損穩(wěn)性新要求研究項目(簡稱GOALDS項目)，見表1。制定SOLAS 2009的目的就是為了提高船舶破損穩(wěn)性，但EMSA2研究發(fā)現(xiàn)，按照SOLAS 2009設(shè)計的客滾船破損殘存能力比按SOLAS 90(客船的破損穩(wěn)性的確定性方法)和斯德哥爾摩協(xié)定共同設(shè)計的客滾船差，而SOLAS 90和斯德哥爾摩協(xié)定也有一定的局限性。這種局限性主要體現(xiàn)在船舶安全水平評價的不統(tǒng)一，即兩艘符合斯德哥爾摩協(xié)定的船舶卻有不同的殘存性水平(按照達(dá)到的分艙指數(shù)A計算)[5]。這種不統(tǒng)一可能導(dǎo)致船舶設(shè)計上的一些差異，進(jìn)而導(dǎo)致符合斯德哥爾摩協(xié)定的船>舶安全水平出現(xiàn)差異[6]。因此,為全面對SOLAS公約客船殘存性的要求進(jìn)行修改，歐盟開展了EMSA3研究項目，本文以EMSA3項目的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究FSA在提高客船破損穩(wěn)性衡準(zhǔn)的論證中具體的應(yīng)用方式，為國內(nèi)開展基于FSA的船舶破損穩(wěn)性研究提供借鑒。

1 SOLAS 2009關(guān)于客船破損穩(wěn)性的要求

SOLAS 2009的基本原理是按照經(jīng)典條件概率論研究船舶遭遇碰撞破損浸水的概率以及浸水后殘存的概率。假定“破損后能殘存”為A事件，“被碰撞而發(fā)生破損浸水”為B事件，“浸水后沒有傾覆”為C事件，按照條件概率論“破損后能殘存”A事件為B、C同時發(fā)生的結(jié)果，A=B∩C。

船舶破損后殘存概率為

(1)

式中：P(A)為船舶破損后殘存的概率；P(B)為發(fā)生某一破損事件的概率；P(C/B)為在事件B發(fā)生的條件下，事件C發(fā)生的概率[7]。

船舶分艙不同則破損后殘存的概率不同，通過計算船舶破損后殘存的概率P(A)，即能體現(xiàn)船舶的分艙水平。SOLAS 2009中稱船舶破損后殘存的概率P(A)為船舶達(dá)到的分艙指數(shù)A(以下簡稱“A指數(shù)”)，每一艘船舶都有一個確定的A指數(shù)。而實船的A指數(shù)須滿足一定的衡準(zhǔn)，該衡準(zhǔn)稱為要求的分艙指數(shù)R(以下簡稱“R指數(shù)”)，因此R指數(shù)的水平?jīng)Q定了船舶應(yīng)該滿足的分艙程度，應(yīng)用FSA提高船舶的概率破損穩(wěn)性要求主要是提高R指數(shù)的水平。

1.1 對客船R指數(shù)的要求

對于適用破損穩(wěn)性要求的所有客船，指數(shù)R由以下公式確定。

(2)

式中:LS為分艙長度；N為救生艇可供使用的人數(shù)N1與允許船舶載運(yùn)的超出N1的人數(shù)N2(包括高級船員和普通船員)之和。

客船R指數(shù)如圖1所示，客船的R指數(shù)與分艙長度和船上人數(shù)有關(guān)。SOLAS公約第Ⅲ-21條規(guī)定，從事非短程國際航行的客船救生艇可容納人數(shù)不得少于船上人員的75%，而從事短程國際航行的客船救生艇可容納人數(shù)不得少于船上人員的30%，故圖1中區(qū)分了救生艇容納30%和75%船上人員2種情況，救生艇可容納人數(shù)為30%時的R指數(shù)明顯高于75%的情況。

1.2A指數(shù)的計算

A指數(shù)的計算首先是根據(jù)不同吃水計算出局部分艙指數(shù)Ai，然后將各局部分艙指數(shù)進(jìn)行組合，得到全船的A指數(shù)。SOLAS 2009在定義部分給出了最深分艙吃水(ds)、空載吃水(dl)與部分分艙吃水(dp)的定義，根據(jù)以上3種不同的吃水可以計算出各局部指數(shù)As、Al和Ap。達(dá)到的分艙指數(shù)A可由局部指數(shù)As、Ap和Al的加權(quán)相加得到，按下式計算。

A=0.4As+0.4Ap+0.2Al

(3)

每一局部指數(shù)是對考慮的所有破損情況的影響的總和，應(yīng)按下式計算。

(4)

式中:Ak為局部指數(shù)As、Ap或Al；i為所考慮的每艙或艙組；Pi為只有所考慮的艙或艙組可能浸水的概率；不考慮任何水平分艙；Si為所考慮的艙或艙組浸水后的殘存概率；包括任何水平分艙的影響。

2 FSA在提高R指數(shù)中的應(yīng)用

應(yīng)用FSA對客船(包括郵輪和滾裝船)破損穩(wěn)性進(jìn)行研究，應(yīng)識別客船碰撞、擱淺、火災(zāi)/爆炸等危害，建立風(fēng)險模型評估客船現(xiàn)有風(fēng)險水平，篩選出符合費(fèi)效比的風(fēng)險控制措施，最終提出提高客船R指數(shù)的建議。

2.1 風(fēng)險分析和評估

運(yùn)用事件樹(ET)建立風(fēng)險模型。事件樹模型依據(jù)高層次事件序列建立，高層次事件序列為事件樹的主要分叉。以郵輪碰撞為例，圖2列明了船舶碰撞事故發(fā)生后5個層次的后續(xù)事件序列，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了如圖3所示的郵輪和客滾船碰撞事件樹。

如圖2所示，碰撞事故發(fā)生后區(qū)分撞擊或是被撞；船舶操作區(qū)域分為航行途中/受限制水域和港口區(qū)域；船舶進(jìn)水狀況區(qū)分進(jìn)水或不進(jìn)水；船舶下沉狀況區(qū)分下沉和不下沉；下沉區(qū)分快和慢。圖3顯示的事件樹的初始頻率是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的，即發(fā)生碰撞的概率為0.696%。其他各個節(jié)點(diǎn)的概率由假設(shè)或情景模擬得到，其中沒有下沉的概率86%即為船舶的A指數(shù)。

在風(fēng)險評估方面，選取兩類郵輪和三類滾裝船進(jìn)行風(fēng)險評估，表2顯示了郵輪和滾裝船樣本船型的基本參數(shù)，表3和表4分別顯示了郵輪和滾裝船的事故頻率和潛在人命損失(PLL)。根據(jù)郵輪和滾裝船碰撞、擱淺、火災(zāi)/爆炸的事件樹模型，繪制出郵輪和滾裝船的F-N曲線，以大型郵輪的F-N曲線為例(見圖4)，可知大型郵輪的F-N曲線大致在ALARP(最低合理可行)區(qū)域內(nèi)。

2.2 風(fēng)險控制方案的選擇和費(fèi)效評估

風(fēng)險控制方案(RCO)的選擇一般更傾向于船舶設(shè)計上的一些改變，而非操作程序或步驟上的變化。因此歐盟和IMO關(guān)于船舶破損穩(wěn)性的FSA研究，主要關(guān)注能改變船舶設(shè)計并且能夠提升破損穩(wěn)性的措施，然后依據(jù)SOLAS 2009計算實施該項RCO后船舶達(dá)到的分艙指數(shù)A。表5為大型郵輪的RCO，RCO的選擇主要集中在2個方面，一是改變船舶主尺度，例如改變船舶寬度和干舷；二是改變船舶內(nèi)部分艙，例如改變船舶的布置或增加水密艙壁。計算實施每項RCO后的指數(shù)A，并與參考船型的指數(shù)A進(jìn)行比較，得到指數(shù)A的變化值ΔA，見表6。結(jié)果顯示,每項RCO達(dá)到的分艙指數(shù)均大于參考船型的指數(shù)。

表2 樣本船的基本參數(shù)[8]56

表3 基于2000-2012平均事故頻率的郵輪PLL[8]57

船型大小事故數(shù)事故頻率/(船·年)潛在人命損失(PLL)小型(625人)中型(1700人)大型(3280人)碰撞509.38×1032.76×1026.05×1028.96×102觸碰/擱淺1132.12×1024.66×1028.28×1024.35×101火災(zāi)/爆炸244.50×1031.26×1025.52×1028.21×102進(jìn)水101.88×1032.19×1027.75×1021.05×101合計3.70×1021.09×1012.76×1017.12×101

表5 大型郵輪的RCO[8]152

表6 大型郵輪每項RCO達(dá)到的分艙指數(shù)A[8]174

每項RCO的成本由凈現(xiàn)值(NPV)表示，在計算NPV時，假定船齡為30年，每年5%的折現(xiàn)率?？紤]實施每項RCO所造成的鋼鐵重量、公共區(qū)域、艙室區(qū)域、主機(jī)功率、燃油等的變化,最終確定每項RCO成本的NPV值，見表7。

表7 大型郵輪每項RCO的NPV值[8]174

費(fèi)效評估的衡準(zhǔn)取為800萬美元。經(jīng)分析可知，只有K1(改變分艙)和K3(改變分艙+增加40 cm干舷)方案的NPV值低于400萬美元，指數(shù)A分別增加了0.009 8和0.013 3；K2方案的NPV值低于800萬美元，指數(shù)A增加了0.015 6。故K1、K2和K3方案可作為備選方案。

2.3 對R指數(shù)的建議

對由滾裝船或郵輪符合費(fèi)效比的RCO計算所得的指數(shù)A進(jìn)行回歸分析，得到指數(shù)R的建議曲線，見圖5。圖中的散點(diǎn)值即為各個RCO達(dá)到的指數(shù)A，對散點(diǎn)值進(jìn)行回歸分析，即可得到建議的指數(shù)R(圖中藍(lán)線所示)。該曲線起點(diǎn)約為0.83，然后緩慢上升，在6 000人左右處達(dá)到0.9[9]。IMO采納了該曲線6 000及以上的區(qū)段，擬合公式對應(yīng)表8中N>6 000時的公式。

3 IMO確定的R指數(shù)

IMO船舶設(shè)計和建造分委會第3次會議(SDC3)對EMSA項目以及各國的提案進(jìn)行了審議[10]，經(jīng)過協(xié)調(diào)磋商，最終形成了指數(shù)R的折中方案，見圖6[11]。該方案將指數(shù)R分為3段，分別為0～1 000人、1 000～6 000人和6 000人以上，并給出相應(yīng)的計算公式，見表8。

船上人數(shù)RN≤1000R=0.000088×N+0.748810006000R=1-(C1×6200)/(4×N+20000)其中:C1=0.8-(0.25/10000)×(10000-N)

該計算公式較SOLAS 2009有較大變化，SOLAS 2009關(guān)于指數(shù)R公式與分艙長度、船上人數(shù)和救生艇可容納人數(shù)相關(guān)，而此次SDC3建議的指數(shù)R計算公式僅與船上人數(shù)相關(guān)。相較于SOLAS 2009，SDC3建議的指數(shù)R起點(diǎn)定為0.75，在400人處達(dá)到0.783 0，提高了約11.9%；在1 000人處達(dá)到0.836 8，提高了約14.6%；在6 000人處達(dá)到0.900 6，提高了約5.6%。

4 客船概率破損穩(wěn)性研究對FSA的促進(jìn)作用

歐盟進(jìn)行的客船概率破損穩(wěn)性研究全面評估了郵輪和客滾船的社會風(fēng)險，其對事故頻率和傷亡人數(shù)的獨(dú)特假設(shè)豐富了FSA事件樹模型的研究案例，例如船舶下沉區(qū)分快沉和慢沉兩種情況，大中型郵輪快沉的概率為18%，滾裝船和小型郵輪快沉和慢沉均為50%；航行途中快沉傷亡比例為80%，慢沉為5%，而港口區(qū)域快沉傷亡5%，慢沉沒有傷亡。

此外，該項研究還提出了可供后續(xù)研究使用的社會風(fēng)險衡準(zhǔn)和費(fèi)效衡準(zhǔn)，計算方法參見文獻(xiàn)[12]；費(fèi)效衡準(zhǔn)經(jīng)靈敏度分析取值在400萬～800萬美元，即NPV值處于400萬～800萬美元之間或以下均為符合費(fèi)效比，更新了FSA導(dǎo)則的費(fèi)效衡準(zhǔn)建議值300萬美元。

5 結(jié)論

此次對SOLAS 2009的修訂是FSA在IMO公約修訂中的一次成功實踐，F(xiàn)SA在提高客船R指數(shù)的過程中起到關(guān)鍵性作用。建議我國在開展基于FSA的船舶破損穩(wěn)性研究工作時，借鑒風(fēng)險模型中各個階段的事故假設(shè)和傷亡假設(shè)，建立符合我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展實際情況的客船社會風(fēng)險衡準(zhǔn)和費(fèi)效衡準(zhǔn)，評價我國現(xiàn)有客船的風(fēng)險水平。

IMO最終確定的R指數(shù)公式較SOLAS 2009有較大提升，特別是對小型和中型客船的殘存性水平提升幅度較大。建議業(yè)界關(guān)注新制定的R指數(shù)對客船分艙設(shè)計與建造成本帶來的影響。

[1] IMO. Revised guidelines for formal safety assessment (fsa) for use in the imo rule-making process[S].MSC-MEPC.2/Circ.12/Rev.1,London,UK,2015.

[2] 樊紅,馮恩德.概率影響圖在船舶綜合安全評估中的應(yīng)用[J].船海工程,2004(5):3-4.

[3] 鮑君忠.面向綜合安全評估的多屬性專家決策模型研究[D].大連:大連海事大學(xué),2011.

[4] IMO.Specific ship stability requirements for ro-ro passenger ships[R].MSC 84/22/12,London,UK,2008.

[5] JASIONOWSKI,A. Study of the specific damage stability parameters of Ro-Ro passenger vessels according to SOLAS 2009 including water on deck calculation[R]. Project No.EMSA/OP/08/2009,Sep,2011.

[6] IMO. Damage stability parameters of ro-ro passenger ships according to SOLAS 2009 amendments, including water-on-deck calculations[R].SLF55/INF.6, London,UK,2012.

[7] 胡威,張高峰.對SOLAS客船與貨船概率破損穩(wěn)性新規(guī)則的修改建議[J].上海造船,2005(2):69-70.

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[9] IMO.Formal Safety Assessment-Damage stability of passenger ships[R].SDC 3/INF.3, London,UK,2015.

[10] IMO. Alternate proposal for the required subdivision index 'R' for passenger ships[R].SDC 3/3/9, London,UK,2015.

[11] IMO.Report of the SDS Working Group[R].SDC 3/WP.4,London,UK,2016.

[12] European Maritime Safety Agency.Risk acceptance criteria and risk based damage stability[R]. Final Report,part1:Risk Acceptance Criteria,2015.

Application Overview of Formal Safety Assessment in Amending Damage Stability Criteria for Passenger Ship

WANG Xi-zhao1, GU Xue-kang1, NIE Ming-ming2

(1.China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214000, China;2.Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

In terms of the damage stability requirements in SOLAS 2009, the application of formal safety assessment (FSA) in improving the damage stability of passenger ships was analyzed. It was found that the FSA approach has been fully used for the purpose of increasing indexRof passenger ships. The risk model is helpful to assess societal risk of existing cruises and RoPax ships. This specific application of FSA appears to be a good example for successfully amending IMO regulation.

FSA; SOLAS convention; passenger ships; probabilistic damage stability; required subdivision indexR

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.001

2016-09-01

工信部高技術(shù)船舶科研項目(工信部聯(lián)裝[2013]414號)

王西召(1990—)，男，碩士，助理工程師

U661.2

A

1671-7953(2017)02-0001-05

修回日期：2016-09-14

研究方向:船舶與海洋結(jié)構(gòu)物安全性評估