李曉松，孔憲衛(wèi)

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

海上交通具有高風(fēng)險(xiǎn)性，一旦發(fā)生事故，往往造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐扇藛T傷亡和環(huán)境污染，根據(jù)《水上交通事故統(tǒng)計(jì)辦法》[1]對(duì)水上交通事故的分類(lèi)，事故類(lèi)型包括：碰撞事故、擱淺事故、觸損事故、浪損事故、火災(zāi)爆炸事故、風(fēng)災(zāi)事故、自沉事故、操作性污染事故、其他引起人員傷亡直接經(jīng)濟(jì)損失或者水域環(huán)境污染的水上交通事故。其中，碰撞事故在交通事故中所占的比例一直高居不下[2]，根據(jù)中華人民共和國(guó)海事局對(duì)船舶事故的統(tǒng)計(jì)中，碰撞事故占比高達(dá)48.7%[3]。用科學(xué)的方法和手段預(yù)估船舶碰撞潛在的風(fēng)險(xiǎn)并加以控制，從而有效的降低發(fā)生碰撞事故的概率，是保障航運(yùn)安全和海洋環(huán)境的重要手段[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大多采用定性方法來(lái)研究船舶碰撞事故發(fā)生的原因，該類(lèi)方法雖能直觀的顯示風(fēng)險(xiǎn)，但不能較好的反映出碰撞事故發(fā)生的內(nèi)在規(guī)律及潛在因素，因此采用定量的風(fēng)險(xiǎn)分析方法對(duì)船舶碰撞進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析更具理論基礎(chǔ)和說(shuō)服力[5-6]。

本文通過(guò)碰撞事故樣本的統(tǒng)計(jì)，從人、船、環(huán)境三方面對(duì)導(dǎo)致船舶碰撞的因素及其機(jī)理進(jìn)行了分析，建立了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的全因素船舶碰撞致因模型，通過(guò)該模型，能夠直觀的看出三因素對(duì)碰撞事故的影響程度及其相互相關(guān)。并將該模型應(yīng)用到天津港船舶碰撞致因分析當(dāng)中，找出了導(dǎo)致碰撞事故最可能的致因鏈條及致因因素所占的比例。利用船舶操縱模擬器對(duì)碰撞事故進(jìn)行還原，找出事故發(fā)生的原因，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的管理控制點(diǎn)，提出針對(duì)性的保障措施和建議。

1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一種基于概率計(jì)算的有向圖解模型，通過(guò)該模型表達(dá)變量的依賴(lài)關(guān)系，適用于不確定性知識(shí)的表示和推理。它可以將復(fù)雜的變量關(guān)系體現(xiàn)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，以簡(jiǎn)潔的圖表形式揭示變量之間的內(nèi)在規(guī)律，運(yùn)用概率參數(shù)描述變量之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，將繁雜的聯(lián)合概率通過(guò)條件概率有效地表達(dá)出來(lái)[7]。構(gòu)建完成的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型需要由三方面組成：確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)、確定各節(jié)點(diǎn)的依賴(lài)關(guān)系(即網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu))以及確定依賴(lài)程度(各節(jié)點(diǎn)的條件概率)[8-9]。

1.1 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的重要因素之一就是確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，本文通過(guò)對(duì)影響船舶碰撞的三方面(人、船舶、環(huán)境)因素的分析，經(jīng)過(guò)事故樣本的反復(fù)整合，最終確定節(jié)點(diǎn)為32個(gè)。

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)用C表示(即船舶碰撞)。其他31個(gè)節(jié)點(diǎn)按照人的因素、船舶、環(huán)境三方面進(jìn)行劃分，如表1所示，并對(duì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了編號(hào)。其中，人的因素按照航行戒備——避碰決策——操縱行動(dòng)三個(gè)階段進(jìn)行劃分。

表1 船舶碰撞致因因素Tab.1 Collision causation factors

1.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

研究貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，需要確定各因素之間的關(guān)系以及各因素與碰撞事故的關(guān)聯(lián)度，圖1為船舶碰撞貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，以船舶因素S中的S1設(shè)備故障為例，從事故樣本中可以得出S1包括S3電氣設(shè)備故障、S4主機(jī)故障和S2航海儀器故障。舵機(jī)和螺旋槳屬于船舶直接和水接觸的設(shè)備，易受環(huán)境影響，因此，環(huán)境因素對(duì)船舶因素中的S5舵機(jī)故障以及S4主機(jī)故障有直接影響，是他們的父節(jié)點(diǎn)之一。而舵機(jī)受液壓驅(qū)動(dòng)或電氣驅(qū)動(dòng)，屬于電氣設(shè)備系統(tǒng)下的一種設(shè)備，S5舵機(jī)故障是S3電氣設(shè)備故障的父節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，設(shè)備故障S1還包括S2航海儀器故障，而S2航海儀器故障由S6通訊系統(tǒng)故障與S7導(dǎo)航系統(tǒng)故障兩個(gè)主要方面構(gòu)成。

圖1 船舶碰撞貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of bayesian network

基于以上方法，根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立方法[10]，結(jié)合事故調(diào)查報(bào)告樣本，基于專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)從樣本中提取出來(lái)的有向邊，參考《1972年國(guó)際海上避碰規(guī)則》的邏輯結(jié)構(gòu)，剔除只存在于極少數(shù)事故中的有向邊，經(jīng)過(guò)邏輯上的反復(fù)求證，將上文確定出來(lái)的32個(gè)節(jié)點(diǎn)按照要求，最終確定出船舶碰撞貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)條件概率的確定

進(jìn)行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理的基礎(chǔ)是已經(jīng)知曉各節(jié)點(diǎn)之間的條件概率。本文基于中華人民共和國(guó)天津海事局2011～2015年公布的船舶碰撞事故調(diào)查報(bào)告，通過(guò)概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，統(tǒng)計(jì)得出了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的條件概率[11-12]。

本文所確定的節(jié)點(diǎn)之間的條件概率，基于已經(jīng)發(fā)生的船舶碰撞事故樣本而來(lái)，所有的樣本都以船舶碰撞為終點(diǎn)，這就相當(dāng)于連續(xù)學(xué)習(xí)了多起船船碰撞事故數(shù)據(jù)而得到的概率。所以，本文貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)相當(dāng)于假設(shè)海上連續(xù)發(fā)生了多起船舶碰撞事故并對(duì)這些事故進(jìn)行學(xué)習(xí)。也可以通過(guò)這些起船舶碰撞案例學(xué)習(xí)的結(jié)果，從船舶碰撞事故這個(gè)特殊的領(lǐng)域去分析問(wèn)題，解決問(wèn)題。

圖2 碰撞模型驗(yàn)證圖Fig.2 Verification diagram of collision model

2 模型的驗(yàn)證與應(yīng)用

2.1 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證船舶碰撞貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的有效性，以《天津01·22 “太行6”輪與“富通”輪碰撞事故》為例進(jìn)行驗(yàn)證。

2016年1月22日2256時(shí)，太行海運(yùn)有限公司所有的“太行6”輪在靠泊南疆13號(hào)泊位的過(guò)程中，與靠泊在南疆12號(hào)泊位的CRONUS SHIPPING CO LIMITED所有的“富通”輪發(fā)生碰撞。將《天津01·22 “太行6”輪與“富通”輪碰撞事故》的相關(guān)節(jié)點(diǎn)的值輸入模型，其聯(lián)合概率如圖2所示。由圖2可知，“太行6”輪發(fā)生碰撞事故的概率為96%。

2.2 模型的推理

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的因果推理已經(jīng)在模型驗(yàn)證中得到利用，本文利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的診斷推理尋找船舶碰撞的逆向致因鏈條，將船舶碰撞的發(fā)生概率設(shè)為1，診斷推理的結(jié)果如圖3所示。通過(guò)推算得出網(wǎng)絡(luò)模型圖，從碰撞階段C逆向依次找出后驗(yàn)概率最大的一個(gè)父節(jié)點(diǎn)[13-15]。

因此，得出導(dǎo)致天津港碰撞事故最可能的致因鏈條為：對(duì)天氣海況考慮不充分→對(duì)碰撞危險(xiǎn)估計(jì)有誤→未使用安全航速→人為因素→碰撞事故。

圖3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)推理圖Fig.3 Inference graph of bayesian network

2.3 碰撞致因分析

通過(guò)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)致因模型的推理分析，天津港港區(qū)發(fā)生碰撞事故時(shí)，人為因素、船舶因素、環(huán)境因素(三種因素相互獨(dú)立)的致因概率及分析如下。

(1)人為因素。

該水域若發(fā)生碰撞事故，人為因素導(dǎo)致碰撞事故的概率為94%，其中，航行戒備階段主要因素為天氣狀況考慮不全(致因概率為67%)；避碰決策階段主要為對(duì)碰撞危險(xiǎn)估計(jì)有誤(致因概率為82%)，操縱行動(dòng)階段主要因素為操縱不當(dāng)(致因概率為21%)、未使用安全航速(致因概率為68%)、未能及時(shí)采取行動(dòng)(致因概率為57%)。

(2)環(huán)境因素。

該水域若發(fā)生碰撞事故，環(huán)境因素導(dǎo)致碰撞事故的概率為49%，主要體現(xiàn)在大風(fēng)浪天氣(致因概率為30%)，南疆5號(hào)～15號(hào)泊位受吹攏風(fēng)發(fā)生事故的比例較高。

(3)船舶因素。

該水域若發(fā)生碰撞事故，船舶因素導(dǎo)致碰撞事故的概率只占6%，說(shuō)明船舶設(shè)備的可靠性、耐失誤設(shè)計(jì)及設(shè)備冗余系統(tǒng)等方面目前已經(jīng)基本滿(mǎn)足使用要求，船舶因素所占的比例較小。

3 船舶操縱模擬試驗(yàn)

依據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型推理結(jié)果可知，天津港發(fā)生碰撞事故的主要原因?yàn)槿藶橐蛩睾铜h(huán)境因素，具體體現(xiàn)在天氣狀況考慮不全、碰撞危險(xiǎn)估計(jì)有誤、未使用安全航速、大風(fēng)浪天氣等。為了進(jìn)一步明確船舶發(fā)生碰撞事故的具體原因及可以采取的應(yīng)對(duì)措施，需利用模擬器進(jìn)行事故還原和事故避免試驗(yàn)。

表2 模擬試驗(yàn)方案Tab.2 Simulation experimental scheme

3.1 模擬試驗(yàn)方案

天津港南疆港區(qū)2011～2015年發(fā)生多起碰撞事故，以下針對(duì)“津?yàn)I快航169”輪與“COREWISE OL”輪碰撞事故、“時(shí)代5”輪與南疆8號(hào)泊位觸碰事故、“河北傳奇”輪與南疆11號(hào)泊位觸碰事故、“寧豐1”輪與“金海強(qiáng)”輪碰撞事故進(jìn)行典型試驗(yàn)。其中風(fēng)、船位等資料根據(jù)調(diào)查報(bào)告、AIS數(shù)據(jù)提取所得，流場(chǎng)則利用數(shù)模計(jì)算結(jié)果，模擬實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

3.2 模擬試驗(yàn)結(jié)論

(1)模擬試驗(yàn)結(jié)果分析。

①事故還原試驗(yàn)

圖4 “津?yàn)I快航169”輪與“COREWISE OL” 輪碰撞還原試驗(yàn)Fig.4 Reduction test of collision between “JINBINKUAIHANG169” and “COREWISE OL”

以下以 “津?yàn)I快航169”輪與“COREWISE OL”輪碰撞事故仿真試驗(yàn)為例，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果。本試驗(yàn)做了7級(jí)NNE的事故還原試驗(yàn)(見(jiàn)圖4)，試驗(yàn)中，“津?yàn)I快航169”輪與“COREWISE OL”輪發(fā)生碰撞。7級(jí)風(fēng)力情況下，船舶向右掉頭完成并向南疆5號(hào)泊位航行過(guò)程中，產(chǎn)生的橫移速度最大為0.45 m/s。通過(guò)對(duì)該事故還原試驗(yàn)的分析可知，發(fā)生碰撞的主要操縱原因在于：船舶抵達(dá)泊位位置時(shí)的航速過(guò)快；直航靠泊時(shí)與“COREWISE OL”的橫距過(guò)近。

②事故避免試驗(yàn)

根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)致因模型的推理分析及事故還原試驗(yàn)可以確定主要碰撞因素為風(fēng)速較大、航速過(guò)快和橫距過(guò)近，因此通過(guò)采取提前降速、增加橫距等措施分析其產(chǎn)生的效果。根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果分析可知，通過(guò)降低船速(到達(dá)泊位位置船速在1 kn以?xún)?nèi))，“津?yàn)I快航169”輪可順利的靠泊南疆5號(hào)泊位，不會(huì)與“COREWISE OL”輪發(fā)生碰撞；通過(guò)增大橫距(根據(jù)風(fēng)致漂移及流致漂移計(jì)算，橫距最小為70 m)后，“津?yàn)I快航169”輪在靠泊過(guò)程中有充足的距離，可以避免與“COREWISE OL”輪發(fā)生碰撞。

(2)模擬試驗(yàn)結(jié)論。

通過(guò)對(duì)典型事故的還原試驗(yàn)及事故避免試驗(yàn)(見(jiàn)圖5)，模擬試驗(yàn)分析可知，發(fā)生碰撞事故的主要原因如下：

①船舶航速過(guò)快：航速過(guò)快導(dǎo)致船舶靠離碼頭時(shí)，出現(xiàn)緊迫局面時(shí)船位無(wú)法得到較好的控制，且留有應(yīng)急處置的時(shí)間較短。

②船舶操縱不當(dāng)：操縱不當(dāng)導(dǎo)致船舶靠離碼頭時(shí)，在發(fā)生緊迫局面時(shí)采取了不協(xié)調(diào)的避讓行動(dòng)，導(dǎo)致事故發(fā)生的幾率大大增加。

③對(duì)風(fēng)流要素估計(jì)不足：在出現(xiàn)大風(fēng)天氣情況時(shí)，船舶按照一般天氣情況進(jìn)行處理，未考慮風(fēng)、流致漂移和風(fēng)、流致偏轉(zhuǎn)的影響。

④橫距過(guò)近：船舶在回旋掉頭時(shí)與鄰近泊位橫距過(guò)大，加上外部環(huán)境的影響，容易發(fā)生碰撞事故。

圖5 “津?yàn)I快航169”提前減速、增大橫距后的模擬試驗(yàn)Fig.5 Simulation test of “JINBINKUAIHANG169” ahead of time to slow down and increasing the horizontal distance

3.3 安全保障措施

利用船舶操縱仿真試驗(yàn)等手段分析了天津港碰撞事故發(fā)生的原因及規(guī)律，從人為方面、船舶方面、環(huán)境方面、管理方面提出了相應(yīng)的保障措施。

(1)人為方面。

保障船舶安全的關(guān)鍵是控制人為因素，從宏觀角度應(yīng)按照ISM規(guī)則建立船舶安全管理體系(SMS)，對(duì)船員進(jìn)行系統(tǒng)化安全管理；駕駛員的綜合素質(zhì)在船舶避碰過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，應(yīng)加強(qiáng)駕駛員實(shí)操能力的訓(xùn)練和評(píng)估，強(qiáng)化安全意識(shí)，增強(qiáng)駕駛員對(duì)危險(xiǎn)局面的應(yīng)對(duì)能力；駕駛?cè)藛T應(yīng)充分掌握船舶的航向穩(wěn)定性、航向保向性、回轉(zhuǎn)性、制動(dòng)性等操縱特性，以便在出現(xiàn)危險(xiǎn)局面時(shí)能夠有效控制船舶。

(2)船舶方面。

根據(jù)IMO規(guī)則的要求，船舶開(kāi)航前，應(yīng)保持船舶適航，船體適航是船舶適航的重要組成部分，要求船舶各種航行設(shè)備處于良好狀態(tài)，船舶主機(jī)/輔機(jī)等設(shè)備開(kāi)航前應(yīng)提前備車(chē)；根據(jù)船舶的操縱特性，制定不同天氣海況下的進(jìn)出港操作指南；加強(qiáng)船舶智能化的建設(shè)，利用AIS基站，準(zhǔn)確掌握港口、航道及周邊船舶動(dòng)態(tài)。

(3)環(huán)境方面。

制定通航環(huán)境手冊(cè)，詳細(xì)介紹碼頭及交匯水域通航環(huán)境特點(diǎn)，船舶在進(jìn)港時(shí)，提前了解項(xiàng)目水域的碼頭泊位情況，以便制定較為合理的進(jìn)港計(jì)劃；碼頭應(yīng)根據(jù)風(fēng)、流、泊位、交通情況制定靠離泊限制條件，在出現(xiàn)7級(jí)以上大風(fēng)條件時(shí)，注意風(fēng)致漂移和風(fēng)致偏轉(zhuǎn)，必要時(shí)可申請(qǐng)拖輪協(xié)助靠離泊；滿(mǎn)載船舶航行時(shí)，流對(duì)船舶影響較大，大型船舶進(jìn)出港時(shí)盡量選擇平潮時(shí)刻。

(4)管理方面。

對(duì)于自引船靠離泊，碼頭公司應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)管，在靠泊過(guò)程中，碼頭安全專(zhuān)人現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助監(jiān)控，實(shí)施船舶信息預(yù)報(bào)機(jī)制等措施；碼頭公司建立內(nèi)部航運(yùn)公司、船舶兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)發(fā)生事故(或存在安全隱患)的船公司和船舶進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控；船公司進(jìn)一步完善關(guān)于船舶操縱方面的安全管理體制和應(yīng)急預(yù)案；海事主管機(jī)關(guān)需進(jìn)一步加強(qiáng)船舶現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管，對(duì)存在重大事故隱患船舶必要時(shí)采取強(qiáng)制措施。

4 結(jié)論

本文利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論建立碰撞致因模型，找出碰撞事故的致因規(guī)律，利用船舶操縱模擬器找出事故發(fā)生的原因，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵的管理控制點(diǎn)，提出針對(duì)性的保障措施。

(1)建立了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的全因素船舶碰撞致因模型，并將該模型應(yīng)用到天津港碰撞致因分析當(dāng)中，找出了導(dǎo)致碰撞事故最可能的致因鏈條及致因因素所占的比例。

(2)利用船舶操縱模擬器對(duì)碰撞原因進(jìn)行了分析，找出了天津港發(fā)生船舶碰撞的主要因素，分別為船舶航速過(guò)快、船舶操縱不當(dāng)、大風(fēng)天氣的影響、橫距過(guò)近。

(3)針對(duì)導(dǎo)致船舶碰撞事故的致因鏈條及致因因素，從人為、船舶、環(huán)境、管理四個(gè)方面提出了相應(yīng)的保障措施和建議。