基于GISIS數(shù)據(jù)庫的客滾船碰撞事故致因分析

李若皙，唐文勇，張道坤

（1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2. 中國船級社 北京研發(fā)中心，北京 100007）

0 引 言

隨著海上貨物運輸量的逐年增加，航運業(yè)得到充分發(fā)展，海上交通流量越來越大[1]，碰撞、擱淺和火災爆炸等船舶事故的發(fā)生率逐漸升高。根據(jù)國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）統(tǒng)計，2012—2017年共發(fā)生432起各類船舶事故，其中碰撞事故的比例超過10%。

減少和預防事故發(fā)生直接關系到海上運輸?shù)陌踩?，是國內外相關學者重點研究的領域之一。歐盟在其開展的針對符合SOLAS 2009要求的客滾船破損穩(wěn)性參數(shù)綜合安全評估（Formal Safety Analysis，F(xiàn)SA）研究項目（以下簡稱EMSA項目）中[2]構建事件樹模型，研究客滾船擱淺和觸碰事故發(fā)生后帶來的后果，并對重要事故場景進行靈敏度分析。該研究僅針對事故發(fā)生后的危險場景，沒有涉及事故的誘發(fā)因素及其概率；同時，由于事故數(shù)據(jù)不完整，在分析事故發(fā)生概率時采用很多假設和經(jīng)驗值，沒有給出假設的合理性論證，這使得EMSA風險模型的有效性得不到保證。

為有效預防船舶海上事故發(fā)生，需對事故誘發(fā)因素進行研究；為提高風險分析模型的有效性，在構建故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）模型時，以全球綜合航運信息系統(tǒng)（Global Integrated Shipping Information System，GISIS）數(shù)據(jù)庫為依托，分析大量船舶事故數(shù)據(jù)報告中給出的事故誘發(fā)因素，計算船舶事故發(fā)生原因的數(shù)量值和概率值，解決以往研究中只能依靠專家意見給出經(jīng)驗值的問題，使分析結果更具客觀性。同時，進行敏感性分析，對船舶碰撞事故危險進行具體分析，供提出風險控制措施時參考。

1 GISIS事故數(shù)據(jù)分析

GISIS數(shù)據(jù)庫是IMO為便于對事故數(shù)據(jù)進行分析，以預防和減少同類船舶事故發(fā)生而開發(fā)的船舶事故數(shù)據(jù)庫[3]，分為“港口信息”、“海事機構聯(lián)系方式”、“船舶公司信息”和“海上船舶事故”等模塊。該數(shù)據(jù)庫的“海上船舶事故”模塊記載1900—2017年的海上船舶事故數(shù)據(jù)，包括通過各種渠道收集到的船舶事故實際數(shù)據(jù)和IMO收到的傷亡調查報告中更詳細的信息。

GISIS數(shù)據(jù)庫將船舶事故類型分為碰撞、擱淺、結構性失效和人員意外傷亡（如乘客/船員突發(fā)疾病、意外墜落等）等幾類，本文認為考慮人員意外傷亡類型對提高船舶安全水平?jīng)]有意義，因此不包括在船舶海上事故中。同時，由于 GISIS數(shù)據(jù)庫構建時間較晚，許多早期的船舶事故分析資料不完整，因此僅統(tǒng)計2003—2017年發(fā)生的海上船舶事故，其中符合本文研究需求的事故共4339起。

在世界船隊中，油船、散貨船和集裝箱船3大船型占總保有量的87%[4]，其發(fā)生海上事故的數(shù)量占IMO記載的海上事故數(shù)量的65%（見圖1）。除了這3大主流船型以外，客滾船和漁船發(fā)生海上事故的比例也較高，分別占10%和11%。近年來客滾船發(fā)生海上事故的比例有明顯增加，2003年之前發(fā)生海上事故的比例占8%左右，而2003年以來增至13%（見圖2）。該類船舶上的旅客較多，一旦發(fā)生海上事故，易造成較大的人員傷亡。

圖1 不同船型發(fā)生海上船舶事故比例

圖2 海上事故數(shù)及客滾船事故比例圖

2 客滾船碰撞事故的故障樹分析

2.1 客滾船碰撞事故的故障樹構建

故障樹分析方法[5]又稱事故樹分析方法，是運用運籌學原理對事故原因和結果進行邏輯分析的方法。采用故障樹分析法，全面分析船舶系統(tǒng)，考慮導致系統(tǒng)發(fā)生故障的共因，并通過重要度分析給出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的應對措施。故障樹分析基本流程見圖3。

圖3 故障樹分析基本流程

系統(tǒng)故障現(xiàn)象為故障樹的頂事件，本文以客滾船碰撞事故為頂事件進行研究。各部件的故障即導致頂事件發(fā)生的最后一級原因，是故障樹的基本事件。客滾船碰撞事故是由一連串原因造成的，可根據(jù) GISIS數(shù)據(jù)庫中的事故數(shù)據(jù)報告分析得出事故發(fā)生的原因和發(fā)生概率，這些事件就構成了導致客滾船碰撞事故發(fā)生的基本事件。GISIS數(shù)據(jù)庫中對事故的描述包含了事故發(fā)生原因分析，包括瞭望不當、系統(tǒng)故障等，分析事故報告，構建故障樹見圖4。

圖4 客滾船碰撞事故的故障樹

2.2 客滾船碰撞事故定量分析

由n個基本事件構成的故障樹系統(tǒng)，其第i個基本事件的狀態(tài)用ix表示，頂事件的狀態(tài)用φ(X)表示，則有

在“2.1”節(jié)構建故障樹過程中，根據(jù)GISIS數(shù)據(jù)庫中的資料得到故障樹的基本事件，其概率按照導致事故發(fā)生的頻率計算，有

式(3)中：Ni為第i個基本事件發(fā)生的次數(shù)；Ntotal為發(fā)生碰撞事故的總次數(shù)；m為統(tǒng)計事故的時段的年數(shù)。

客滾船碰撞事故基本事件及其發(fā)生概率見表1。

表1 客滾船碰撞事故基本事件及其發(fā)生概率

基本事件之間通過邏輯門發(fā)生關系，常見的邏輯門有“或”門和“與”門[6]，得到客滾船碰撞事故故障樹如圖4所示。

1) “與”門表示各分支事件同時發(fā)生就會導致上一級事件發(fā)生，即

2) “或”門表示各分支事件之一發(fā)生就會導致上一級事件發(fā)生，即

計算得到客滾船碰撞事故發(fā)生的概率為1.17×10-2，該概率值與SAFEDOR項目中[7]給出的1.25×10-2僅相差為6.4%，證明了該故障樹模型的可靠性和合理性。

2.3 客滾船碰撞原因定性分析

為進行事故風險分析，需找到故障樹的薄弱環(huán)節(jié)，先對繪制的故障樹進行定性分析，即求解最小割集[8]。割集是故障樹的若干基本事件的集合，若這些基本事件都發(fā)生，則頂事件必然發(fā)生。若割集中的任意某個事件去除之后不再成為割集，則稱其為故障樹的最小割集。對于最小割集而言，其階數(shù)越小，表示該最小割集越重要。

可采用“下行法”和“上行法”[9]求解最小割集。本文采用“下行法”求解，其步驟為：

1) 遇到“與”門就將其輸入事件排在同一行，即只增加割集階數(shù)，不增加割集個數(shù)；

2) 遇到“或”門就將其輸入事件各自排成一行，即只增加割集個數(shù)，不增加割集階數(shù)。

上述步驟持續(xù)進行，直到全部換成基本事件為止。隨后通過兩兩比較去掉非最小割集，剩下的即為故障樹的全部最小割集。求得客滾船碰撞事故故障樹的最小割集為：{X7},{X10},{X11},{X18},{X19},{X20},{X21},{X23},{X1, X5, X8, X22},{X1, X6, X22},{X1, X16, X22},{X1, X9, X22},{X12, X16}, {X13, X16},{X14, X16},{X15, X16},{X15, X17},{X16, X24},{X2, X16, X22},{X2, X5, X8, X22}, {X2, X6, X22},{X2, X9,X22}, {X3, X5, X8, X22},{X3, X16, X22},{X3, X6, X22},{X3, X9, X22}, {X6, X15},{X4, X16, X22},{X4, X6,X22},{X4, X5, X8, X22},{X4, X9, X22}。

利用最小割集對故障樹進行定性分析，得到導致事故發(fā)生的高風險事故場景為疲勞駕駛、未遵守海上交通法規(guī)、超速行駛、值守不當、既定航線不安全、天氣惡劣和操作不當，這對找出客滾船碰撞事故危險場景及后續(xù)給出風險控制措施具有重要意義。

2.4 事故發(fā)生原因敏感性分析

采用FTA方法的一個優(yōu)點是可進行敏感性分析（重要度分析）。重要度分析是故障樹定量分析中的重要組成部分。重要度是指一個部件或系統(tǒng)的割集失效時對頂事件發(fā)生概率的貢獻，是時間、部件的可靠性參數(shù)和系統(tǒng)結構的函數(shù)[10]。常用的重要度一般包括結構重要度、概率重要度和臨界重要度。

2.4.1 結構重要度

第i個基本事件的結構重要度是指不考慮其自身發(fā)生的概率，僅從結構上分析事件發(fā)生與否對頂事件狀態(tài)的影響程度，在本質上就是求解最小割集，有

式(6)中：φ( 0i,X)為第i個基本事件不發(fā)生時頂事件的狀態(tài)；φ( 1i,X)為第i個基本事件發(fā)生時頂事件的狀態(tài)。

計算客滾船碰撞事故故障樹基本事件的結構重要度，得I(X23)=I(X21)=I(X20)=I(X19)=I(X18)=I(X11)=I(X10)=I(X7)＞I(X16)＞I(X15)＞I(X22)＞I(X6)＞I(X17)＞I(X9)＞I(X8)=I(X5)＞I(X4)=I(X3)=I(X2)=I(X1)＞I(X24)=I(X14)=I(X13)=I(X12)。

2.4.2 概率重要度

第i個基本事件的概率重要度是指其發(fā)生概率有微小變化時導致的頂事件發(fā)生概率的變化率，有

式(7)中：Qi(t)為第i個基本事件發(fā)生的概率。

2.4.3 臨界重要度

臨界重要度也稱關鍵重要度，第i個基本事件的關鍵重要度是指其故障概率的變化率對頂事件故障率的變化率的影響，有

式(8)中：Qi(t)為第i個基本事件發(fā)生的概率。

客滾船碰撞事故的概率重要度及臨界重要度計算見表2。

表2 客滾船碰撞事故的概率重要度及臨界重要度計算

由表2和結構重要度計算結果可知，無論從哪個重要度的角度考慮，對客滾船碰撞事故后果影響程度排在前列的都是X23、X18、X21、X10和X11，而排在后面的包括X8、X5和X2。其他影響因素在考慮概率重要度和臨界重要度時影響程度有所不同，但總體上變化不大。

由已有文獻和IMO關于各類船舶的FSA項目可知，目前利用事件樹對事故后果進行分析的工作開展得較多，其中初始事件概率值大多是借鑒其他工業(yè)（如核工業(yè)）或專家的意見得到的，如文獻[11]和文獻[12]，但沒有對船舶事故發(fā)生原因進行深入研究。本文對船舶事故致因進行分析，可為后續(xù)FSA進行風險控制提供參考。

3 結 語

本文基于GISIS數(shù)據(jù)庫對2003—2017年的船舶事故數(shù)據(jù)進行了分析，并基于故障樹理論分析了GISIS數(shù)據(jù)庫中客滾船碰撞事故的發(fā)生原因。通過對故障樹進行定性分析和定量分析，計算了各事故原因的結構重要度、概率重要度和臨界重要度；通過重要度排序，確定了影響客滾船碰撞事故的主要因素。研究結果表明，值守不當、應急操作不當和未遵守海上交通法規(guī)等人為因素對客滾船舶碰撞事故的發(fā)生有較大影響。該方法還可用于其他船舶事故分析，彌補EMSA項目中缺少事故誘發(fā)因素分析的不足；在FSA框架下，能更好地服務于后續(xù)船舶風險控制方案的設定。