基于解釋結(jié)構(gòu)模型的LNG船舶進(jìn)出港風(fēng)險因素分析

白響恩，肖英杰，鄭劍，張浩

(上海海事大學(xué) a.商船學(xué)院； b. 航運(yùn)仿真技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201306)

0 引 言

近年來我國沿海港口已經(jīng)建成多個液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)接收站，如遼寧大連鯰魚灣、河北唐山曹妃甸、青島膠南市董家口、江蘇洋口、上海洋山、浙江寧波北侖等.LNG船舶進(jìn)出港會給港口船舶常態(tài)交通帶來巨大的航行安全風(fēng)險，輕者將造成船舶損傷，阻礙港口交通；重者將造成船舶爆炸和環(huán)境污染，造成重大的人員傷亡、財產(chǎn)損失，社會影響十分惡劣.LNG船舶進(jìn)出港航行風(fēng)險因素的多樣化與LNG船舶航行環(huán)境的多變性使港口經(jīng)營人和海上交通管理部門不可能對每種潛在的風(fēng)險都有充分的準(zhǔn)備，因此必需采取有效的措施控制風(fēng)險.

目前，國內(nèi)外對LNG船舶風(fēng)險的研究主要集中在LNG泄漏、LNG碼頭及LNG船舶海上航行等方面，涉及到LNG船舶進(jìn)出港過程風(fēng)險的較少.羅志勇[1]采用模糊綜合評價方法，對大連LNG碼頭進(jìn)行風(fēng)險評估，借此對LNG泄漏事故的后果進(jìn)行深入探討，建立模擬火災(zāi)和爆炸后果的預(yù)測模型，再結(jié)合LNG碼頭和船舶的實際情況，提出風(fēng)險預(yù)防措施和管理對策.柴田[2]選用易燃、易爆、有毒重大危險源評價法，結(jié)合模糊理論中的關(guān)聯(lián)算法計算綜合抵消因子，對大鵬灣LNG碼頭進(jìn)行風(fēng)險綜合評價，建立蒸氣云爆炸傷害模型和火災(zāi)傷害模型，并開發(fā)出LNG碼頭風(fēng)險評價的輔助軟件.陳建輝[3]結(jié)合層次分析和模糊數(shù)學(xué)的方法對LNG碼頭進(jìn)行評價，最后選用洋浦港LNG碼頭作為安全性模糊綜合評判的例證.張萬磊[4]采用未確知測度評價模型對大型LNG船舶進(jìn)出曹妃甸港區(qū)的通航安全保障進(jìn)行評價，得出目前LNG船舶的通航安全等級為一般安全.黃濤[5]運(yùn)用F-ANP(模糊網(wǎng)絡(luò)分析法)建立LNG航線運(yùn)輸風(fēng)險評價模型和運(yùn)輸航線風(fēng)險評估模型，并在海南某LNG項目的航線選擇和配船中驗證模型的可行性. VANEM等[6]利用FSA(綜合安全評估法)對LNG船舶碰撞、爆炸、火災(zāi)和擱淺等事故發(fā)生的原因進(jìn)行分析，建立事故成因模型，認(rèn)為LNG船舶事故多數(shù)是由碼頭裝卸貨期間的操作不當(dāng)引起的.KIM等[7]利用對LNG船舶中玻璃纖維復(fù)合材料特性的分析對LNG泄漏的原理進(jìn)行深入研究，對LNG船舶的儲運(yùn)方式提出相關(guān)建議.

在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上, 本文從LNG船舶進(jìn)出港全過程涉及到的各安全要素著手, 建立LNG船舶進(jìn)出港風(fēng)險因素的解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretative Structural Modeling，ISM)，提出LNG船舶進(jìn)出港風(fēng)險控制的措施和建議.

1 LNG船舶進(jìn)出港風(fēng)險因素的ISM

ISM法是美國Warfield教授于1973年為分析復(fù)雜社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相關(guān)問題而提出的一種方法.該方法把復(fù)雜的系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)(或因素)，利用人們的經(jīng)驗和知識，在有向圖、矩陣等工具和計算機(jī)技術(shù)輔助下構(gòu)成一個多級階梯的結(jié)構(gòu)模型，并通過文字加以解釋說明，明確問題的層次和整體結(jié)構(gòu)，提高對問題的認(rèn)識和理解程度.ISM屬于概念模型，它可以把模糊不清的思想、看法轉(zhuǎn)化為直觀的具有良好結(jié)構(gòu)關(guān)系的模型.[8-10]

考慮到影響LNG船舶進(jìn)出港的各風(fēng)險因素的從屬關(guān)系不太明確，不具有簡單的分類學(xué)特征，為直接求出各因素之間的關(guān)系，本文采用ISM法對LNG船舶進(jìn)出港的風(fēng)險因素進(jìn)行分析，根據(jù)各風(fēng)險因素的影響程度和影響層次對各因素進(jìn)行劃分, 構(gòu)建一個多級階梯的結(jié)構(gòu)模型，幫助決策者尋找出直接風(fēng)險因素和間接風(fēng)險因素,從而將精力集中于關(guān)鍵點(diǎn),提高決策效率.[11-12]

1.1 確定風(fēng)險因素

利用對多個LNG碼頭營運(yùn)的區(qū)域環(huán)境、LNG船舶的航行特點(diǎn)及實船試驗的研究成果，將初步篩選出的風(fēng)險因素以開放式提問的方式征詢專家意見.專家小組由有經(jīng)驗的7位教授、5位船長、8位高級引航員、4位在海事局從事船舶監(jiān)督的工作人員以及3位熟悉港航安全論證的人員組成.通過專家們的深入分析，最終確定關(guān)鍵問題為LNG船舶進(jìn)出港的高風(fēng)險(F0).LNG船舶進(jìn)出港過程中存在的16個風(fēng)險因素(Fi,i=1,2,…,16)及對這些風(fēng)險因素的具體描述見表1.

1.2 建立風(fēng)險因素的鄰接矩陣和可達(dá)矩陣

1.2.1 鄰接矩陣A

鄰接矩陣A表示系統(tǒng)要素間基本二元關(guān)系或直接聯(lián)系情況.若A=(aij)n ×n, 則定義

(1)

LNG船舶進(jìn)出港各風(fēng)險因素之間關(guān)系的鄰接矩陣為

表1 LNG船舶進(jìn)出港的風(fēng)險因素

1.2.2 可達(dá)矩陣R

可達(dá)矩陣[13]描述有向連接圖各節(jié)點(diǎn)間經(jīng)過一定長度的通路后可達(dá)到的程度，表示不同風(fēng)險之間存在的所有直接和間接的結(jié)構(gòu)關(guān)系.可達(dá)矩陣有一個重要的特性，即推移性.下面根據(jù)式(1)求解可達(dá)矩陣.

令A(yù)i= (A+I)i，1 ≤i≤n-1,運(yùn)用布爾運(yùn)算規(guī)則(0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1，0×0 =0，0×1=0，1×0=0，1×1=1)依次運(yùn)算后可得

A1≠A2≠…≠Ar-1=Ar，r≤n-1

式中:n為矩陣階數(shù)，則

在《數(shù)據(jù)庫語言》課程中，第一堂課引入大數(shù)據(jù)應(yīng)用案例教學(xué)方法，可以引領(lǐng)學(xué)生緊跟大數(shù)據(jù)時代潮流，增進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和信心。

Ar-1= (A+I)r-1=R

1.3 級間劃分，建立解釋結(jié)構(gòu)模型

級間劃分以可達(dá)矩陣為準(zhǔn)則將不同風(fēng)險因素劃分為不同層次.根據(jù)風(fēng)險要素的先行集A(ni)和可達(dá)集R(ni)的定義,一個多級結(jié)構(gòu)的最上級要素ni的可行集R(ni)只能由ni本身和ni的強(qiáng)連接要素組成，最高級要素的先行集A(ni)也只能由ni本身、ni的下一級可達(dá)要素和ni的強(qiáng)連接要素組成.其中，強(qiáng)連接指要素之間互為可達(dá).由此，最上一級單元ni必須滿足R(ni)=R(ni)∩A(ni).

在確定結(jié)構(gòu)的最高一級要素以后，劃去可達(dá)矩陣中相應(yīng)的行和列，再從剩余的可達(dá)矩陣中尋找新的最高一級要素，不斷迭代后最終獲得按級間排列的可達(dá)矩陣R0.

根據(jù)上述方法，從R開始，分別找到各級的最高級要素集：L1={F16}，L2={F1，F(xiàn)9，F(xiàn)12，F(xiàn)13}，L3={F2，F(xiàn)6，F(xiàn)10，F(xiàn)14}，L4={F3，F(xiàn)5}，L5={F4，F(xiàn)7，F(xiàn)8，F(xiàn)11}，L6={F15}.用有向枝連接相鄰級別間的要素(1′部分)及同一級別的要素(1″部分)，得到

由R0可以詳細(xì)分析各要素間如何互相影響，所建ISM見圖1.

圖1 LNG船舶進(jìn)出港風(fēng)險因素的ISM

2 LNG船舶進(jìn)出港風(fēng)險ISM的分析

通過LNG船舶進(jìn)出港風(fēng)險因素的ISM可以明確LNG船舶進(jìn)出港風(fēng)險產(chǎn)生機(jī)理.從圖1可以看出，在關(guān)鍵問題為LNG船舶進(jìn)出港的高風(fēng)險的前提下，各影響因素大致可以分為6個層次.

第1層為LNG船舶事故(F16).LNG船舶事故是最關(guān)鍵因素，對LNG船舶進(jìn)出港安全產(chǎn)生直接影響.可見在LNG船舶進(jìn)出港時, 防止船舶航行過程中發(fā)生LNG 泄漏、火災(zāi)、爆炸、碰撞、擱淺等事故至關(guān)重要.

第3層為船舶流量(F6)、氣象水文條件(F2)、LNG船舶適航性(F10)和人為因素(F14).這4個要素之間屬強(qiáng)連接關(guān)系，彼此之間具有高度互動性，各要素的部分效果通常是重復(fù)的，容易自成一個封閉的系統(tǒng).除不可抗力因素外，船舶流量和氣象水文條件等環(huán)境因素很少成為LNG船舶事故的主導(dǎo)因素，但常常對人為因素有誘導(dǎo)作用，導(dǎo)致船員對航行環(huán)境估計不足，加之操作不當(dāng)，可能引發(fā)擱淺、自沉、觸損和觸礁等事故.LNG船舶最終是由人操縱的，船員的素質(zhì)和基本功是確保船舶維修和保養(yǎng)、保持LNG船舶適航性的關(guān)鍵因素.在惡劣的環(huán)境下，船舶本身的狀態(tài)可能無法適應(yīng)，但仍可通過人的努力使情況有所改善，使事故的損失降到最低.

第4層為港內(nèi)水域(F3)和鄰近水域其他水工設(shè)施(F5).LNG碼頭的進(jìn)港航道及航行水域應(yīng)滿足LNG船舶不乘潮通航的要求，碼頭前沿設(shè)計水深應(yīng)保證滿載LNG船舶在當(dāng)?shù)亍袄碚撟畹统泵妗睍r能夠安全?？?，并預(yù)留LNG船舶緊急制動的安全水域.由于LNG本身具有易燃、易爆、低溫、低沸點(diǎn)等性質(zhì)，為減少LNG碼頭與鄰近水域其他水工設(shè)施的互相影響，LNG 碼頭應(yīng)設(shè)置在全年常風(fēng)向的下風(fēng)側(cè).

第5層為LNG碼頭附近礙航物(F4)，LNG船舶要素(F11)，政策、法規(guī)、制度(F7)和海事主管部門監(jiān)管(F8).LNG船舶要素有時會成為LNG船舶事故的主要因素，特別是LNG船舶傾覆或沉沒的事故以及在船舶失控的情況下發(fā)生的事故.為避免船舶在發(fā)生碰撞和擱淺等事故時對LNG船舶的貨艙造成損壞,所有LNG船舶均應(yīng)使用雙層船殼.政策、法規(guī)、制度和海事主管部門監(jiān)管不是引發(fā)LNG船舶事故的直接原因，但往往是事故深層次的原因.為達(dá)到預(yù)防LNG船舶事故的目的，就應(yīng)從管理的角度剖析LNG船舶事故的原因,嚴(yán)格按照LNG碼頭安全管理規(guī)定，制定監(jiān)管方案并落實到人，做好現(xiàn)場的安全監(jiān)管和LNG碼頭靠泊期間的監(jiān)護(hù).當(dāng)然，海事主管部門監(jiān)管的力度及相關(guān)政策、法規(guī)、制度的完善與落實在事故預(yù)防中的作用是不容忽視的.

第6層為LNG碼頭特點(diǎn)(F15).LNG船舶的高危險性使LNG碼頭在建造時具有很強(qiáng)的排他性.LNG碼頭不是一個簡單的靠船泊位,應(yīng)按照一個專用港口(即使規(guī)模不算大)和接收站統(tǒng)一安排,包括總平面布置、口門寬度、施工工藝、陸域高程、護(hù)岸設(shè)置、環(huán)保等，尤其是海上交通安全、防污染均需在建設(shè)前逐一論證.[15]

3 結(jié)束語

采用系統(tǒng)工程中的ISM法，建立LNG船舶進(jìn)出港風(fēng)險因素的ISM，探討影響LNG船舶進(jìn)出港風(fēng)險的各因素的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系，為風(fēng)險因素識別、評價提供新思路.在專家小組確定風(fēng)險因素的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ISM有效地建立起各因素間的層次關(guān)系，直觀把握對LNG船舶進(jìn)出港作業(yè)產(chǎn)生影響的各因素的層次關(guān)系，為有關(guān)部門保障LNG船舶進(jìn)出港作業(yè)安全提供參考.

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