基于事故樹的港口水域船舶通航風(fēng)險致因分析

何眾穎，艾萬政，劉 虎

（浙江海洋大學(xué)港航與交通運輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

近年來，隨著水運經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水利、水運等基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)一步加強[1]。水路運輸有著運能大、安全影響因素眾多、航行環(huán)境復(fù)雜等特點[2]，因此一旦水路通航發(fā)生事故，便會引起嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)、社會影響。因此，評估港口水域船舶通航風(fēng)險并對其進(jìn)行致因分析，對提高港口水域安全管理水平，減少通航事故發(fā)生具有重要意義。目前，大量國內(nèi)外學(xué)者對船舶通航安全開展了廣泛的研究，如利用仿真軟件研究船舶航行安全問題，利用安全保障理論、船舶操縱理論等分析船舶碰撞的風(fēng)險特點，利用網(wǎng)絡(luò)化定量風(fēng)險評估、事故樹、模糊層次法、模糊網(wǎng)絡(luò)分析法等分析港口航行風(fēng)險[3-8]，但對船舶通航安全致因點進(jìn)行分析的較少。事故樹是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一，它是運用邏輯推理對各種系統(tǒng)的危險性進(jìn)行辨識和評價，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因。事故樹的建立可以將各個致因點之間的聯(lián)系清晰的展現(xiàn)出來，還可以對其進(jìn)行定性定量分析。因此采用事故樹對港口水域通航安全進(jìn)行風(fēng)險致因分析，可使決策者可以做出更加合理的應(yīng)急決策，從而進(jìn)一步提高通航的安全管理和危機(jī)處理水平。

1 港口水域船舶通航風(fēng)險事故樹的建立

1.1 事故樹

事故樹又稱為FTA分析法，事故樹起源于美國貝爾實驗室的一門技術(shù)[9]，是一種推論分析方法，由結(jié)果分析原因。FTA是以系統(tǒng)不希望發(fā)生的重大或較大事件（頂端事件）作為分析目標(biāo)，通過層層分析其發(fā)生的各種可能的原因，一直分析到原因事件不能再分解為止[10]，并用邏輯門符號把這些事件之間的邏輯關(guān)系表達(dá)出來，最終形成一個倒掛的樹形圖，稱為事故樹[11]FTA的基本分析方法如圖1線路所示[12]。

圖1 FTA基本分析方法Fig.1 FTA basic analysis method

1.2 事故致因分析

誘發(fā)港口水域通航事故發(fā)生的原因眾多，主要可分為人、船、環(huán)境和管理四大方面。

人的因素包括疲勞程度、適任性和責(zé)任心三大方面。疲勞程度可以分為心理因素和生理因素；適任性可以分為專業(yè)技能、學(xué)歷和海齡；責(zé)任心可分為責(zé)任認(rèn)知、責(zé)任感和責(zé)任行為。

船的因素主要包括船舶噸位、船齡和適航狀態(tài)三大方面。船齡可以分為船舶設(shè)備、船體強度、船舶使用年份；適航狀態(tài)可以分為航行能力、適貨能力和抗風(fēng)險能力。

環(huán)境因素可以分為兩類即自然環(huán)境因素和交通環(huán)境因素，自然環(huán)境因素可以分為能見度、風(fēng)、流、海冰；交通環(huán)境因素可以分為航道條件、助航條件、交通流量和障礙物。

管理因素可以分為港口管理、海事管理和船舶管理，港口管理分為引航管理和拖輪管理；海事管理分為助航管理、法規(guī)制度管理和通航信息完善[8]。

1.3 事故樹編制

以T“港口水域通航事故”為頂上事件，根據(jù)對港口水域通航事故的分析，發(fā)現(xiàn)只有在人為因素、船因素、環(huán)境因素和管理因素四者同時發(fā)生，才可能發(fā)生港口水域通航事故，因此第一層為“與”門。以此類推，直至事故樹規(guī)模和分析深度已到達(dá)基本事件為止，得到港口水域通航事故的事故樹圖，共有29個基本事件、13個中級事件、9個“或”門即5個“與”門構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 港口水域通航事故樹圖Fig.2 Tree chart of navigable accident in port waters

2 港口水域船舶通航風(fēng)險事故樹的定性分析

事故樹定性分析的主要任務(wù)是求出導(dǎo)致系統(tǒng)故障（事故）的全部故障模式。通過對最小割集或最小徑集的分析，可以得到系統(tǒng)的危險性和安全性，并且可以利用最小割集和最小徑集直接排出結(jié)構(gòu)重要度的順序，可以找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

2.1 最小割集分析

根據(jù)以上港口水域通航事故樹中各事件之間的邏輯關(guān)系，可以得到事故樹的布爾代數(shù)式：

將式（1）化簡可以得到最小割集896組，最小徑集14組，可見事故發(fā)生方式較多，風(fēng)險致因影響復(fù)雜。最小割集數(shù)量較多不具體列出，最小徑集具體如下：

最小割集表示系統(tǒng)的危險性，可以根據(jù)割集組成得到某些基本事件共同致因便會發(fā)生事故；最小徑集表示系統(tǒng)的安全性，可以根據(jù)徑集組成得到某些基本事件共同作用便可以防止事故發(fā)生。由上所得，割集數(shù)量較多，徑集數(shù)量較小，因此港口水域通航發(fā)生事故的危險性較大，但單憑最小割集或徑集無法直接得到基本事件的重要程度排序，需要通過計算得到結(jié)構(gòu)重要度順序。

2.2 基本事件結(jié)構(gòu)重要度分析

計算整體事故樹的結(jié)構(gòu)重要度為事故樹定性分析中一項重要程序。計算時，假設(shè)各個基本事件發(fā)生的概率相等，通過理論分析，得到各事件對于頂上事件發(fā)生的影響程度并進(jìn)行排序，為具有針對性的安全措施的提出奠定基礎(chǔ)[13]。

在事故樹分析中，設(shè)xi表示某個基本事件i，其具有兩種狀態(tài)：xi=1（基本事件發(fā)生）和xi=0（基本事件不發(fā)生），對應(yīng)結(jié)構(gòu)函數(shù)為 φ（x）=1和 φ（x）=0。當(dāng) xi的狀態(tài)由正常狀態(tài)（0）變?yōu)楣收蠣顟B(tài)（1），其他基本事件的狀態(tài)保持不變時，則頂上事件可能有以下四種狀態(tài)：

1）頂上事件從 0 變?yōu)?1；即 φ（0i，x）=0→φ（1i，x）=1 即 φ（1i，x）-φ（0i，x）=1

2）頂上事件處于0狀態(tài)不發(fā)生變化；

3）頂上事件處于1狀態(tài)不發(fā)生變化；

4）頂上事件從1變成0。

n個基本事件兩種狀態(tài)互不相容的組合數(shù)共有2n個。當(dāng)把第Xi個基本事件作為變化對象時，其余n-1個基本事件的狀態(tài)對應(yīng)保持不變的對照組共有2n-1個組合。在這2n-1個對照組中共有多少是屬于第一種情況，這個比值就是該事件xi的機(jī)構(gòu)重要度。

本文主要通過軟件EasyDraw根據(jù)最小徑集進(jìn)行計算得到每個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)大小并進(jìn)行排序，見表1。結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)大小順序為：

表1 基本事件結(jié)構(gòu)重要度Tab.1 Basic event structure importance

由此可知：每個基本事件的重要度都不可忽略，但可由排序得到，最重要的為人的生理和心理因素，次之為管理因素。在對港口水域通航安全提出對策時，可以借鑒重要度排序進(jìn)行分析。

3 港口水域船舶通航風(fēng)險事故樹的定量分析

事故樹的定量分析是在定性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，定量分析可以計算出基本事件發(fā)生的概率值，從而計算出頂上事件發(fā)生的概率，此外定量分析還可以分析概率重要度，從而找出系統(tǒng)當(dāng)中最佳的控制措施。本節(jié)利用老塘山港口的實例作為分析對象。老塘山港口作為舟山核心港區(qū)之一，港區(qū)年吞吐量巨大，在整個舟山港起著舉足輕重的地位[14]。但該港區(qū)由于碼頭眾多，島嶼林立，多處暗礁，多座橋梁橫穿港區(qū)，交通流復(fù)雜，同時處于中國著名急流區(qū)，大型船舶進(jìn)出港口頻繁，通航環(huán)境復(fù)雜，因此該港區(qū)發(fā)生的通航事故較多。據(jù)舟山海事局統(tǒng)計，近5年老塘山港區(qū)船舶到港數(shù)達(dá)42 011艘，發(fā)生水上交通事故數(shù)量59艘。

3.1 頂上事件概率計算

對老塘山59起事故分別從29個基本事件中進(jìn)行分析，根據(jù)公式（2）[15]計算得到每個基本事件發(fā)生的概率。計算結(jié)果見表2。

Pi為基本事件發(fā)生的概率；Wi為基本事件i發(fā)生次數(shù)。

表2 各個基本事件發(fā)生概率Tab.2 Probability of the occurrence of each basic event

頂上事件發(fā)生的概率求解公式為[16]：

由公式（3）-（6）計算可以得到頂上事件發(fā)生的概率為0.130%，實際近幾年老塘山船舶發(fā)生事故數(shù)量比上到港船舶總數(shù)，計算結(jié)果為0.133%（發(fā)生事故數(shù)量59艘，到港船舶數(shù)量42 011艘），可見由事故樹計算得到的概率較為準(zhǔn)確，表明基于事故樹對港口水域通航安全風(fēng)險致因分析的方法是可行的。

3.2 概率重要度分析

基本事件發(fā)生概率變化引起頂上事件發(fā)生概率的變化程度稱為概率重要度。頂上事件發(fā)生概率函數(shù)（公式（3））為一個多重線性函數(shù)，所以對自變量qi求一次偏導(dǎo)，就可以得到該基本事件的概率重要度系數(shù)，即。

將3.1當(dāng)中所計算得到的基本事件概率值代入進(jìn)行計算，得到各個基本事件概率重要度系數(shù)，見表3。

表3 各個基本事件概率重要度系數(shù)Tab.3 Probability importance of each basic event

概率重要度排序為：

3.3 通航致因分析

結(jié)合基本事件概率、結(jié)構(gòu)重要度和概率重要度，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，從而確定所采取相應(yīng)安全措施的優(yōu)先順序，對港口水域進(jìn)行科學(xué)、合理、有效的控制。由應(yīng)用實例可知，基本事件概率較大的有X1，X3，X6，X7，X8，X16，X17，X24，X25，X27，X28，X29，其中“人為因素”中間事件有 8 個基本事件，當(dāng)中大概率基本事件有 6個，占75%；“船的因素”中間事件有7個基本事件，當(dāng)中大概率基本事件只有1個，占14%；“環(huán)境因素”中間事件有8個基本事件，其中大概率基本事件2個，占25%；“管理因素”中間事件有6個基本事件，大概率事件有5個，占了83%，由此可見管理與人為因素是導(dǎo)致通航事故發(fā)生的主要原因。

從結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)可以看到，X1和X2是重要度系數(shù)最高的，因此人為因素對于事故的發(fā)生影響比較大，其中疲勞程度是影響最大的；同時X3-X8、X24、X25、X26的重要度系數(shù)也是比較高的，前6者屬于人為因素當(dāng)中的適應(yīng)性和責(zé)任性，后3者都是屬于管理因素，由此可再次可得人為因素的影響力以及管理的重要度；X9-X15的結(jié)構(gòu)度稍次于上述5個基本事件，可見船的因素也不可小覷。

根據(jù)所建立事故樹的結(jié)構(gòu)重要度排序分析和老塘山港口事故實例事故發(fā)生概率和基本事件概率分析，可共同得到在通航風(fēng)險的人、船、管理、環(huán)境四大致因方向中，得到一級影響度當(dāng)中人為因素是最主要的致因因素，其次是管理因素，船因素和環(huán)境因素稍低，同時也驗證了事故樹建立的合理性。

利用概率重要度排序，在一級影響度下進(jìn)行二級影響度分析，可以得到在人為因素下，概率重要度心理因素排第一，其次為生理因素，其他基本事件排序較后；在管理因素當(dāng)中，船舶管理排第一，其次為引航管理和拖輪管理，其他基本事件排序較后；在船的因素當(dāng)中，船舶設(shè)備排第一，其次為船體強度，再者為船舶使用年份、航行能力、運貨能力和船的噸位，抗風(fēng)險能力排最后。

4 港口水域通航安全保障對策

根據(jù)事故樹計算得到的最小割集、最小徑集、結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度以及實例的應(yīng)用，對港口水域通航安全的致危因子進(jìn)行了分析，將影響因素進(jìn)行如下排序：管理因素、人為因素、船舶因素、環(huán)境因素。因此需要著重管強化管理因素和人員因素的控制。

管理方面，首先應(yīng)該加強對船舶的管理，從船舶檢驗、船舶登記和船舶安全檢查三個方面進(jìn)行加強，完善各自所對應(yīng)的規(guī)章制度。再來應(yīng)該加強引航管理和拖輪管理，在引航管理上，應(yīng)該制定現(xiàn)代化的高效的引航管理策略和技術(shù)，保證引航策略的各項政策執(zhí)行和現(xiàn)代化技術(shù)的開發(fā)；在拖輪管理上，船舶在港工作都需要拖輪的工作，因此拖輪工作關(guān)乎到港內(nèi)船舶的安全，所以應(yīng)該規(guī)范拖輪管理以及對其系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

人員行為方面，首先應(yīng)該對其心理與生理進(jìn)行考核和鍛煉，具體可從崗前、崗中和崗后三個體制入手，即在上崗前應(yīng)進(jìn)行全面培訓(xùn)并嚴(yán)格考核，考核合格后方可上崗；在崗時，應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)章制度執(zhí)行任務(wù)，若未按規(guī)定操作應(yīng)給予嚴(yán)重的處理；在工作結(jié)束非在崗時，應(yīng)定期重溫學(xué)習(xí)相關(guān)的規(guī)章制度和專業(yè)技能，并進(jìn)行考核，以及定期進(jìn)行身體素質(zhì)檢查。

另外對船舶因素，對船舶的的設(shè)施設(shè)備、船體強度應(yīng)該加強管理，對設(shè)施設(shè)備的定期檢查維修與優(yōu)化改進(jìn)。定期對船舶上的甲板、船身等牢固類系統(tǒng)進(jìn)行檢查；對機(jī)電、操作、通信、導(dǎo)航等設(shè)備進(jìn)行日常檢查與及時優(yōu)化改進(jìn)。

5 結(jié)論

基于事故樹理論，對港口水域船舶的通航風(fēng)險致因因素進(jìn)行了分析，從人、船舶、管理和環(huán)境四大方面建立了港口水域通航事故的事故樹，結(jié)合舟山老塘山港區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過計算事故數(shù)的結(jié)構(gòu)重要度、基本事件概率和概率重要度，定性與定量結(jié)合，分析了港口水域船舶通航風(fēng)險致因。結(jié)果表明，人為因素和管理因素為港口水域船舶通航風(fēng)險最為重要致因，人為因素方面應(yīng)該著重注意生理和心理影響，管理方面應(yīng)該加強船舶管理和港口管理，船舶方面應(yīng)該對船體設(shè)備加強管理。