半潛式支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)碰撞概率建模

王炫凱, 姜河蓉

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各國(guó)的海洋工程事業(yè)不斷壯大，很多國(guó)家都已將海洋能源開(kāi)采從近海轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)海，在此情況下,鉆井平臺(tái)和生活支持平臺(tái)等平臺(tái)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。大型海上生產(chǎn)平臺(tái)通常需通過(guò)深水半潛式支持平臺(tái)靠泊來(lái)滿足各種需求，在海上長(zhǎng)期作業(yè)過(guò)程中，受各種不確定因素的影響,與浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offcoading,FPSO)在海面上作業(yè)時(shí)不可避免地遭受穿梭油船的碰撞情況相似[1]，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法避免的碰撞問(wèn)題。當(dāng)生產(chǎn)平臺(tái)在不確定因素更多的深海作業(yè)時(shí)，發(fā)生碰撞等事故的可能性會(huì)更大。

碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重點(diǎn)是對(duì)碰撞頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)船舶因外界干擾而偏離航道駛向平臺(tái)，或因失去控制而處于漂移狀態(tài)并撞向平臺(tái)時(shí)，造成的危害是巨大的。本文對(duì)深水半潛式支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)的碰撞場(chǎng)景進(jìn)行解析，通過(guò)分析引發(fā)碰撞事故的原因，建立碰撞概率模型，為評(píng)估靠泊碰撞風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 靠泊碰撞場(chǎng)景

深水半潛式支持平臺(tái)在靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)時(shí)，通常通過(guò)連接棧橋與海洋生產(chǎn)平臺(tái)搭接。圖1為支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)實(shí)景圖;圖2為支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)路徑圖。圖2中：在距離靠泊目標(biāo)2 n mile的E點(diǎn)，支持平臺(tái)的速度小于2 kn，已做好靠泊準(zhǔn)備；在距離靠泊目標(biāo)1 000 m的D點(diǎn)，支持平臺(tái)的速度小于1 kn；在距離靠泊目標(biāo)500 m的C點(diǎn)，支持平臺(tái)的速度小于0.5 kn，該點(diǎn)是其靠泊目標(biāo)平臺(tái)的路徑調(diào)整點(diǎn)；在距離靠泊目標(biāo)100 m的B點(diǎn)，兩平臺(tái)的靠泊點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，支持平臺(tái)向目標(biāo)平臺(tái)移動(dòng)，速度小于0.05 m/s;A點(diǎn)是支持平臺(tái)與目標(biāo)平臺(tái)距離最近的點(diǎn)(約為38 m)，根據(jù)操船師的經(jīng)驗(yàn)，各方向和角度的靠泊搭接都有可能出現(xiàn)。

圖1 支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)實(shí)景圖

圖2 支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)路徑圖

由此可見(jiàn),兩平臺(tái)相距100 m時(shí)的靠泊接近階段是可能發(fā)生碰撞的起始點(diǎn)，隨后的靠泊連接和斷開(kāi)階段存在的危險(xiǎn)源包括人員操作失誤、空氣能見(jiàn)度低、風(fēng)浪大、動(dòng)力定位系統(tǒng)失效、控制系統(tǒng)失效和技術(shù)故障等，最終可能導(dǎo)致支持平臺(tái)因向前偏移過(guò)大而與海洋生產(chǎn)平臺(tái)發(fā)生碰撞。

2 現(xiàn)有碰撞概率模型

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的2種碰撞概率模型是挪威船級(jí)社(Det Norske Veritas,DNV)DNV-RP-107規(guī)范中的船與海洋平臺(tái)碰撞概率模型和美國(guó)公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)(American Association of State Highway and Transportation Officials,AASHTO)《美國(guó)公路橋梁防船撞設(shè)計(jì)指南》中的船橋碰撞概率模型，比較分析這2種概率模型，以此為基礎(chǔ),建立支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)碰撞概率模型。

2.1 2種碰撞概率模型

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在海洋平臺(tái)碰撞事故中,頻繁靠泊的供給船是主要風(fēng)險(xiǎn)源，由其引發(fā)中大型事故的概率較高[2]，因此主要關(guān)注供給船的碰撞概率。

1) DNV在DNV-RP-107規(guī)范中給出的船舶與海洋平臺(tái)碰撞概率模型公式[3]為

PCP=N·P1·P2·P3

(1)

式(1)中:N為每年過(guò)往船舶的數(shù)量(目標(biāo)平臺(tái)附近航道);P1為碰撞航線的概率,即幾何概率(朝向平臺(tái)行駛的概率);P2為碰撞船舶初始矯正失敗的概率;P3為被撞平臺(tái)初始矯正失敗的概率。P1包含所有與交通流量的構(gòu)成和位置相關(guān)的參數(shù)，船舶在航線上的位置符合正態(tài)分布。

2) 《美國(guó)公路橋梁防船撞設(shè)計(jì)指南》規(guī)定的船橋碰撞概率模型公式[4]為

Pcb=N·PA·PG

(2)

式(2)中:N為通航船舶數(shù)量(目標(biāo)橋梁下的航道);PG為幾何概率;PA為偏航概率，即船舶出現(xiàn)在碰撞路線上的概率。PA=BR×RB×RC×RXC×RD,其中BR、RB、RC、RXC和RD分別為偏航基準(zhǔn)概率、橋位修正系數(shù)、平行水流修正系數(shù)、橫流修正系數(shù)和船舶交通密度修正系數(shù)。對(duì)于PG,采用正態(tài)分布來(lái)模擬船舶的分布，考慮橋位、水流和交通密度。

2.2 綜合比較分析

1) DNV規(guī)范中給出的船與海洋平臺(tái)碰撞概率模型對(duì)碰撞船舶進(jìn)行了分類(lèi)，同時(shí)對(duì)漂移船舶碰撞概率和有動(dòng)力船舶碰撞頻率進(jìn)行了計(jì)算。對(duì)于船舶出現(xiàn)在碰撞路線上的概率，用幾何概率P1來(lái)表示該概率模型。

2) AASHTO給出的船橋碰撞概率模型考慮的更為細(xì)致全面，該模型用偏航概率PA表示船舶出現(xiàn)在碰撞路線上的概率。偏航概率PA的計(jì)算更為復(fù)雜，從碰撞發(fā)生的根源入手，考慮各種因素對(duì)偏航碰撞的影響；對(duì)于PG,采用正態(tài)分布模擬船舶的分布，考慮橋位、水流和交通密度。雖然這些因素的影響難以定量描述，需借助事故記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，但考慮這些因素會(huì)使計(jì)算得到的概率更加準(zhǔn)確，這也是該模型具有較高認(rèn)可度并廣泛應(yīng)用的原因。

3 靠泊碰撞概率模型建立

3.1 碰撞原因

根據(jù)碰撞事故分析經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家的評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)影響碰撞概率的主要因素進(jìn)行評(píng)估。由風(fēng)險(xiǎn)影響因素組合排序可知,技術(shù)和人為/操作可靠性被視為最重要的影響因素。對(duì)于支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)過(guò)程中可能發(fā)生的碰撞，主要按支持平臺(tái)的失控狀態(tài)分為平臺(tái)自身失去動(dòng)力控制產(chǎn)生漂移碰撞和人為操作失誤使平臺(tái)產(chǎn)生動(dòng)力碰撞2種。

1) 漂移碰撞的誘因主要分為人為操作失誤和動(dòng)力裝置失效2種。通過(guò)對(duì)靠泊模式進(jìn)行分析可知，當(dāng)兩平臺(tái)相距100 m以內(nèi)時(shí),支持平臺(tái)的速度非常低(約為0.05 m/s)，產(chǎn)生的碰撞動(dòng)能一般不到0.1 MJ，碰撞能量較小，即使發(fā)生碰撞，也屬于極小能量的碰撞，因此需疊加環(huán)境因素的影響，增加風(fēng)、浪、流概率組合同向誘導(dǎo)因素，其中風(fēng)是主要誘因，因此主要采用風(fēng)由支持平臺(tái)吹向海洋生產(chǎn)平臺(tái)的概率來(lái)反映該影響。

2) 動(dòng)力碰撞的主要誘因是人為操作失誤引起的支持平臺(tái)向前過(guò)度偏移。在這種情況下,一般來(lái)不及采取應(yīng)急措施，支持平臺(tái)作為碰撞方，在30～40 m距離內(nèi)糾錯(cuò)成功的概率非常低，環(huán)境載荷的不利情況更會(huì)增大碰撞的可能性，提高碰撞的嚴(yán)重程度。

3.2 漂移碰撞概率模型

基于以下3種假設(shè)建立支持平臺(tái)漂移性碰撞海洋生產(chǎn)平臺(tái)的概率模型:

1) 支持平臺(tái)的動(dòng)力裝置失效，概率一般為2×e-5；

2) 風(fēng)由支持平臺(tái)吹向海洋生產(chǎn)平臺(tái)；

3) 在支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)過(guò)程中，兩者之間的距離很近，當(dāng)支持平臺(tái)因動(dòng)力裝置失效而漂向海洋生產(chǎn)平臺(tái)時(shí)，操作人員沒(méi)有意識(shí)到該問(wèn)題或來(lái)不及反應(yīng)。

DNV關(guān)于漂移碰撞的概率模型沒(méi)有考慮應(yīng)急措施等因素，若附近守護(hù)船或被撞平臺(tái)有采取矯正措施，則碰撞概率會(huì)很小。操作人員失誤造成支持平臺(tái)處于失控狀態(tài)也是引起漂移碰撞的重要原因。因此,建立漂移碰撞概率公式為

Pp=N×(Ps+Ppi)×Pw×PG×Pc

(3)

式(3)中:Pp為支持平臺(tái)與海洋生產(chǎn)平臺(tái)發(fā)生漂移碰撞的概率；N為每年平臺(tái)靠泊作業(yè)的次數(shù)；Ps為支持平臺(tái)動(dòng)力定位裝置失效的概率；Ppi為操作人員失誤造成支持平臺(tái)處于失控狀態(tài)的概率；Pw為風(fēng)由支持平臺(tái)吹向海洋生產(chǎn)平臺(tái)的概率;PG為幾何概率，包含所有與靠泊連接的構(gòu)成和位置相關(guān)的參數(shù);Pc為被撞平臺(tái)初始矯正失敗的概率。

漂移碰撞概率模型主要考慮支持平臺(tái)靠泊期間，由于動(dòng)力定位失效和操作人員失誤，在不利的風(fēng)、浪、流海況條件下，漂移撞向海洋生產(chǎn)平臺(tái)的概率。

3.3 動(dòng)力碰撞概率模型

基于以下3種假設(shè)建立支持平臺(tái)動(dòng)力性碰撞海洋生產(chǎn)平臺(tái)的概率模型:

1) 支持平臺(tái)的動(dòng)力裝置良好；

2) 人員操作失誤致使支持平臺(tái)處于失控狀態(tài)或產(chǎn)生向前的過(guò)度偏移；

3) 海洋生產(chǎn)平臺(tái)沒(méi)能及時(shí)警告支持平臺(tái),在支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)過(guò)程中，兩者之間的距離很近。

支持平臺(tái)偏離工作位置，移向海洋生產(chǎn)平臺(tái)，操作人員沒(méi)有意識(shí)到該問(wèn)題，輔助船舶來(lái)不及采取應(yīng)對(duì)措施。因此,建立動(dòng)力碰撞概率公式為

PD=N×Ppf×Pe×Pg×Pc

(4)

式(4)中:PD為支持平臺(tái)與海洋生產(chǎn)平臺(tái)發(fā)生動(dòng)力碰撞的概率；Ppf為操作人員失誤造成支持平臺(tái)前移的概率；Pe為風(fēng)、浪、流不利組合海況出現(xiàn)的概率；Pg為幾何概率，與平臺(tái)的尺寸、相對(duì)位置和棧橋連接情況有關(guān)；Pc為被撞平臺(tái)初始矯正失敗的概率，即海洋生產(chǎn)平臺(tái)沒(méi)能及時(shí)采取措施阻止碰撞發(fā)生的概率。當(dāng)人為操作失誤使支持平臺(tái)產(chǎn)生向前的過(guò)度偏移時(shí)，對(duì)于Ppi和Ppf的取值,需根據(jù)歷史事故資料統(tǒng)計(jì)一個(gè)基本概率，該概率應(yīng)比動(dòng)力裝置失效的概率稍大，可參考支持平臺(tái)動(dòng)力裝置失效的概率值。

式(3)和式(4)中的Pw和Pe為環(huán)境影響因子，需結(jié)合海域環(huán)境和歷史事故資料統(tǒng)計(jì)一個(gè)基本概率值。

3.4 靠泊碰撞事件樹(shù)

在建立上述概率模型時(shí)，可為支持平臺(tái)靠泊碰撞海洋生產(chǎn)平臺(tái)事故建立事件樹(shù)(見(jiàn)圖3)。事件樹(shù)從引起碰撞的原因出發(fā)，通過(guò)2個(gè)分支詳細(xì)描述平臺(tái)發(fā)生漂移碰撞和動(dòng)力碰撞的過(guò)程，碰撞場(chǎng)景出現(xiàn)的概率是各過(guò)程發(fā)生概率的乘積，整個(gè)過(guò)程代表的碰撞情形的發(fā)生概率可表示為

Pcollide=Pp+PD

(5)

因此，求解碰撞場(chǎng)景出現(xiàn)的概率即是求解發(fā)生漂移碰撞的概率和發(fā)生動(dòng)力碰撞的概率。

圖3 支持平臺(tái)靠泊碰撞事件樹(shù)

3.5 結(jié)合實(shí)例計(jì)算

以某型深水半潛式支持平臺(tái)為例進(jìn)行實(shí)例分析，目標(biāo)海域?yàn)榕餐焙：Ｓ?。支持平臺(tái)和海洋生產(chǎn)平臺(tái)的主尺度見(jiàn)表1。在前述公式中:Ppi和Ppf的取值比動(dòng)力裝置失效的概率值稍大，在2×e-5左右;Pw和Pe為環(huán)境影響因子，對(duì)于支持平臺(tái)發(fā)生偏移的方向，理論上在平面的360°方向內(nèi)存在無(wú)數(shù)種可能，但關(guān)于支持平臺(tái)碰撞事故的數(shù)據(jù)較少，可認(rèn)為各方向發(fā)生偏移的概率相等，故基本發(fā)生概率Pw=1/360。每個(gè)場(chǎng)景在發(fā)生偏移之后的條件概率為0.005，對(duì)應(yīng)每個(gè)碰撞場(chǎng)景,需結(jié)合平臺(tái)結(jié)構(gòu)之間的具體幾何位置關(guān)系(見(jiàn)圖4)進(jìn)行分析，發(fā)生碰撞的角度在0°～23°，幾何概率PG=0.115。參考橋梁概率模型，幾何概率的取值范圍為0.1～1.0。每年平臺(tái)靠泊作業(yè)的次數(shù)較少(在8次左右)，因此采用以上公式計(jì)算得到的碰撞概率約為1×10-6。雖然每年平臺(tái)靠泊作業(yè)的次數(shù)較少，但一旦靠泊連接的時(shí)間較長(zhǎng)，深海多變、惡劣的海況會(huì)增大事故發(fā)生的概率，因此需積累事故資料,在計(jì)算公式中加入靠泊時(shí)間影響因子。

表1 支持平臺(tái)和海洋生產(chǎn)平臺(tái)的主尺度單位:m

圖4 支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)幾何位置關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于深水半潛式支持平臺(tái)靠泊碰撞海洋生產(chǎn)平臺(tái)場(chǎng)景建立了支持平臺(tái)靠泊海洋生產(chǎn)平臺(tái)碰撞概率模型，并結(jié)合實(shí)例討論了模型的適用性。通過(guò)對(duì)造成碰撞事故的原因進(jìn)行分析可知，提高人因可靠性，加強(qiáng)靠泊時(shí)對(duì)海域環(huán)境的監(jiān)控，可有效預(yù)防碰撞事故的發(fā)生。