海冰影響下船舶北極水域航行風險評估方法*

李 壯 付姍姍 高郭平 席永濤 胡甚平▲

（1.上海海事大學海洋科學與工程學院 上海201306；2.上海海事大學交通運輸學院 上海201306；3.上海海事大學商船學院 上海201306）

0 引 言

北極地區(qū)自然資源的勘探和開發(fā)以及目的地運輸?shù)脑黾邮沟么霸诤叫羞^程中越來越趨向緯度更高的北極水域，以實現(xiàn)更短的航行距離[1]。而北極水域海冰復雜多變，船舶航行面臨冰困、船-冰碰撞等事故情景，船舶北極航行安全問題得到越來越多的關注[2]。因此，有必要開展船舶北極水域航行風險評估研究，為船舶北極水域航行提供風險管理對策建議。

近年來，相關學者針對船舶北極水域航行安全問題進行了多層次的研究。第1類研究關注北極水域船舶交通事故的研究，F(xiàn)U等[3-4]針對北極水域船舶冰困事故建立評估等、預測等模型，對影響冰困事故發(fā)生的主要因素，冰困概率進行了評估。Afenyo等[5]通過建立北極水域“船-船”“船-冰”碰撞事故模型，對導致碰撞事故發(fā)生的主要因素進行了分析。ZHANG 等[6]提出了針對北極水域船舶護航作業(yè)時船舶和護航船舶之間發(fā)生碰撞事故的人為因素評估方法。第2 類研究關注北極水域船舶交通增加所帶來的影響，Afenyo 等[7]對北極水域溢油事故產(chǎn)生的社會、經(jīng)濟和生物影響進行了評估。LU 等[8]針對北極水域冰情條件下發(fā)生溢油事故，建立了應急響應和恢復模型。鑒于北極航運增加所帶來的碳排放會對北極生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴重影響，ZHANG等[9]提出了減少碳排放的一系列方案。李振福等[10]分析了隨著北極航行船舶交通量增加所引起的通航環(huán)境保障問題。第3類研究關注船舶北極水域航行過程的風險變化，Baksh 等[11]通過分析北極水域風、浪的動態(tài)變化對船舶航行安全帶來的影響，進行了船舶北極東北航道航行風險的動態(tài)評估。Khan等[12]采用動態(tài)貝葉斯分析方法對北極水域船舶碰撞動態(tài)風險進行了分析。

可以看出，當前針對船舶北極航行風險的研究已廣泛開展。海冰是影響船舶北極水域航行安全的主要因素之一，但關注海冰對船舶北極水域航行風險的影響研究仍需進一步深入。此外，如何實現(xiàn)船舶北極航行風險動態(tài)評估一直是關注的重點，受限于北極水域相關數(shù)據(jù)的缺失，相關學者借助貝葉斯分析方法進行風險研究時，依賴大量主觀數(shù)據(jù)開展船舶北極水域動態(tài)風險研究。

鑒于此，提出海冰影響下的船舶北極水域航行風險評估方法。通過構(gòu)建北極東北航道船舶航行風險指標體系，基于控制輪構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡風險評估模型，結(jié)合海冰日變化衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)船舶北極水域航行風險動態(tài)評價，討論海冰對船舶北極東北航道航行風險的影響。

1 問題描述

1.1 北極水域航行風險的定義

在風險分析中，風險往往根據(jù)決策的目的進行不同的定義[13-14]。由于本文的研究對象為北極東北航道船舶航行風險，因此將風險定義為航行過程中風險事件的發(fā)生概率，見式（1）。

風險事件S 是指對目標造成威脅的某一因素，通常根據(jù)事件本身的特征或?qū)δ繕说耐{程度進行狀態(tài)等級劃分，表示為Si，其發(fā)生概率P 是指一定時間內(nèi)，該事件某一狀態(tài)的發(fā)生次數(shù)和該事件所有狀態(tài)發(fā)生次數(shù)的比值。此外，風險事件往往受多個子事件的影響，用en表示。

1.2 北極水域航行風險致因機理分析

船舶航行風險評估側(cè)重于在事故發(fā)生前對其潛在風險進行評估?？刂普撌窃谙到y(tǒng)論的基礎上發(fā)展來的，其核心問題就是“控制”，是指系統(tǒng)受到外界信息干擾而失去穩(wěn)態(tài)，為了恢復穩(wěn)態(tài)而采取的一系列控制措施[15]。因此，采用前饋控制分析方法，將控制思想引入船舶航行風險評價中。在控制過程中起到控制作用的是外界控制信息，系統(tǒng)前一環(huán)節(jié)產(chǎn)生的控制信息僅向下一環(huán)節(jié)傳遞，而系統(tǒng)產(chǎn)生的控制信息不再向之前的環(huán)節(jié)反饋。

如圖1 所示，如果將船舶北極水域航行看作一個控制過程，船舶在北極水域作業(yè)過程中，環(huán)境系統(tǒng)中的環(huán)境因素，如海冰、能見度等環(huán)境條件發(fā)生波動變化，這種變化作為一種控制信息作用于船舶結(jié)構(gòu)和（或）船員上，會導致整個航行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)失效，如果船舶結(jié)構(gòu)或船員可以控制這種變化，系統(tǒng)便會重新恢復穩(wěn)態(tài)，如果船舶結(jié)構(gòu)和（或）船員控制外界變化帶來的影響失效，系統(tǒng)便會進入人員防護和（或）船舶機械防護階段，繼續(xù)對這一變化進行控制，該階段采取的控制手段如果繼續(xù)失效，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)將會被徹底破壞，表現(xiàn)為事故發(fā)生。

圖1 船舶北極水域航行風險前饋控制結(jié)構(gòu)Fig.1 Feedforward control structure for ship navigation risk in Arctic waters

1.3 貝葉斯網(wǎng)絡

貝葉斯網(wǎng)絡是由網(wǎng)絡節(jié)點和有向邊組成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，貝葉斯網(wǎng)絡中的節(jié)點表示狀態(tài)變量，有向邊表示變量間的影響關系，在貝葉斯網(wǎng)絡中不允許有回路存在[16-17]。以貝葉斯網(wǎng)絡中有著因果關系的節(jié)點A 和C 為例（有向邊從A 指向C），那么節(jié)點A稱作節(jié)點C 的父節(jié)點，節(jié)點C 稱作節(jié)點A 的子節(jié)點，對于沒有其它節(jié)點指向的節(jié)點，稱作根節(jié)點。在貝葉斯網(wǎng)絡中輸入各狀態(tài)變量的先驗概率和證據(jù)信息后，便可進行推理，見式（2）。 P(A)稱作先驗概率，表示在沒有得到證據(jù)更新前假設事件E 的概率；P(A|C)叫做后驗概率，表示進行證據(jù)更新后假設事件E 的概率，即所要求的事件概率；P(C|A)是指在假設A 下得到這一證據(jù)的概率，稱為似然度；P(C)表示在任何假設下的證據(jù)概率，稱作標準化常量。

此外，在貝葉斯網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡狀態(tài)往往是復雜的，具有連續(xù)因果效應的推理常常使用全概率公式（見式（3））進行推理。

2 模型構(gòu)建

2.1 風險因素分析

人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程（Man-Machine-Environment System Engineering, MMESE）是根據(jù)系統(tǒng)論的分析方法提出的[18]。根據(jù)MMESE 分析方法，船舶在北極水域航行，除了要警惕海冰冰情外，風速、氣溫、能見度等都會對船舶航行安全產(chǎn)生影響，船舶在北極水域航行長期處于惡劣的自然環(huán)境條件中，這對北極水域航行的船舶和船上作業(yè)人員都提出了新的要求。普通船舶無法實現(xiàn)北極水域通航，需要經(jīng)過特殊的結(jié)構(gòu)加強來達到一定破冰能力，且在冰況較為復雜時還需依賴破冰船的護航。此外，北極水域海拔高、氣溫低，易對船舶及設備產(chǎn)生影響。對于北極水域航行船舶作業(yè)人員，除了需要具有極端環(huán)境下的作業(yè)技能（如冰區(qū)航行時的適任能力），還需要克服心理和生理上產(chǎn)生的變化對作業(yè)安全的影響。

2.2 北極水域船舶航行風險評估貝葉斯網(wǎng)絡模型

基于1.2 節(jié)提出的船舶北極水域航行風險致因前饋控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)風險因素間的邏輯關系，建立北極水域航行風險貝葉斯網(wǎng)絡模型，見圖2。在該貝葉斯評估模型，共有17個節(jié)點，根據(jù)節(jié)點類型，可以分為輸入變量、狀態(tài)變量和輸出變量3類，每種類別又包含多個風險因素，見表1。

在圖2所建立的船舶航行風險貝葉斯評估模型中，白色節(jié)點和其它節(jié)點之間的關系為“影響”，能見度和氣溫會影響船員的生理狀態(tài)，風速和氣溫會影響船舶工況，氣溫過低會干擾通信設備的正常工作，海冰冰情會直接影響船體可靠性。此外，船舶上的通信設備、船舶工況及船舶抗冰等級會影響船體的可靠性，船員的心理狀態(tài)、生理狀態(tài)和技能水平會對船員可靠性產(chǎn)生影響。淺灰色節(jié)點之間、淺灰色和深灰色節(jié)點之間的關系為控制，如船體可靠性會決定是否需要人員防護，人員防護的可靠性直接決定航行安全水平。又如船員的可靠性會決定是否需要船舶機械防護，船舶機械防護的可靠性會直接決定航行安全水平。

表1 北極東北航道船舶航行風險貝葉斯網(wǎng)絡節(jié)點分類Tab.1 Classification of Bayesian network nodes for ship navigation risk in the arctic northeast channel

圖2 北極東北航道船舶航行風險貝葉斯評估模型Fig.2 Bayesian assessment model of ship navigation risk in the Arctic Northeast Channel

3 案例研究

2013年8月15日中遠海運集團旗下商業(yè)船舶“永盛輪”從中國出發(fā)，首次穿越北極東北航道，于2013年9月10日到達荷蘭鹿特丹港[19]，“永盛輪”作為1條抗冰船舶，在冰情較差的情況下需要有破冰船的護航作業(yè)。由于本研究主要針對船舶極地航行，通過海冰冰情分析，2013年8月28日—9月2日“永盛輪”選擇俄羅斯提供的破冰護航服務期間的冰情較差，航行其它階段海冰對航行的影響不大。因此以“永盛輪”2013年8月28日選擇破冰護航服務第1 d所處位置為研究航段起點，2013年9月2日結(jié)束護航服務處作為航線終點。該段航線的總航行時間為6 d，相關信息見圖3，航線上每一個點代表船舶平均1 d的船舶位置變化。

圖3 “永盛輪”航跡及所研究航段Fig.3 The track of"Yongsheng"and the route studied

3.1 先驗概率分布獲取

海冰的主要特征包括厚度和密集度，本研究中主要針對海冰密集度的動態(tài)變化對船舶航行安全的影響，數(shù)據(jù)來自于美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心（National Snow & Ice Data Center，NSIDC）公布的精度為25km×25km 的海冰密集度日平均變化衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)網(wǎng)址為https://nsidc.org/data，本研究中所用到的海冰密集度原始數(shù)據(jù)見圖4。參考文獻[3]中對海冰密集度的劃分標準，將海冰密集度劃分為4個等級，分別為[0,10%]，（10%,30%]，（30%,60%]，（60%,100%]。根據(jù)風險因素對船舶航行安全的影響，參考文獻[9]將貝葉斯網(wǎng)絡中其它節(jié)點的狀態(tài)劃分為“good”，“bad”2個狀態(tài)。

根據(jù)圖4中站點A～站點F在8月—9月的海冰密集度日平均變化數(shù)據(jù)，結(jié)合對海冰密集度的狀態(tài)等級劃分標準，通過統(tǒng)計得出每一狀態(tài)發(fā)生頻次在所有狀態(tài)發(fā)生個數(shù)中的占有比，得到站點A～站點F上的每個先驗概率分布情況，見表2。網(wǎng)絡中其它根節(jié)點的先驗概率分布見圖2，這些節(jié)點的先驗概率通過專家知識及相關研究文獻獲取。

表2 海冰密集度先驗概率分布Tab.2 Prior distribution of sea ice concentration

圖4 所研究航線上各站點2013年8月—9月海冰密集度日變化情況Fig.4 Daily changes of sea ice concentration at stations on the routes studied from August to September 2013

3.2 條件概率表

在所建立的貝葉斯網(wǎng)絡模型中，存在大量含有父節(jié)點的節(jié)點，這些節(jié)點的條件概率分布獲取往往需要依靠專家主觀判斷獲取。以“船員生理狀況”為例，在“能見度”和“氣溫”影響下，其條件概率分布見表3，網(wǎng)絡中其它節(jié)點的條件概率分布推理結(jié)果見圖5。

表3 船員生理狀況條件概率分布Tab.3 Condition probability distribution of Crew's physiological condition

3.3 結(jié)果及分析

根據(jù)3.1 和3.2 中獲取的風險因素先驗概率、條件概率，輸入到2.2節(jié)中所構(gòu)建的北極東北航道船舶航行風險貝葉斯評估模型中，借助GeNIe仿真軟件，通過多次輸入海冰密集度先驗概率，更新網(wǎng)絡信息，根據(jù)“航線安全=bad”的概率值，得到8月—9月船舶在所選的6 個特征站點上的總體航行風險（限于篇幅，僅在圖5 展示船舶在站點A 的航行風險評估結(jié)果），從而實現(xiàn)對所選航線的風險評估。根據(jù)風險評估結(jié)果，通過專家判斷，將航行安全水平劃分為Ⅰ～Ⅳ個等級，分別代表非常安全、較安全、較不安全，非常不 安 全，對 應 的 取 值 區(qū) 間 為[0,0.1]，（0.1,0.15]，（0.15,0.25]，（0.25,1]，最終結(jié)果見圖6。

圖5 船舶在站點A航行風險評估結(jié)果Fig.5 Assessment results of the ship's navigational risk at Site A

圖6 2013年8月—9月所研究航線上冰情分布及風險評估結(jié)果Fig.6 Distribution of ice conditions and risk assessment results on the studied route from August to September 2013

可以看出，雖然北極水域在夏季月份的海冰冰情分布對船舶航行安全的影響最小，但2013年8月—9月部分水域的海冰冰情依然較差。站點B，E所處的東西伯利亞水域、拉普捷夫海水域是海冰分布最為密集的水域，船舶在該水域航行需要嚴格注意海冰對航行安全的影響。站點A所處水域在部分時間窗內(nèi)可能出現(xiàn)威脅航行安全的海冰冰情。

通過圖4獲取“永盛輪”2013年8月28日—9月2日該航線上的海冰密集度日平均變化值，在貝葉斯網(wǎng)絡中分別設置相應的海冰密集度狀態(tài)證據(jù)信息，隨后運行貝葉斯網(wǎng)絡模型，得到船舶在該段航線航行過程的安全水平變化情況，見表4。在該段航行中，8月29日和9月1日船舶所處站點位置B，E的海冰冰情較差，航行風險較高，恰好處于“永盛輪”破冰護航服務時間窗內(nèi)。而對于該段航行的其它節(jié)點，所處水域均處于無冰狀態(tài)，航行安全水平較高，而破冰護航服務仍在繼續(xù)，主要是由于北極水域的船舶調(diào)度安排耗費時間較長，選擇持續(xù)的破冰護航服務更符合破冰護航運營實際情況。

表4 永盛輪航行過程相關信息Table.4 Relevant information during the journey of Yongsheng

根據(jù)風險評估結(jié)果，結(jié)合“永盛輪”航行過程實際情況，提出相關的航行建議如下。

1）當船舶北極東北航道航行安全水平為Ⅰ級時，海冰對船舶航行安全的影響較小，船舶航行過程中主要應注意其它水文氣象條件對船舶航行的影響。

2）當船舶北極東北航道航行安全水平為Ⅱ級時，海冰會對船舶航行安全產(chǎn)生一定影響，船舶應避免航行過程中遭遇因洋流等因素作用下的浮冰、冰包等導致船舶發(fā)生險情，必要時可選擇破冰護航作業(yè)。

3）當船舶北極東北航道航行安全水平為Ⅲ級時，海冰對船舶航行安全的影響較大，船舶應申請采取破冰護航作業(yè)，以防海冰冰情導致事故發(fā)生。

4）當船舶北極東北航道航行安全水平為Ⅳ級時，應避免在該水域的航行作業(yè)，如需航行作業(yè)必須有破冰船進行破冰護航。

3.4 靈敏度檢驗

以海冰冰情對航行安全的影響為研究對象，通過分析不同情況海冰冰情對航行安全的影響，對本研究所建立的風險評估模型靈敏性進行檢驗。

在貝葉斯網(wǎng)絡中分別設置海冰密集度的證據(jù)信息為S1，S2，S3，S4，更新網(wǎng)絡信息后進行貝葉斯網(wǎng)絡模型仿真，得到船舶在每種海冰冰情下的航行風險變化情況，見圖7，海冰冰情對航行風險的影響區(qū)間為[0.11,0.25]，隨著海冰冰情的不斷惡化，航行風險顯著呈上升趨勢，海冰對航行安全的影響顯著，模型具有良好的靈敏度。

圖7 不同海冰冰情下的航行風險Fig.7 Navigation risk in different sea ice conditions

4 結(jié) 論

本研究從“人-機械-環(huán)境”3 個方面分析影響船舶北極水域航行風險因素，結(jié)合控制理論梳理風險因素間的邏輯關系，采用貝葉斯網(wǎng)絡分析方法構(gòu)建船舶北極水域航行風險評估模型。借助NSIDC 公布的海冰密集度日變化數(shù)據(jù)，獲取船舶在不同位置的海冰密集度各狀態(tài)先驗概率分布，通過模型仿真，實現(xiàn)船舶航行過程的動態(tài)風險評估，并可進一步分析“海冰”對船舶航行風險的影響。

本文所提方法借助海冰動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對船舶北極航行風險的動態(tài)評估，在很大程度上彌補了研究中過于依賴主觀判斷所帶來的不確定性。下一步研究可考慮多環(huán)境因素耦合作用下的船舶北極航行安全問題。