基于解釋結構模型的LNG船舶進出港風險因素分析

白響恩，肖英杰，鄭劍，張浩

(上海海事大學 a.商船學院； b. 航運仿真技術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船舶進出港會給港口船舶常態交通帶來巨大的航行安全風險，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境污染，造成重大的人員傷亡、財產損失，社會影響十分惡劣.LNG船舶進出港航行風險因素的多樣化與LNG船舶航行環境的多變性使港口經營人和海上交通管理部門不可能對每種潛在的風險都有充分的準備，因此必需采取有效的措施控制風險.

目前，國內外對LNG船舶風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船舶進出港過程風險的較少.羅志勇[1]采用模糊綜合評價方法，對大連LNG碼頭進行風險評估，借此對LNG泄漏事故的后果進行深入探討，建立模擬火災和爆炸后果的預測模型，再結合LNG碼頭和船舶的實際情況，提出風險預防措施和管理對策.柴田[2]選用易燃、易爆、有毒重大危險源評價法，結合模糊理論中的關聯算法計算綜合抵消因子，對大鵬灣LNG碼頭進行風險綜合評價，建立蒸氣云爆炸傷害模型和火災傷害模型，并開發出LNG碼頭風險評價的輔助軟件.陳建輝[3]結合層次分析和模糊數學的方法對LNG碼頭進行評價，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船舶進出曹妃甸港區的通航安全保障進行評價，得出目前LNG船舶的通航安全等級為一般安全.黃濤[5]運用F-ANP(模糊網絡分析法)建立LNG航線運輸風險評價模型和運輸航線風險評估模型，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、火災和擱淺等事故發生的原因進行分析，建立事故成因模型，認為LNG船舶事故多數是由碼頭裝卸貨期間的操作不當引起的.KIM等[7]利用對LNG船舶中玻璃纖維復合材料特性的分析對LNG泄漏的原理進行深入研究，對LNG船舶的儲運方式提出相關建議.

在上述文獻的基礎上, 本文從LNG船舶進出港全過程涉及到的各安全要素著手, 建立LNG船舶進出港風險因素的解釋結構模型(Interpretative Structural Modeling，ISM)，提出LNG船舶進出港風險控制的措施和建議.

1 LNG船舶進出港風險因素的ISM

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

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

1.1 確定風險因素

利用對多個LNG碼頭營運的區域環境、LNG船舶的航行特點及實船試驗的研究成果，將初步篩選出的風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，最終確定關鍵問題為LNG船舶進出港的高風險(F0).LNG船舶進出港過程中存在的16個風險因素(Fi,i=1,2,…,16)及對這些風險因素的具體描述見表1.

1.2 建立風險因素的鄰接矩陣和可達矩陣

1.2.1 鄰接矩陣A

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

(1)

LNG船舶進出港各風險因素之間關系的鄰接矩陣為

表1 LNG船舶進出港的風險因素

1.2.2 可達矩陣R

可達矩陣[13]描述有向連接圖各節點間經過一定長度的通路后可達到的程度，表示不同風險之間存在的所有直接和間接的結構關系.可達矩陣有一個重要的特性，即推移性.下面根據式(1)求解可達矩陣.

令Ai= (A+I)i，1 ≤i≤n-1,運用布爾運算規則(0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=1，0×0 =0，0×1=0，1×0=0，1×1=1)依次運算后可得

A1≠A2≠…≠Ar-1=Ar，r≤n-1

式中:n為矩陣階數，則

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

1.3 級間劃分，建立解釋結構模型

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

在確定結構的最高一級要素以后，劃去可達矩陣中相應的行和列，再從剩余的可達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矩陣R0.

根據上述方法，從R開始，分別找到各級的最高級要素集：L1={F16}，L2={F1，F9，F12，F13}，L3={F2，F6，F10，F14}，L4={F3，F5}，L5={F4，F7，F8，F11}，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可以詳細分析各要素間如何互相影響，所建ISM見圖1.

圖1 LNG船舶進出港風險因素的ISM

2 LNG船舶進出港風險ISM的分析

通過LNG船舶進出港風險因素的ISM可以明確LNG船舶進出港風險產生機理.從圖1可以看出，在關鍵問題為LNG船舶進出港的高風險的前提下，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船舶事故是最關鍵因素，對LNG船舶進出港安全產生直接影響.可見在LNG船舶進出港時, 防止船舶航行過程中發生LNG 泄漏、火災、爆炸、碰撞、擱淺等事故至關重要.

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個要素之間屬強連接關系，彼此之間具有高度互動性，各要素的部分效果通常是重復的，容易自成一個封閉的系統.除不可抗力因素外，船舶流量和氣象水文條件等環境因素很少成為LNG船舶事故的主導因素，但常常對人為因素有誘導作用，導致船員對航行環境估計不足，加之操作不當，可能引發擱淺、自沉、觸損和觸礁等事故.LNG船舶最終是由人操縱的，船員的素質和基本功是確保船舶維修和保養、保持LNG船舶適航性的關鍵因素.在惡劣的環境下，船舶本身的狀態可能無法適應，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層為港內水域(F3)和鄰近水域其他水工設施(F5).LNG碼頭的進港航道及航行水域應滿足LNG船舶不乘潮通航的要求，碼頭前沿設計水深應保證滿載LNG船舶在當地“理論最低潮面”時能夠安全?？?，并預留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、低沸點等性質，為減少LNG碼頭與鄰近水域其他水工設施的互相影響，LNG 碼頭應設置在全年常風向的下風側.

第5層為LNG碼頭附近礙航物(F4)，LNG船舶要素(F11)，政策、法規、制度(F7)和海事主管部門監管(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生的事故.為避免船舶在發生碰撞和擱淺等事故時對LNG船舶的貨艙造成損壞,所有LNG船舶均應使用雙層船殼.政策、法規、制度和海事主管部門監管不是引發LNG船舶事故的直接原因，但往往是事故深層次的原因.為達到預防LNG船舶事故的目的，就應從管理的角度剖析LNG船舶事故的原因,嚴格按照LNG碼頭安全管理規定，制定監管方案并落實到人，做好現場的安全監管和LNG碼頭靠泊期間的監護.當然，海事主管部門監管的力度及相關政策、法規、制度的完善與落實在事故預防中的作用是不容忽視的.

第6層為LNG碼頭特點(F15).LNG船舶的高危險性使LNG碼頭在建造時具有很強的排他性.LNG碼頭不是一個簡單的靠船泊位,應按照一個專用港口(即使規模不算大)和接收站統一安排,包括總平面布置、口門寬度、施工工藝、陸域高程、護岸設置、環保等，尤其是海上交通安全、防污染均需在建設前逐一論證.[15]

3 結束語

采用系統工程中的ISM法，建立LNG船舶進出港風險因素的ISM，探討影響LNG船舶進出港風險的各因素的結構層次關系，為風險因素識別、評價提供新思路.在專家小組確定風險因素的基礎上，應用ISM有效地建立起各因素間的層次關系，直觀把握對LNG船舶進出港作業產生影響的各因素的層次關系，為有關部門保障LNG船舶進出港作業安全提供參考.

參考文獻：

[1] 羅志勇. LNG碼頭和船舶的風險評估及后果預測研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2012 .

[2] 柴田. 大鵬灣液化天然氣碼頭風險評價的研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2006.

[3] 陳建輝. 液化天然氣專用碼頭安全論證的研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2007.

[4] 張萬磊. 大型LNG船舶進出曹妃甸港區通航安全保障評價研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2009.

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