復雜水域船舶通航安全風險耦合機理分析＊

劉 清 王冠雄

（武漢理工大學交通學院 武漢 430063）

0 引 言

冰區、島礁區、極區、淺水區、狹水道等視為復雜水域，主要表現在：（1）灘險、不穩定的坡岸等地質條件；（2）河道縱橫交錯、相互干擾形成的繁錯的水上交通流；（3）復雜的水文氣象條件；（4）水面上存在橋梁墩、隱藏淺灘、暗礁等．復雜水域是水上安全事故的多發地帶，如南通的長江29至33號浮水域、張家港的福南水道、泰州的嘶馬彎曲航段、鎮江的尹公洲航段等．影響復雜水域船舶通航安全的風險因素較多，而且多個風險因素相互作用造成系統故障比單個風險因素造成系統故障的概率要大很多．本文提出對影響復雜水域船舶通航安全各風險因素的耦合進行分析和研究，以便減少船舶在復雜水域因特殊環境或條件而引發的水上事故．

當前關于復雜水域船舶通航安全研究非常少，D．Roeleven等［1］采用二項分布理論分析建立了事故概率預測的模型并考慮能見度、風速、可航寬度、彎曲半徑與每個交通狀況因子（ETS）等因素的影響．美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）開發出海洋觀測系統，通過物理觀測獲得港口、航道周邊的潮汐、海流、水溫、空氣溫度、氣壓和風速等觀測數據，通過科學的分析和計算，得出最佳的通航方案，從而可以進一步使得船舶更加安全、更高效率的行駛［2］．鄭中義等［3］運用灰色理論對通航水域危險度進行評價，分別分析了船舶交通事故與通航水域環境各因素的關系，并提取出了影響通航環境危險態勢的主要因素．項峰等［4］對港口的船舶交通環境作了系統的研究，通過分析提取出了船舶交通安全的主要影響的因素，并建立了相應的船舶交通安全評價模型．湯嘉輝等［5］在VTS對復雜水域監管的幾點思考一文中主要對長江江蘇段復雜水域水域發生的事故定性進行分析，并從VTS監管的實際情況出發提出充分利用VTS進一步加強對復雜水域的監管措施．在研究方法上和理論應用上，國內外相差不大，多從以人－機－環境為系統的整體性風險的角度去評估風險和設計指標體系，風險評估實踐操作性不強，而且針對復雜水域通航環境研究非常少．因此，通過防范船舶在復雜水域通航安全風險耦合研究，對于復雜水域通航安全的各個細分機構的安全風險管理提供了參考和借鑒．

1 復雜水域船舶通航安全風險因子分析

通過對復雜水域所發生的事故進行統計分析，提取出域影響復雜水域船舶通航安全風險主要因子見圖1．

圖1 復雜水域船舶通航安全風險因子體系框架圖

1．1 風險因子分析

1）航道狀況 復雜水域航道狀況主要體現在航道寬度、航道水深、航道彎曲度以及航道交叉狀況等．航道寬度通常情況是取平均船舶寬度與航道寬度之比來衡量航道的寬度是否足夠，當比值較大時，通航船舶容易發生岸推、浪損以及岸吸現象；船舶在淺水域中行使會造成船舶橫移阻力增大，同時船員在操縱過程中也會出現舵效大幅度降低的狀況，從而影響船舶的航行安全；另外一些復雜水域往往由于航道彎曲度較大，船舶途徑時會受到航道水流及彎曲限制造成機動性較差，發生事故率高；而航道的交叉處，由于船舶流量和密度增大，船舶在交叉口會遇次數增多，易形成緊迫局面，并導致船舶駕駛員心理緊張，成為碰撞等事故高發地帶．

2）水文氣象 多數復雜水域由于獨特的地理位置，水文氣象復雜多變，如三峽庫區常有團霧出現，造成能見度不良，而雪、雨和冰雹等氣象都會造成能見度較低，據相關統計，能見度小于4 km對航行有一定的影響；當能見距離降至1km時，由于不能很好的了解通航情況如果不及時停泊，易造成事故［6］．其次是風的影響，風力增大使得波浪增高，航行在復雜水域的船舶航速較高時受風力影響產生傾斜、漂移以及偏轉，很容易導致船舶碰撞．另外水流速度會對船舶受力產生一定影響，一般順流舵效差；逆流舵效較好，在復雜水域環境下航行時，如漲落潮流后的水方向缺乏確定性及穩定性，易導致舵效變化快，給船舶操縱帶來困難．

3）交通狀況 在一些復雜的水域一旦交通量增多、交通密度增大，船舶交通的擁擠達到一定數量后很容易造成碰撞事故概率的增加．船舶交通流是指單位時間內通過水域中某一地點的所有船舶的數目，交通密度是指單位面積上船舶的數量，一般來說，交通密度越大，交通越擁擠，安全程度越差，主要是在空間上制約船舶行動，另外船舶安全心理受到嚴重影響，給船舶駕駛員帶來很大的壓迫感，從而造成事故．另外安全航速也是影響復雜水域通航風險的重要參數，如果船舶在復雜水域中航行速度過快，船員無法在遇到緊急情況時及時停住；而船舶航速較慢時因舵效較低，船員無法采取及時的避讓操作；因此船舶駕駛員應綜合考慮船舶和交通環境及時調整規避船舶碰撞等風險事故發生．

4）航行支持度 復雜水域的通航需要很高的航行支持度來規避風險，如加強VTS等監管度、完善導助航標志設施、清除礙航物等．船舶航行在復雜水域中，復雜水域中各種隱藏淺灘、暗礁、橋墩以及航道上方修建違規建筑物等，這些都在很大程度上降低了船舶航行安全．而導助航設施可以幫助船舶定位，擁有危險警告和確認等功能．復雜水域地區導、助航標志設置是否合理和完善對船舶航行安全的意義重大．如果大量船舶交叉航行時，相應的引導和監督是保證維持良好的水上交通秩序的重要條件［7］．

1．2 復雜水域船舶通航安全風險耦合特性分析

在風險管理領域，耦合是指系統中2個或2個以上的風險因素相互依賴于對方的1個量度，以及影響別的風險發生和影響力的程度．把這種風險間的依賴以及影響關系稱之為風險耦合．風險間的依賴和影響程度越大，則風險耦合度越大，反之風險耦合度越小．

復雜水域船舶通航安全風險的大小主要是由復雜水域的動態性、復雜性和挑戰性等特點決定．根據上節分析可將復雜水域船舶通航安全風險分為4類，即航道狀況因素風險、交通狀況因素風險、水文氣象因素風險和航行支持度因素風險，分別記為a，b，c和d．因而復雜水域通航安全風險是指其系統內部及與其關系密切的各種與安全相關的因素，在特定的時間、空間及環境下，造成復雜水域事故發生的可能性以及事故帶來的人員傷亡和財產損失程度．

本文主要針對的是復雜水域通航環境，重點體現水域的復雜性，因此主要研究多因素耦合風險，即3個風險因素或者4個風險因素之間相互影響而發生的因素耦合風險．見圖2．

圖2 復雜水域船舶通航安全多因素耦合風險圖示模型

2 復雜水域船舶通航安全風險耦合測度研究

2．1 復雜水域船舶通航安全風險耦合模型

N－K模型不僅可計算出可能的風險網絡組合形式同時還可用于分析影響船舶通航環境的重要因素，是通過計算風險交互信息考察風險耦合的有效方法．N－K模型是分析復雜動態系統的常用模型，與本文復雜水域的動態系統較契合度較高，它包括2個主要參數：K是系統網絡中相互依賴關系的個數；N是系統中所有構成要素的數量．根據系統中的N種要素，其中每種要素又有n種不同的狀態，則nN種就是所有可能的組合方式．系統中各要素按照不同方式進行組合便形成了網絡．K 的最小值為0，最大值為N－1［8］．

計算復雜水域船舶通航安全系統中航道狀況的因素風險、交通狀況因素風險、水文氣象因素風險以及航行支持度因素風險之間的交互信息，可以用來評價它們相互作用之后形成耦合風險的態勢．如果某種方式出現耦合的次數多，那么這種耦合方式發生的概率就大；以某種方式耦合的值越大，就說明這種耦合風險越大，表示發生事故的概率越大．交互信息的計算公式

式中：phijk為航道狀況在第h種狀態、水文氣象在第i種狀態、交通狀況在第j種狀態、航行支持度第k種狀態下，4種因素風險耦合發生的概率；T為對復雜水域船舶通航安全風險耦合的量化評估，T值愈高，說明船舶在此復雜水域通航安全風險愈大．由于復雜水域的特性決定了船舶通航安全風險大部分在局部（3因素）進行耦合，例如：航道支持度因素風險、交通因素風險以及航道因素風險發生耦合后導致不安全事件，此時與水文因素風險關系不大時，就界定為3個風險局部的耦合．因此，考察局部耦合的風險情況，可以通過計算3種因素風險之間的交互信息來量化局部風險．計算出3個變量的聯合熵再減去3個變量各自的熵得出交互信息，得出復雜水域船舶通航安全風險流的計算公式

2．2 基于N－K模型復雜水域船舶通航安全風險耦合測度

影響復雜水域船舶通航安全的航道、交通、水文和航行支持度風險因素耦合有多種形式．為了便于研究，用0和1分別表示風險因素未發生耦合的情況和發生耦合的情況，則總共有5種可能的風險耦合形式．在對2008年1月～2013年1月期間發生在我國長江南京、泰州、張家港、鎮江段等復雜水域的324事故統計數據的基礎上，得到多因素風險耦合發生的次數及其頻率，見表1～2．

表1 風險耦合發生次數

表2 風險耦合發生頻率

為了計算多因素風險T值，需要先計算以下風險耦合不同形式發生的概率．

1）航道因素風險不參與耦合的情況下事故發生的概率

航道因素風險參與耦合的情況下事故發生的概率

同 理 可得 P．0．．＝0．336 4，P．1．．＝0．663 6，

2）航道因素風險和交通因素風險不參與耦合的事故發生的概率

P00．．＝P0000＋P0010＋P0001＋P0011＝0．079 5．

航道因素風險不參與，而交通因素風險參與耦合的事故發生的概率

P01．．＝P0100＋P0110＋P0101＋P0111＝0．253 2．

同理可得：

3）航道因素風險、交通因素風險和水文因素風險不參與耦合的情況下事故發生概率

航道因素風險和交通因素風險不參與，而水文因素風險參與耦合的情況下事故發生概率

同理可得：0．046 2，P111．＝0．277 3，P．010＝0．061 0，P．000＝0．048 1，P．001＝0．085 0，P．011＝0．142 3，P0．11＝0．162 7，P0．01＝0．064 7，P0．10＝0．059 1，P1．00＝0．094 3，P1．01＝0．144 2，P01．1＝0．164 5，P10．1＝0．164 5，P10．0＝0．092 4，P11．0＝0．138 6，P11．1＝0．271 7．

根據式（1）～（5），可分別計算出多因素風險耦合的T值

同理可得：

從計算結果可以得出，T4＞T32＞T33＞T34＞T31＞T26＞T21＞T24＞T23＞T22＞T25．

其中4因素耦合形成的風險概率值最大為5．8%，4因素風險耦合發生事故的概率將近是三因素耦合形成的風險（在2%～1%之間）的3倍；3因素耦合形成的風險比2因素形成的風險大了1倍，因而耦合風險值的大小會隨風險因素的增加而變大，應盡量避免4因素耦合．另外，3因素耦合形成的風險中，航道狀況－交通狀況－航道支持度因素耦合風險、航道狀況－水文－航道支持度因素耦合風險較大，表明航道狀況和航道支持度完全耦合形成風險比較大．

3 結束語

將風險耦合分析方法引入到復雜水域船舶通航安全風險分析中，對復雜水域船舶通航安全風險耦合過程的分析，實質是度量復雜水域船舶通航過程中的安全風險．計算結果所得出的結論為復雜水域通航安全管理工作提供了理論依據，即在風險控制的過程中，要充分的完善復雜水域航道條件，維護航道提高航道水平，并加強復雜水域的通航監管，如進一步加強VTS，AIS等監管技術水平，完善預警系統，預防事故的發生．同時應盡可能量避免多因素風險耦合，尤其是4因素風險耦合．

［1］RELEVEN D，KOK M，STIPDONK H L．Inlnad water tansport：modeling the probability of accidents［J］．Saefyt Science，1995，19：191－202．

［2］PUSHKAR A，HALL F L，ACHA－DAZA J A．Estimation of speeds from single－loop freeway flow and occupancy data using cusp catastrophe theory model［R］．Transportation Research Record 1457，TRB，National Research Council，Washington，D．C．，2010：149－157．

［3］鄭中義．通航水域航行安全評價的研究［J］．中國航海，2008，19（2）：35－37．

［4］項 峰．船舶交通安全評價方法比較研究［J］．船海工程，2007，6（2）：25－27．

［5］湯嘉輝．VTS對復雜水域監管的幾點思考［J］．中國水運，2011，11（10）：11－12．

［6］劉春穎．深圳西部港區LNG船舶通航安全的綜合評價研究［D］．大連：大連海事大學，2010．

［7］李 焱，鄭寶友，陳漢寶．港口通航環境對船舶航行安全的影響分析及評價［J］．水道港口，2007，28（5）：55－59．

［8］羅 帆，劉堂卿．基于N－K模型的空中交通安全耦合風險分析［J］．武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2011，33（2）：122－125．