基于AASHTO模型風險評價的內河旅游船主尺度論證

歐禮堅+李德玉+徐海汐

摘 要：內河旅游觀光船通常主尺度較小、重心較高、受風面積較大、穩性儲備少、加之乘客數量多，如果發生船舶與橋梁相撞，容易產生翻船事故，釀成重大災難性事件。為了提高船舶航行的安全性，降低船舶與橋梁碰撞發生災難性事故的概率，在船舶設計階段主尺度確定中引入風險評價論證方法是十分必要的。本文基于AASHTO模型，推導出定航線船舶營運期間碰撞橋梁的概率計算模型和災害風險評價方法，并應用于清遠北江客船船型的主尺度論證。

關鍵詞： AASHTO模型；風險評價；船舶主尺度

中圖分類號： U661.313 文獻標識碼：A

Abstract： Generally， river passenger ship has relatively small size， high center of gravity and large wind area， thus their stability margin is low. Meanwhile， the ships are often overloaded and easily overturn if they collide with a bridge. In order to increase the ships navigation safety and decrease the probability that disastrous accidents happen when the ships hit the bridge， its necessary to apply the risk assessment and demonstration method during the design of the ships principal dimensions. Based on model AASHTO， this paper deduces the probability calculation model and disaster risk assessment method of the ships hitting bridges during fixed-course vessels operation period and applies it to the demonstration of principal dimensions of the Qingyuan North River passenger ship.

Key words： Model AASHTO；Risk assessment；Ship principal dimensions

1 前言

2015年6月1日，“東方之星”號旅游觀光船在長江大馬洲水道因突發罕見的強對流天氣翻沉，造成442人死亡的特大災難性事件。2016年6月4日，四川廣元白龍湖景區“雙龍號”旅游觀光船因突遇強烈陣風翻沉，造成15人遇難的重大災難性事件。內河旅游觀光船主尺度較小、重心較高、受風面積較大、穩性儲備少，容易發生翻沉事故。

隨著我國經濟建設和交通運輸業發展的需要，內河航道橋梁的數量越來越多。橋梁作為跨越航道的建筑物，對船舶航行安全影響較大。據統計，從1960 年至 2013 年，我國平均每年發生 8 起重大船撞橋事故[1]。其中 2005 ～2009 年發生 102 起船撞橋事故[2]。

墨菲法則認為：風險是系統本身的復雜性、關聯性和不確定性所決定的，不管常規的技術安全措施多么有效，該發生的事故依然會發生。人們在風險面前也并不是無能為力、無所作為的，在科學的分析和評估基礎上進行風險預報，可在風險和收益中取得最佳平衡[3]。隨著船舶大型化發展和通航密度不斷增大，船撞橋事故導致人員傷亡和環境災難性破壞的風險越來越高。在船舶初步設計階段，采用基于船撞橋風險評價方法確定船舶主尺度，可將船撞橋風險水平和等級控制在可接受的范圍內。

2 基于AASHTO模型船撞橋風險評價方法的基本理論

2.1 船撞橋風險評價的概率模型

AASHTO[4]船撞橋概率模型可操作性較強，被廣泛采用。AASHTO 模型采用基于碰撞概率分析方法，假設船舶在行駛時有預定航路，航路與橋梁之間有足夠的安全距離。船舶在航行過程中，由于某些原因進入到可能與橋梁產生碰撞的區域，若此時船舶失去了控制，將導致船撞橋事故發生。AASHTO 模型船撞橋概率包括船舶進入可能產生碰撞的航路區域的概率和船舶失去控制的概率。

船舶進入可能碰撞航路區域的概率稱為幾何概率pG，船舶失去控制的概率稱為偏航概率pA，則船撞橋概率p為：

偏航概率pA代表船舶由于人、機、環境因素等導致船舶偏離正常航路的統計概率。AASHTO模型采用正態分布來模擬靠近橋墩的偏航船舶的航路，見圖1。假定正態分布標準差σ為船舶總長，圖1中陰影面積即為幾何概率 pG。

2.2 單航次船舶撞橋概率

船舶從A港航行到B港共通過n座橋，船舶與每座橋的橋墩碰撞概率分別為。船舶與第i座橋的橋墩不碰撞的概率為：

2.3 定航線船舶撞橋概率

船舶從A港航行到B港共需通過n座橋，船舶在一年內共從A港和B港之間航行x航次，共營運y年，其船撞橋的概率P。因為每次航行都是獨立的，每航次從A港到B港中通過n座橋也是獨立的，所以問題可轉化為求船舶通過1橋xy次，i橋xy次，n橋xy次碰撞橋墩的概率。

因此，定航線船舶y年營運期內與橋發生碰撞的概率P為：

2.4 風險評價及風險決策方法

船撞橋的風險R是船撞橋的概率p及其造成的損失c的某種函數形式，其表達式如下：

基本流程包括風險定義、風險識別、風險估計、風險評價等環節。根據事故的后果將風險嚴重程度分成若干等級，并考慮各種災害發生的概率水平，將各種災害下的事故后果和災害發生的概率水平結合起來，定出風險決策準則。

首先，根據事故的后果將風險嚴重程度分成四個等級，見表1；其次，劃分各種災害發生的概率水平，見表2；第三，將各種災害下的事故后果和災害發生的概率水平結合起來決定風險等級，見表3；最后，確定風險決策準則，見表4。

3 基于AASHTO模型風險評價的船舶主尺度論證的應用

3.1 客船主尺度論證背景及橋梁參數

清遠北江觀光休閑游線路為從市區到飛來峽沿岸水上觀光旅游航線，屬于廣東省重點監管水域，航線大約25 km，單航次航行時間大約2.5小時。據統計，2012年北江旅游觀光的游客量達250萬人次，有約200艘旅游船在景區營運。根據清遠市發展規劃，預測到2020年清遠北江旅游觀光游客為350萬人次，2030年達到650萬人次。

為了滿足旅游市場的發展需求，必須開發新船型。清遠北江旅游項目從市區到飛來峽沿岸水上觀光旅游航線，船舶航行需通過6座橋梁，橋梁的主要通航參數見表5。因為客船發生碰撞橋墩事故可能導致大量乘客傷亡，事故風險后果屬于災難性的，所以在船型主尺度的論證中進行了船撞橋風險評價。

3.2 船撞橋造成船舶傾覆風險分析

橋墩承臺與船舶發生碰撞時，船舶承受的撞擊力可按下式計算[6]：

3.3 客船碰撞橋墩風險評估及決策

采用AASHTO模型對船型1-10進行概率計算和風險評估。

根據調查統計數據，旅游船每年約營運180天，每天通常航行2個航次，航速為20 km/h；普通船舶單航次偏航概率約為0.6×10-4。船型1-10在漂角β為0、1°和2°下碰撞橋墩的概率水平、災害風險評估和風險決策準則如表6。根據風險評價結果，船型1-4的災害風險為中風險，屬于可接受船型，要重點安全檢查和管理。從客船碰撞橋梁可接受災害風險看，建議選取編號1-4船型作為清遠北江旅游船主力發展船型。

4 結論

跨越航道的橋梁對船舶航行安全的影響較大，為了控制船撞橋事故的災害風險水平，采用基于AASHTO模型的船撞橋風險評價方法是可行的，在船舶初步設計階段，可采用這種風險評價方法進行風險評估，給出決策意見和建議。

參考文獻

[1] 國際船橋相撞及其防護學術研討會論文集[C].：中國鐵道出版社，2014.

[2] 譚志榮. 長江干線船撞橋事件機理及風險評估方法集成研究[D]：[博士學位論文].武漢理工大學， 2011.

[3] 張圣坤 白勇 唐文勇. 船舶與海洋工程風險評估[M].：國防工業出版

[4] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. American Association of State Highway and Transportation Officials， Washington D. C.， 2010.

[5] 鐵路橋涵設計基本規范（TB10002.1 2005），中華人民共和國行業標準[S].2005.

[6] 廣東省清遠市人民政府辦公室.清遠市水上交通突發事件應急反應預案，2010.6.

[7] 歐禮堅. 北江四橋通航安全影響論證報告.華南理工大學船舶與海洋工程研究所. 2014.10.