海事事故情景分析及態勢辨識*

陳智君 陳蜀喆

(武漢理工大學能源與動力工程學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學航運學院2) 武漢 430063) (內河航運技術湖北省重點實驗室3) 武漢 430063)

海事事故情景分析及態勢辨識*

陳智君1)陳蜀喆2,3)

(武漢理工大學能源與動力工程學院1)武漢 430063) (武漢理工大學航運學院2)武漢 430063) (內河航運技術湖北省重點實驗室3)武漢 430063)

海事事故情景分析以事故影響因素為基礎，需要結合定性的情景分析流程和定量的態勢推演，才能對海事事故態勢進行準確辨識.基于海事事故案例，采用事故描述及節點劃分、情景空間確定、關鍵因素提取和情景確認和情景發展路徑分析等具體流程對事故案例進行情景分析，并對推演流程進行闡述，為后續定量化事故情景態勢推演和海事安全預控提出理論方法.

情景分析；態勢推演；海事事故；事件樹；影響概率

0 引 言

情景分析通過對環境進行辨識，識別影響系統發展的主要因素，模擬關鍵因素演變的多交叉情景和可能趨勢.情景分析研究的核心內容是對情景關鍵因素的分析和識別，并在得到發生概率的情況下進行定量計算事故鏈的失效概率.情景關鍵因素識別及量化的過程直接影響情景預測的精確性.在進行情景分析過程中，應對情景關鍵因素發生概率進行客觀界定，使整個情景分析具有針對性[1].

海事事故情景分析是假定海事事故影響因素發生改變的前提下，對海事事故態勢演變做出定性預測的方法.通常用來對事故態勢的未來發展進行設想或預計，是一種直觀的定性預測方法.在實際應用中，若能對事故態勢產生影響的因子進行量化，并可在映射的前提下進行數值計算，則可對事故態勢的未來演化進行定量計算[2].

1 海事事故情景分析流程

對于具體的海事事故案例而言，運用情景分析法挖掘更深層次的事故演變機制時，宜采用情景準備—情景分析—情景生成流程進行分析[3-4]，參見圖1.

圖1 事故情景分析流程圖

1) 情景準備 情景準備階段包括收集事故樣本，對事故類型及發展進行定性描述和階段劃分.對事故演化的信息進行匯總，達到對海事事故整體的認知，為后續深入分析工作打下基礎.

2) 情景分析 情景分析階段主要內容包含分階段確定具體情景空間，識別關鍵影響因素集，在此基礎上以歷史事故樣本為依托進行影響因素發生概率計算(即量化分析)，以影響因素的演變進行情景空間的趨勢分析.最后可按發展路徑，以關鍵因素的量化和改變為基礎，進行最終情景態勢量化推演.

3) 情景生成 情景生成階段指情景的最終生成過程，也就是決定最終態勢的演變方向.通過對t時刻情景影響因素的描述，在時空演變下構建t+Δt時刻的情景描述，最終得到事故態勢的定性或定量描述.

2 海事事故案例情景分析實現

2.1 事故描述及階段劃分

通過事故調查報告，將描述性文字轉化成海事事故當事船按時空序列的階段描述.按照IMO要求進行事故描述的轉化和事故階段劃分工作，以碰撞事故為例，情景演變按照時間序列劃分為四個階段，即“正常航行”階段(無碰撞危險)、“通航影響關鍵因素變化”階段(有碰撞危險段)、“緊迫局面”階段和“緊迫危險”階段.其中，可進行情景態勢分析的為前三個階段，即關鍵因素在這三個階段中識別和提取，并可進行推演.對于第四階段，認為在采取任意措施的情況下碰撞已經無可挽回.因此，此階段已經失去態勢推演的價值.前三個階段的情景空間是相互影響的，時間序列中靠前的情景空間中的關鍵因素改變后，后續情景態勢會發生變化，并延續其變化產生的態勢.

圖2 碰撞事故時階段劃分

事故描述及階段劃分的作用是提取歷史事故樣本中的關鍵影響因素，并形成事故鏈結構，對不同階段的影響因素進行劃分，使情景態勢推演流程清晰.最后，得到類似事件樹的描述,見圖3.

圖3 海事事故事件樹描述

2.2 影響因素發生概率量化計算

1) 概率量化模型 以碰撞事故為例，影響因素的量化以各因素對碰撞事故發生的影響概率為基礎，即某因素在某時間區間內導致事故發生次數與該因素在事故統計周期內的發生次數的比值，即

(1)

式中：Pi為影響因素發生時碰撞事故的發生概率；n為環境因素在某種事故統計中的發生次數；N為統計周期內影響因素的發生次數.

該概率的表達式能最大限度的反應實際影響因素對事故的貢獻，在樣本數量充足的情況下，能克服因專家問卷等方式造成的主觀不確定性.同時，而實際發生事故時，不僅僅是某種影響因素發生或不發生，還存在發生強度的問題，與其實際因素發生強度的頻率相關.

在此基礎上定義n為以天為單位的事故影響因素在歷史樣本中的發生次數，則N為

(2)

式中：p為事故影響因素在實際自然環境中的發生頻率；n0為以天數為單位的事故統計周期.因此，pi的概念即為事故發生時的影響因素發生次數與實際影響因素發生次數的比值.事故的發生的次數(天數)僅僅為該影響因素發生總次數中的一小部分.

以碰撞事故的通航環境影響因素作為研究對象，某些影響因素總是存在，但發生強度不同.例如,風級，一般而言，無論事故是否發生，船舶在通航過程中總處于一定的風力等級.因此，式(2)可以推廣應用到計算不同程度的單一因素對碰撞事故發生的概率影響.實際計算過程中可根據不同情況進行分級處理.通過對海事事故樣本的收集整理，可以將不同類型海事事故對單一影響因素的發生概率進行計算.

2.3 態勢推演及拓撲理論

從正常航行階段開始推演，雖然定量的關鍵影響因素并不確定，但若僅僅以關鍵因素存在(以“1”表示)和不存在(以“0”表示)作推演，理論上總共會產生2n種路徑(n為關鍵因素數量).該路徑數量的確定方式僅僅基于關鍵因素最優及最差的選擇，若考慮不同強度因素的影響概率，即存在關鍵因素為[0,1]之間的取值，則結果會更加復雜，需要構建態勢推演模型.

對于關鍵因素存在[0,1]之間的取值的情況，構建態勢推演模型過程中，關鍵因素存在對后續情景存在單向及交叉的影響，對于推演辨識而言，應該至少對一種或多種關鍵因素的狀態存在影響[5].此時，海事事故事件樹[6-8]的描述轉化見圖4.

圖4 海事事故事件樹多強度影響因素描述

若考慮復雜的海事事故推演系統，可做如下定義：

針對每一個關鍵因素變量，可進一步得到具體的函數變化關系.

令：Ii=(Ii1,Ii2,…,Iin),i=1,2,…,n；Wi=(wi1,wi2,…,win),i=1,2,…,n；Vi=(vi1,vi2,…,vin),i=1,2,…,n；Ui(x)=(ui1(x1),ui2(x2),…,uin(xn)),i=1,2,…,n.

則可用下式表示.

3 基于通航環境的海事事故情景態勢推演實例

3.1 基本假設

在船舶航行過程中的，對于環境因素而言，不管本船是否靠近它船，始終處于環境因素的作用下，環境因素在一個較大的尺度上會發生變化(如從碰撞危險形成到緊迫局面形成)，但在船舶相互靠近直到事故發生的時間間隔內，改變不會太大.

船舶因素在局部航行過程中一般不會有變化，基本上可認為是常數，但其作用即可能加強碰撞事故的發生概率，也可能減弱碰撞事故的發生概率.

人為因素在歷史事故樣本中導致的事故發生的案例，有發揮正面作用的，即在一定程度上抵抗環境因素或船舶因素的不利作用，降低碰撞事故的發生概率.也有負面作用的，加強了環境或船舶因素產生的事故發生概率.

在較大的事故樣本中，歷史事故樣本中船舶因素和人為因素起到的正負作用會形成一定比例或符合某種分布，甚至有可能在一個大的事故樣本中船舶因素和人為因素形成的事故發生概率各自相互抵消.

不管事故中樣本中船舶因素和人為因素起到的正負作用是否能相互抵消，對于實際航行來說，一旦發生歷史事故樣本相同或相似等級的環境因素集合，均存在發生碰撞事故的較高可能性.

因此，在以碰撞事故情景分析即態勢推演的過程中，由于船舶因素和人為因素導致事故的發生概率不易獲得，按照大樣本歷史事故數據中船舶因素和人為因素形成的事故發生概率各自相互抵消原則，僅針對環境因素進行計算分析.

3.2 影響因素發生概率計算

針對環境因素選取能見度、風級、流速、航道寬度、船舶密度和船舶交通流量作為關鍵影響因素.按照各關鍵因素出現的頻率和在5年(1 826 d)內的發生頻率，根據式(1)和(2)計算各因素對碰撞事故發生的影響概率，見表1.

表1 能見度對碰撞事故發生的影響概率

續表1

該概率的計算結果不完全符合船舶操縱的危險感知，即心理感知危險的環境因素等級并不一定總是導致較大的碰撞事故概率.因此，計算結果與專家問卷調查相比具有較為突出的客觀性，在樣本空間較大時符合客觀實際.針對收集到的19起事故案例，通航環境關鍵影響因素各種等級發生頻次均對碰撞事故發生產生一定的客觀影響，但并不單調，這為實際人-船-環境安全系統博弈提供了博弈平臺，即在考慮人為和船舶因素的情況下，實際船舶碰撞事故的發生概率并不完全由環境因素所決定，但環境因素至少能決定事故概率的大概方向.因此，該影響概率基本符合主觀危險的判斷，符合該轄區實際碰撞事故通航環境影響因素影響規律，可為后期態勢推演提供較好的基礎數據.

3.3 態勢推演

若選擇某次碰撞事故作為研究對象，經事故調查報告的描述，形成按時空序列的碰撞事故鏈，見圖5.

該事故鏈以通航環境變化作為主線，在態勢推演時僅考慮通航環境變化造成的事故發生概率變化.根據海事事故事件樹多強度影響因素描述方式，忽略事故鏈開始時普適性通航環境，則兩船的碰撞事故態勢計算見圖6.

計算結果的碰撞事故發生概率是指在某些特定通航環境條件下的事故概率，由于通航環境關鍵影響因素的選擇有6種，每種通航環境影響因素又進行了程度的劃分，最終實際獨立的通航環境影響因素鏈的組合共有76即117 649種，因此，每一種因素鏈組合的概率均較小.

僅在通航環境作用下，兩船的碰撞事故發生概率均在增加.“三航968”輪從有碰撞危險階段進入到緊迫局面階段，碰撞事故發生概率增加了61倍，而“豐順7”輪碰撞事故發生概率僅增加3.18倍.因此，從“三航968”輪通航環境的變化更加劇烈，碰撞事故發生的可能性增速較快，在人為響應上應更加謹慎，才能克服通航環境造成的碰撞事故發生概率迅速增加的態勢.由于文中并未將人為因素和船舶因素考慮在內，因此，并不能將環境因素導致的碰撞事故概率增加直接等價為碰撞事故一定發生.在這里存在人為-船舶-環境因素的相互博弈與對抗問題.環境因素作用于船舶，人的操作和應對也作用于船舶，最終的博弈實際上即為人與環境的對抗，而船舶在這一對抗中選擇人為陣營或是環境陣營.因此，憑借充足的事故樣本，消除人為和船舶的正負影響，環境因素導致的碰撞事故發生概率的變化方向仍然可以作為先期預警的手段之一，為即將到來的人的應對等級提供較為充分的理論依據.同時，文中各環境因素影響概率基于實際事故樣本，相對于專家問卷形式具有客觀性，且隨著統計周期的擴展，環境因素導致事故的影響概率可不斷學習，最終使影響概率不斷完善，提高對海事事故情景分析和態勢辨識的準確性.

圖5 某次碰撞事故事故鏈示意圖

圖6 兩船的碰撞事故態勢計算結果

4 結 束 語

目前國內外學者對情景分析研究領域雖然較為廣泛，但基于海事事故情景分析的事故態勢研究尚不多見.情景分析流程主要采用定性方法分階段進行，而態勢推演需要結合具體的量化方法，對影響因素進行相同值域下的量化才能加以實現.兩者結合后，可針對海事事故情景預先進行人力資源和人為應對響應的虛擬投入，降低人-船-環境系統的整體風險，對海事事故態勢的演變研究及安全預控領域具有重要意義.

[1]婁偉.情景分析理論研究[J].未來與發展，2013(8):30-37.

[2]王顏新,李向陽,徐磊.突發事件情境重構中的模糊規則推理方法[J].系統工程理論與實踐,2012,32(5):954-962.

[3]袁曉芳.基于PSR與貝葉斯網絡的非常規突發事件情景分析[J].中國安全科學學報，2011,2l(1)：169-176.

[4]楊保華,方志耕,劉思峰,等.基于GERTS網絡的非常規突發事件情景推演共力耦合模型[J].系統工程理論與實踐,2012(5):963-970.

[5]王旭坪，楊相英，樊雙蛟,等.非常規突發事件情景構建與推演方法體系研究[J].電子科技大學學報(社會科學版),2013(1):22-26.

[6]譚欽文，苗東濤，劉建平,等.基于可靠性理論的事件樹分析方法研究[J].中國安全生產科學技術,2015,11(6):75-81.

[7]鄭凱雷，沈增波.模糊事件樹分析方法及其在船舶工程風險分析中的應用研究[J].工業設計，2016(5)：173-174.

[8]ANTAO P, SOARES C G. Fault-tree models of accident scenarios of RoPax vessels[J]. International Journal of Automation and Computing,2006,3(2):107-116.

Maritime Accident Scenario Analysis and Situation Identification

CHEN Zhijun1)CHEN Shuzhe2,3)

(WuhanUniversityofTechnology,SchoolofEnergyandPowerEngineering,Wuhan430063,China)1)(WuhanUniversityofTechnology,SchoolofNavigation,Wuhan430063,China)2)(HubeiKeyLaboratoryofInlandShippingTechnology,Wuhan430063,China)3)

Maritime accident scenarios analysis based on factors in the accident, requires a combination of qualitative scenario analysis process and quantitative inference, to situation for accurate identification of maritime accidents. Based on the maritime accident cases, this paper uses the description of the accident and the node divided space scene to determine the key factors extraction and scenarios and scenario development path analysis to confirm other specific procedures for accident case scenario analysis, and inference processes described. For subsequent quantitative accident situation deduction and maritime security pre-control, a new theoretical approach is put forward.

scenario analysis; situation deduction; maritime accident

2017-02-17

*國家自然科學基金項目(51479157)、國家科技支撐計劃項目(2015BAG20B05)資助

U698.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.015

陳智君(1978—)：男，博士，副教授，主要研究領域為交通信息工程及動力系統控制