基于系統動力學的客滾船航行安全仿真

郭國平+徐元春+吳兵

摘要：為保障客滾船航行安全，在分析客滾船航行安全影響因素的基礎上，構建客滾船航行安全因果關系圖，并運用VensimDSS構建客滾船航行安全仿真模型.對渤海上的某一客滾船的航行安全進行仿真，分析安全投入增加對客滾船航行安全水平的影響，得出結論：客滾船航行安全系統是一個復雜的動態系統，其航行風險主要是由人、貨物、自然環境、交通環境、硬件設施和管理等6個因素交叉耦合導致的，其中人、貨物和自然環境對客滾船的航行安全水平影響顯著.這可為客滾船航行安全風險管理及防控方面的研究提供參考.

關鍵詞： 航行安全； 客滾船； 風險管理； 系統動力學

中圖分類號： U676.1；U674.11

文獻標志碼： A

Abstract： To ensure the navigation safety of RoRo passenger ships， based on the analysis on the factors influencing ship navigation safety， the cause and effect relationship diagram of RoRo passenger ship navigation safety is drawn， and the simulation model of RoRo passenger ship navigation safety is built by the VensimDSS. The navigation safety of a RoRo passenger ship at Bohai Sea is simulated， and the effect of the increase of safety input on the ship navigation safety level is analyzed. The conclusions are the following： the navigation safety system of RoRo passenger ships is a complex dynamic system， and the navigation risk is caused mainly by the crossing and coupling of 6 influencing factors which are human， goods， natural environment， traffic environment， facilities and management factors. The human， goods and natural environment have a significant effect on the ship navigation safety level. It can provide some reference for the research on risk management， prevention and control of the RoRo passenger ship navigation safety.

Key words： navigation safety； RoRo passenger ship； risk management； system dynamics

0 引 言

跨?？蜐L船兼有客船與滾裝船的特點，具有裝卸效率高、船舶周轉快、水陸直達和聯運便捷等優點.[1]我國沿海客滾船運輸占領了跨?？瓦\的大部分市場，主要集中在渤海灣、瓊州海峽、舟山群島、臺灣海峽等水域，在實現沿海跨地區人口之間的文化交流、溝通等方面起著橋梁和紐帶的作用，為沿海港口地區的經濟發展發揮了重大作用.然而，與客滾船運輸商業上的巨大成功形成鮮明對比的是，客滾船惡性海難事故頻發，導致了乘客生命和財產的巨大損失，給社會造成了惡劣的影響.

目前系統動力學的方法在煤礦、道路、航空等領域已有比較成熟的應用，但在航運領域應用較少.本文通過建立客滾船航行安全水平的系統動力學模型，利用系統動力學仿真軟件VensimDSS仿真客滾船航行安全影響因素的變化，分析安全投入增加對客滾船航行安全水平的影響，最終確定客滾船事故發生的關鍵影響因素，從而為預防客滾船事故的發生與發展提供科學依據.

1 客滾船航行安全影響因素分析

系統動力學模型被譽為實際系統的實驗室，是一種將結構、功能、歷史相結合，借助于計算機仿真定量地研究非線性、多重反饋、復雜時變系統的系統分析技術[24].應用系統動力學的步驟如下：

問題描述→確定系統邊界→確定因果反饋圖→因果關系變量描述→數學方程表達及模型應用→系統行為分析→情景分析及對策模擬→系統修正及調整.

1.1 影響因子

影響客滾船航行安全的因素是非常復雜的.本文通過調查問卷及參考國內相關學者的研究，分析跨?？蜐L船航行的特點，對客滾船主體安全風險、作業環節中的重大風險源進行辨識，對相關影響因素進行系統分析.

客滾船安全航行系統是一個由人、機、環境、船和貨物互相依存和制約的復雜的動態系統.根據系統動力學反饋原理，客滾船航行安全水平受人、自然環境、交通環境、硬件設施、貨物和管理等因素（分別用i=1，2，…，6表示）水平的影響.

1.2 因果關系圖

依據上述客滾船航行安全影響因素和系統動力學反饋原理，可利用VensimDSS構建客滾船航行安全系統的主要因果關系圖[5]，見圖1.

由圖1可知，隨著客滾船航行安全系統中不安全行為或現象的逐漸增加，各影響因素的水平就會下降，客滾船航行安全水平會隨之下降，而當安全水平下降到一定值時系統通過反饋使得整個系統中的不安全行為或現象減少.當系統中的不安全行為或現象減少時，客滾船航行安全水平會提高，而當安全水平達到目標值時系統通過反饋使得整個系統中的不安全行為或現象增加.

2 系統動力學仿真模型構建

系統動力學中的變量主要包括水平變量、流速變量、輔助變量和常量等.[6]客滾船航行安全系統中的部分變量見表1.

確定了以上各變量后，依據系統動力學反饋原理，運用VensimDSS構建客滾船航行安全系統動力學仿真模型[79]，見圖2.

利用系統動力學可以深入研究客滾船航行安全系統，動態分析該系統的機理，進而理清客滾船航行安全影響因素之間的作用和反饋關系.上述仿真模型中的直接變量為人、環境、管理、硬件設施和貨物因素.由于客滾船的特殊性，將乘客情況歸入貨物因素中.

3 客滾船航行安全仿真

3.1 客滾船航行安全仿真實驗

假設客滾船初始航行安全水平值為100（無量綱），根據最初的客滾船航行安全水平，將客滾船航行安全系統劃分為3個狀態，見表2.

根據圖2找出模型中的邊界風險因素（它們不受系統內部的影響）[10]，其中無法確定數值的風險因素主要是通過相關調研和專家打分獲得的.這類參數主要是一些輔助變量的表函數，如工作狀態、船員業務水平等對客滾船航行安全的影響.

通過實地調研和專家問卷調查獲取渤海輪渡龍口至旅順航線的運營環境及“珠”字號客滾船的資料，對相應數據進行處理.對各子系統中影響因素定量數據的采集和定性指標重要程度的劃分采用問卷調查、專家打分的方式.對所獲取的客滾船系統安全影響因素的重要程度統計數據進行一致性檢驗，計算得到具體各子系統中影響因素權重值.利用VensimDSS建立量化的系統仿真模型并寫出相應的系統動力學方程.

考慮到構建系統動力學方程的需要，可知關鍵變量為：人的風險、貨物的風險、交通環境的風險、硬件設施的風險、自然環境的風險和管理的風險.設Y為客滾船航行安全水平值.

3.2 仿真方案

根據渤海輪渡龍口至旅順航線的運營環境及“珠”字號客滾船的資料數據進行客滾船航行安全影響因素作用程度分析，可以得到在不同安全投入增加率下

Y隨時間的變化值.

仿真的時間邊界為36個月，運行步長為1個月.部分參數的取值：各影響因素安全水平初值（R1，R2，R3，R4，R5，R6）=（70，75，80，75，80，75）；安全投入水平初值Ei=0（i=1，2，3，4，5，6）；假設各影響因素的安全投入增加率均為0.5，即Di=0.5，i=1，2，…，

6；由調研及專家打分，通過計算確定影響因素對系統安全水平的作用率（A1，A2，A3，A4，A5，A6）=（0.323 3，0.269 2，0.033 9，0.033 9，0.224 0，0.115 7）；以相關因素的實際水平比值為參考，然后采取參數估計法，并結合問卷調查，由專家修訂，得到各影響因素對該影響因素安全水平的影響系數（C1，C2，C3，C4，C5，C6）=（0.06，0.07，0.06，0.08，0.05，0.07）；Y的目標值為90.

為研究各子系統對客滾船航行安全水平的影響情況，對7種模式進行仿真，以期得到7種模式下Y值及其變化趨勢.這里模式1為按照以上設定進行的仿真.此后，分別調整系統中單個影響因素的安全投入增加率為0.8，而其他影響因素的安全投入增加率不變，可分別得到Y值及其變化趨勢圖（即分別得到模式2～7下的Y值及其變化趨勢）.

3.3 仿真結果分析

（1）通過VensimDSS進行計算，可以直觀地看到系統的安全水平發展趨勢，其中客滾船航行安全水平值Y隨時間變化的具體數據見表3.在各影響因素安全投入增加率Di均為0.5時（即模式1下），客滾船航行安全水平在第30個月達到目標值90.

（2）由圖3可以看出，改變各影響因素安全投入增加率后，客滾船航行安全水平值Y的漲幅并不同，其中在模式2下漲幅最大，在模式4下漲幅最小，即人對整個客滾船航行安全水平影響最大，其次依次為貨物、自然環境、管理及硬件設施，交通環境對其影響最小.從大量的客滾船事故得知：發生客滾船事故的重大原因是船舶當航次的自然環境；對于硬件設施因素，貨物配積載不當或其未有效系固綁扎是導致事故惡化的重要內因.

（3）由圖3可知，若要提高客滾船航行安全水平，降低航行風險，要特別注意船員和貨物，其中船員的影響最為顯著.這與以往研究中得出的人的因素是導致客滾船海上事故的主要原因的結論相一致.保證客滾船安全航行的關鍵點為船員適任.客滾船的貨物主要是旅客、車輛，其中車輛運輸危險系數較高，車輛本身及其系固綁扎等均具有一

定的危險性.在以上7次仿真中，最優安全管理與控制方案為模式2（客滾船航行安全水平值Y在同一時刻比其他模式的都大），故相關主體需著重關注客滾船人員因素水平，加強對相關人員的管理.

（4）影響客滾船航行安全的重大風險因子包括：業務水平、崗位責任，強對流天氣、霧及能見度、風，貨物系固綁扎、配積載、操縱性，船舶安全管理、公司安全管理、船員日常演習，漁船干擾、交通沖突點等.建議相關主體在對客滾船航行安全風險進行研究與控制時重點關注以上風險因子.

（5）根據以上仿真研究結果，為保障客滾船航行安全，相關主體應著重落實以下幾點安全保障措施：

①加強人群管理，主要包括船員管理、旅客管理等.關注船員整體業務素質水平及崗位責任感，實施水上客運“實名制”售票和乘船，以準確掌握船上具體人員情況.

②加強客滾船貨物監督，對車輛艙及貨物區等進行相關監控.

③完善客滾船惡劣天氣預警系統，對海上惡劣天氣提早預警.

4 結束語

客滾船航行安全系統是一個復雜的動態系統，影響因素眾多且相互關聯、相互制約.本文通過調研提取出客滾船航行安全影響因素，包括人、貨物、自然環境、交通環境、硬件設施和管理等因素，依據系統動力學原理，運用VensimDSS構建了客滾船航行安全系統動力學仿真模型.

研究結果表明，各影響因素對系統的安全水平的影響程度不同，其中人、貨物及惡劣天氣等對客滾船的安全水平影響顯著.這為客滾船航行安全風險研究及控制提供了參考依據.

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（編輯 賈裙平）