基于事故樹的港口水域船舶通航風險致因分析

何眾穎，艾萬政，劉 虎

（浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江舟山 316022）

近年來，隨著水運經濟的快速發展，水利、水運等基礎設施網絡建設進一步加強[1]。水路運輸有著運能大、安全影響因素眾多、航行環境復雜等特點[2]，因此一旦水路通航發生事故，便會引起嚴重的經濟、社會影響。因此，評估港口水域船舶通航風險并對其進行致因分析，對提高港口水域安全管理水平，減少通航事故發生具有重要意義。目前，大量國內外學者對船舶通航安全開展了廣泛的研究，如利用仿真軟件研究船舶航行安全問題，利用安全保障理論、船舶操縱理論等分析船舶碰撞的風險特點，利用網絡化定量風險評估、事故樹、模糊層次法、模糊網絡分析法等分析港口航行風險[3-8]，但對船舶通航安全致因點進行分析的較少。事故樹是安全系統工程的重要分析方法之一，它是運用邏輯推理對各種系統的危險性進行辨識和評價，不僅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潛在原因。事故樹的建立可以將各個致因點之間的聯系清晰的展現出來，還可以對其進行定性定量分析。因此采用事故樹對港口水域通航安全進行風險致因分析，可使決策者可以做出更加合理的應急決策，從而進一步提高通航的安全管理和危機處理水平。

1 港口水域船舶通航風險事故樹的建立

1.1 事故樹

事故樹又稱為FTA分析法，事故樹起源于美國貝爾實驗室的一門技術[9]，是一種推論分析方法，由結果分析原因。FTA是以系統不希望發生的重大或較大事件（頂端事件）作為分析目標，通過層層分析其發生的各種可能的原因，一直分析到原因事件不能再分解為止[10]，并用邏輯門符號把這些事件之間的邏輯關系表達出來，最終形成一個倒掛的樹形圖，稱為事故樹[11]FTA的基本分析方法如圖1線路所示[12]。

圖1 FTA基本分析方法Fig.1 FTA basic analysis method

1.2 事故致因分析

誘發港口水域通航事故發生的原因眾多，主要可分為人、船、環境和管理四大方面。

人的因素包括疲勞程度、適任性和責任心三大方面。疲勞程度可以分為心理因素和生理因素；適任性可以分為專業技能、學歷和海齡；責任心可分為責任認知、責任感和責任行為。

船的因素主要包括船舶噸位、船齡和適航狀態三大方面。船齡可以分為船舶設備、船體強度、船舶使用年份；適航狀態可以分為航行能力、適貨能力和抗風險能力。

環境因素可以分為兩類即自然環境因素和交通環境因素，自然環境因素可以分為能見度、風、流、海冰；交通環境因素可以分為航道條件、助航條件、交通流量和障礙物。

管理因素可以分為港口管理、海事管理和船舶管理，港口管理分為引航管理和拖輪管理；海事管理分為助航管理、法規制度管理和通航信息完善[8]。

1.3 事故樹編制

以T“港口水域通航事故”為頂上事件，根據對港口水域通航事故的分析，發現只有在人為因素、船因素、環境因素和管理因素四者同時發生，才可能發生港口水域通航事故，因此第一層為“與”門。以此類推，直至事故樹規模和分析深度已到達基本事件為止，得到港口水域通航事故的事故樹圖，共有29個基本事件、13個中級事件、9個“或”門即5個“與”門構成，如圖2所示。

圖2 港口水域通航事故樹圖Fig.2 Tree chart of navigable accident in port waters

2 港口水域船舶通航風險事故樹的定性分析

事故樹定性分析的主要任務是求出導致系統故障（事故）的全部故障模式。通過對最小割集或最小徑集的分析，可以得到系統的危險性和安全性，并且可以利用最小割集和最小徑集直接排出結構重要度的順序，可以找出系統的薄弱環節，提高系統的安全性和可靠性。

2.1 最小割集分析

根據以上港口水域通航事故樹中各事件之間的邏輯關系，可以得到事故樹的布爾代數式：

將式（1）化簡可以得到最小割集896組，最小徑集14組，可見事故發生方式較多，風險致因影響復雜。最小割集數量較多不具體列出，最小徑集具體如下：

最小割集表示系統的危險性，可以根據割集組成得到某些基本事件共同致因便會發生事故；最小徑集表示系統的安全性，可以根據徑集組成得到某些基本事件共同作用便可以防止事故發生。由上所得，割集數量較多，徑集數量較小，因此港口水域通航發生事故的危險性較大，但單憑最小割集或徑集無法直接得到基本事件的重要程度排序，需要通過計算得到結構重要度順序。

2.2 基本事件結構重要度分析

計算整體事故樹的結構重要度為事故樹定性分析中一項重要程序。計算時，假設各個基本事件發生的概率相等，通過理論分析，得到各事件對于頂上事件發生的影響程度并進行排序，為具有針對性的安全措施的提出奠定基礎[13]。

在事故樹分析中，設xi表示某個基本事件i，其具有兩種狀態：xi=1（基本事件發生）和xi=0（基本事件不發生），對應結構函數為 φ（x）=1和 φ（x）=0。當 xi的狀態由正常狀態（0）變為故障狀態（1），其他基本事件的狀態保持不變時，則頂上事件可能有以下四種狀態：

1）頂上事件從 0 變為 1；即 φ（0i，x）=0→φ（1i，x）=1 即 φ（1i，x）-φ（0i，x）=1

2）頂上事件處于0狀態不發生變化；

3）頂上事件處于1狀態不發生變化；

4）頂上事件從1變成0。

n個基本事件兩種狀態互不相容的組合數共有2n個。當把第Xi個基本事件作為變化對象時，其余n-1個基本事件的狀態對應保持不變的對照組共有2n-1個組合。在這2n-1個對照組中共有多少是屬于第一種情況，這個比值就是該事件xi的機構重要度。

本文主要通過軟件EasyDraw根據最小徑集進行計算得到每個基本事件的結構重要度系數大小并進行排序，見表1。結構重要度系數大小順序為：

表1 基本事件結構重要度Tab.1 Basic event structure importance

由此可知：每個基本事件的重要度都不可忽略，但可由排序得到，最重要的為人的生理和心理因素，次之為管理因素。在對港口水域通航安全提出對策時，可以借鑒重要度排序進行分析。

3 港口水域船舶通航風險事故樹的定量分析

事故樹的定量分析是在定性分析的基礎上進行的，定量分析可以計算出基本事件發生的概率值，從而計算出頂上事件發生的概率，此外定量分析還可以分析概率重要度，從而找出系統當中最佳的控制措施。本節利用老塘山港口的實例作為分析對象。老塘山港口作為舟山核心港區之一，港區年吞吐量巨大，在整個舟山港起著舉足輕重的地位[14]。但該港區由于碼頭眾多，島嶼林立，多處暗礁，多座橋梁橫穿港區，交通流復雜，同時處于中國著名急流區，大型船舶進出港口頻繁，通航環境復雜，因此該港區發生的通航事故較多。據舟山海事局統計，近5年老塘山港區船舶到港數達42 011艘，發生水上交通事故數量59艘。

3.1 頂上事件概率計算

對老塘山59起事故分別從29個基本事件中進行分析，根據公式（2）[15]計算得到每個基本事件發生的概率。計算結果見表2。

Pi為基本事件發生的概率；Wi為基本事件i發生次數。

表2 各個基本事件發生概率Tab.2 Probability of the occurrence of each basic event

頂上事件發生的概率求解公式為[16]：

由公式（3）-（6）計算可以得到頂上事件發生的概率為0.130%，實際近幾年老塘山船舶發生事故數量比上到港船舶總數，計算結果為0.133%（發生事故數量59艘，到港船舶數量42 011艘），可見由事故樹計算得到的概率較為準確，表明基于事故樹對港口水域通航安全風險致因分析的方法是可行的。

3.2 概率重要度分析

基本事件發生概率變化引起頂上事件發生概率的變化程度稱為概率重要度。頂上事件發生概率函數（公式（3））為一個多重線性函數，所以對自變量qi求一次偏導，就可以得到該基本事件的概率重要度系數，即。

將3.1當中所計算得到的基本事件概率值代入進行計算，得到各個基本事件概率重要度系數，見表3。

表3 各個基本事件概率重要度系數Tab.3 Probability importance of each basic event

概率重要度排序為：

3.3 通航致因分析

結合基本事件概率、結構重要度和概率重要度，找出系統薄弱環節，從而確定所采取相應安全措施的優先順序，對港口水域進行科學、合理、有效的控制。由應用實例可知，基本事件概率較大的有X1，X3，X6，X7，X8，X16，X17，X24，X25，X27，X28，X29，其中“人為因素”中間事件有 8 個基本事件，當中大概率基本事件有 6個，占75%；“船的因素”中間事件有7個基本事件，當中大概率基本事件只有1個，占14%；“環境因素”中間事件有8個基本事件，其中大概率基本事件2個，占25%；“管理因素”中間事件有6個基本事件，大概率事件有5個，占了83%，由此可見管理與人為因素是導致通航事故發生的主要原因。

從結構重要度系數可以看到，X1和X2是重要度系數最高的，因此人為因素對于事故的發生影響比較大，其中疲勞程度是影響最大的；同時X3-X8、X24、X25、X26的重要度系數也是比較高的，前6者屬于人為因素當中的適應性和責任性，后3者都是屬于管理因素，由此可再次可得人為因素的影響力以及管理的重要度；X9-X15的結構度稍次于上述5個基本事件，可見船的因素也不可小覷。

根據所建立事故樹的結構重要度排序分析和老塘山港口事故實例事故發生概率和基本事件概率分析，可共同得到在通航風險的人、船、管理、環境四大致因方向中，得到一級影響度當中人為因素是最主要的致因因素，其次是管理因素，船因素和環境因素稍低，同時也驗證了事故樹建立的合理性。

利用概率重要度排序，在一級影響度下進行二級影響度分析，可以得到在人為因素下，概率重要度心理因素排第一，其次為生理因素，其他基本事件排序較后；在管理因素當中，船舶管理排第一，其次為引航管理和拖輪管理，其他基本事件排序較后；在船的因素當中，船舶設備排第一，其次為船體強度，再者為船舶使用年份、航行能力、運貨能力和船的噸位，抗風險能力排最后。

4 港口水域通航安全保障對策

根據事故樹計算得到的最小割集、最小徑集、結構重要度、概率重要度以及實例的應用，對港口水域通航安全的致危因子進行了分析，將影響因素進行如下排序：管理因素、人為因素、船舶因素、環境因素。因此需要著重管強化管理因素和人員因素的控制。

管理方面，首先應該加強對船舶的管理，從船舶檢驗、船舶登記和船舶安全檢查三個方面進行加強，完善各自所對應的規章制度。再來應該加強引航管理和拖輪管理，在引航管理上，應該制定現代化的高效的引航管理策略和技術，保證引航策略的各項政策執行和現代化技術的開發；在拖輪管理上，船舶在港工作都需要拖輪的工作，因此拖輪工作關乎到港內船舶的安全，所以應該規范拖輪管理以及對其系統進行優化。

人員行為方面，首先應該對其心理與生理進行考核和鍛煉，具體可從崗前、崗中和崗后三個體制入手，即在上崗前應進行全面培訓并嚴格考核，考核合格后方可上崗；在崗時，應該嚴格按照規章制度執行任務，若未按規定操作應給予嚴重的處理；在工作結束非在崗時，應定期重溫學習相關的規章制度和專業技能，并進行考核，以及定期進行身體素質檢查。

另外對船舶因素，對船舶的的設施設備、船體強度應該加強管理，對設施設備的定期檢查維修與優化改進。定期對船舶上的甲板、船身等牢固類系統進行檢查；對機電、操作、通信、導航等設備進行日常檢查與及時優化改進。

5 結論

基于事故樹理論，對港口水域船舶的通航風險致因因素進行了分析，從人、船舶、管理和環境四大方面建立了港口水域通航事故的事故樹，結合舟山老塘山港區的統計數據，通過計算事故數的結構重要度、基本事件概率和概率重要度，定性與定量結合，分析了港口水域船舶通航風險致因。結果表明，人為因素和管理因素為港口水域船舶通航風險最為重要致因，人為因素方面應該著重注意生理和心理影響，管理方面應該加強船舶管理和港口管理，船舶方面應該對船體設備加強管理。