船舶碰撞事故致因及管控措施研究

李曉松，孔憲衛

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

海上交通具有高風險性，一旦發生事故，往往造成嚴重的經濟損失，甚至會造成人員傷亡和環境污染，根據《水上交通事故統計辦法》[1]對水上交通事故的分類，事故類型包括：碰撞事故、擱淺事故、觸損事故、浪損事故、火災爆炸事故、風災事故、自沉事故、操作性污染事故、其他引起人員傷亡直接經濟損失或者水域環境污染的水上交通事故。其中，碰撞事故在交通事故中所占的比例一直高居不下[2]，根據中華人民共和國海事局對船舶事故的統計中，碰撞事故占比高達48.7%[3]。用科學的方法和手段預估船舶碰撞潛在的風險并加以控制，從而有效的降低發生碰撞事故的概率，是保障航運安全和海洋環境的重要手段[4]。近年來，國內外大多采用定性方法來研究船舶碰撞事故發生的原因，該類方法雖能直觀的顯示風險，但不能較好的反映出碰撞事故發生的內在規律及潛在因素，因此采用定量的風險分析方法對船舶碰撞進行風險分析更具理論基礎和說服力[5-6]。

本文通過碰撞事故樣本的統計，從人、船、環境三方面對導致船舶碰撞的因素及其機理進行了分析，建立了基于貝葉斯網絡的全因素船舶碰撞致因模型，通過該模型，能夠直觀的看出三因素對碰撞事故的影響程度及其相互相關。并將該模型應用到天津港船舶碰撞致因分析當中，找出了導致碰撞事故最可能的致因鏈條及致因因素所占的比例。利用船舶操縱模擬器對碰撞事故進行還原，找出事故發生的原因，發現關鍵的管理控制點，提出針對性的保障措施和建議。

1 貝葉斯網絡模型

貝葉斯網絡實際上是一種基于概率計算的有向圖解模型，通過該模型表達變量的依賴關系，適用于不確定性知識的表示和推理。它可以將復雜的變量關系體現在一個網絡結構中，以簡潔的圖表形式揭示變量之間的內在規律，運用概率參數描述變量之間的關聯強度，將繁雜的聯合概率通過條件概率有效地表達出來[7]。構建完成的貝葉斯網絡模型需要由三方面組成：確定貝葉斯網絡各節點、確定各節點的依賴關系(即網絡結構)以及確定依賴程度(各節點的條件概率)[8-9]。

1.1 貝葉斯網絡節點

構建貝葉斯網絡的重要因素之一就是確定網絡節點，本文通過對影響船舶碰撞的三方面(人、船舶、環境)因素的分析，經過事故樣本的反復整合，最終確定節點為32個。

貝葉斯網絡第一個節點用C表示(即船舶碰撞)。其他31個節點按照人的因素、船舶、環境三方面進行劃分，如表1所示，并對相應的節點進行了編號。其中，人的因素按照航行戒備——避碰決策——操縱行動三個階段進行劃分。

表1 船舶碰撞致因因素Tab.1 Collision causation factors

1.2 貝葉斯網絡結構

研究貝葉斯網絡，需要確定各因素之間的關系以及各因素與碰撞事故的關聯度，圖1為船舶碰撞貝葉斯網絡結構圖，以船舶因素S中的S1設備故障為例，從事故樣本中可以得出S1包括S3電氣設備故障、S4主機故障和S2航海儀器故障。舵機和螺旋槳屬于船舶直接和水接觸的設備，易受環境影響，因此，環境因素對船舶因素中的S5舵機故障以及S4主機故障有直接影響，是他們的父節點之一。而舵機受液壓驅動或電氣驅動，屬于電氣設備系統下的一種設備，S5舵機故障是S3電氣設備故障的父節點。同時，設備故障S1還包括S2航海儀器故障，而S2航海儀器故障由S6通訊系統故障與S7導航系統故障兩個主要方面構成。

圖1 船舶碰撞貝葉斯網絡結構Fig.1 Structure of bayesian network

基于以上方法，根據貝葉斯網絡結構的建立方法[10]，結合事故調查報告樣本，基于專家的經驗從樣本中提取出來的有向邊，參考《1972年國際海上避碰規則》的邏輯結構，剔除只存在于極少數事故中的有向邊，經過邏輯上的反復求證，將上文確定出來的32個節點按照要求，最終確定出船舶碰撞貝葉斯網絡結構。

1.3 網絡節點條件概率的確定

進行貝葉斯網絡推理的基礎是已經知曉各節點之間的條件概率。本文基于中華人民共和國天津海事局2011～2015年公布的船舶碰撞事故調查報告，通過概率論數理統計的相關知識，統計得出了各個節點的條件概率[11-12]。

本文所確定的節點之間的條件概率，基于已經發生的船舶碰撞事故樣本而來，所有的樣本都以船舶碰撞為終點，這就相當于連續學習了多起船船碰撞事故數據而得到的概率。所以，本文貝葉斯網絡的學習相當于假設海上連續發生了多起船舶碰撞事故并對這些事故進行學習。也可以通過這些起船舶碰撞案例學習的結果，從船舶碰撞事故這個特殊的領域去分析問題，解決問題。

圖2 碰撞模型驗證圖Fig.2 Verification diagram of collision model

2 模型的驗證與應用

2.1 模型的驗證

為了驗證船舶碰撞貝葉斯網絡模型的有效性，以《天津01·22 “太行6”輪與“富通”輪碰撞事故》為例進行驗證。

2016年1月22日2256時，太行海運有限公司所有的“太行6”輪在靠泊南疆13號泊位的過程中，與靠泊在南疆12號泊位的CRONUS SHIPPING CO LIMITED所有的“富通”輪發生碰撞。將《天津01·22 “太行6”輪與“富通”輪碰撞事故》的相關節點的值輸入模型，其聯合概率如圖2所示。由圖2可知，“太行6”輪發生碰撞事故的概率為96%。

2.2 模型的推理

貝葉斯網絡的因果推理已經在模型驗證中得到利用，本文利用貝葉斯網絡的診斷推理尋找船舶碰撞的逆向致因鏈條，將船舶碰撞的發生概率設為1，診斷推理的結果如圖3所示。通過推算得出網絡模型圖，從碰撞階段C逆向依次找出后驗概率最大的一個父節點[13-15]。

因此，得出導致天津港碰撞事故最可能的致因鏈條為：對天氣海況考慮不充分→對碰撞危險估計有誤→未使用安全航速→人為因素→碰撞事故。

圖3 貝葉斯網絡推理圖Fig.3 Inference graph of bayesian network

2.3 碰撞致因分析

通過貝葉斯網絡致因模型的推理分析，天津港港區發生碰撞事故時，人為因素、船舶因素、環境因素(三種因素相互獨立)的致因概率及分析如下。

(1)人為因素。

該水域若發生碰撞事故，人為因素導致碰撞事故的概率為94%，其中，航行戒備階段主要因素為天氣狀況考慮不全(致因概率為67%)；避碰決策階段主要為對碰撞危險估計有誤(致因概率為82%)，操縱行動階段主要因素為操縱不當(致因概率為21%)、未使用安全航速(致因概率為68%)、未能及時采取行動(致因概率為57%)。

(2)環境因素。

該水域若發生碰撞事故，環境因素導致碰撞事故的概率為49%，主要體現在大風浪天氣(致因概率為30%)，南疆5號～15號泊位受吹攏風發生事故的比例較高。

(3)船舶因素。

該水域若發生碰撞事故，船舶因素導致碰撞事故的概率只占6%，說明船舶設備的可靠性、耐失誤設計及設備冗余系統等方面目前已經基本滿足使用要求，船舶因素所占的比例較小。

3 船舶操縱模擬試驗

依據貝葉斯網絡模型推理結果可知，天津港發生碰撞事故的主要原因為人為因素和環境因素，具體體現在天氣狀況考慮不全、碰撞危險估計有誤、未使用安全航速、大風浪天氣等。為了進一步明確船舶發生碰撞事故的具體原因及可以采取的應對措施，需利用模擬器進行事故還原和事故避免試驗。

表2 模擬試驗方案Tab.2 Simulation experimental scheme

3.1 模擬試驗方案

天津港南疆港區2011～2015年發生多起碰撞事故，以下針對“津濱快航169”輪與“COREWISE OL”輪碰撞事故、“時代5”輪與南疆8號泊位觸碰事故、“河北傳奇”輪與南疆11號泊位觸碰事故、“寧豐1”輪與“金海強”輪碰撞事故進行典型試驗。其中風、船位等資料根據調查報告、AIS數據提取所得，流場則利用數模計算結果，模擬實驗方案見表2。

3.2 模擬試驗結論

(1)模擬試驗結果分析。

①事故還原試驗

圖4 “津濱快航169”輪與“COREWISE OL” 輪碰撞還原試驗Fig.4 Reduction test of collision between “JINBINKUAIHANG169” and “COREWISE OL”

以下以 “津濱快航169”輪與“COREWISE OL”輪碰撞事故仿真試驗為例，說明試驗過程及結果。本試驗做了7級NNE的事故還原試驗(見圖4)，試驗中，“津濱快航169”輪與“COREWISE OL”輪發生碰撞。7級風力情況下，船舶向右掉頭完成并向南疆5號泊位航行過程中，產生的橫移速度最大為0.45 m/s。通過對該事故還原試驗的分析可知，發生碰撞的主要操縱原因在于：船舶抵達泊位位置時的航速過快；直航靠泊時與“COREWISE OL”的橫距過近。

②事故避免試驗

根據貝葉斯網絡致因模型的推理分析及事故還原試驗可以確定主要碰撞因素為風速較大、航速過快和橫距過近，因此通過采取提前降速、增加橫距等措施分析其產生的效果。根據模擬試驗結果分析可知，通過降低船速(到達泊位位置船速在1 kn以內)，“津濱快航169”輪可順利的靠泊南疆5號泊位，不會與“COREWISE OL”輪發生碰撞；通過增大橫距(根據風致漂移及流致漂移計算，橫距最小為70 m)后，“津濱快航169”輪在靠泊過程中有充足的距離，可以避免與“COREWISE OL”輪發生碰撞。

(2)模擬試驗結論。

通過對典型事故的還原試驗及事故避免試驗(見圖5)，模擬試驗分析可知，發生碰撞事故的主要原因如下：

①船舶航速過快：航速過快導致船舶靠離碼頭時，出現緊迫局面時船位無法得到較好的控制，且留有應急處置的時間較短。

②船舶操縱不當：操縱不當導致船舶靠離碼頭時，在發生緊迫局面時采取了不協調的避讓行動，導致事故發生的幾率大大增加。

③對風流要素估計不足：在出現大風天氣情況時，船舶按照一般天氣情況進行處理，未考慮風、流致漂移和風、流致偏轉的影響。

④橫距過近：船舶在回旋掉頭時與鄰近泊位橫距過大，加上外部環境的影響，容易發生碰撞事故。

圖5 “津濱快航169”提前減速、增大橫距后的模擬試驗Fig.5 Simulation test of “JINBINKUAIHANG169” ahead of time to slow down and increasing the horizontal distance

3.3 安全保障措施

利用船舶操縱仿真試驗等手段分析了天津港碰撞事故發生的原因及規律，從人為方面、船舶方面、環境方面、管理方面提出了相應的保障措施。

(1)人為方面。

保障船舶安全的關鍵是控制人為因素，從宏觀角度應按照ISM規則建立船舶安全管理體系(SMS)，對船員進行系統化安全管理；駕駛員的綜合素質在船舶避碰過程中起到至關重要的作用，應加強駕駛員實操能力的訓練和評估，強化安全意識，增強駕駛員對危險局面的應對能力；駕駛人員應充分掌握船舶的航向穩定性、航向保向性、回轉性、制動性等操縱特性，以便在出現危險局面時能夠有效控制船舶。

(2)船舶方面。

根據IMO規則的要求，船舶開航前，應保持船舶適航，船體適航是船舶適航的重要組成部分，要求船舶各種航行設備處于良好狀態，船舶主機/輔機等設備開航前應提前備車；根據船舶的操縱特性，制定不同天氣海況下的進出港操作指南；加強船舶智能化的建設，利用AIS基站，準確掌握港口、航道及周邊船舶動態。

(3)環境方面。

制定通航環境手冊，詳細介紹碼頭及交匯水域通航環境特點，船舶在進港時，提前了解項目水域的碼頭泊位情況，以便制定較為合理的進港計劃；碼頭應根據風、流、泊位、交通情況制定靠離泊限制條件，在出現7級以上大風條件時，注意風致漂移和風致偏轉，必要時可申請拖輪協助靠離泊；滿載船舶航行時，流對船舶影響較大，大型船舶進出港時盡量選擇平潮時刻。

(4)管理方面。

對于自引船靠離泊，碼頭公司應加強監管，在靠泊過程中，碼頭安全專人現場協助監控，實施船舶信息預報機制等措施；碼頭公司建立內部航運公司、船舶兩個數據庫，對發生事故(或存在安全隱患)的船公司和船舶進行重點監控；船公司進一步完善關于船舶操縱方面的安全管理體制和應急預案；海事主管機關需進一步加強船舶現場監管，對存在重大事故隱患船舶必要時采取強制措施。

4 結論

本文利用貝葉斯網絡理論建立碰撞致因模型，找出碰撞事故的致因規律，利用船舶操縱模擬器找出事故發生的原因，發現關鍵的管理控制點，提出針對性的保障措施。

(1)建立了基于貝葉斯網絡的全因素船舶碰撞致因模型，并將該模型應用到天津港碰撞致因分析當中，找出了導致碰撞事故最可能的致因鏈條及致因因素所占的比例。

(2)利用船舶操縱模擬器對碰撞原因進行了分析，找出了天津港發生船舶碰撞的主要因素，分別為船舶航速過快、船舶操縱不當、大風天氣的影響、橫距過近。

(3)針對導致船舶碰撞事故的致因鏈條及致因因素，從人為、船舶、環境、管理四個方面提出了相應的保障措施和建議。