船舶溢油事故態勢演化風險排序

王海燕, 陳 潔

(武漢理工大學 交通學院， 武漢 430063)

近年來，石油進口量的迅速增加使港口和沿海運輸船舶的密度迅速增大，同時船舶的大型化使原已十分繁忙的通航環境變得更加復雜，船舶溢油事故呈現高頻發態勢。據國際油輪船東防污聯盟(International Tanker Owners Pollution Federation,ITOPF)統計，2010—2016年全球范圍內總溢油量高達39 000 t，其中:大于700 t的大規模船舶溢油事故共12起，平均每年發生2起。在事故發生后，人為失誤、船舶所處狀態、水域環境的影響和對溢油態勢演化的不確定性導致的救助延遲等都會造成事故的擴大或升級，對人命安全、財產損失與水域環境產生更加惡劣的影響。辨識和評估船舶溢油事故態勢演化風險，通過風險排序找出應急處置的重點，可為制定合理可行的應急決策方案提供參考依據，有效提高溢油應急響應效率，降低溢油事故的影響。

目前，對船舶溢油事故的研究主要集中在事前對船舶溢油風險評價方法[1]和指標體系[2]的研究、事中建立溢油擴散的動力學模型[3]、事后建立應急管理體系[4]、優化應急設備配置[5]及評價船舶溢油的危害程度[6]等。很少有文獻針對溢油事故發生后的態勢演化風險辨識及評估進行研究。

廣泛應用于工程領域中的風險排序方法主要包括風險優先數方法(Risk Priority Number, RPN)[7]或危害性矩陣分析方法(Criticality Analysis, CA)[8]。風險優先數和危害性矩陣分析方法都是以風險發生的可能性和危害程度作為基本指標綜合評估風險大小的分析方法，在實際應用中存在指標不完善的缺點，且評估值往往采用精確數值，對結果的可靠性產生一定的影響。ATANASSOV[9]提出的直覺模糊集是傳統模糊集的一種拓展，考慮隸屬度、非隸屬度和猶豫度三維，與傳統的模糊集相比在處理模糊性和不確定性等方面更加實用和靈活。TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)法是多目標決策分析中常用的有效方法，已被廣泛應用于方案優選、決策和風險管理等多個領域。[10-13]將TOPSIS法與直覺模糊集結合，能有效克服傳統風險排序方法中的缺陷，得到更加合理可靠的結果。因此，在分析影響船舶溢油事故態勢演化關鍵因素的基礎上，明確系統可能存在的風險；綜合考慮風險的表征參數和應急響應的難易程度，從發生的概率O(Occurrence)、嚴重程度S(Severity)、探測度D(Detectability)和應急響應的難易程度R(Response)等4個方面構建風險評價指標體系；引入直覺三角模糊數描述指標的模糊性和不確定性，并利用直覺模糊熵計算指標的客觀權重，建立基于逼近理想解TOPSIS法的船舶溢油事故態勢演化風險排序模型，通過排序結果找出應急處置的重點，以提高應急響應的有效性和可靠性。

1 船舶溢油事故態勢演化影響因素分析

1.1 船舶溢油事故態勢演化的含義

船舶溢油事故態勢演化是指船舶在發生溢油事故后，在內部和外部環境的綜合作用下，事故態勢可能得到控制或繼續發展擴大的趨勢。溢油事故態勢演化風險排序研究是應急決策和應急資源配置的前提和關鍵。

根據以往學者的研究，一般按照致因因素將船舶溢油事故分為操作性溢油事故和海損性溢油事故兩大類。[14]“操作性溢油”是指船員不遵守有關規定，違章排放艙底水、污油和廢機油等，或因裝卸油品時的工作失誤，錯開閥門或法蘭盤接頭脫落，加油時滿艙外溢或輸油管破裂等原因造成的污染；“海損性溢油”是指船舶因操作失誤、惡劣天氣或航標移位等發生碰撞、擱淺、觸礁和著火爆炸等事故，造成燃油大量泄漏導致的突發性溢油事故。ITOPF2016年發布的統計數據顯示:操作性溢油事故多發生在港口和碼頭作業時，港區內一般設有專門的應急資源庫，應急救援難度相對較小;海損性溢油多發生于開放水域的在航船舶，影響因素較為復雜，且船上的應急資源有限，是應急處置的重難點。因此，本文以海損性溢油為研究對象，分析影響船舶溢油事故態勢演化的關鍵因素，探究系統內部各要素在空間和時間上的變化，評估和排序溢油后系統態勢演化的關鍵風險因子。

1.2 溢油事故態勢演化影響因素分析

當船舶發生溢油事故后，由于受內、外部多種因素的綜合作用，其在數量、物理性質和化學性質方面都會隨著時間不斷發生變化。對大量的事故統計數據進行分析和領域內的專家咨詢表明，在應急響應前，溢油事故可能的演化方向主要包括3種情況：溢油量的持續增加、溢油范圍的持續擴大和現有事故升級，引發船沉、火災和爆炸等次生事故。從系統的角度考慮，影響船舶溢油事故態勢演化的因素主要包括船員、船舶、環境、管理及油品自身特性等5個方面。

1.2.1船 員

船員在系統中處于中心和靈魂的地位。人的作為使系統中各個因素相互關聯。據國際權威統計，80%的系統不安全事件是由人為因素造成的。[15]在溢油事故發生后，船員和外部救助力量的應急處置正確與否在很大程度上決定著事故的走向。從溢油事故可能的演化方向來看，船員失誤可能導致的風險事件主要包括兩個方面。

(1) 未能及時找出溢油點的位置，不能從根源上切斷溢油源，貽誤溢油處置的最佳時機，造成溢油量的持續增加，導致不必要的應急物資和人力的投入;

(2) 船員不遵守船上的安全管理規定，在禁煙區吸煙或動火作業，使船上貨油或燃油發生反應引發火災，甚至導致爆炸。

1.2.2船 舶

船舶因素是指在事故發生后船舶的即時狀態能否滿足船舶穩性的要求和涉油設備能否滿足安全環保的要求。海損性溢油多由碰撞、擱淺事故引起，事故發生后船體受損程度往往較大。專家表明：在溢油事故發生后，受船舶即時狀態的影響，可能發生的風險事件主要包括3種情況：

(1) 船體受損嚴重導致船體進水沉沒；

(2) 碰撞后船體失穩導致機械摩擦起火，引發火源導致火災爆炸等次生事故；

(3) 涉油設備損毀嚴重引發電火花，導致火災爆炸事故。

1.2.3環 境

外部環境的影響因素可分為氣象及水文條件兩類。大量的統計案例表明：大風及水流流速對船舶溢油事故的惡化有顯著影響，如2010年我國大連港溢油事故、2018年巴拿馬籍油船“桑吉”輪溢油事故等都是如此。溢出的油品會隨水流的運動而擴散，流速越快，擴散范圍也越大。大風對溢油事故的作用效果與水流類似，不僅會加速溢油的擴散速度，也會增加應急救援的難度。

1.2.4管 理

管理因素主要是指船上應急預案的齊備性和應急物資配備的充足性等。在溢油事故發生后，船方應第一時間按照預先設定的應急響應程序啟動相應的應急預案，同時，將船舶溢油的基本情況向轄區海事部門報告，并視事故的嚴重程度和自然條件、應急物資的配備等情況，做出是否進行先期處理的判斷。一般而言，船上的應急管理水平越高，對溢油事故的應急響應能力越大，事故向樂觀態勢發展的可能性越大。

1.2.5油 品

雖然以“油”作為溢出油的統稱，但這種稱呼并不能體現出不同油種具有的特殊性質。比如,氣象海況條件對不同性質油種的作用均不相同，燃點低的油種一旦泄漏更容易發生火災爆炸事故。從應急響應的角度考慮，油種不同，實施應急響應所需的物資也不同，在使用分散劑時表現得尤為突出，導致響應策略也有區別。因此，油品特性也是影響溢油事故態勢發展的關鍵因素。

2 船舶溢油事故態勢演化風險評價指標構建

2.1 船舶溢油事故態勢演化風險評價指標集

按照傳統風險的定義，風險的大小取決于事故發生的概率O和事故后果S兩項因素。REASON等[16]提出的“瑞士奶酪模型”理論將一個有序運行的安全系統比作一摞瑞士奶酪，每一片奶酪代表一道安全防線，而奶酪上的孔洞就是潛在的漏洞，如人為失誤、設備故障等。若奶酪上的孔洞碰巧連成一條可以直穿而過的通道，事故將會發生。在船員—船舶—環境構成的系統中，事故是3種隱患在時間和空間上的交集，由于系統中包含人的因素，可以認為系統具備一定的自我檢測能力；另一方面，在應急響應前，船上的檢測設備以及外部的監測設備等能在一定程度上傳遞物或環境的不安全信息，可認為系統具有發現潛在風險的能力，以事故探測度D來反映。從應急響應的角度考慮，事故態勢演化的方向決定了應急響應的難易程度。若事故升級擴大，對應急物資的需求越大，應急響應的難度也越大，因此可用應急響應R(Response)的難易程度來反映事故演化的風險大小。基于以上分析，將風險評價的指標擴展為事故發生的概率O(Occurrence)、事故后果S、事故探測度D和應急響應的難易程度R等4個指標。定義風險評價的指標集為

u={u1,u2,u3,u4}

(1)

式(1)中:u1為事故發生的概率，表示風險事件發生的可能性大小。對事故發生概率的評價主要依靠相關專家經驗，并參考以往事故報告綜合確定。u2為事故后果，表示風險事件的危害程度。溢油事故的危害主要體現在對環境的影響。石油本身具有一定的毒性，一旦泄漏不僅使水域生態環境在一段較長的周期內受到危害，且污染后的修復需要巨大的費用，若溢油事故伴隨火災爆炸等次生災害或溢油范圍波及漁業養殖區或近岸水域，還可能造成船員傷亡或對周圍居民的健康產生影響。因此,事故后果主要從人員傷亡、財產損失以及環境污染程度等3方面綜合評價。u3為事故探測度，表示某項風險事件被船員發現并補救糾正或設備監測發現的可能性。一般認為，環境中的不安全因素，如風、流的大小對溢油事故的影響被檢測到的可能性較大，而船員失誤被發現并糾正的可能性較小。u4為應急響應的難易程度，取決于油品的特性以及事故影響范圍的大小。

2.2 直覺三角模糊數

溢油態勢演化受很多因素影響，具有較強的不確定性，因此,溢油態勢演化風險指標具有模糊性，通常以模糊數的形式給出指標的等級。但傳統的模糊集中元素的隸屬度只能定義為一個。1986年ATANASSOV通過將非隸屬度和猶豫度引入模糊集中，提出直覺模糊集的概念，對指標的刻畫更為全面，在處理數據時比傳統模糊集更加細膩和客觀，已被廣泛應用于不同的領域。

定義1[17]設X是論域，則X上的一個直覺模糊集A定義為集合：

A={(x,μA(x),vA(x))|x∈X}

(2)

式(2)中:映射μA:X→[0,1],νA:X→[0,1]滿足條件0≤μA(x)+νA(x)≤1,?x∈X,μA(x)和νA(x)分別稱為x對直覺模糊集A的隸屬度和非隸屬度。非隸屬度表示決策者認為不屬于x的程度。在特殊情況下，當μA=1、vA=0時，A退化為傳統的三角模糊數(見圖1)。其中:橫軸為三角模糊數的取值范圍，l、u分別為三角模糊數的上、下界，縱軸表示其隸屬度。

圖1 三角模糊數幾何圖示

定義2[18]設A1=([a1,b1,c1];μa1,νa1)和A2=([a2,b2,c2];μa2,νa2)為兩個直覺三角模糊數，則A1和A2的Hamming距離為

(1+μa2-νa2)a2|+2|(1+μa1-νa1)b1-(1+μa2-νa2)b2|+|(1+μa1-νa1)c1-(1+μa2-νa2)c2|

(3)

3 基于TOPSIS的船舶溢油事故風險排序模型

TOPSIS法是最著名的排序方法之一，引入了理想解和負理想解兩個基本概念。方案的排序規則是把各備選方案與理想解和負理想解進行比較，通過最接近理想解且遠離負理想解來確定最優選擇，其結果能精確反映各評價方案之間的差距，實現方案的排序或優選。

3.1 確定正、負理想解

(4)

(5)

3.2 指標權重的確定

目前關于權重的確定方法很多，可根據計算時原始數據的來源不同，分為主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法等3類。主觀賦權法由專家根據自身經驗給出對實際問題的判斷，常見的方法包括層次分析法、專家調查法等，其優點在于結果不至于出現權重與屬性實際重要程度相悖的情況，但決策或評價結果具有較強的主觀隨意性。客觀賦權法則完全依據原始數據之間的關系，有較強的數學理論依據,但判斷結果不依賴于人的主觀判斷可能出現與實際情況不一致的現象，且計算方法大都比較繁瑣，因此通用性較差。考慮風險指標數據的特性，在直覺三角模糊數的基礎上，采用直覺模糊熵法計算指標權重。

對直覺三角模糊數A=([a,b,c,d];μa,νa)，稱πa(x)=1-μa(x)-νa(x)為對A的猶豫程度,稱fa(x)=1-|μa(x)-νa(x)|為對A的模糊程度。

定義指標uj的直覺模糊熵為

i=1,2,…,m;j=1,2,3,4

(6)

模糊熵E(uij)值越大，表明uij的模糊程度和不確定程度越高，該指標的所獲的權重應越小。因此指標uj的權重為

(7)

3.3 計算距離及相對接近度

各待排序風險事件與正、負理想解的加權距離為

(8)

(9)

計算相對接近度

(10)

首先由專家針對已識別出的風險事件，就4項指標給出等級評價的直覺模糊評價值，并由式(4)和式(5)確定正理想解和負理想解,由式(6)～式(9)計算各指標的直覺模糊熵和各風險事件與理想解和負理想解的相對接近度。最后按照相對接近度越大，風險越大的規則，根據相對接近度的大小對各風險事件進行排序，從而得出船舶溢油事故后各風險事件的等級。

4 實例驗證

以“桑吉”輪與香港籍貨船“長峰水晶”輪碰撞事故為例，驗證模型的可行性。

北京時間2018年1月6日20時，巴拿馬籍油船“桑吉”輪與香港籍貨船“長峰水晶”輪在長江口以東約160 n mile處相撞，導致“桑吉”輪溢油并起火。根據上海海事局公布的信息，“桑吉”輪載有大約13.6萬t凝析油。這種凝析油不同于普通原油，是一種黃色至淺褐色的超輕型油，比漏油事故中常見的原油黏度低得多，更易揮發爆燃，致癌性較低，但急性毒性更大。此外，船上還載有一定量的燃料油，屬于相對難揮發的重油，一旦泄漏將對海域環境和生物造成很大的威脅。事故海域風急浪高，船內和周邊水域泄漏的燃油火勢兇猛，應急響應面臨多重風險。

4.1 溢油事故態勢演化風險識別

溢油事故態勢演化風險識別是在對船員—船舶—環境構成的系統進行分析的基礎上，識別影響溢油事故發展的風險因素，明確可能發生的風險事件。此次溢油事故的發生伴隨著火災，事故向惡化態勢發展可能性更大。凝析油自身特性極易揮發，很難通過物理方式圍堵移除；無論是用分散劑還是生物降解都難以達到理想的效果，給應急處置帶來極大的難度。

選擇具有十幾年溢油應急響應經驗和專業知識的專家，結合歷年的溢油事故分析，“桑吉”輪碰撞后系統可能存在的或潛在的風險見表1。

4.2 直覺三角模糊評價矩陣構建

針對已辨識出的5項風險事件，由專家分別從事故發生概率u1、事果后果u2、事故探測度u3以及應急處置難易程度u4給出模糊化的評定等級以及隸屬度和非隸屬度信息。為便于專家將其經驗形成的語言描述與計算所需的模糊數對應起來，給出三角模糊評價矩陣見表2。

表1 溢油事故態勢演化風險識別表

表2 三角模糊評價矩陣

專家可根據表2給出各待排序風險事件評價指標的模糊化評價，并同時給出該指標相對于模糊數的隸屬度和非隸屬度,見表3。

表3 溢油事故態勢演化風險評價矩陣

4.3 “桑吉”輪船舶溢油事故態勢演化風險排序

由式(3)和式(4)確定正理想解和負理想解分別為

u+={([0.75，1，1]；1，0)，([0.75，1，1]；1，0)，

([0.25，0.50，0.75]；1，0)，([0.75，1，1]；1，0)}

(11)

u-={([0，0.25，0.5]；1，0)，([0，0.25，0.50]；1，0)，

([0，0，0.25]；1，0)，([0.25，0.5，0.75]；1，0)}

(12)

根據式(5)和式(6)直覺模糊熵法計算各指標權重為

w=(0.255,0.258,0.226,0.261)

(13)

將上述數值代入式(8)和式(9)計算各待排序風險事件與理想解和負理想解的加權距離,將其代入式(9)得到各風險事件的相對接近度，并據此進行排序。計算結果見表4。

表4 溢油事故態勢演化風險排序表

4.4 研究結果分析

根據模型計算結果得出：風險事件的相對接近度從大到小依次為：0.534>0.462>0.390>0.360>0.174。依據相對接近度越大風險水平越高的排序規則，對應各事件風險水平從高到底依次為R2>R5>R3>R4>R1。

從排序結果可看出，風險最高的事件是“火勢未得到控制發生爆炸事故且船體沉沒(R2)”，其相對接近度為0.534。爆炸事故一旦發生，不僅給應急處置帶來更大的難度，而且從長期考慮，船體沉入海底，緩慢釋放出裝載的凝析油，對附近海域的環境和生物都是極大的威脅，因此海事部門應當重點做好爆炸事故后的應急響應方案。“溢出的凝析油或燃料油隨洋流遷移影響江浙滬地區(R5)”的相對接近度為0.462、“持續溢出的凝析油在海面劇烈燃燒產生大氣污染物(R3)”的相對接近度為0.390、“燃料油(重油)泄漏影響海域環境(R4)”的相對接近度為0.360，3類風險事件的影響后果主要與油品特性有關。凝析油與重油相比更難在第一時間檢測到，因而更難控制油污的擴散。因此,應急處置的重點除了控制當前的火勢，還應擴大范圍，持續關注海域的污染物濃度，尤其是靠近人口密集的江浙滬地區。排序結果與當前相關媒體發布的專家評定基本符合，驗證排序方法的適用性。

5 結束語

1) 從系統角度識別船舶溢油事故態勢演化過程中可能的風險事件，從事件發生的可能性、嚴重程度、事故探測性及應急處置難易程度等4個方面建立風險評價指標，根據模型計算結果得出船舶溢油事故態勢演化風險排序結果，海事部門可根據排序結果合理安排有限的應急資源，制定應急響應方案，以取得最佳的安全效益。

2) 利用改進的TPOSIS方法結合直覺三角模糊數的優勢，構建風險排序模型，為風險分析和排序提供一種新的途徑和方法。

3) 研究重點在船舶溢油事故態勢演化風險識別及排序，而風險事件間相互轉化及影響方面的關系在未來需要進行深入研究。