基于DPSIR模型的船撞橋風險評價指標體系

李志榮,朱金善,王哲凱,余鑒文

(大連海事大學航海學院,遼寧大連 116026)

隨著交通運輸在經濟發展中的作用越來越重要,跨江河以及海峽海灣的橋梁建設日益增多,以及船舶大型化、通航密度不斷變大,且未對非通航孔抗撞能力進行相應規定,導致船撞橋的風險越來越大以及船撞橋事故頻繁發生,事故輕者船舶和橋梁受損,重者橋塌、船沉甚至人亡。多數跨江河和跨海大橋橋梁建于船舶交通流密集的航路,如港珠澳大橋、青島海灣大橋、杭州灣大橋等,此類橋梁對船舶航行無疑是一種障礙物,且橋梁會導致該橋區水域通航環境和自然環境更為復雜。因此,對于客觀存在的船撞橋風險有必要進行評價以減少事故的發生率。

對船撞橋的風險進行評價,首先需要建立一套風險評價指標體系。國內關于船撞橋風險評價的主要研究有：基于美國AASHTO概率[1]計算模型的船撞橋風險分析[2-6]；文獻[7]基于橋梁壽命評價了船撞橋的風險；文獻[8]考慮了風、流、水深、能見度、航道寬度、航道彎曲度、交通流量、交通構成復雜度、通航孔凈寬、通航孔凈高、管理程度、航標完善程度以及相鄰設施的密集程度等,建立了橋區水域安全評價指標體系,并通過未確知測度評價了橋區水域的通航安全；文獻[9]基于貝葉斯網絡建立了船撞橋風險評價模型；文獻[10]基于模糊Bow-tie模型建立了跨海大橋船撞橋的風險評估模型；文獻[11]建立了船撞橋安全評價故障樹系統,并進行了定性和定量分析,最終建立了基于模糊邏輯系統的評價模型。國外關于船撞橋風險評價的主要研究有：文獻[12]通過ADINA有限元程序研究了橋墩的形狀對船撞橋風險程度的影響；文獻[13]基于傳感器評估了船撞橋損害程度以及預警船撞橋事故；文獻[14]基于橋梁的振動參數建立了船撞橋事故后的橋梁損害程度估算模型；文獻[15]建立了對稱和傾斜船體對撞橋的有限元模型。綜上所述,船撞橋風險評價主要通過船撞橋的概率進行評價,而缺乏具體考慮人、船、橋、環境、管理等影響因素對于船撞橋的風險評價。因此,基于DPSIR(驅動力-壓力-狀態-影響-反應)模型,建立一套兼顧人、船、橋、環境、管理等影響因素的船撞橋風險評價指標體系。

1 船舶穿越通航橋的危險源分析

1.1 危險源與船撞橋事故的關系

危險源與船撞橋事故的發生是并列與因果關系并存的(圖1)。船舶在橋區水域航行時危險源的存在是絕對的,由于受實際人、船、橋、環境、管理等影響因素的限制,危險源是不可能徹底消除或完全控制,只能通過對人、船、橋、環境、管理等方面盡可能消除或控制船撞橋的風險。

圖1 危險源與船撞橋事故發生的關系

1.2 船撞橋的危險源類別

(1)人為危險源。PIANC(國際航海協會常務會議)成立了一個專門從事船撞橋事故研究的工作小組,該小組通過建立的數據庫分析了151起船舶撞橋事故,并發現事故原因中人為失誤約占70%[16]。

(2)船舶危險源。船舶是造成船舶通航安全的直接因素,船舶機械失效、船舶的類型和尺寸、助航電子設備失效甚至船舶管理等因素都直接或間接地造成撞橋事故的發生。

(3)橋梁危險源。橋區通航孔和非通航孔都會影響船舶穿越大橋的安全,如通航孔的凈高、凈寬以及防撞裝置是否符合要求,非通航孔的抗撞能力、警戒標志是否符合標準且有效。

(4)環境危險源。環境危險源是包括自然環境和橋區附近的通航環境和光環境,自然環境往往導致船舶的操縱性變差,而航道環境會限制船舶的操縱空間。

(5)管理危險源。管理危險源主要包括船舶管理、海事管理、橋梁管理。船舶管理直接影響著船舶的安全航行；海事管理水平體現在VTS(船舶交通管理系統)服務、橋區的法律法規、助航系統的完善程度；橋梁管理體現在橋梁設施的管理與維護。

2 建立船撞橋風險評價指標體系模型

2.1 DPSIR模型

DPSIR模型是由驅動力D(Driving forces)、壓力P(Pressure)、狀態S(State)、影響I(Impact)和響應R(Responses)等5方面組成的一種環境評價指標體系模型[17]。該模型全面考慮指標間的聯系,而不是獨立于單一指標去評價環境問題,可全面地考慮各指標間的相互影響。該模型可將船撞橋危險源和解決對策體現在評價體系中,其主要的因果或依賴關系為：狀態和影響指標指“發生什么”；驅動力和壓力指標指“為什么發生”；響應指標指“如何應對已發生的”(圖2)。

圖2 DPSIR模型關系

在現有研究中,風險評價體系的建立一般基本局限于壓力、狀態、影響等3種指標建立的體系,本文在船撞橋風險評價中應用DPSIR模型,重點解決響應指標和驅動力指標對評價體系的影響。一方面,應用響應指標有助于橋梁管理者根據評價結果和過程,修訂和提出降低船撞橋碰撞風險的方案,并為政策制定部門提供一定的參考,另一方面,將社會和經濟的發展等驅動力指標應用到評價體系中,可全面地評價船撞橋風險程度,從而全面了解“人-船-橋-環境-管理”系統的發展狀況。

2.2 指標的篩選原則

(1)代表性與針對性。在構建體系過程中要有針對地選取一些代表性強,與通航橋海上安全、船舶航行安全緊密相關的指標,或可從側面反應通航橋安全的客觀或主觀指標。因此,選擇針對評價主體是跨江河、海峽海灣橋梁的特定指標。

(2)定量與定性綜合。船撞橋風險評價指標遵循定量定性相結合的原則，以確保其評價結果更加切實和全面。定量指標減少了主觀的依賴性,可使評價結果更加直觀和準確。要對船撞橋風險進行全面的評價,需要通過定性指標對評價結果的發展規律有指導性的主觀意志,使得該體系更加全面和有說服力。

(3)全面性與獨立性。大橋船撞安全性評價主要針對人、船、橋、環境、管理等5個不同的方面,若僅對其某一方面進行評價而忽略其他影響方面,將難以保障其體系的精確性,導致無法反映船撞橋的風險程度。在保障指標體系完整全面基礎上,要兼顧指標的獨立性,確保其評價結果不會隨其他非指標的變化而改變。

(4)科學性與可操作性。大橋船撞安全評價主要從“人-船-環境-管理-橋”相互影響又相互獨立的系統中進行分析研究,該系統包含的影響因素眾多,若不考慮指標的科學性與可操作性而將系統中的所有因素納入評價體系中,將難以斷定其風險程度。

3 基于DPSIR的船撞橋風險評價指標體系

3.1 驅動力指標

驅動力指標是環境發展變化的指標,是最直接、關鍵的評價指標,通常為經濟變化方面的指標。本文將其分為沿海城市的經濟發展指標和港口吞吐量。

(1)城市的經濟發展指標。經濟發展是陸上運輸和水上運輸發展的關鍵驅動力,橋梁建設的增多、船舶的大型化、船舶密度的增大,一般均是由于沿海城市經濟的迅速發展所引起,因此沿海城市的經濟發展是船撞橋事故發生的驅動力指標之一。經濟發展指標可通過人均GDP及其增長率、人均收入、消費水平等表示,其中最為常用的是人均GDP(GDP總額/總人口)。

(2)港口吞吐量。港口吞吐量是指某一港口或幾個港口在某段時期內通過水運輸出、輸入港區并經過裝卸作業的貨物總量,通過該量值可衡量港口的業務能力,一般可通過貨物吞吐量增長率表示,其計算公式為：(該段時期貨物吞吐量-上段時期貨物吞吐量)/上段時期貨物吞吐量×100%[18]。

3.2 壓力指標

壓力指標是指在驅動力作用于船橋系統后,導致船橋系統發展變化的影響指標。本文將從港口經濟發展和港口吞吐量對船橋系統的影響對壓力指標進行分析,主要考慮船員指標、船舶指標、橋梁建設水平指標。

(1)船舶流量指標。船舶作為海上運輸的載體,隨著經濟的發展和港口吞吐量的增多,通航橋區的船舶流量也越來越多。船舶作為船撞橋事故風險的主體之一,船舶的流量是衡量其風險程度的重要指標。

(2)橋梁建設水平指標。通航橋一般都建設在船舶交通流密集的水域,主要有航道、港區、錨地等水域,增加了船撞橋的風險。橋梁作為船撞橋事故風險的另一主體,其建設水平是評價其風險的重要指標。

(3)船員影響指標。隨著港口經濟的發展,海上運輸業也隨之發展,進而對船員的需求量越來越大。船員作為航運發展的直接承擔者,船員的綜合能力水平越高,碰撞事故發生的概率就越小,且可最大程度減少損失。

3.3 狀態指標

狀態指標指在驅動力作用下船撞橋系統環境的反應。船撞橋風險評價過程中,通過對船撞橋事故風險源的分析,可將狀態指標從船員技能和素質、船舶自身狀態、船舶的偏航概率以及橋梁防撞和助航設施水平等方面考慮。

(1)船員技能和素質。船員技能是對船員適應工作評價的主要依據,良好的船舶操縱能力可對船撞橋事故風險進行有效的控制,且事故發生或將要發生時能采取一定的有效措施使船舶和橋梁的損失最小化。船員的素質也是影響船撞橋事故風險的重要因素之一,船舶駕駛人員作為船舶航行的直接操縱者,其素質將直接影響船舶的操縱,進而影響船舶穿越橋區航行時的安全。

(2)船舶自身狀態。船舶往往是造成船舶航行安全的直接因素,船舶穿越大橋過程中的狀態是船橋環境系統的安全保障,船撞橋事故多與船舶自身狀態有關。在穿越大橋時,船舶機械失效、船舶的類型和尺寸、助航電子設備失效甚至船舶管理等因素都直接或者間接地造成船舶撞橋事故的發生。

(3)橋梁防撞和助航設施水平。若橋梁的防撞水平與橋梁設計標準的通航船舶等級不匹配,就會造成船撞橋事故風險增大,尤其是非通航孔橋區若未設置防撞裝置,對于船舶誤入或者違章進入非通航孔,一旦發生碰撞就會影響橋梁安全。另外,橋區的助航設施可指導船舶安全穿越橋區,當船舶駕駛員在穿越橋區航行時難以通過警示標志分清通航橋孔和非通航橋孔,就會隨意選擇橋孔穿越橋梁,進而增加了船撞橋的風險程度。

3.4 影響指標

影響指標指由于驅動力和壓力指標的作用而引起船橋環境系統的變化。船撞橋事故風險評價過程中,主要考慮橋梁建設引起的通航條件變化和船撞橋事故發生等方面。

(1)通航條件的變化。橋梁的建設會造成通航條件的變化,進而導致船舶的操縱空間受限,如水深的改變、流向的變化、橋區凈空尺度以及航道條件的彎曲度、會遇交叉情況、航道寬度等都影響船舶在橋區航道的安全航行。復雜程度越大的通航條件,駕駛員操縱船舶帶來的難度就越大,船舶碰撞事故的風險程度也隨之增加。

(2)船撞橋事故。船撞橋事故指標從不同風險等級事故發生的次數對其風險進行評價。船撞橋的風險等級根據其風險后果分為災難性的、嚴重的、較輕的、可忽略的等四個等級[5]。

3.5 響應指標

響應指標是指在船撞橋事故發生后,相關部門為了減少船撞橋事故的發生而采取的措施指標。通過對船撞橋的風險源分析,可將響應指標分為船撞橋的防撞控制和船撞橋管理機制的健全。

(1)船撞橋的防撞控制水平。船撞橋的防撞控制可分為主動控制和被動控制：主動控制是指通過預警、助航、水上管理以及對船舶和船員的管理等措施減少風險程度；被動控制主要是指橋梁的抵抗撞擊能力和防撞設施的配置,進而減少事故損失。

(2)船撞橋管理機制的健全程度。船撞橋管理機制的健全是減少事故發生的有效保障,通過建立健全的船撞橋管理體制,可統一協調、組織、監督相關職能部門行使職責,進而降低其風險[19]。

本文結合人、船、橋、環境、管理等影響因素,在指標篩選原則的指導下,建立了基于DPSIR(驅動力-壓力-狀態-影響-反應)模型的船撞橋風險評價的指標體系(圖3)。

圖3 船撞橋風險評價指標體系

4 DPSIR船撞橋風險評價指標體系的應用

通過DPSIR模型建立的船撞橋風險評價指標體系,將其應用于對船撞橋風險評價。(1)識別船撞橋風險評價體系中關于人、船、橋、環境、管理等5方面的危險源；(2)通過參考相關文獻和規范，確定DPSIR指標體系模型中的各個指標等級評定范圍,將風險等級分為風險高、風險較高、風險一般、風險較低、風險低等5類,不同的風險等級對應不同的評定范圍,最終確定各評價指標對應的風險評價等級φi；(3)根據實際橋梁和橋區航行船舶的工況,確定各個風險評價指標的權重ωi。權重可分為主觀權重和客觀權重,可通過主觀、客觀或者主客觀結合的賦權方法確定指標的權重；(4)計算風險評價等級RI=∑φiωi,判斷其計算結果,若其屬于評價結果風險高、風險較高和風險一般中的某一等級,則應對危險源中風險等級高的指標加強控制(圖4)。

圖4 DPSIR船撞橋風險評價指標體系的應用流程

5 結論

(1)在分析危險源與船撞橋事故關系的基礎上,對船舶穿越通航橋的人為、船舶、橋梁、環境、管理等危險源進行了分析,為指標的篩選提供參考。

(2)分析了DPSIR模型中驅動力、壓力、狀態、影響、響應等5方面的制約或依賴關系,并敘述了該模型在船撞橋風險評價中的應用意義。

(3)分析了代表性與針對性、指標定量與定性綜合、全面性與獨立性、科學性與可操作性等指標篩選原則,為建立指標體系提供一定的理論依據。

(4)從驅動力、壓力、狀態、影響、響應等5方面篩選出12個評價指標,建立較為全面的船撞橋風險評價指標體系,進而為下一步對跨江河或海灣海峽等通航橋梁風險程度的評價提供一定的理論依據和實用價值。

(5)通過DPSIR模型建立的船撞橋風險評價指標體系計算風險評價因子,進而斷定所評價系統的風險程度,若其風險程度不符合要求,則可通過對危險源的加強控制進而降低風險,直到滿足要求。

(6)本文所建立的體系適用于橋區水域船舶交通流大的船橋系統,且其中部分指標無法量化,在后續的研究中將更加細化指標,有待在實踐中驗證,并通過判斷船撞橋的風險程度對如何控制風險的對策進行研究。