综合安全评估在客船破损稳性衡准修订中的应用
2017-05-16王西召顾学康聂明明
王西召，顾学康，聂明明
(1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214000；2.大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)
综合安全评估在客船破损稳性衡准修订中的应用
王西召1，顾学康1，聂明明2
(1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214000；2.大连海事大学 航海学院，辽宁 大连 116026)
针对SOLAS 2009有关客船破损稳性的要求，分析综合安全评估(FSA)在提高客船破损稳性衡准论证中的具体应用方式，认为FSA在提高客船R指数中得到全面的应用，建立的风险模型可评价现有邮轮和滚装船的社会风险水平，可作为成功修订IMO规则的一个范例。
综合安全评估;SOLAS公约;客船;概率破损稳性;要求的分舱指数R
综合安全评估(FSA)作为一种结构化和系统化的风险分析与费效评估方法在国际海事组织(IMO)规则制定中的应用日趋广泛，它包括危险识别、风险分析、风险控制方案的提出、费效评估与决策建议5个基本步骤[1-2]。该方法以情景分析为基础，对系统潜在危险进行全面分析，评估危险发生的可能性及后果的严重程度，提出以降低危险发生的频率或减轻后果为目的的风险控制措施，并在对风险控制措施进行费效评估的基础上，筛选出符合费效准则的措施，为规则的制定或修订提供科学依据[3]。成员国或国际组织在向IMO提交关于公约和规则的修订建议时，常常借助于FSA对其建议的事项进行分析，并利用分析结果验证其建议的可行性。
自SOLAS公约公布概率破损稳性规则(简称SOLAS 2009)后，IMO成员国针对SOLAS 2009中的一些漏洞(如未考虑客滚船滚装甲板进水对破损稳性的影响[4])开展研究，比较突出的是欧盟开展的客船破损稳性研究项目(分别简称EMSA1、EMSA2和EMSA3)和英国与丹麦联合开展的基于费效分析的客船风险型破损稳性新要求研究项目(简称GOALDS项目)，见表1。制定SOLAS 2009的目的就是为了提高船舶破损稳性，但EMSA2研究发现，按照SOLAS 2009设计的客滚船破损残存能力比按SOLAS 90(客船的破损稳性的确定性方法)和斯德哥尔摩协定共同设计的客滚船差，而SOLAS 90和斯德哥尔摩协定也有一定的局限性。这种局限性主要体现在船舶安全水平评价的不统一，即两艘符合斯德哥尔摩协定的船舶却有不同的残存性水平(按照达到的分舱指数A计算)[5]。这种不统一可能导致船舶设计上的一些差异，进而导致符合斯德哥尔摩协定的船>舶安全水平出现差异[6]。因此,为全面对SOLAS公约客船残存性的要求进行修改，欧盟开展了EMSA3研究项目，本文以EMSA3项目的相关数据为基础，研究FSA在提高客船破损稳性衡准的论证中具体的应用方式，为国内开展基于FSA的船舶破损稳性研究提供借鉴。
1 SOLAS 2009关于客船破损稳性的要求
SOLAS 2009的基本原理是按照经典条件概率论研究船舶遭遇碰撞破损浸水的概率以及浸水后残存的概率。假定“破损后能残存”为A事件，“被碰撞而发生破损浸水”为B事件，“浸水后没有倾覆”为C事件，按照条件概率论“破损后能残存”A事件为B、C同时发生的结果，A=B∩C。
船舶破损后残存概率为
(1)
式中：P(A)为船舶破损后残存的概率；P(B)为发生某一破损事件的概率；P(C/B)为在事件B发生的条件下，事件C发生的概率[7]。
船舶分舱不同则破损后残存的概率不同，通过计算船舶破损后残存的概率P(A)，即能体现船舶的分舱水平。SOLAS 2009中称船舶破损后残存的概率P(A)为船舶达到的分舱指数A(以下简称“A指数”)，每一艘船舶都有一个确定的A指数。而实船的A指数须满足一定的衡准，该衡准称为要求的分舱指数R(以下简称“R指数”)，因此R指数的水平决定了船舶应该满足的分舱程度，应用FSA提高船舶的概率破损稳性要求主要是提高R指数的水平。
1.1 对客船R指数的要求
对于适用破损稳性要求的所有客船，指数R由以下公式确定。
(2)
式中:LS为分舱长度；N为救生艇可供使用的人数N1与允许船舶载运的超出N1的人数N2(包括高级船员和普通船员)之和。
客船R指数如图1所示，客船的R指数与分舱长度和船上人数有关。SOLAS公约第Ⅲ-21条规定，从事非短程国际航行的客船救生艇可容纳人数不得少于船上人员的75%，而从事短程国际航行的客船救生艇可容纳人数不得少于船上人员的30%，故图1中区分了救生艇容纳30%和75%船上人员2种情况，救生艇可容纳人数为30%时的R指数明显高于75%的情况。
1.2A指数的计算
A指数的计算首先是根据不同吃水计算出局部分舱指数Ai，然后将各局部分舱指数进行组合，得到全船的A指数。SOLAS 2009在定义部分给出了最深分舱吃水(ds)、空载吃水(dl)与部分分舱吃水(dp)的定义，根据以上3种不同的吃水可以计算出各局部指数As、Al和Ap。达到的分舱指数A可由局部指数As、Ap和Al的加权相加得到，按下式计算。
A=0.4As+0.4Ap+0.2Al
(3)
每一局部指数是对考虑的所有破损情况的影响的总和，应按下式计算。
(4)
式中:Ak为局部指数As、Ap或Al；i为所考虑的每舱或舱组；Pi为只有所考虑的舱或舱组可能浸水的概率；不考虑任何水平分舱；Si为所考虑的舱或舱组浸水后的残存概率；包括任何水平分舱的影响。
2 FSA在提高R指数中的应用
应用FSA对客船(包括邮轮和滚装船)破损稳性进行研究，应识别客船碰撞、搁浅、火灾/爆炸等危害，建立风险模型评估客船现有风险水平，筛选出符合费效比的风险控制措施，最终提出提高客船R指数的建议。
2.1 风险分析和评估
运用事件树(ET)建立风险模型。事件树模型依据高层次事件序列建立，高层次事件序列为事件树的主要分叉。以邮轮碰撞为例，图2列明了船舶碰撞事故发生后5个层次的后续事件序列，并在此基础上构建了如图3所示的邮轮和客滚船碰撞事件树。
如图2所示，碰撞事故发生后区分撞击或是被撞；船舶操作区域分为航行途中/受限制水域和港口区域；船舶进水状况区分进水或不进水；船舶下沉状况区分下沉和不下沉；下沉区分快和慢。图3显示的事件树的初始频率是根据历史数据统计得到的，即发生碰撞的概率为0.696%。其他各个节点的概率由假设或情景模拟得到，其中没有下沉的概率86%即为船舶的A指数。
在风险评估方面，选取两类邮轮和三类滚装船进行风险评估，表2显示了邮轮和滚装船样本船型的基本参数，表3和表4分别显示了邮轮和滚装船的事故频率和潜在人命损失(PLL)。根据邮轮和滚装船碰撞、搁浅、火灾/爆炸的事件树模型，绘制出邮轮和滚装船的F-N曲线，以大型邮轮的F-N曲线为例(见图4)，可知大型邮轮的F-N曲线大致在ALARP(最低合理可行)区域内。
2.2 风险控制方案的选择和费效评估
风险控制方案(RCO)的选择一般更倾向于船舶设计上的一些改变，而非操作程序或步骤上的变化。因此欧盟和IMO关于船舶破损稳性的FSA研究，主要关注能改变船舶设计并且能够提升破损稳性的措施，然后依据SOLAS 2009计算实施该项RCO后船舶达到的分舱指数A。表5为大型邮轮的RCO，RCO的选择主要集中在2个方面，一是改变船舶主尺度，例如改变船舶宽度和干舷；二是改变船舶内部分舱，例如改变船舶的布置或增加水密舱壁。计算实施每项RCO后的指数A，并与参考船型的指数A进行比较，得到指数A的变化值ΔA，见表6。结果显示,每项RCO达到的分舱指数均大于参考船型的指数。
表2 样本船的基本参数[8]56
表3 基于2000-2012平均事故频率的邮轮PLL[8]57
船型大小事故数事故频率/(船·年)潜在人命损失(PLL)小型(625人)中型(1700人)大型(3280人)碰撞509.38×1032.76×1026.05×1028.96×102触碰/搁浅1132.12×1024.66×1028.28×1024.35×101火灾/爆炸244.50×1031.26×1025.52×1028.21×102进水101.88×1032.19×1027.75×1021.05×101合计3.70×1021.09×1012.76×1017.12×101
表5 大型邮轮的RCO[8]152
表6 大型邮轮每项RCO达到的分舱指数A[8]174
每项RCO的成本由净现值(NPV)表示，在计算NPV时，假定船龄为30年，每年5%的折现率。考虑实施每项RCO所造成的钢铁重量、公共区域、舱室区域、主机功率、燃油等的变化,最终确定每项RCO成本的NPV值，见表7。
表7 大型邮轮每项RCO的NPV值[8]174
费效评估的衡准取为800万美元。经分析可知，只有K1(改变分舱)和K3(改变分舱+增加40 cm干舷)方案的NPV值低于400万美元，指数A分别增加了0.009 8和0.013 3；K2方案的NPV值低于800万美元，指数A增加了0.015 6。故K1、K2和K3方案可作为备选方案。
2.3 对R指数的建议
对由滚装船或邮轮符合费效比的RCO计算所得的指数A进行回归分析，得到指数R的建议曲线，见图5。图中的散点值即为各个RCO达到的指数A，对散点值进行回归分析，即可得到建议的指数R(图中蓝线所示)。该曲线起点约为0.83，然后缓慢上升，在6 000人左右处达到0.9[9]。IMO采纳了该曲线6 000及以上的区段，拟合公式对应表8中N>6 000时的公式。
3 IMO确定的R指数
IMO船舶设计和建造分委会第3次会议(SDC3)对EMSA项目以及各国的提案进行了审议[10]，经过协调磋商，最终形成了指数R的折中方案，见图6[11]。该方案将指数R分为3段，分别为0～1 000人、1 000～6 000人和6 000人以上，并给出相应的计算公式，见表8。
船上人数RN≤1000R=0.000088×N+0.74881000
该计算公式较SOLAS 2009有较大变化，SOLAS 2009关于指数R公式与分舱长度、船上人数和救生艇可容纳人数相关，而此次SDC3建议的指数R计算公式仅与船上人数相关。相较于SOLAS 2009，SDC3建议的指数R起点定为0.75，在400人处达到0.783 0，提高了约11.9%；在1 000人处达到0.836 8，提高了约14.6%；在6 000人处达到0.900 6，提高了约5.6%。
4 客船概率破损稳性研究对FSA的促进作用
欧盟进行的客船概率破损稳性研究全面评估了邮轮和客滚船的社会风险，其对事故频率和伤亡人数的独特假设丰富了FSA事件树模型的研究案例，例如船舶下沉区分快沉和慢沉两种情况，大中型邮轮快沉的概率为18%，滚装船和小型邮轮快沉和慢沉均为50%；航行途中快沉伤亡比例为80%，慢沉为5%，而港口区域快沉伤亡5%，慢沉没有伤亡。
此外，该项研究还提出了可供后续研究使用的社会风险衡准和费效衡准，计算方法参见文献[12]；费效衡准经灵敏度分析取值在400万～800万美元，即NPV值处于400万～800万美元之间或以下均为符合费效比，更新了FSA导则的费效衡准建议值300万美元。
5 结论
此次对SOLAS 2009的修订是FSA在IMO公约修订中的一次成功实践，FSA在提高客船R指数的过程中起到关键性作用。建议我国在开展基于FSA的船舶破损稳性研究工作时，借鉴风险模型中各个阶段的事故假设和伤亡假设，建立符合我国经济发展实际情况的客船社会风险衡准和费效衡准，评价我国现有客船的风险水平。
IMO最终确定的R指数公式较SOLAS 2009有较大提升，特别是对小型和中型客船的残存性水平提升幅度较大。建议业界关注新制定的R指数对客船分舱设计与建造成本带来的影响。
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Application Overview of Formal Safety Assessment in Amending Damage Stability Criteria for Passenger Ship
WANG Xi-zhao1, GU Xue-kang1, NIE Ming-ming2
(1.China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214000, China;2.Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)
In terms of the damage stability requirements in SOLAS 2009, the application of formal safety assessment (FSA) in improving the damage stability of passenger ships was analyzed. It was found that the FSA approach has been fully used for the purpose of increasing indexRof passenger ships. The risk model is helpful to assess societal risk of existing cruises and RoPax ships. This specific application of FSA appears to be a good example for successfully amending IMO regulation.
FSA; SOLAS convention; passenger ships; probabilistic damage stability; required subdivision indexR
10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.001
2016-09-01
工信部高技术船舶科研项目(工信部联装[2013]414号)
王西召(1990—)，男，硕士，助理工程师
U661.2
A
1671-7953(2017)02-0001-05
修回日期：2016-09-14
研究方向:船舶与海洋结构物安全性评估
