基于GISIS数据库的客滚船碰撞事故致因分析

李若皙，唐文勇，张道坤

（1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2. 中国船级社 北京研发中心，北京 100007）

0 引 言

随着海上货物运输量的逐年增加，航运业得到充分发展，海上交通流量越来越大[1]，碰撞、搁浅和火灾爆炸等船舶事故的发生率逐渐升高。根据国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）统计，2012—2017年共发生432起各类船舶事故，其中碰撞事故的比例超过10%。

减少和预防事故发生直接关系到海上运输的安全性，是国内外相关学者重点研究的领域之一。欧盟在其开展的针对符合SOLAS 2009要求的客滚船破损稳性参数综合安全评估（Formal Safety Analysis，FSA）研究项目（以下简称EMSA项目）中[2]构建事件树模型，研究客滚船搁浅和触碰事故发生后带来的后果，并对重要事故场景进行灵敏度分析。该研究仅针对事故发生后的危险场景，没有涉及事故的诱发因素及其概率；同时，由于事故数据不完整，在分析事故发生概率时采用很多假设和经验值，没有给出假设的合理性论证，这使得EMSA风险模型的有效性得不到保证。

为有效预防船舶海上事故发生，需对事故诱发因素进行研究；为提高风险分析模型的有效性，在构建故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）模型时，以全球综合航运信息系统（Global Integrated Shipping Information System，GISIS）数据库为依托，分析大量船舶事故数据报告中给出的事故诱发因素，计算船舶事故发生原因的数量值和概率值，解决以往研究中只能依靠专家意见给出经验值的问题，使分析结果更具客观性。同时，进行敏感性分析，对船舶碰撞事故危险进行具体分析，供提出风险控制措施时参考。

1 GISIS事故数据分析

GISIS数据库是IMO为便于对事故数据进行分析，以预防和减少同类船舶事故发生而开发的船舶事故数据库[3]，分为“港口信息”、“海事机构联系方式”、“船舶公司信息”和“海上船舶事故”等模块。该数据库的“海上船舶事故”模块记载1900—2017年的海上船舶事故数据，包括通过各种渠道收集到的船舶事故实际数据和IMO收到的伤亡调查报告中更详细的信息。

GISIS数据库将船舶事故类型分为碰撞、搁浅、结构性失效和人员意外伤亡（如乘客/船员突发疾病、意外坠落等）等几类，本文认为考虑人员意外伤亡类型对提高船舶安全水平没有意义，因此不包括在船舶海上事故中。同时，由于 GISIS数据库构建时间较晚，许多早期的船舶事故分析资料不完整，因此仅统计2003—2017年发生的海上船舶事故，其中符合本文研究需求的事故共4339起。

在世界船队中，油船、散货船和集装箱船3大船型占总保有量的87%[4]，其发生海上事故的数量占IMO记载的海上事故数量的65%（见图1）。除了这3大主流船型以外，客滚船和渔船发生海上事故的比例也较高，分别占10%和11%。近年来客滚船发生海上事故的比例有明显增加，2003年之前发生海上事故的比例占8%左右，而2003年以来增至13%（见图2）。该类船舶上的旅客较多，一旦发生海上事故，易造成较大的人员伤亡。

图1 不同船型发生海上船舶事故比例

图2 海上事故数及客滚船事故比例图

2 客滚船碰撞事故的故障树分析

2.1 客滚船碰撞事故的故障树构建

故障树分析方法[5]又称事故树分析方法，是运用运筹学原理对事故原因和结果进行逻辑分析的方法。采用故障树分析法，全面分析船舶系统，考虑导致系统发生故障的共因，并通过重要度分析给出系统薄弱环节的应对措施。故障树分析基本流程见图3。

图3 故障树分析基本流程

系统故障现象为故障树的顶事件，本文以客滚船碰撞事故为顶事件进行研究。各部件的故障即导致顶事件发生的最后一级原因，是故障树的基本事件。客滚船碰撞事故是由一连串原因造成的，可根据 GISIS数据库中的事故数据报告分析得出事故发生的原因和发生概率，这些事件就构成了导致客滚船碰撞事故发生的基本事件。GISIS数据库中对事故的描述包含了事故发生原因分析，包括瞭望不当、系统故障等，分析事故报告，构建故障树见图4。

图4 客滚船碰撞事故的故障树

2.2 客滚船碰撞事故定量分析

由n个基本事件构成的故障树系统，其第i个基本事件的状态用ix表示，顶事件的状态用φ(X)表示，则有

在“2.1”节构建故障树过程中，根据GISIS数据库中的资料得到故障树的基本事件，其概率按照导致事故发生的频率计算，有

式(3)中：Ni为第i个基本事件发生的次数；Ntotal为发生碰撞事故的总次数；m为统计事故的时段的年数。

客滚船碰撞事故基本事件及其发生概率见表1。

表1 客滚船碰撞事故基本事件及其发生概率

基本事件之间通过逻辑门发生关系，常见的逻辑门有“或”门和“与”门[6]，得到客滚船碰撞事故故障树如图4所示。

1) “与”门表示各分支事件同时发生就会导致上一级事件发生，即

2) “或”门表示各分支事件之一发生就会导致上一级事件发生，即

计算得到客滚船碰撞事故发生的概率为1.17×10-2，该概率值与SAFEDOR项目中[7]给出的1.25×10-2仅相差为6.4%，证明了该故障树模型的可靠性和合理性。

2.3 客滚船碰撞原因定性分析

为进行事故风险分析，需找到故障树的薄弱环节，先对绘制的故障树进行定性分析，即求解最小割集[8]。割集是故障树的若干基本事件的集合，若这些基本事件都发生，则顶事件必然发生。若割集中的任意某个事件去除之后不再成为割集，则称其为故障树的最小割集。对于最小割集而言，其阶数越小，表示该最小割集越重要。

可采用“下行法”和“上行法”[9]求解最小割集。本文采用“下行法”求解，其步骤为：

1) 遇到“与”门就将其输入事件排在同一行，即只增加割集阶数，不增加割集个数；

2) 遇到“或”门就将其输入事件各自排成一行，即只增加割集个数，不增加割集阶数。

上述步骤持续进行，直到全部换成基本事件为止。随后通过两两比较去掉非最小割集，剩下的即为故障树的全部最小割集。求得客滚船碰撞事故故障树的最小割集为：{X7},{X10},{X11},{X18},{X19},{X20},{X21},{X23},{X1, X5, X8, X22},{X1, X6, X22},{X1, X16, X22},{X1, X9, X22},{X12, X16}, {X13, X16},{X14, X16},{X15, X16},{X15, X17},{X16, X24},{X2, X16, X22},{X2, X5, X8, X22}, {X2, X6, X22},{X2, X9,X22}, {X3, X5, X8, X22},{X3, X16, X22},{X3, X6, X22},{X3, X9, X22}, {X6, X15},{X4, X16, X22},{X4, X6,X22},{X4, X5, X8, X22},{X4, X9, X22}。

利用最小割集对故障树进行定性分析，得到导致事故发生的高风险事故场景为疲劳驾驶、未遵守海上交通法规、超速行驶、值守不当、既定航线不安全、天气恶劣和操作不当，这对找出客滚船碰撞事故危险场景及后续给出风险控制措施具有重要意义。

2.4 事故发生原因敏感性分析

采用FTA方法的一个优点是可进行敏感性分析（重要度分析）。重要度分析是故障树定量分析中的重要组成部分。重要度是指一个部件或系统的割集失效时对顶事件发生概率的贡献，是时间、部件的可靠性参数和系统结构的函数[10]。常用的重要度一般包括结构重要度、概率重要度和临界重要度。

2.4.1 结构重要度

第i个基本事件的结构重要度是指不考虑其自身发生的概率，仅从结构上分析事件发生与否对顶事件状态的影响程度，在本质上就是求解最小割集，有

式(6)中：φ( 0i,X)为第i个基本事件不发生时顶事件的状态；φ( 1i,X)为第i个基本事件发生时顶事件的状态。

计算客滚船碰撞事故故障树基本事件的结构重要度，得I(X23)=I(X21)=I(X20)=I(X19)=I(X18)=I(X11)=I(X10)=I(X7)＞I(X16)＞I(X15)＞I(X22)＞I(X6)＞I(X17)＞I(X9)＞I(X8)=I(X5)＞I(X4)=I(X3)=I(X2)=I(X1)＞I(X24)=I(X14)=I(X13)=I(X12)。

2.4.2 概率重要度

第i个基本事件的概率重要度是指其发生概率有微小变化时导致的顶事件发生概率的变化率，有

式(7)中：Qi(t)为第i个基本事件发生的概率。

2.4.3 临界重要度

临界重要度也称关键重要度，第i个基本事件的关键重要度是指其故障概率的变化率对顶事件故障率的变化率的影响，有

式(8)中：Qi(t)为第i个基本事件发生的概率。

客滚船碰撞事故的概率重要度及临界重要度计算见表2。

表2 客滚船碰撞事故的概率重要度及临界重要度计算

由表2和结构重要度计算结果可知，无论从哪个重要度的角度考虑，对客滚船碰撞事故后果影响程度排在前列的都是X23、X18、X21、X10和X11，而排在后面的包括X8、X5和X2。其他影响因素在考虑概率重要度和临界重要度时影响程度有所不同，但总体上变化不大。

由已有文献和IMO关于各类船舶的FSA项目可知，目前利用事件树对事故后果进行分析的工作开展得较多，其中初始事件概率值大多是借鉴其他工业（如核工业）或专家的意见得到的，如文献[11]和文献[12]，但没有对船舶事故发生原因进行深入研究。本文对船舶事故致因进行分析，可为后续FSA进行风险控制提供参考。

3 结 语

本文基于GISIS数据库对2003—2017年的船舶事故数据进行了分析，并基于故障树理论分析了GISIS数据库中客滚船碰撞事故的发生原因。通过对故障树进行定性分析和定量分析，计算了各事故原因的结构重要度、概率重要度和临界重要度；通过重要度排序，确定了影响客滚船碰撞事故的主要因素。研究结果表明，值守不当、应急操作不当和未遵守海上交通法规等人为因素对客滚船舶碰撞事故的发生有较大影响。该方法还可用于其他船舶事故分析，弥补EMSA项目中缺少事故诱发因素分析的不足；在FSA框架下，能更好地服务于后续船舶风险控制方案的设定。