船舶碰撞事故致因及管控措施研究

李晓松，孔宪卫

(交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

海上交通具有高风险性，一旦发生事故，往往造成严重的经济损失，甚至会造成人员伤亡和环境污染，根据《水上交通事故统计办法》[1]对水上交通事故的分类，事故类型包括：碰撞事故、搁浅事故、触损事故、浪损事故、火灾爆炸事故、风灾事故、自沉事故、操作性污染事故、其他引起人员伤亡直接经济损失或者水域环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]，根据中华人民共和国海事局对船舶事故的统计中，碰撞事故占比高达48.7%[3]。用科学的方法和手段预估船舶碰撞潜在的风险并加以控制，从而有效的降低发生碰撞事故的概率，是保障航运安全和海洋环境的重要手段[4]。近年来，国内外大多采用定性方法来研究船舶碰撞事故发生的原因，该类方法虽能直观的显示风险，但不能较好的反映出碰撞事故发生的内在规律及潜在因素，因此采用定量的风险分析方法对船舶碰撞进行风险分析更具理论基础和说服力[5-6]。

本文通过碰撞事故样本的统计，从人、船、环境三方面对导致船舶碰撞的因素及其机理进行了分析，建立了基于贝叶斯网络的全因素船舶碰撞致因模型，通过该模型，能够直观的看出三因素对碰撞事故的影响程度及其相互相关。并将该模型应用到天津港船舶碰撞致因分析当中，找出了导致碰撞事故最可能的致因链条及致因因素所占的比例。利用船舶操纵模拟器对碰撞事故进行还原，找出事故发生的原因，发现关键的管理控制点，提出针对性的保障措施和建议。

1 贝叶斯网络模型

贝叶斯网络实际上是一种基于概率计算的有向图解模型，通过该模型表达变量的依赖关系，适用于不确定性知识的表示和推理。它可以将复杂的变量关系体现在一个网络结构中，以简洁的图表形式揭示变量之间的内在规律，运用概率参数描述变量之间的关联强度，将繁杂的联合概率通过条件概率有效地表达出来[7]。构建完成的贝叶斯网络模型需要由三方面组成：确定贝叶斯网络各节点、确定各节点的依赖关系(即网络结构)以及确定依赖程度(各节点的条件概率)[8-9]。

1.1 贝叶斯网络节点

构建贝叶斯网络的重要因素之一就是确定网络节点，本文通过对影响船舶碰撞的三方面(人、船舶、环境)因素的分析，经过事故样本的反复整合，最终确定节点为32个。

贝叶斯网络第一个节点用C表示(即船舶碰撞)。其他31个节点按照人的因素、船舶、环境三方面进行划分，如表1所示，并对相应的节点进行了编号。其中，人的因素按照航行戒备——避碰决策——操纵行动三个阶段进行划分。

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

1.2 贝叶斯网络结构

研究贝叶斯网络，需要确定各因素之间的关系以及各因素与碰撞事故的关联度，图1为船舶碰撞贝叶斯网络结构图，以船舶因素S中的S1设备故障为例，从事故样本中可以得出S1包括S3电气设备故障、S4主机故障和S2航海仪器故障。舵机和螺旋桨属于船舶直接和水接触的设备，易受环境影响，因此，环境因素对船舶因素中的S5舵机故障以及S4主机故障有直接影响，是他们的父节点之一。而舵机受液压驱动或电气驱动，属于电气设备系统下的一种设备，S5舵机故障是S3电气设备故障的父节点。同时，设备故障S1还包括S2航海仪器故障，而S2航海仪器故障由S6通讯系统故障与S7导航系统故障两个主要方面构成。

图1 船舶碰撞贝叶斯网络结构Fig.1 Structure of bayesian network

基于以上方法，根据贝叶斯网络结构的建立方法[10]，结合事故调查报告样本，基于专家的经验从样本中提取出来的有向边，参考《1972年国际海上避碰规则》的逻辑结构，剔除只存在于极少数事故中的有向边，经过逻辑上的反复求证，将上文确定出来的32个节点按照要求，最终确定出船舶碰撞贝叶斯网络结构。

1.3 网络节点条件概率的确定

进行贝叶斯网络推理的基础是已经知晓各节点之间的条件概率。本文基于中华人民共和国天津海事局2011～2015年公布的船舶碰撞事故调查报告，通过概率论数理统计的相关知识，统计得出了各个节点的条件概率[11-12]。

本文所确定的节点之间的条件概率，基于已经发生的船舶碰撞事故样本而来，所有的样本都以船舶碰撞为终点，这就相当于连续学习了多起船船碰撞事故数据而得到的概率。所以，本文贝叶斯网络的学习相当于假设海上连续发生了多起船舶碰撞事故并对这些事故进行学习。也可以通过这些起船舶碰撞案例学习的结果，从船舶碰撞事故这个特殊的领域去分析问题，解决问题。

图2 碰撞模型验证图Fig.2 Verification diagram of collision model

2 模型的验证与应用

2.1 模型的验证

为了验证船舶碰撞贝叶斯网络模型的有效性，以《天津01·22 “太行6”轮与“富通”轮碰撞事故》为例进行验证。

2016年1月22日2256时，太行海运有限公司所有的“太行6”轮在靠泊南疆13号泊位的过程中，与靠泊在南疆12号泊位的CRONUS SHIPPING CO LIMITED所有的“富通”轮发生碰撞。将《天津01·22 “太行6”轮与“富通”轮碰撞事故》的相关节点的值输入模型，其联合概率如图2所示。由图2可知，“太行6”轮发生碰撞事故的概率为96%。

2.2 模型的推理

贝叶斯网络的因果推理已经在模型验证中得到利用，本文利用贝叶斯网络的诊断推理寻找船舶碰撞的逆向致因链条，将船舶碰撞的发生概率设为1，诊断推理的结果如图3所示。通过推算得出网络模型图，从碰撞阶段C逆向依次找出后验概率最大的一个父节点[13-15]。

因此，得出导致天津港碰撞事故最可能的致因链条为：对天气海况考虑不充分→对碰撞危险估计有误→未使用安全航速→人为因素→碰撞事故。

图3 贝叶斯网络推理图Fig.3 Inference graph of bayesian network

2.3 碰撞致因分析

通过贝叶斯网络致因模型的推理分析，天津港港区发生碰撞事故时，人为因素、船舶因素、环境因素(三种因素相互独立)的致因概率及分析如下。

(1)人为因素。

该水域若发生碰撞事故，人为因素导致碰撞事故的概率为94%，其中，航行戒备阶段主要因素为天气状况考虑不全(致因概率为67%)；避碰决策阶段主要为对碰撞危险估计有误(致因概率为82%)，操纵行动阶段主要因素为操纵不当(致因概率为21%)、未使用安全航速(致因概率为68%)、未能及时采取行动(致因概率为57%)。

(2)环境因素。

该水域若发生碰撞事故，环境因素导致碰撞事故的概率为49%，主要体现在大风浪天气(致因概率为30%)，南疆5号～15号泊位受吹拢风发生事故的比例较高。

(3)船舶因素。

该水域若发生碰撞事故，船舶因素导致碰撞事故的概率只占6%，说明船舶设备的可靠性、耐失误设计及设备冗余系统等方面目前已经基本满足使用要求，船舶因素所占的比例较小。

3 船舶操纵模拟试验

依据贝叶斯网络模型推理结果可知，天津港发生碰撞事故的主要原因为人为因素和环境因素，具体体现在天气状况考虑不全、碰撞危险估计有误、未使用安全航速、大风浪天气等。为了进一步明确船舶发生碰撞事故的具体原因及可以采取的应对措施，需利用模拟器进行事故还原和事故避免试验。

表2 模拟试验方案Tab.2 Simulation experimental scheme

3.1 模拟试验方案

天津港南疆港区2011～2015年发生多起碰撞事故，以下针对“津滨快航169”轮与“COREWISE OL”轮碰撞事故、“时代5”轮与南疆8号泊位触碰事故、“河北传奇”轮与南疆11号泊位触碰事故、“宁丰1”轮与“金海强”轮碰撞事故进行典型试验。其中风、船位等资料根据调查报告、AIS数据提取所得，流场则利用数模计算结果，模拟实验方案见表2。

3.2 模拟试验结论

(1)模拟试验结果分析。

①事故还原试验

图4 “津滨快航169”轮与“COREWISE OL” 轮碰撞还原试验Fig.4 Reduction test of collision between “JINBINKUAIHANG169” and “COREWISE OL”

以下以 “津滨快航169”轮与“COREWISE OL”轮碰撞事故仿真试验为例，说明试验过程及结果。本试验做了7级NNE的事故还原试验(见图4)，试验中，“津滨快航169”轮与“COREWISE OL”轮发生碰撞。7级风力情况下，船舶向右掉头完成并向南疆5号泊位航行过程中，产生的横移速度最大为0.45 m/s。通过对该事故还原试验的分析可知，发生碰撞的主要操纵原因在于：船舶抵达泊位位置时的航速过快；直航靠泊时与“COREWISE OL”的横距过近。

②事故避免试验

根据贝叶斯网络致因模型的推理分析及事故还原试验可以确定主要碰撞因素为风速较大、航速过快和横距过近，因此通过采取提前降速、增加横距等措施分析其产生的效果。根据模拟试验结果分析可知，通过降低船速(到达泊位位置船速在1 kn以内)，“津滨快航169”轮可顺利的靠泊南疆5号泊位，不会与“COREWISE OL”轮发生碰撞；通过增大横距(根据风致漂移及流致漂移计算，横距最小为70 m)后，“津滨快航169”轮在靠泊过程中有充足的距离，可以避免与“COREWISE OL”轮发生碰撞。

(2)模拟试验结论。

通过对典型事故的还原试验及事故避免试验(见图5)，模拟试验分析可知，发生碰撞事故的主要原因如下：

①船舶航速过快：航速过快导致船舶靠离码头时，出现紧迫局面时船位无法得到较好的控制，且留有应急处置的时间较短。

②船舶操纵不当：操纵不当导致船舶靠离码头时，在发生紧迫局面时采取了不协调的避让行动，导致事故发生的几率大大增加。

③对风流要素估计不足：在出现大风天气情况时，船舶按照一般天气情况进行处理，未考虑风、流致漂移和风、流致偏转的影响。

④横距过近：船舶在回旋掉头时与邻近泊位横距过大，加上外部环境的影响，容易发生碰撞事故。

图5 “津滨快航169”提前减速、增大横距后的模拟试验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

利用船舶操纵仿真试验等手段分析了天津港碰撞事故发生的原因及规律，从人为方面、船舶方面、环境方面、管理方面提出了相应的保障措施。

(1)人为方面。

保障船舶安全的关键是控制人为因素，从宏观角度应按照ISM规则建立船舶安全管理体系(SMS)，对船员进行系统化安全管理；驾驶员的综合素质在船舶避碰过程中起到至关重要的作用，应加强驾驶员实操能力的训练和评估，强化安全意识，增强驾驶员对危险局面的应对能力；驾驶人员应充分掌握船舶的航向稳定性、航向保向性、回转性、制动性等操纵特性，以便在出现危险局面时能够有效控制船舶。

(2)船舶方面。

根据IMO规则的要求，船舶开航前，应保持船舶适航，船体适航是船舶适航的重要组成部分，要求船舶各种航行设备处于良好状态，船舶主机/辅机等设备开航前应提前备车；根据船舶的操纵特性，制定不同天气海况下的进出港操作指南；加强船舶智能化的建设，利用AIS基站，准确掌握港口、航道及周边船舶动态。

(3)环境方面。

制定通航环境手册，详细介绍码头及交汇水域通航环境特点，船舶在进港时，提前了解项目水域的码头泊位情况，以便制定较为合理的进港计划；码头应根据风、流、泊位、交通情况制定靠离泊限制条件，在出现7级以上大风条件时，注意风致漂移和风致偏转，必要时可申请拖轮协助靠离泊；满载船舶航行时，流对船舶影响较大，大型船舶进出港时尽量选择平潮时刻。

(4)管理方面。

对于自引船靠离泊，码头公司应加强监管，在靠泊过程中，码头安全专人现场协助监控，实施船舶信息预报机制等措施；码头公司建立内部航运公司、船舶两个数据库，对发生事故(或存在安全隐患)的船公司和船舶进行重点监控；船公司进一步完善关于船舶操纵方面的安全管理体制和应急预案；海事主管机关需进一步加强船舶现场监管，对存在重大事故隐患船舶必要时采取强制措施。

4 结论

本文利用贝叶斯网络理论建立碰撞致因模型，找出碰撞事故的致因规律，利用船舶操纵模拟器找出事故发生的原因，发现关键的管理控制点，提出针对性的保障措施。

(1)建立了基于贝叶斯网络的全因素船舶碰撞致因模型，并将该模型应用到天津港碰撞致因分析当中，找出了导致碰撞事故最可能的致因链条及致因因素所占的比例。

(2)利用船舶操纵模拟器对碰撞原因进行了分析，找出了天津港发生船舶碰撞的主要因素，分别为船舶航速过快、船舶操纵不当、大风天气的影响、横距过近。

(3)针对导致船舶碰撞事故的致因链条及致因因素，从人为、船舶、环境、管理四个方面提出了相应的保障措施和建议。