油轮航行风险研究发展趋势

刘明明 叶颖怡 杨明慧

(广东交通职业技术学院，广东广州 510800)

海难事故，尤其油轮失事经常造成人命损伤及重大财产和环境损害，因此一直以来都是国际海事组织甚至整个海事界关注的重点。据统计，从1980年至地2017年约有63991起海事事故，平均每年1777起，每年约2000名海员丧失生命[1]。海上交通运输循环需要各港口来衔接完成，而油轮是船舶类型中相对危险的危险源，其历史事故数据也较多，因此有必要对油轮进出港安全问题给予足够的重视。

目前的研究得益于海上航行经验、事故数据可获得性、事故分析预防研究方法的发展和事故致因理论等研究[2]。了解目前对于油轮进出港风险的总体性研究将有助于将来研究的方向定位。

1 油轮航行风险研究综述

涉及油轮溢油风险主要是事故发生时的溢油扩散[3]。油轮碰撞风险方向：包括碰撞模型仿真[4]、定量油轮碰撞风险评估[5]问题等的研究。另外还有油轮搁浅事故风险、船舶操作、水上过驳、船上安全操作及人因失误分析[6]等研究。研究内容涵盖油轮事故预防管理系统、船舶结构稳定性技术分析、油轮事故污染、国家/国际组织出台的安全规程。就研究对象而言，涉及有油轮、化学品船、LNG和浮式生产存储平台(FPSO)[7]。油轮事故的历史数据库对于研究事故模式和主要事故致因因素至关重要，另外适当的海事政策有助于将来事故的预防。由于最近20年海上事故的增长、船舶和货物后果的严重性及对海上环境造成的巨大损伤，研究文献不断增多，另一部分原因在于提高的各类事故数据易得性和互联网的强大。

从收集的研究文献来看，可得出两个基本的研究趋势，第一，事故研究涉及更宽的研究领域，包括人、机、环、管各个方面；第二，Marine Structures, Ocean Engineering, Marine Technology , Ships and Offshore Structures 等期刊的研究文献发表的较多，有增长趋势。

1.1 油轮进出港溢油、碰撞、搁浅风险

尽管水上交通事故发生概率并不高，可风险依旧存在；风险作为不确定性概率和后果的组合，由两部分共同决定。由于港口的特殊地形和在海上运输当中所起的独特作用，使得船舶在港口的航行具有一定特性，如交通流量大、富裕水深随潮汐变化、事故后果更加严重、存在高风险区域等。通过历史事故数据和文献阅读可知，油轮事故模式主要有溢油、碰撞、搁浅、火灾/爆炸等[8]，发生概率和风险大小依次降低,其中油轮溢油风险占据事故风险的独立地位。

通过研究从1973年至2017年万吨级油轮溢油事故数据，发现海上交通溢油事故有一定的规律。研究发现事故发生具有10年的循环周期，溢油体积总体有所降低，其中原油占99%，其余为成品油。约65%油轮破损，35%油轮因火灾、爆炸损毁。航行失误导致42.5%的溢油事故，暴风雨造成约31.8%的事故，机器故障因素占18.2%，引擎失效因素占4.5%，其他因素占3%。单次事故最大人命损伤43人[9]。

油轮溢油涉及很多复杂因素和原因，碰撞、搁浅、装/货操作失误等都可能造成溢油事故。溢油的影响也与一系列因素有关，像溢油条件、溢油区域特征、溢油响应以及修复的类型和效率等，这也是油轮溢油风险受到如此重视的原因。油轮溢油风险的研究涉及各个方面，包括溢油前的预防、评估、油轮溢油风险降低措施及其风险接受标准、港口油轮操作的溢油风险评估[10]、航行溢油风险研究及应用、溢油事故时溢油的传播特性和溢油事故后的风险分析,如事故案例风险分析等[11]。

溢油风险评估主要考虑溢油发生次数和溢油量/体积，这两个因素决定了溢油事故的分级。油轮溢油的分析可以限定在四个主要方面，具体为(1)目前事故性溢油的次数和溢油量；(2)溢油量/体积分布，如更大泄露量对总体泄露体积的贡献，或反之；(3)溢油事故空间分布及重点溢油风险区域识别；(4)关键因素对溢油的影响，如船旗国、船体类型、船龄、事故原因和事故地点的敏感性等[12]。

油轮碰撞和搁浅事故通常与船舶操作人因失误有关，而碰撞和搁浅往往造成火灾和爆炸事故[13]。对于搁浅发生，首要考虑的问题是考虑如何脱浅以防止造成进一步的损害和油污污染[14],具体措施有将搁浅位置货舱货物向搁浅位置远端的压载舱转移。碰撞/搁浅发生概率与船舶航行区域地理条件(海床地形条件)和船舶操纵有关，造成的损伤位置和尺寸与航速和航向有关。

油轮碰撞/搁浅事故风险分析可遵循一般化的风险分析框架，如Floris Goerlandt[15]提出贝叶斯网络用于油轮碰撞情况溢油的不确定性推理。贝叶斯网络包括联系事故发生与损害程度的模型，并利用模型进行限制性信息条件下的油轮布局评估。仿真涉及流体力学理论[16]，使用了ALE规则和有效的细泡沫冰块模型。

碰撞/搁浅事故的发生具有区域特性，取决于航行区域的交通流情况、周围环境和海床地形等因素。马六甲海峡是国际航运的高风险区域，船舶在这发生碰撞事故概率很高。基于AIS系统可知，油轮运输已达到交通运输量密度的最大值，每天约50%都是油轮。使用AIS数据可对油轮进行风险分析。Muhammad Badrus Zaman[17]从AIS获得的CPA和TCPA值用于产生风险值。知道了油轮风险值，我们就可以制定相应的预防对策。

目前海上工业执行碰撞/搁浅安全标准需服从描述性的、历史驱动的规则和章程，且经过船级社和PSC核实[18]。因此，关于碰撞/搁浅安全规则的发展是靠历史事故驱动的。然而，基于风险分析流程的合理风险标准已在海上结构物和跨国际航道的大型桥梁成功应用。因此，对于国际航运界，应该标准化风险接受标准决策，建立一般化的风险标准形式，然后建立合理的方法工具，具体为：(1)碰撞/搁浅概率评估；(2)计算碰撞/搁浅损害的模型；(3)损伤船舶的条件分析；(4)事故费用评估。有了这些工具才能有效认识碰撞/搁浅风险，以充分地保障安全。

1.2 油轮船舶结构失效风险

方法可靠性能作为结构设计的工具，用于不同结构成分安全配置的定量分析。可靠性分析基于失效的计算概率，需要考虑很多问题，像结构失效的边界问题、结构失效可能的模式、结构失效的极限条件、计算方法的准确性问题等。基于这些问题的思考，很多重要的研究得以产生。

船舶结构的初始应用始于20世纪70年代，旨在证明简单设计问题的适用性。随之，很多结构可靠性理论计算和电脑仿真方法得以发展[19]，并被应用于船舶结构可靠性研究当中。结构可靠性最开始用于量化时间独立性问题。然而，在一定时间范围的结构服务寿命问题上，发生了很多非静止的阶段。可靠性的计算遵循设计原则里的给定方法，因此，极限状态方程形式与船级社规范要求的形式相似。主要的不同是现在把基本变量设为随机数，而船级社规范指定标称值作为船舶参数的函数。

一般的极限状态联结负载造成总垂直弯矩和阻力矩，阻力矩在交叉部分(甲板或船底)造成初始屈服。这种方法相当保守，因为结构材料在产生初始屈服之后会有一个强度抵抗应力。目前基本船舶结构的可靠性评估能更准确地描述极限衰竭弯矩基础上的真实衰竭。此时弯矩函数，介于弹性弯矩与塑性弯矩之间，是所有因素贡献的集合。然而，水平弯矩一般很小，尤其对油轮而言，因此基于实用性目的，油轮结构可靠性只考虑垂直弯矩函数。所以，相应的可靠性分析失效方程可表示为：

其中，Mu是船舶极限垂直弯矩强度，Ms和Mw分别是静水和波浪当中的随机垂直弯矩。Ψ是静水和波浪弯矩的综合因素；Χu、χw、χn1分别是极限容量、波浪负载计算值和非线性影响[20]。

2 风险分析方法

早期海上事故研究通常采用较简单的定量数据和定性综述、案例研究和概率计算，而目前研究事故风险的方法主要有多学科方法、综合风险分析和系统性的观点。从1995年起，很多研究开始用经济学方法来研究事故因子。经济学分析有两大局限：(1)事故数据统计不完全，存在漏报情况；(2)难以将人因失误和一些定性信息(如安全文化)考虑在内。在过去十几年里，很多研究方法用于阐述这一问题，例如人因分析与分类系统用于识别潜在人因失误。其他出现在海上事故分析领域的新方法有认知可靠性和失误分析法(CREAM)、基于仿真的概率风险评估和其他模型技术方法。

最近频繁使用的风险分析和安全评估方法有贝叶斯网络模型。贝叶斯网络是建立重复性模式的强大工具，可替代故障树(FTA)，并有效考虑多事件的影响。如利用贝叶斯网络对人的疲劳程度进行量化处理。

另外一个研究趋势是使用多种方法和耦合分析。如使用风险矩阵结合模糊ER；使用置信数据库(BRB)结合定量定性数据；同时使用定量定性方法分析集装箱船的安全和安保风险。有些研究者在分析调查和问卷数据时，不仅使用因素分析、簇分析、方差分析(ANOVA)、探索因素分析(EFA)等，还使用一些经济学模型，如层次回归和逻辑回归模型。而模糊集分析一般搭配事件树分析(ETA)和层次分析(AHP)。

各种模型的出现让模型的拓展成为可能，如通过在模糊环境中吸收贝叶斯推理拓展CREAM模型方法；结合人因因素分析与分级系统(HFACS)和认知图谱(CM)方法以研究海上事故当中的人因失误问题。考虑人因可靠性分析问题也可以使用贝叶斯理论网络的分析方法，并将此方法应用于碰撞风险下的油轮操作研究。基于此模型，确定最大可能性的危险事件序列，进而隔离船舶操作的关键活动来研究内部因素Internal Factors (IFs),工作人员技能以及管理和组织因素，其中管理和组织因素在风险预防当中起主要作用。

3 结 论

由于海上事故对船员、船舶、货物、环境的巨大威胁，海事界付出了巨大的努力来预防和缓解海上事故的发生，这些努力通过大量涌现的优秀论文文献可以看出来，将来的研究势必更加深入。深刻理解海上事故的研究现状可以帮助研究者指明研究方向，填补研究领域的空白部分，推进研究进程，从而更好的保护人命和财产安全。

通过分析油轮航行风险研究发展趋势：一方面因为海上交通在国际贸易地位中的提升，另一方面因为对海上事故巨大危害和潜在风险的认知。就区域而言，北美、欧洲、日本对海上事故研究最为活跃，亚洲正在变得活跃，非洲、南美等地有望成为未来研究兴起的地方。

海上事故的研究从一个航海专家的专属领域变成了一个多学科学者的研究舞台。这在一定程度上反映了研究重心从船舶结构问题到复杂的环境条件，包括人因失误和船舶市场条件的转移。这一转移伴随着来自不同资源的数据信息、先进的模型和计算仿真技术。

海上事故研究的热门是风险/安全评估和事故数据分析，文献[21]研究了油轮溢油/碰撞风险评估，研究也可以通过分析详细事故数据，再利用理论模型研究地区的船舶碰撞风险[22]。事故风险/安全分析评估通过研究落脚在预防措施，而事故数据分析是要通过历史数据找出规律，在事故当中学习。分析事故数据允许事故原因的知识库扩充，这有助于政策和有效预防措施的发展，从而提高海上安全。