基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的客滾船航行安全仿真

郭國(guó)平+徐元春+吳兵

摘要：為保障客滾船航行安全，在分析客滾船航行安全影響因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建客滾船航行安全因果關(guān)系圖，并運(yùn)用VensimDSS構(gòu)建客滾船航行安全仿真模型.對(duì)渤海上的某一客滾船的航行安全進(jìn)行仿真，分析安全投入增加對(duì)客滾船航行安全水平的影響，得出結(jié)論：客滾船航行安全系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其航行風(fēng)險(xiǎn)主要是由人、貨物、自然環(huán)境、交通環(huán)境、硬件設(shè)施和管理等6個(gè)因素交叉耦合導(dǎo)致的，其中人、貨物和自然環(huán)境對(duì)客滾船的航行安全水平影響顯著.這可為客滾船航行安全風(fēng)險(xiǎn)管理及防控方面的研究提供參考.

關(guān)鍵詞： 航行安全； 客滾船； 風(fēng)險(xiǎn)管理； 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)： U676.1；U674.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract： To ensure the navigation safety of RoRo passenger ships， based on the analysis on the factors influencing ship navigation safety， the cause and effect relationship diagram of RoRo passenger ship navigation safety is drawn， and the simulation model of RoRo passenger ship navigation safety is built by the VensimDSS. The navigation safety of a RoRo passenger ship at Bohai Sea is simulated， and the effect of the increase of safety input on the ship navigation safety level is analyzed. The conclusions are the following： the navigation safety system of RoRo passenger ships is a complex dynamic system， and the navigation risk is caused mainly by the crossing and coupling of 6 influencing factors which are human， goods， natural environment， traffic environment， facilities and management factors. The human， goods and natural environment have a significant effect on the ship navigation safety level. It can provide some reference for the research on risk management， prevention and control of the RoRo passenger ship navigation safety.

Key words： navigation safety； RoRo passenger ship； risk management； system dynamics

0 引 言

跨?？蜐L船兼有客船與滾裝船的特點(diǎn)，具有裝卸效率高、船舶周轉(zhuǎn)快、水陸直達(dá)和聯(lián)運(yùn)便捷等優(yōu)點(diǎn).[1]我國(guó)沿?？蜐L船運(yùn)輸占領(lǐng)了跨?？瓦\(yùn)的大部分市場(chǎng)，主要集中在渤海灣、瓊州海峽、舟山群島、臺(tái)灣海峽等水域，在實(shí)現(xiàn)沿?？绲貐^(qū)人口之間的文化交流、溝通等方面起著橋梁和紐帶的作用，為沿海港口地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了重大作用.然而，與客滾船運(yùn)輸商業(yè)上的巨大成功形成鮮明對(duì)比的是，客滾船惡性海難事故頻發(fā)，導(dǎo)致了乘客生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失，給社會(huì)造成了惡劣的影響.

目前系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法在煤礦、道路、航空等領(lǐng)域已有比較成熟的應(yīng)用，但在航運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用較少.本文通過(guò)建立客滾船航行安全水平的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件VensimDSS仿真客滾船航行安全影響因素的變化，分析安全投入增加對(duì)客滾船航行安全水平的影響，最終確定客滾船事故發(fā)生的關(guān)鍵影響因素，從而為預(yù)防客滾船事故的發(fā)生與發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).

1 客滾船航行安全影響因素分析

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型被譽(yù)為實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室，是一種將結(jié)構(gòu)、功能、歷史相結(jié)合，借助于計(jì)算機(jī)仿真定量地研究非線性、多重反饋、復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)的系統(tǒng)分析技術(shù)[24].應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的步驟如下：

問(wèn)題描述→確定系統(tǒng)邊界→確定因果反饋圖→因果關(guān)系變量描述→數(shù)學(xué)方程表達(dá)及模型應(yīng)用→系統(tǒng)行為分析→情景分析及對(duì)策模擬→系統(tǒng)修正及調(diào)整.

1.1 影響因子

影響客滾船航行安全的因素是非常復(fù)雜的.本文通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷及參考國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者的研究，分析跨?？蜐L船航行的特點(diǎn)，對(duì)客滾船主體安全風(fēng)險(xiǎn)、作業(yè)環(huán)節(jié)中的重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析.

客滾船安全航行系統(tǒng)是一個(gè)由人、機(jī)、環(huán)境、船和貨物互相依存和制約的復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng).根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)反饋原理，客滾船航行安全水平受人、自然環(huán)境、交通環(huán)境、硬件設(shè)施、貨物和管理等因素（分別用i=1，2，…，6表示）水平的影響.

1.2 因果關(guān)系圖

依據(jù)上述客滾船航行安全影響因素和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)反饋原理，可利用VensimDSS構(gòu)建客滾船航行安全系統(tǒng)的主要因果關(guān)系圖[5]，見(jiàn)圖1.

由圖1可知，隨著客滾船航行安全系統(tǒng)中不安全行為或現(xiàn)象的逐漸增加，各影響因素的水平就會(huì)下降，客滾船航行安全水平會(huì)隨之下降，而當(dāng)安全水平下降到一定值時(shí)系統(tǒng)通過(guò)反饋使得整個(gè)系統(tǒng)中的不安全行為或現(xiàn)象減少.當(dāng)系統(tǒng)中的不安全行為或現(xiàn)象減少時(shí)，客滾船航行安全水平會(huì)提高，而當(dāng)安全水平達(dá)到目標(biāo)值時(shí)系統(tǒng)通過(guò)反饋使得整個(gè)系統(tǒng)中的不安全行為或現(xiàn)象增加.

2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型構(gòu)建

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的變量主要包括水平變量、流速變量、輔助變量和常量等.[6]客滾船航行安全系統(tǒng)中的部分變量見(jiàn)表1.

確定了以上各變量后，依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)反饋原理，運(yùn)用VensimDSS構(gòu)建客滾船航行安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型[79]，見(jiàn)圖2.

利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可以深入研究客滾船航行安全系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)分析該系統(tǒng)的機(jī)理，進(jìn)而理清客滾船航行安全影響因素之間的作用和反饋關(guān)系.上述仿真模型中的直接變量為人、環(huán)境、管理、硬件設(shè)施和貨物因素.由于客滾船的特殊性，將乘客情況歸入貨物因素中.

3 客滾船航行安全仿真

3.1 客滾船航行安全仿真實(shí)驗(yàn)

假設(shè)客滾船初始航行安全水平值為100（無(wú)量綱），根據(jù)最初的客滾船航行安全水平，將客滾船航行安全系統(tǒng)劃分為3個(gè)狀態(tài)，見(jiàn)表2.

根據(jù)圖2找出模型中的邊界風(fēng)險(xiǎn)因素（它們不受系統(tǒng)內(nèi)部的影響）[10]，其中無(wú)法確定數(shù)值的風(fēng)險(xiǎn)因素主要是通過(guò)相關(guān)調(diào)研和專(zhuān)家打分獲得的.這類(lèi)參數(shù)主要是一些輔助變量的表函數(shù)，如工作狀態(tài)、船員業(yè)務(wù)水平等對(duì)客滾船航行安全的影響.

通過(guò)實(shí)地調(diào)研和專(zhuān)家問(wèn)卷調(diào)查獲取渤海輪渡龍口至旅順航線的運(yùn)營(yíng)環(huán)境及“珠”字號(hào)客滾船的資料，對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.對(duì)各子系統(tǒng)中影響因素定量數(shù)據(jù)的采集和定性指標(biāo)重要程度的劃分采用問(wèn)卷調(diào)查、專(zhuān)家打分的方式.對(duì)所獲取的客滾船系統(tǒng)安全影響因素的重要程度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算得到具體各子系統(tǒng)中影響因素權(quán)重值.利用VensimDSS建立量化的系統(tǒng)仿真模型并寫(xiě)出相應(yīng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程.

考慮到構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的需要，可知關(guān)鍵變量為：人的風(fēng)險(xiǎn)、貨物的風(fēng)險(xiǎn)、交通環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)、硬件設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)、自然環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)和管理的風(fēng)險(xiǎn).設(shè)Y為客滾船航行安全水平值.

3.2 仿真方案

根據(jù)渤海輪渡龍口至旅順航線的運(yùn)營(yíng)環(huán)境及“珠”字號(hào)客滾船的資料數(shù)據(jù)進(jìn)行客滾船航行安全影響因素作用程度分析，可以得到在不同安全投入增加率下

Y隨時(shí)間的變化值.

仿真的時(shí)間邊界為36個(gè)月，運(yùn)行步長(zhǎng)為1個(gè)月.部分參數(shù)的取值：各影響因素安全水平初值（R1，R2，R3，R4，R5，R6）=（70，75，80，75，80，75）；安全投入水平初值Ei=0（i=1，2，3，4，5，6）；假設(shè)各影響因素的安全投入增加率均為0.5，即Di=0.5，i=1，2，…，

6；由調(diào)研及專(zhuān)家打分，通過(guò)計(jì)算確定影響因素對(duì)系統(tǒng)安全水平的作用率（A1，A2，A3，A4，A5，A6）=（0.323 3，0.269 2，0.033 9，0.033 9，0.224 0，0.115 7）；以相關(guān)因素的實(shí)際水平比值為參考，然后采取參數(shù)估計(jì)法，并結(jié)合問(wèn)卷調(diào)查，由專(zhuān)家修訂，得到各影響因素對(duì)該影響因素安全水平的影響系數(shù)（C1，C2，C3，C4，C5，C6）=（0.06，0.07，0.06，0.08，0.05，0.07）；Y的目標(biāo)值為90.

為研究各子系統(tǒng)對(duì)客滾船航行安全水平的影響情況，對(duì)7種模式進(jìn)行仿真，以期得到7種模式下Y值及其變化趨勢(shì).這里模式1為按照以上設(shè)定進(jìn)行的仿真.此后，分別調(diào)整系統(tǒng)中單個(gè)影響因素的安全投入增加率為0.8，而其他影響因素的安全投入增加率不變，可分別得到Y(jié)值及其變化趨勢(shì)圖（即分別得到模式2～7下的Y值及其變化趨勢(shì)）.

3.3 仿真結(jié)果分析

（1）通過(guò)VensimDSS進(jìn)行計(jì)算，可以直觀地看到系統(tǒng)的安全水平發(fā)展趨勢(shì)，其中客滾船航行安全水平值Y隨時(shí)間變化的具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.在各影響因素安全投入增加率Di均為0.5時(shí)（即模式1下），客滾船航行安全水平在第30個(gè)月達(dá)到目標(biāo)值90.

（2）由圖3可以看出，改變各影響因素安全投入增加率后，客滾船航行安全水平值Y的漲幅并不同，其中在模式2下漲幅最大，在模式4下漲幅最小，即人對(duì)整個(gè)客滾船航行安全水平影響最大，其次依次為貨物、自然環(huán)境、管理及硬件設(shè)施，交通環(huán)境對(duì)其影響最小.從大量的客滾船事故得知：發(fā)生客滾船事故的重大原因是船舶當(dāng)航次的自然環(huán)境；對(duì)于硬件設(shè)施因素，貨物配積載不當(dāng)或其未有效系固綁扎是導(dǎo)致事故惡化的重要內(nèi)因.

（3）由圖3可知，若要提高客滾船航行安全水平，降低航行風(fēng)險(xiǎn)，要特別注意船員和貨物，其中船員的影響最為顯著.這與以往研究中得出的人的因素是導(dǎo)致客滾船海上事故的主要原因的結(jié)論相一致.保證客滾船安全航行的關(guān)鍵點(diǎn)為船員適任.客滾船的貨物主要是旅客、車(chē)輛，其中車(chē)輛運(yùn)輸危險(xiǎn)系數(shù)較高，車(chē)輛本身及其系固綁扎等均具有一

定的危險(xiǎn)性.在以上7次仿真中，最優(yōu)安全管理與控制方案為模式2（客滾船航行安全水平值Y在同一時(shí)刻比其他模式的都大），故相關(guān)主體需著重關(guān)注客滾船人員因素水平，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)人員的管理.

（4）影響客滾船航行安全的重大風(fēng)險(xiǎn)因子包括：業(yè)務(wù)水平、崗位責(zé)任，強(qiáng)對(duì)流天氣、霧及能見(jiàn)度、風(fēng)，貨物系固綁扎、配積載、操縱性，船舶安全管理、公司安全管理、船員日常演習(xí)，漁船干擾、交通沖突點(diǎn)等.建議相關(guān)主體在對(duì)客滾船航行安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究與控制時(shí)重點(diǎn)關(guān)注以上風(fēng)險(xiǎn)因子.

（5）根據(jù)以上仿真研究結(jié)果，為保障客滾船航行安全，相關(guān)主體應(yīng)著重落實(shí)以下幾點(diǎn)安全保障措施：

①加強(qiáng)人群管理，主要包括船員管理、旅客管理等.關(guān)注船員整體業(yè)務(wù)素質(zhì)水平及崗位責(zé)任感，實(shí)施水上客運(yùn)“實(shí)名制”售票和乘船，以準(zhǔn)確掌握船上具體人員情況.

②加強(qiáng)客滾船貨物監(jiān)督，對(duì)車(chē)輛艙及貨物區(qū)等進(jìn)行相關(guān)監(jiān)控.

③完善客滾船惡劣天氣預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)海上惡劣天氣提早預(yù)警.

4 結(jié)束語(yǔ)

客滾船航行安全系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，影響因素眾多且相互關(guān)聯(lián)、相互制約.本文通過(guò)調(diào)研提取出客滾船航行安全影響因素，包括人、貨物、自然環(huán)境、交通環(huán)境、硬件設(shè)施和管理等因素，依據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，運(yùn)用VensimDSS構(gòu)建了客滾船航行安全系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型.

研究結(jié)果表明，各影響因素對(duì)系統(tǒng)的安全水平的影響程度不同，其中人、貨物及惡劣天氣等對(duì)客滾船的安全水平影響顯著.這為客滾船航行安全風(fēng)險(xiǎn)研究及控制提供了參考依據(jù).

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（編輯 賈裙平）