基于SD的散貨船進水風險演化仿真研究

王一沫 韓雅君

摘要：散貨船運輸貨物集中，當發(fā)生破艙進水事故后極易導致船舶傾斜。針對散貨船進水風險分析呈現(xiàn)多因素影響和非程序性等特點，采用系統(tǒng)動力學進行散貨船進水風險演化仿真研究。在確定船舶進水各風險因素影響因子的基礎上，構(gòu)建散貨船破艙進水風險因果關(guān)系圖和存量流量圖，在事故案例背景下對散貨船破艙進水后的風險演化趨勢進行仿真分析。結(jié)果表明：模型可以對破艙后的船舶狀態(tài)進行仿真;船舶進水總風險呈增長趨勢，780 s進水終了船舶狀態(tài)較危險，需要盡快采取相應措施。

關(guān)鍵詞：散貨船進水;風險演化;系統(tǒng)動力學;vensim;仿真模擬

中圖分類號：X951文獻標識碼：A文章編號：2095-7394（2021）06-0097-09

近年來，船舶海難事故頻發(fā)，使人民生命財產(chǎn)遭受巨大損失，同時也對環(huán)境造成一定的污染;而船舶破艙進水是威脅航行安全的一個重要因素。散貨船具有載貨量大、航線固定以及裝卸快速等特點，為全球大宗貨物提供了運輸服務。伴隨著現(xiàn)代散貨船大型化、高速度和結(jié)構(gòu)復雜的發(fā)展趨勢，安全問題也愈發(fā)突出;因此，將不利因素限制在可控范圍之內(nèi)，加強事故發(fā)生之后的有效安全決策至關(guān)重要。本文選取船舶事故中散貨船進水事故進行研究，考慮到安全決策的復雜性、多因素影響和非程序性等特點，采用系統(tǒng)動力學（system dynamics，簡稱SD）方法，基于vensim軟件在散貨船進水后的安全影響因素分析，構(gòu)建安全度仿真模型;建立系統(tǒng)動力學方程式并進行參數(shù)量化。根據(jù)模型仿真結(jié)果，進行散貨船進水風險演化分析。

在交通運輸領域的風險演化研究中，張陽等人[1]采用系統(tǒng)動力學構(gòu)建風險演化模型，分析了各風險因素間的量化因果關(guān)系，顯示了系統(tǒng)風險隨時間的變化趨勢;肖琴等人[2]構(gòu)建了機場場面交通沖突風險演化的SD模型，揭示了場面交通沖突風險演化規(guī)律;孫廣林等人[3]構(gòu)建了危險品道路運輸風險演化模型，選擇最優(yōu)的安全投入配置比例;郭云龍等人[4]研究了感潮港口船舶在不同潮時進港靠泊的引航過程風險演化規(guī)律，利用不確定人工智能云模型進行多時段船舶引航過程風險的建模仿真。在海船破艙研究中，陸子友等人[5]結(jié)合40 000 t自卸船分艙特點，利用NAPA軟件對分艙指數(shù)計算過程和結(jié)果進行分析，對自卸船的破艙穩(wěn)性計算進行了優(yōu)化;胡曉倩等人[6]對散貨船進行概率破艙穩(wěn)性的計算研究，探討了新舊SOLAS規(guī)范的差異及新規(guī)范對船舶概率破艙穩(wěn)性計算的影響。然而，上述破艙狀態(tài)的研究僅僅是針對某個結(jié)構(gòu)或局部系統(tǒng)的性能，尚未分析船舶全面整體的破艙狀態(tài)。

1散貨船破艙進水風險因素分析

1.1散貨船結(jié)構(gòu)特點

散貨船在貨物運輸上承擔了大部分運力，具有船舶代表性;普通散貨船對艙室分隔要求不高，船舶進水后的安全性更低，具有破艙風險針對性。因此，選擇散貨船來進行破艙進水的風險演化分析。

根據(jù)用途以及裝運的貨種不同，可將固體散貨船分成3類。

（1）一般固體散貨船。用于裝載普通散裝貨物，具有尾機型、單層甲板、雙層底、設置傾斜邊艙、船中部設壓載艙等特點。

（2）專用的固體散貨船。具有貨艙容積小、雙層底較高、貨艙兩舷設置較大邊壓載艙、貨艙較少的特點。

（3）其他固體散貨船。包括少量的雜貨船和多用途船，多應用于散貨運輸，船體結(jié)構(gòu)形式和前兩種相似。

可見，在散貨船中貨物集中裝載在同一個艙室，如果浸水其物理化學性質(zhì)會發(fā)生相應的變化，有可能會對船舶造成二次傷害或者對船員造成人身傷害[7];此外，船舶進水后會導致船舶斜傾，散裝貨物表面會發(fā)生移動，從而致使船舶的斜傾加劇。

1.2風險因素分析

根據(jù)人-機-環(huán)境系統(tǒng)工程理論，散貨船破艙進水風險演化系統(tǒng)可以由船舶、船員和環(huán)境3個子系統(tǒng)組成，這3個子系統(tǒng)中的風險因素構(gòu)成了船舶風險演化的全方位分析[8]。散貨船的風險值不僅取決于破艙進水后的船舶本身情況，而且還與船員的組成情況、船舶所處位置等自然情況都有關(guān)系[9];因此，根據(jù)對整個系統(tǒng)的分析，將散貨船破艙進水的風險因素分為4個部分[10-13]。

（1）浮態(tài)、穩(wěn)性與強度。包括儲備浮力、橫傾角、穩(wěn)性（GM）、船體強度（用最大剪力比、最大彎矩比的綜合指標進行衡量）。

（2）船舶狀態(tài)。包括船體進水區(qū)域、距安全地航程、船上旅客數(shù)量、船舶設備狀態(tài)及船舶環(huán)境。

（3）海面狀況。風力、浪級、涌高、其他異常天氣（異常氣溫、雨雪、能見度等）。

（4）船員因素。心理狀態(tài)、應急能力、船員協(xié)作能力等。

2散貨船破艙進水風險模型的建立

2.1SD概述

SD由美國麻省理工學院Forrester教授于1956 年創(chuàng)立，它是以反饋控制理論為基礎、仿真技術(shù)為手段，研究非線性、高階多變量及多重反饋結(jié)構(gòu)的針對復雜系統(tǒng)的一種定量分析方法。SD以實際存在為前提，從整體出發(fā)尋找完善系統(tǒng)行為的途徑，依據(jù)對系統(tǒng)的實際觀測信息，建立動態(tài)的仿真模型，并通過計算機試驗來獲得對系統(tǒng)過去、現(xiàn)在和未來行為的描述。

本文基于系統(tǒng)動力學建立散貨船破艙進水風險模型，構(gòu)建動力學方程式，對散貨船破艙進水后的風險演化進行模擬仿真，并基于不同階段的風險等級給出相應的處置建議。

2.2因果關(guān)系分析

船舶進水之后的風險等級可分為5級：安全、尚安全、有危險、較危險、危險。由于散貨船進水后危險的誘因相對比較復雜，本文假定對船舶危險的影響包括4個方面：船舶結(jié)構(gòu)強度、海面狀況、船舶狀況以及船員因素。

（1）假設一。研究船舶為干散貨船，具有尾機型、單層甲板、雙層底、設置傾斜邊艙、船中部設壓載艙的特點。

（2）假設二。散貨船船艙破裂，艙內(nèi)發(fā)生進水，破口面積為0.5m²。在一段時間之內(nèi)，船舶的進水程度不至于會讓船體傾覆。船舶未擱淺、無他船伴航且不具備搶灘坐淺的條件。

（3）假設三。散貨船破艙進水后完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性都符合要求。

（4）假設四。發(fā)現(xiàn)事故時，船員在船長的指揮下可以采取必要的措施，從而降低船舶進水程度。

如圖1所示，在系統(tǒng)邊界和模型假設的基礎之上，根據(jù)散貨船進水后風險因素的分析繪制出因果關(guān)系圖。以浮態(tài)穩(wěn)性強度風險為例，隨著船舶進水程度的加劇，船舶穩(wěn)性、剩余強度、儲備浮力和橫傾角都會發(fā)生變化，從而增加浮態(tài)穩(wěn)性強度風險，進而增加船舶進水總風險。

2.3建立存量流量圖

為了對系統(tǒng)運行的內(nèi)在機理進行動態(tài)描述，以刻畫變量間的邏輯關(guān)系，建立相應的模型方程式，并在數(shù)據(jù)模擬的基礎上通過反饋與控制反映系統(tǒng)未來的行為。構(gòu)建系統(tǒng)動力學的規(guī)范流圖模型，系統(tǒng)模型主要包括狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量。狀態(tài)變量用來描述系統(tǒng)要素的狀態(tài);速率變量決定了狀態(tài)變量隨時間變化的趨勢;輔助變量為建立速率變量與狀態(tài)變量的復雜關(guān)系提供了必要的輔助信息。如圖2所示，基于散貨船進水風險因果關(guān)系和變量之間的邏輯關(guān)系，建立散貨船進水風險存量流量圖[14]。

在散貨船進水存量流量圖中設置4個狀態(tài)變量，分別為海面狀況風險、浮態(tài)穩(wěn)性強度風險、船舶狀態(tài)風險和船員素質(zhì)風險，其共同構(gòu)成了船舶進水總風險。相應地，為了描述狀態(tài)變量設置了4個速率變量，分別為海面狀況風險增加值、浮態(tài)穩(wěn)性強度風險增加值、船舶狀態(tài)風險增加值和船員素質(zhì)風險增加值。同時，為了準確描述變量間的關(guān)系，增加了相應的輔助變量，例如：最小干弦、最大剪力比、GM值、滿載排水量等。

在模型中，所有變量之間的精確關(guān)系都需要通過方程式建立聯(lián)系。如表1所示，通過相關(guān)文獻資料[15-18]和存量流量圖中的變量關(guān)系，運用Vensim軟件中的Equation建立變量間的函數(shù)關(guān)系。描述變量關(guān)系主要分為線性關(guān)系和非線性關(guān)系。根據(jù)邏輯關(guān)系確定大部分變量為線性變化，例如船員素質(zhì)風險增加值由應急能力和船員協(xié)作能力構(gòu)成，其中R₁和R₂表示變量系數(shù);難以用線性變化描述的變量采用非線性的方式描述，例如船舶進水程度，隨著時間的增加，船舶進水量會越來越大、進水程度會加劇，因此，采用表函數(shù)的形式描述進水程度隨時間的變化趨勢。

3參數(shù)量化

基于方便、快捷、有效原則，模型的輸出結(jié)果應當簡單直觀并且易于理解。由于指標單位不統(tǒng)一，因此，本文在模型建立過程中使一級、二級指標輸出值介于[0.0，1.0]之間。其中：“1.00”表示安全;逐漸遞減為“0.00”，表示船舶處于極度危險中。海船破艙進水風險值介于[0.0，1.0]之間，以反映海船安全度的高低。

最小二乘法兼顧了主、客觀賦值方法，可以有效地避免主觀偏好，其系數(shù)確定結(jié)果與實際結(jié)果之間不存在較大偏差。結(jié)合專家打分法和最大熵技術(shù)法，在具有變量偏好信息和通過客觀熵信息輸出系數(shù)的基礎上，利用最小二乘法計算變量系數(shù)。

本文針對海船破艙進水情況，對相關(guān)專家采取問卷調(diào)查，評價散貨船破艙進水風險變量系數(shù)。將評價標準分為6個等級，由專家針對散貨船破艙進水風險變量權(quán)重的具體情況進行打分，系數(shù)重要性評價規(guī)則[19]如表2所示。采用克朗吧哈系數(shù)來測量專家打分的一致性與可靠性[20]。

克朗吧哈α系數(shù)計算公式為：

其中：

由式（2）可得變量系數(shù)結(jié)果：

根據(jù)式（2）、式（3）得到綜合系數(shù)w=（w₁，w₂，w₃，…，w_n）^T。

本研究向航運公司管理人員、港口管理人員、船長、船員等15名專家，發(fā)放了針對5個指標權(quán)重的調(diào)查問卷，共回收問卷12份，除去作答不完整及作答無效的，保留有效問卷10份。如表3所示為10份問卷的評分結(jié)果。根據(jù)式（1）α=0.733可知，調(diào)查問卷的可信度比較高，問卷可以采用。根據(jù)式（2）和式（3）得到最終的變量系數(shù)為w=（0.42，0.37.0.21，0.36，0.34，0.30，0.55，0.45）^T，確定參數(shù)后的主要變量方程式如表4所示。

根據(jù)表4，在難以用線性關(guān)系表示變量關(guān)系或者表達相對困難的時候，可以選擇用表函數(shù)表達變量之間的關(guān)系。以船舶進水程度為例，根據(jù)文獻資料[21]得到船舶的進水速率隨時間的變化趨勢。船舶破口面積為0.5 m²，破口面積距船中為30 m，距舷外液面的高度為3.5 m，由于船舶艙室內(nèi)貨物的虧艙較大，船舶破艙進水后到進水終了用時約780 s，根據(jù)進水速率可得出船舶的進水程度即船舶進水排水量。

4散貨船進水風險仿真分析

4.1基礎數(shù)據(jù)獲取

事故概況：船舶裝載旅客12人，發(fā)生觸礁事故，造成船舶右舷的1號燃油艙破損進水;船舶主機發(fā)生故障，維修時間為40 min;當進水終了后，船舶吃水6.017 m。船舶主要資料如表5所示。

根據(jù)船舶主要資料，通過Maxsurf軟件進行船舶進水后數(shù)據(jù)計算。從該軟件中的Prefit輸入船舶型線數(shù)值表即能生成三維船體，在Maxsurf- Pro軟件中可以進行修改船體形狀等操作，進而在HydromaxPro中產(chǎn)生船體浮性和穩(wěn)性等大量數(shù)據(jù)資料。在得到Maxsurf計算船舶數(shù)據(jù)的基礎上，通過對船舶進水情況和周圍環(huán)境狀況的分析，得到船舶狀態(tài)和周圍海況的相關(guān)資料，如表6所示。

4.2仿真分析

如圖3所示，將數(shù)據(jù)代入系統(tǒng)動力學邊界變量中，運行調(diào)試模型后模擬從開始進水（0 s）到進水終了（780s）船舶的風險程度趨勢。

如圖4所示，為船舶進水子系統(tǒng)主要變量仿真圖。惡劣天氣下海面狀況指標遞減，浮態(tài)穩(wěn)性強度指標隨著進水量的增加而減少，當600 s后排水速率大于進水速率。船舶狀態(tài)指標在600 s之前保持為1，600s之后呈遞減趨勢。圖4反映了海面狀態(tài)、浮態(tài)穩(wěn)性強度、船舶狀態(tài)、船員素質(zhì)、進水速率、設備維修時間和船員心理狀態(tài)指標的變化趨勢。

4.3處置建議

相對于不同等級的風險，處置建議如下：

（1）1級風險（安全0～0.59）。水線附近的小范圍破損，可嘗試降低一側(cè)水線以減少艙內(nèi)進水，若水線下船殼破損，應調(diào)整航速和航向，將破洞置于下風側(cè);盡快堵漏排水;若油艙破損應移撥相關(guān)油艙剩余油液;密切監(jiān)視進水速率，留意相鄰艙室是否存在進水問題;密切監(jiān)視船舶水線和橫傾角的變化;調(diào)整壓載以保持船舶正浮或減小橫傾;謹防已完成堵漏的船體因裂痕擴展而再次進水。

（2）2級風險（尚安全0.60～0.69）。除上述措施外，需檢查風雨密和所有的水密裝置是否處于關(guān)閉狀態(tài);保持上甲板排水暢通;增加進水艙液位的測量次數(shù);船舶橫傾角較大且海面風浪較大時，應避免順浪航行，及時減速并采取頂偏角約15°航行，以減小縱、橫搖幅度。

（3）3級風險（有危險0.70～0.79）。除上述措施外，需調(diào)整船舶縱傾，避免船舶主甲板后部被水淹沒;應考慮先行將船上旅客（如果有的話）轉(zhuǎn)移至他船;若機艙進水，則輪機員在撤離前應及時關(guān)閉通向各貨艙和油艙的閥門;備妥所有救生設備，以便隨時使用。

（4）4級風險（較危險0.80～0.89）。除上述措施外需密切與岸基聯(lián)系，要求在附近有他船伴航;有旅客時，應先行轉(zhuǎn)移至他船;做好棄船準備。

（5）5級風險（危險0.90～1）。除非艙內(nèi)進水已被控制住，艙內(nèi)的水位明顯下降，或船舶具備搶灘坐淺條件;否則，評價值40～60時建議船長考慮棄船，評價值低于40時建議船長果斷下達棄船命令。

5結(jié)論

針對散貨船破艙進水風險評價呈現(xiàn)非程序性的特點，本文利用系統(tǒng)動力學構(gòu)建散貨船破艙進水風險模型，基于Vensim軟件進行仿真模擬。輸人案例數(shù)據(jù)后的仿真結(jié)果表明：船舶進水總風險基本呈線性上升趨勢，780 s進水終了船舶狀態(tài)屬于較危險，應立即與岸基聯(lián)系，轉(zhuǎn)移乘客并做好棄船準備;船舶進水初期，船長應采取措施緩解船員緊張恐懼的心理狀態(tài)、提高船員協(xié)作能力，同時，加大排水速率，為船舶營救爭取時間，進一步降低船舶的沉沒風險。

參考文獻：

[1]張陽，席永濤，胡甚平，等.水上貨物運輸風險演化系統(tǒng)動力學仿真[J].上海海事大學學報，2018，39（1）：19-24.

[2]肖琴，羅帆.機場場面交通沖突風險演化的SD模型研究[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2018，18（6）：187-193.

[3]孫廣林，劉君.?；返缆愤\輸路線安全風險演化系統(tǒng)動力學仿真[J].公路與汽運，2020（6）：43-48.

[4]郭云龍，張濤，胡甚平，等.感潮港口多時段船舶引航過程風險仿真模型[J].安全與環(huán)境學報，2021，21（1）：49-55.

[5]陸子友，黃光兵.40000 t自卸船概率破艙穩(wěn)性計算優(yōu)化[J].江蘇船舶，2020，37（6）：6-8.

[6]胡曉倩，陳兵，鄭雙燕，等.新的SOLAS概率破艙穩(wěn)性及其在MINICAPE型散貨船上的應用研究[J].船舶工程，2011，33（2）：11-14.

[7]李建民，齊跡，鄭中義.不確定條件下海上危化品運輸安全演變機理[J].哈爾濱工程大學學報，2014，35⑹：707-712.

[8]曹久華，席永濤，胡甚平，等.基于系統(tǒng)動力學的港口船舶通航風險成因耦合模型[J].安全與環(huán)境學報，2015，15（3）：65-71.

[9]胡中凱.基于碰撞與擱淺事故下油船的定量風險評估[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2010.

[10]江凌.福建沿?？投纱踩u估研究[D].廈門：集美大學，2014.

[11]陳恒強，池海峰.船舶完整穩(wěn)性及抗沉性實時監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].江蘇船舶，2011，28 （3）：27-30.

[12]趙敬.船舶破艙后船體剩余強度研究與分析[D].大連：大連海事大學，2014.

[13]張恭.船舶破艙狀況特性分析[D].上海：上海交通大學，2011.

[14] NASI R ZADEH F，AFSHA RA，KHANZADI M，et al. Integrating system dynamic and fuzzy logic modelling for construction risk management[J]. Construction Management and Economics，2008，26（11）：1197-1212.

[15]邱文昌，王一沫，孫錫志.海船破艙進水安全綜合評價系統(tǒng)[J].上海海事大學學報，2016，37（3）：52-57.

[16] ZHANG J H，ZHA0 L J.Risk analysis of dangerous chemicals transportation[J]. Systems Engineering- Theory & Practice，2007，27（12）：117-122.

[17]劉紅.船舶溢油風險評估方法的探討（續(xù)）[J].中國海事，2010（2）：55-57.

[18]郝寨柳，劉祖源，程細得，等.破損部位裝載方式對破艙穩(wěn)性的影響[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2015，39（1）：38-40.

[19]陳勇，胡甚平，軒少永，等.航運公司安全管理有效性組合賦權(quán)評價模型[J].中國安全科學學報，2012，22（8）：78-84.

[20]席永濤，陳杰，胡甚平，等.水上危險貨物運輸管理系統(tǒng)動力學仿真[J].上海海事大學學報，2014，35（3）：7-11.

[21]杜嘉立，徐邦禎，沈江.船舶破艙進水速度與時間的計算[J].大連海事大學學報，2002，28（2）：22-24.

Simulation Study on Risk Evolution of Bulk Carrier Flooding on SD

WANG Yimo，HAN Yajun

（School of Automobile and Traffic Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

Abstract：Bulk carriers transport goods in a centralized manner，which is easy to cause the ship to tilt after the accident of bulk carrier damaged and flooded. In view of the multi-factor and non-procedural characteristics in the analysis of bulk carrier water inflow risk，the evolution simulation of bulk carrier water inflow risk is studied by using system dynamics in this paper. On the basis of determining the influencing factors of various risk factors ship water inflow，the causality diagram and stock flow diagram of the risk of bulk carrier damaged and flooded are constructed，and the risk evolution trend of the bulk carrier damaged and flooded is simulated and analyzed under the background of the accident case. The results show that the model can simulate the ship state after cabin breaking，and the total risk of ship water inflow is increasing. The ship is in a dangerous state at the end of 780s water inflow，so corresponding measures need to be taken as soon as possible.

Key words：bulk carriers;risk evaluation;system dynamics;vensim;simulation