船舶會(huì)遇過(guò)程碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化隨機(jī)Petri網(wǎng)模型

杜曉雨, 胡甚平, 李圣媛,2, 軒少永

(1.上海海事大學(xué)商船學(xué)院,上海 201306;2.廣州港引航站,廣東 廣州 510100)

0 引 言

近年來(lái),隨著海上交通運(yùn)輸業(yè)的繁榮發(fā)展,船舶種類、數(shù)量和噸位增加,航道內(nèi)船舶通航密度越來(lái)越大,航行環(huán)境更加復(fù)雜多變,導(dǎo)致海上船舶碰撞事故頻發(fā)[1]。船舶碰撞事故不僅會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失,還可能造成嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染,成為船舶航行安全的重大隱患之一[2]。因此,對(duì)船舶碰撞過(guò)程進(jìn)行分析,預(yù)防和避免海上碰撞事故的發(fā)生已成為海上船舶航行風(fēng)險(xiǎn)研究的重點(diǎn)[3]。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于船舶航行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法主要包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,在風(fēng)險(xiǎn)測(cè)量方面主要使用定性分析、定量分析或定性與定量分析相結(jié)合的方法。應(yīng)用較為廣泛的定量和定性風(fēng)險(xiǎn)測(cè)量方法包括事件樹(shù)分析法、故障樹(shù)分析法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和Petri網(wǎng)建模分析法等。這些方法為分析導(dǎo)致事故發(fā)生的事件序列和事故因果關(guān)系提供了量化基礎(chǔ)和圖像說(shuō)明,如:UGURLU等[4]通過(guò)構(gòu)建船舶碰撞事故故障樹(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶碰撞靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的定量評(píng)估,并通過(guò)最小割集確定導(dǎo)致事故發(fā)生的主要因素;AFENYO等[5]通過(guò)搭建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)船舶碰撞事故場(chǎng)景中潛在因素的相互依賴關(guān)系及其對(duì)事故的影響進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)了對(duì)事故場(chǎng)景中偶然因素之間相互依賴關(guān)系的建模。綜上,大多數(shù)研究對(duì)船舶碰撞事故影響因素的選取主要基于事件序列和因果關(guān)系,卻忽略了船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演變的階段性特征。

因此,本文著眼于船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn),提取船舶碰撞各個(gè)階段的事故影響因素,并構(gòu)建基于時(shí)間和空間的船舶碰撞事故演化的動(dòng)態(tài)SPN模型,再現(xiàn)碰撞事故發(fā)展、形成過(guò)程,從多因素耦合和風(fēng)險(xiǎn)演化的角度對(duì)船舶碰撞過(guò)程中的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析。

1 船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化分析

1.1 船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化機(jī)理

船舶在航行過(guò)程中往往受到人、設(shè)備、環(huán)境、管理等多種因素的共同作用,這些因素沒(méi)有固定的事件序列,但是隨著事故進(jìn)程的推進(jìn),各因素相互作用推動(dòng)系統(tǒng)從無(wú)序狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)或反向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(該過(guò)程被稱為風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程)[10]?？赡艽嬖诳陀^風(fēng)險(xiǎn)的船舶在自由航行中受到外界刺激后,船舶航行的穩(wěn)定狀態(tài)被打破,風(fēng)險(xiǎn)因子沿著一條或多條路徑運(yùn)動(dòng),推動(dòng)著碰撞事故演化發(fā)展,最終導(dǎo)致船舶碰撞事故的發(fā)生。

船舶碰撞過(guò)程可以視為是一個(gè)受多因素作用的多步驟復(fù)雜系統(tǒng),是一個(gè)基于時(shí)間和空間的動(dòng)態(tài)行為特征轉(zhuǎn)換的過(guò)程。將船舶碰撞過(guò)程分為5個(gè)階段,分別為自由航行階段、碰撞危險(xiǎn)階段、緊迫局面階段、緊迫危險(xiǎn)階段和碰撞階段,見(jiàn)圖1。

圖1 船舶碰撞過(guò)程階段性分析

1.2 船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程分析

在船舶自由航行階段能否發(fā)現(xiàn)來(lái)船對(duì)于后續(xù)采取避讓方式以及執(zhí)行避讓行動(dòng)有著十分重要的作用。在船舶碰撞危險(xiǎn)階段由于瞭望疏忽、船員能力素質(zhì)差或者未使用安全航速,從而未能識(shí)別危險(xiǎn)信息進(jìn)而未采取合適的避讓行動(dòng)或采取的避讓行動(dòng)失敗,將會(huì)直接導(dǎo)致船舶早、大(舵角)、寬、清避讓行動(dòng)失敗,船舶逐漸進(jìn)入緊迫局面階段[11]。船舶會(huì)遇間距過(guò)小是船舶形成緊迫局面和發(fā)生碰撞的主要原因之一。

在緊迫局面階段,船舶必須根據(jù)《國(guó)際海上避碰規(guī)則》有關(guān)規(guī)定采取避讓行動(dòng),若未采取避讓行動(dòng)或采取避讓行動(dòng)過(guò)遲都會(huì)導(dǎo)致緊迫危險(xiǎn)局面的形成。在緊迫危險(xiǎn)階段由于兩船逐漸逼近,單船的行動(dòng)已經(jīng)不能夠避免碰撞的發(fā)生,此時(shí)兩船應(yīng)該積極溝通協(xié)調(diào)避讓的方法,使兩船能夠在安全距離上駛過(guò)。因此,兩船可通過(guò)甚高頻(very high frequency, VHF)無(wú)線電話進(jìn)行協(xié)調(diào)溝通并采取相應(yīng)的避讓措施。在緊迫危險(xiǎn)階段采取避讓行動(dòng)的成功與否將直接影響到船舶在最后階段的避讓行動(dòng)能否成功[12]。另外,船公司對(duì)船員的篩選與培訓(xùn)不足,導(dǎo)致船員能力素質(zhì)較差以至于不足以應(yīng)對(duì)緊急情況,或船公司對(duì)船舶沒(méi)有進(jìn)行定期的維修與保養(yǎng),且船舶在航行過(guò)程中出現(xiàn)大的操縱問(wèn)題,也會(huì)導(dǎo)致船舶碰撞事故的發(fā)生[13]。船舶碰撞事故是多因素耦合作用的結(jié)果。通過(guò)分析得出船舶碰撞過(guò)程中各個(gè)階段的關(guān)鍵影響因素,搭建船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程綜合模型,見(jiàn)圖2。圖2中,ARPA指自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀。

圖2 船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程綜合模型

2 模型構(gòu)建

2.1 SPN以及馬爾科夫鏈過(guò)程

Petri 網(wǎng)是描述具有分布、并發(fā)、異步特征的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的有效工具,以研究模型的組織結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為為目標(biāo),著眼于系統(tǒng)中可能發(fā)生的各種狀態(tài)變化及變化之間的關(guān)系,近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和可靠性分析[14]。Petri網(wǎng)的基本元素包括庫(kù)所、變遷、有向弧和令牌(Token)。由于系統(tǒng)中事件的發(fā)生(即變遷的實(shí)現(xiàn))需要一定的時(shí)間,所以通常會(huì)在Petri網(wǎng)中引入時(shí)間約束以實(shí)現(xiàn)其功能的拓展。通過(guò)在每個(gè)變遷的可實(shí)施與實(shí)施之間關(guān)聯(lián)一個(gè)隨機(jī)的延遲時(shí)間得到的Petri網(wǎng)被稱為SPN[15]。

SPN通常用一個(gè)六元組(P,T,F,W,M,λ)表示,其中:P={P0,P1,…,Pm}表示庫(kù)所的有限集,即系統(tǒng)各階段運(yùn)行時(shí)所處的局部狀態(tài)(本文指船舶碰撞各階段的關(guān)鍵影響要素及狀態(tài))[16];T={T0,T1,…,Tn}表示變遷的有限集,即推動(dòng)系統(tǒng)演化的因素;F為連接庫(kù)所與變遷的有向弧集合,表示系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)流方向;W表示弧權(quán)函數(shù);M={M0,M1,…,Mq}表示SPN的標(biāo)識(shí),其中M0為SPN的初始標(biāo)識(shí)(即系統(tǒng)的初始狀態(tài)),系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間的演化是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程,用Token標(biāo)識(shí);λ={λ0,λ1,…,λn}表示系統(tǒng)狀態(tài)變遷的平均實(shí)施速率集合,在模型中每一個(gè)變遷Tk都會(huì)有一個(gè)λk與之相對(duì)應(yīng)。當(dāng)SPN模型開(kāi)始運(yùn)行時(shí),隨著變遷不斷被激發(fā),Token(用小黑點(diǎn)表示)會(huì)在與變遷相連的庫(kù)所流動(dòng),每經(jīng)過(guò)一個(gè)庫(kù)所就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的狀態(tài)標(biāo)識(shí),直到達(dá)到系統(tǒng)的最終狀態(tài)。

2.2 船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化模型

船舶碰撞事故可視為時(shí)間和空間上一系列關(guān)系復(fù)雜的離散事件相互作用的結(jié)果,而SPN可以通過(guò)關(guān)聯(lián)矩陣、狀態(tài)方程等描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的演化過(guò)程,模擬系統(tǒng)中離散事件之間的相互作用以及系統(tǒng)的演化過(guò)程。采用SPN建模方法可以完成對(duì)船舶碰撞事故發(fā)生過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)值的量化,完成對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程的評(píng)估和分析。根據(jù)所得到的船舶碰撞事故致因圖,搭建船舶碰撞過(guò)程的SPN模型,見(jiàn)圖3。圖3中庫(kù)所和變遷的具體含義分別見(jiàn)表1和2。

表1 庫(kù)所含義

表2 變遷含義

圖3 船舶碰撞過(guò)程的SPN模型

在連續(xù)時(shí)間SPN中,變遷從可實(shí)施到實(shí)施需要一定的延遲時(shí)間,這個(gè)延遲時(shí)間被認(rèn)為是一個(gè)服從指數(shù)分布的連續(xù)隨機(jī)變量[17]。當(dāng)變遷的激發(fā)時(shí)間呈指數(shù)分布且標(biāo)記可數(shù)時(shí),模型可以與一個(gè)連續(xù)時(shí)間馬爾科夫鏈同構(gòu),SPN的每一個(gè)狀態(tài)標(biāo)識(shí)都可以映射到一個(gè)馬爾科夫鏈的狀態(tài),即SPN的可達(dá)圖同構(gòu)于馬爾科夫鏈的狀態(tài)空間。因此,若以有向弧表示不同標(biāo)識(shí)或狀態(tài)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換,則可得到與上述SPN模型等價(jià)同構(gòu)的馬爾科夫鏈,見(jiàn)圖4。基于馬爾科夫鏈穩(wěn)態(tài)分布的相關(guān)定理對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的演化過(guò)程進(jìn)行分析[15],根據(jù)馬爾科夫過(guò)程可得到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)概率表達(dá)式:

(1)

圖4 與SPN模型同構(gòu)的馬爾科夫鏈

式中:p為某時(shí)刻系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)概率,用行向量p=(p0,p1,…,pm)表示。x=(aij)為系統(tǒng)的概率轉(zhuǎn)移矩陣:若i=j,則aij表示從狀態(tài)Mi出發(fā)的所有弧上標(biāo)記的變遷速率λi之和的負(fù)數(shù);若i≠j,則aij表示從狀態(tài)Mi到Mj對(duì)應(yīng)的變遷速率λi,若Mi與Mj之間沒(méi)有連接弧則aij=0。p(Mj)為SPN模型下Mj的概率。

2.3 仿真流程

船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化分析是通過(guò)搭建SPN模型,模擬船舶在碰撞事故發(fā)生前的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化,對(duì)各影響因素隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律以及對(duì)最終的碰撞結(jié)果的影響進(jìn)行仿真分析,主要包括事故場(chǎng)景分析、影響因素提取、模型搭建、船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)仿真以及風(fēng)險(xiǎn)量化分析等。在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析時(shí),將船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)視為兩船航行風(fēng)險(xiǎn)的疊加。在對(duì)船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行仿真分析后,需對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,若所獲得的風(fēng)險(xiǎn)分析數(shù)據(jù)符合當(dāng)下事故發(fā)生的情景且取值在合理范圍內(nèi),則可以進(jìn)行下一步的船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程分析。具體仿真流程見(jiàn)圖5。

圖5 船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化仿真流程

3 算例分析與討論

以2021年4月發(fā)生在青島朝連島附近海域的一起雜貨船與油船碰撞事故為例,對(duì)事故發(fā)生前20 min的碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程進(jìn)行仿真分析。事故發(fā)生在青島朝連島東南約11 n mile處。該雜貨船從海南洋浦港錨地開(kāi)航,駛往青島港,在行駛到內(nèi)錨地時(shí)與錨泊的油船相撞。

3.1 事故原因分析與數(shù)據(jù)收集

本文著重于船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程分析,由于油船處于錨泊狀態(tài),所以僅對(duì)雜貨船的航行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行演化分析。通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查及召開(kāi)船舶碰撞事故原因分析會(huì),邀請(qǐng)引航員、船長(zhǎng)、海事官員和教授共11名,對(duì)船舶碰撞影響因素對(duì)碰撞事故的影響程度進(jìn)行分析和評(píng)估,并將評(píng)估結(jié)果無(wú)因次化為各狀態(tài)變遷對(duì)應(yīng)的變遷速率值。

通過(guò)分析雜貨船碰撞過(guò)程,發(fā)現(xiàn)船舶碰撞過(guò)程分為5個(gè)階段,其事故致因路徑共有4條。路徑Ⅰ/Ⅱ?yàn)镻0→P2→P3→P5/P6→P9→P11→P13→P14→P17→P18→P23,即船員綜合素質(zhì)較差,在船舶航行中存在船員瞭望疏忽或雷達(dá)等使用不當(dāng)?shù)那闆r,導(dǎo)致船舶未采取避讓行動(dòng)從而陷入緊迫危險(xiǎn)階段,且在兩船間距較小的情況下,兩船間基于VHF無(wú)線電話的協(xié)調(diào)溝通失敗,使得兩船最遲避讓行動(dòng)采取不當(dāng),最終導(dǎo)致碰撞事故的發(fā)生。路徑Ⅲ為P0→P2→P4→P8→P10→P11→P13→P14→P17→P18→P23,即船員綜合素質(zhì)較差,在船舶航行中并未使用安全航速,導(dǎo)致船舶未及時(shí)采取避讓行動(dòng),錯(cuò)過(guò)最佳的避讓時(shí)機(jī),使得船舶會(huì)遇間距變小,且兩船在緊迫危險(xiǎn)階段最遲避讓行動(dòng)采取不當(dāng),最終導(dǎo)致碰撞事故的發(fā)生。路徑IV為P0→P1→P19→P20→P22→P18→P23,即船公司管理疏忽,船長(zhǎng)、船員招募及崗前培訓(xùn)存在潛在的安全隱患,以及船員自身能力素質(zhì)的不足,導(dǎo)致出現(xiàn)船舶操縱問(wèn)題,促進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)演化進(jìn)程的發(fā)展,最終導(dǎo)致船舶碰撞事故的發(fā)生。

各影響因素的發(fā)生時(shí)間為隨機(jī)變量且服從指數(shù)分布,且假設(shè)變遷T0,T1,…,T29的平均實(shí)施速率為λ0,λ1,…,λ29。根據(jù)事故調(diào)查報(bào)告中描述的環(huán)境特點(diǎn)以及船公司管理狀況對(duì)船舶各狀態(tài)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)打分,根據(jù)事故調(diào)查報(bào)告以及專家評(píng)估打分對(duì)其余變量進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)分析,得到各節(jié)點(diǎn)的變遷速率值,見(jiàn)表3。

表3 不同路徑下各節(jié)點(diǎn)變遷速率值

在獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)和碰撞路徑后,基于Petri網(wǎng)理論和馬爾科夫鏈平穩(wěn)分布的相關(guān)定理對(duì)船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析,完成對(duì)事故演化過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)概率的求解。仿真過(guò)程表示的是從初始狀態(tài)M0出發(fā)經(jīng)過(guò)一系列變遷后庫(kù)所中的Token會(huì)依據(jù)弧的方向轉(zhuǎn)移到下一個(gè)庫(kù)所,直到達(dá)到最終庫(kù)所,即得到不同觸發(fā)變遷可達(dá)標(biāo)識(shí)集。系統(tǒng)輸入輸出函數(shù)表達(dá)式如下:

λ30p(M0)=λ0p(M1)

λ0p(M1)=λ26p(M2)+λ23p(M3)+λ1p(M4)

λ26p(M2)=λ27p(M5)

λ26p(M3)=λ24p(M6)

λ1p(M4)=λ2p(M8)+λ3p(M7)

(λ27+λ25)p(M5)=λ28p(M9)

λ24p(M6)=λ25p(M5)

λ3p(M7)=λ7p(M10)+λ6p(M11)

λ2p(M8)=λ5p(M12)+λ4p(M13)

(λ21+λ28+λ22)p(M9)=λ29P(M14)

λ7p(M10)=λ10p(M15)

λ6p(M11)=λ11p(M15)

λ5p(M12)=λ9p(M26)

λ4p(M13)=λ8p(M16)

λ29p(M14)=λ30p(M0)

(λ10+λ11)p(M15)=λ13p(M17)

(λ9+λ8)p(M16)=λ12p(M17)

(λ12+λ13)p(M17)=λ14p(M18)

λ14p(M18)=λ15p(M19)

λ15p(M19)=λ16p(M21)+λ17p(M20)

λ17p(M20)=λ20p(M22)

λ16p(M21)=λ18p(M23)+λ19p(M22)

(λ19+λ20)p(M22)=λ22p(M9)

λ18p(M23)=λ21p(M9)

3.2 模型仿真與驗(yàn)證

為對(duì)事故演化過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,將碰撞過(guò)程中的影響因素視為碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化的節(jié)點(diǎn),通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)變遷速率值對(duì)船舶在航行過(guò)程中基于時(shí)空的事故風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程進(jìn)行仿真分析。變遷速率λ0、λ1對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)分別為船舶航行環(huán)境狀態(tài)和船公司管理狀況,對(duì)這2個(gè)節(jié)點(diǎn)的評(píng)估屬于客觀評(píng)估,因此在整個(gè)事故演化過(guò)程中λ0、λ1被視為常數(shù)。設(shè)事故致因路徑上的各節(jié)點(diǎn)變遷速率初始值為1,為保證其余非路徑節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)路徑節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)概率產(chǎn)生影響,將其余節(jié)點(diǎn)的變遷速率設(shè)為10 000。保持路徑上各節(jié)點(diǎn)變遷速率隨著時(shí)間和空間的變化呈線性增加的趨勢(shì),最終達(dá)到如表3所示的各節(jié)點(diǎn)變遷速率的終態(tài)值,用于對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程進(jìn)行仿真。

基于系統(tǒng)輸入輸出函數(shù)表達(dá)式對(duì)事故發(fā)生前20 min的碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程進(jìn)行分析,針對(duì)不同的碰撞路徑通過(guò)改變單條致因路徑上不同節(jié)點(diǎn)的變遷速率值模擬船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間和空間的變化,探索其變化規(guī)律。通過(guò)將所有事故致因路徑的變遷速率值進(jìn)行疊加仿真,對(duì)碰撞事故綜合風(fēng)險(xiǎn)的演化過(guò)程進(jìn)行基于時(shí)間和空間的量化分析。由于在該案例中一艘船處于錨泊狀態(tài),所以通過(guò)對(duì)單船綜合致因路徑下的船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn),隨著事故演化進(jìn)程的推進(jìn)船舶碰撞概率從最初的0.323 03提高到0.838 85,并隨著兩船間距的縮短,船舶碰撞穩(wěn)態(tài)概率平穩(wěn)上升,碰撞風(fēng)險(xiǎn)累積效應(yīng)明顯。這表明此案例中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程可被視為單船的事故風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程。

對(duì)事故發(fā)生前20 min不同致因路徑下的船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程進(jìn)行分析,見(jiàn)圖7(a) 。隨著時(shí)空的推移,各致因路徑的碰撞穩(wěn)態(tài)概率先快速增大,后趨于穩(wěn)定。船舶碰撞影響因素的相互作用表現(xiàn)為事故致因路徑的疊加作用。隨著演化進(jìn)程的推進(jìn),碰撞穩(wěn)態(tài)概率顯著增大后保持在較高水平,即船舶在自由航行階段和碰撞危險(xiǎn)階段,碰撞穩(wěn)態(tài)概率增長(zhǎng)速度較快,在這兩個(gè)階段船員過(guò)失行動(dòng)對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)的提高有顯著影響。如圖7(b)所示,致因路徑疊加導(dǎo)致碰撞風(fēng)險(xiǎn)增加,其中致因路徑Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的疊加效果尤其顯著,這表明船舶在碰撞危險(xiǎn)階段同時(shí)存在船員瞭望疏忽、雷達(dá)等使用不當(dāng)及未使用安全航速等問(wèn)題,導(dǎo)致船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)顯著提高。

(a)各致因路徑下

對(duì)船舶碰撞綜合致因路徑進(jìn)行仿真,可以得到各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)概率的變化。從結(jié)果可以看出,隨著演化過(guò)程的推進(jìn)各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)概率總體呈下降趨勢(shì),船舶碰撞概率隨著演化進(jìn)程的推進(jìn)穩(wěn)步提高,見(jiàn)圖8。在整個(gè)演化過(guò)程中節(jié)點(diǎn)P18、P22、P12、P11、P17的穩(wěn)態(tài)概率下降最為顯著,表明船舶早、大、寬、清避讓行動(dòng)失敗導(dǎo)致兩船間距過(guò)小以及在緊迫局面避讓行動(dòng)失敗對(duì)船舶碰撞事故的發(fā)生影響最為顯著。

(a)小概率節(jié)點(diǎn)

3.3 結(jié)果與討論

對(duì)船舶碰撞事故場(chǎng)景進(jìn)行事故影響因素提取發(fā)現(xiàn):

(1)由在4條致因路徑、綜合致因路徑以及多致因路徑共同作用下船舶處于演化最終狀態(tài)的碰撞穩(wěn)態(tài)概率(見(jiàn)圖9)可知:船舶碰撞事故的發(fā)生是多因素、多致因路徑共同作用的結(jié)果,存在一定的路徑依賴性。

圖9 不同致因路徑下船舶處于演化最終狀態(tài)的碰撞穩(wěn)態(tài)概率

(2)致因路徑Ⅰ為在船舶自由航行階段船員綜合素質(zhì)差導(dǎo)致瞭望失誤而未發(fā)現(xiàn)來(lái)船進(jìn)而未采取避讓措施,兩船間距逐漸縮短,導(dǎo)致船舶早、大、寬、清避讓行動(dòng)失敗,船舶進(jìn)入緊迫局面階段。在緊迫局面階段由于協(xié)調(diào)溝通失敗,所以未采取避讓措施,船舶最遲避讓行動(dòng)失敗,最終導(dǎo)致船舶碰撞事故的發(fā)生。

(3)致因路徑Ⅱ是在船舶碰撞危險(xiǎn)階段雷達(dá)等使用不當(dāng)導(dǎo)致未能發(fā)現(xiàn)來(lái)船,之后在緊迫局面階段與他船協(xié)調(diào)溝通失敗,最終導(dǎo)致碰撞事故的發(fā)生。如圖9(b)所示,致因路徑Ⅱ與致因路徑Ⅰ對(duì)船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)的影響效果相似,致因路徑Ⅱ與致因路徑Ⅰ疊加作用后船舶碰撞概率從原來(lái)的0.5增大到0.8左右,疊加后碰撞風(fēng)險(xiǎn)顯著提高。

(4)致因路徑Ⅲ為船舶在航行過(guò)程中未使用安全航速而導(dǎo)致船舶避讓措施不當(dāng),在緊迫局面階段未與他船協(xié)調(diào)避讓成功,最終導(dǎo)致船舶碰撞事故的發(fā)生。與致因路徑Ⅰ與致因路徑Ⅱ?qū)ε鲎诧L(fēng)險(xiǎn)的影響效果相似,且當(dāng)致因路徑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共同作用時(shí)即船舶在航行過(guò)程中船員瞭望疏忽、雷達(dá)等使用不當(dāng)、未使用安全航速、協(xié)調(diào)溝通失敗、避讓不當(dāng)?shù)冗@些因素共同作用時(shí),船舶碰撞穩(wěn)態(tài)概率顯著增大。

(5)致因路徑IV為船公司內(nèi)部管理出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致船員在心理素質(zhì)、船藝上表現(xiàn)不足,從而出現(xiàn)船舶操縱問(wèn)題,直接導(dǎo)致船舶碰撞事故的發(fā)生。從仿真結(jié)果可以看出,雖然致因路徑IV單獨(dú)作用時(shí)船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低,但是與其他路徑進(jìn)行疊加作用時(shí)碰撞風(fēng)險(xiǎn)提高顯著。這表明船公司管理不當(dāng)、船員心理素質(zhì)較差等是船舶航行過(guò)程中的巨大風(fēng)險(xiǎn)隱患,這些因素與其他影響因素相互作用對(duì)船舶航行安全產(chǎn)生巨大威脅。

(6)通過(guò)對(duì)比不同事故致因路徑下的船舶碰撞穩(wěn)態(tài)概率發(fā)現(xiàn),船舶碰撞事故的發(fā)生是多因素相互作用的結(jié)果,這些致因路徑通過(guò)耦合共同作用于事故發(fā)生的整個(gè)過(guò)程,風(fēng)險(xiǎn)因素相互作用及事故致因路徑的疊加作用導(dǎo)致船舶碰撞穩(wěn)態(tài)概率顯著增大。通過(guò)對(duì)碰撞事故發(fā)生時(shí)刻各致因路徑的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析,可得到船舶碰撞事故致因路徑不同節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)概率分布,見(jiàn)圖10?；谑鹿拾咐呐鲎诧L(fēng)險(xiǎn)量化分析發(fā)現(xiàn),船舶在能見(jiàn)度不良水域航行時(shí)船員瞭望疏忽、雷達(dá)等使用不當(dāng)、未使用安全航速、未及時(shí)采取有效的避讓行動(dòng)以及船公司管理不當(dāng)?shù)瓤赡苁窃斐纱芭鲎驳闹饕颉?/p>

圖10 事故發(fā)生時(shí)刻不同致因路徑下各節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)概率分布

4 結(jié) 論

基于Petri網(wǎng)理論,提出一種利用隨機(jī)Petri網(wǎng)(SPN)模型對(duì)海上船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程進(jìn)行建模分析的方法,通過(guò)搭建船舶碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化模型并同構(gòu)其同型的馬爾科夫鏈,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程的量化分析,完成對(duì)船舶碰撞事故中基于時(shí)間和空間的風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程分析。研究表明該模型在分析船舶碰撞事故中基于多因素耦合的碰撞風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程以及演化風(fēng)險(xiǎn)量化方面具有一定優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)演化模型進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),船舶在碰撞危險(xiǎn)階段船員瞭望是否疏忽、雷達(dá)等使用是否正確以及船舶是否保持安全航速航行,在緊迫局面階段船舶能否與他船成功協(xié)調(diào)溝通、是否存在操縱失誤等對(duì)船舶碰撞概率的影響顯著。

基于事故場(chǎng)景對(duì)事故發(fā)生前20 min的風(fēng)險(xiǎn)演化過(guò)程進(jìn)行分析,找出風(fēng)險(xiǎn)演化規(guī)律?；谑鹿拾咐治霭l(fā)現(xiàn),船舶碰撞事故是多條事故致因路徑疊加的結(jié)果,事故影響因素相互作用構(gòu)成事故致因路徑,存在路徑依賴性。同時(shí),事故致因路徑耦合會(huì)導(dǎo)致船舶碰撞事故發(fā)生概率增大,事故風(fēng)險(xiǎn)值增大,并在一定的時(shí)間和空間上呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。