基于AASHTO模型风险评价的内河旅游船主尺度论证

欧礼坚+李德玉+徐海汐

摘 要：内河旅游观光船通常主尺度较小、重心较高、受风面积较大、稳性储备少、加之乘客数量多，如果发生船舶与桥梁相撞，容易产生翻船事故，酿成重大灾难性事件。为了提高船舶航行的安全性，降低船舶与桥梁碰撞发生灾难性事故的概率，在船舶设计阶段主尺度确定中引入风险评价论证方法是十分必要的。本文基于AASHTO模型，推导出定航线船舶营运期间碰撞桥梁的概率计算模型和灾害风险评价方法，并应用于清远北江客船船型的主尺度论证。

关键词： AASHTO模型；风险评价；船舶主尺度

中图分类号： U661.313 文献标识码：A

Abstract： Generally， river passenger ship has relatively small size， high center of gravity and large wind area， thus their stability margin is low. Meanwhile， the ships are often overloaded and easily overturn if they collide with a bridge. In order to increase the ships navigation safety and decrease the probability that disastrous accidents happen when the ships hit the bridge， its necessary to apply the risk assessment and demonstration method during the design of the ships principal dimensions. Based on model AASHTO， this paper deduces the probability calculation model and disaster risk assessment method of the ships hitting bridges during fixed-course vessels operation period and applies it to the demonstration of principal dimensions of the Qingyuan North River passenger ship.

Key words： Model AASHTO；Risk assessment；Ship principal dimensions

1 前言

2015年6月1日，“东方之星”号旅游观光船在长江大马洲水道因突发罕见的强对流天气翻沉，造成442人死亡的特大灾难性事件。2016年6月4日，四川广元白龙湖景区“双龙号”旅游观光船因突遇强烈阵风翻沉，造成15人遇难的重大灾难性事件。内河旅游观光船主尺度较小、重心较高、受风面积较大、稳性储备少，容易发生翻沉事故。

随着我国经济建设和交通运输业发展的需要，内河航道桥梁的数量越来越多。桥梁作为跨越航道的建筑物，對船舶航行安全影响较大。据统计，从1960 年至 2013 年，我国平均每年发生 8 起重大船撞桥事故[1]。其中 2005 ～2009 年发生 102 起船撞桥事故[2]。

墨菲法则认为：风险是系统本身的复杂性、关联性和不确定性所决定的，不管常规的技术安全措施多么有效，该发生的事故依然会发生。人们在风险面前也并不是无能为力、无所作为的，在科学的分析和评估基础上进行风险预报，可在风险和收益中取得最佳平衡[3]。随着船舶大型化发展和通航密度不断增大，船撞桥事故导致人员伤亡和环境灾难性破坏的风险越来越高。在船舶初步设计阶段，采用基于船撞桥风险评价方法确定船舶主尺度，可将船撞桥风险水平和等级控制在可接受的范围内。

2 基于AASHTO模型船撞桥风险评价方法的基本理论

2.1 船撞桥风险评价的概率模型

AASHTO[4]船撞桥概率模型可操作性较强，被广泛采用。AASHTO 模型采用基于碰撞概率分析方法，假设船舶在行驶时有预定航路，航路与桥梁之间有足够的安全距离。船舶在航行过程中，由于某些原因进入到可能与桥梁产生碰撞的区域，若此时船舶失去了控制，将导致船撞桥事故发生。AASHTO 模型船撞桥概率包括船舶进入可能产生碰撞的航路区域的概率和船舶失去控制的概率。

船舶进入可能碰撞航路区域的概率称为几何概率pG，船舶失去控制的概率称为偏航概率pA，则船撞桥概率p为：

偏航概率pA代表船舶由于人、机、环境因素等导致船舶偏离正常航路的统计概率。AASHTO模型采用正态分布来模拟靠近桥墩的偏航船舶的航路，见图1。假定正态分布标准差σ为船舶总长，图1中阴影面积即为几何概率 pG。

2.2 单航次船舶撞桥概率

船舶从A港航行到B港共通过n座桥，船舶与每座桥的桥墩碰撞概率分别为。船舶与第i座桥的桥墩不碰撞的概率为：

2.3 定航线船舶撞桥概率

船舶从A港航行到B港共需通过n座桥，船舶在一年内共从A港和B港之间航行x航次，共营运y年，其船撞桥的概率P。因为每次航行都是独立的，每航次从A港到B港中通过n座桥也是独立的，所以问题可转化为求船舶通过1桥xy次，i桥xy次，n桥xy次碰撞桥墩的概率。

因此，定航线船舶y年营运期内与桥发生碰撞的概率P为：

2.4 风险评价及风险决策方法

船撞桥的风险R是船撞桥的概率p及其造成的损失c的某种函数形式，其表达式如下：

基本流程包括风险定义、风险识别、风险估计、风险评价等环节。根据事故的后果将风险严重程度分成若干等级，并考虑各种灾害发生的概率水平，将各种灾害下的事故后果和灾害发生的概率水平结合起来，定出风险决策准则。

首先，根据事故的后果将风险严重程度分成四个等级，见表1；其次，划分各种灾害发生的概率水平，见表2；第三，将各种灾害下的事故后果和灾害发生的概率水平结合起来决定风险等级，见表3；最后，确定风险决策准则，见表4。

3 基于AASHTO模型风险评价的船舶主尺度论证的应用

3.1 客船主尺度论证背景及桥梁参数

清远北江观光休闲游线路为从市区到飞来峡沿岸水上观光旅游航线，属于广东省重点监管水域，航线大约25 km，单航次航行时间大约2.5小时。据统计，2012年北江旅游观光的游客量达250万人次，有约200艘旅游船在景区营运。根据清远市发展规划，预测到2020年清远北江旅游观光游客为350万人次，2030年达到650万人次。

为了满足旅游市场的发展需求，必须开发新船型。清远北江旅游项目从市区到飞来峡沿岸水上观光旅游航线，船舶航行需通过6座桥梁，桥梁的主要通航参数见表5。因为客船发生碰撞桥墩事故可能导致大量乘客伤亡，事故风险后果属于灾难性的，所以在船型主尺度的论证中进行了船撞桥风险评价。

3.2 船撞桥造成船舶倾覆风险分析

桥墩承台与船舶发生碰撞时，船舶承受的撞击力可按下式计算[6]：

3.3 客船碰撞桥墩风险评估及决策

采用AASHTO模型对船型1-10进行概率计算和风险评估。

根据调查统计数据，旅游船每年约营运180天，每天通常航行2个航次，航速为20 km/h；普通船舶单航次偏航概率约为0.6×10-4。船型1-10在漂角β为0、1°和2°下碰撞桥墩的概率水平、灾害风险评估和风险决策准则如表6。根据风险评价结果，船型1-4的灾害风险为中风险，属于可接受船型，要重点安全检查和管理。從客船碰撞桥梁可接受灾害风险看，建议选取编号1-4船型作为清远北江旅游船主力发展船型。

4 结论

跨越航道的桥梁对船舶航行安全的影响较大，为了控制船撞桥事故的灾害风险水平，采用基于AASHTO模型的船撞桥风险评价方法是可行的，在船舶初步设计阶段，可采用这种风险评价方法进行风险评估，给出决策意见和建议。

参考文献

[1] 国际船桥相撞及其防护学术研讨会论文集[C].：中国铁道出版社，2014.

[2] 谭志荣. 长江干线船撞桥事件机理及风险评估方法集成研究[D]：[博士学位论文].武汉理工大学， 2011.

[3] 张圣坤 白勇 唐文勇. 船舶与海洋工程风险评估[M].：国防工业出版

[4] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. American Association of State Highway and Transportation Officials， Washington D. C.， 2010.

[5] 铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1 2005），中华人民共和国行业标准[S].2005.

[6] 广东省清远市人民政府办公室.清远市水上交通突发事件应急反应预案，2010.6.

[7] 欧礼坚. 北江四桥通航安全影响论证报告.华南理工大学船舶与海洋工程研究所. 2014.10.