基于事故树的港口水域船舶通航风险致因分析

何众颖，艾万政，刘 虎

（浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022）

近年来，随着水运经济的快速发展，水利、水运等基础设施网络建设进一步加强[1]。水路运输有着运能大、安全影响因素众多、航行环境复杂等特点[2]，因此一旦水路通航发生事故，便会引起严重的经济、社会影响。因此，评估港口水域船舶通航风险并对其进行致因分析，对提高港口水域安全管理水平，减少通航事故发生具有重要意义。目前，大量国内外学者对船舶通航安全开展了广泛的研究，如利用仿真软件研究船舶航行安全问题，利用安全保障理论、船舶操纵理论等分析船舶碰撞的风险特点，利用网络化定量风险评估、事故树、模糊层次法、模糊网络分析法等分析港口航行风险[3-8]，但对船舶通航安全致因点进行分析的较少。事故树是安全系统工程的重要分析方法之一，它是运用逻辑推理对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潜在原因。事故树的建立可以将各个致因点之间的联系清晰的展现出来，还可以对其进行定性定量分析。因此采用事故树对港口水域通航安全进行风险致因分析，可使决策者可以做出更加合理的应急决策，从而进一步提高通航的安全管理和危机处理水平。

1 港口水域船舶通航风险事故树的建立

1.1 事故树

事故树又称为FTA分析法，事故树起源于美国贝尔实验室的一门技术[9]，是一种推论分析方法，由结果分析原因。FTA是以系统不希望发生的重大或较大事件（顶端事件）作为分析目标，通过层层分析其发生的各种可能的原因，一直分析到原因事件不能再分解为止[10]，并用逻辑门符号把这些事件之间的逻辑关系表达出来，最终形成一个倒挂的树形图，称为事故树[11]FTA的基本分析方法如图1线路所示[12]。

图1 FTA基本分析方法Fig.1 FTA basic analysis method

1.2 事故致因分析

诱发港口水域通航事故发生的原因众多，主要可分为人、船、环境和管理四大方面。

人的因素包括疲劳程度、适任性和责任心三大方面。疲劳程度可以分为心理因素和生理因素；适任性可以分为专业技能、学历和海龄；责任心可分为责任认知、责任感和责任行为。

船的因素主要包括船舶吨位、船龄和适航状态三大方面。船龄可以分为船舶设备、船体强度、船舶使用年份；适航状态可以分为航行能力、适货能力和抗风险能力。

环境因素可以分为两类即自然环境因素和交通环境因素，自然环境因素可以分为能见度、风、流、海冰；交通环境因素可以分为航道条件、助航条件、交通流量和障碍物。

管理因素可以分为港口管理、海事管理和船舶管理，港口管理分为引航管理和拖轮管理；海事管理分为助航管理、法规制度管理和通航信息完善[8]。

1.3 事故树编制

以T“港口水域通航事故”为顶上事件，根据对港口水域通航事故的分析，发现只有在人为因素、船因素、环境因素和管理因素四者同时发生，才可能发生港口水域通航事故，因此第一层为“与”门。以此类推，直至事故树规模和分析深度已到达基本事件为止，得到港口水域通航事故的事故树图，共有29个基本事件、13个中级事件、9个“或”门即5个“与”门构成，如图2所示。

图2 港口水域通航事故树图Fig.2 Tree chart of navigable accident in port waters

2 港口水域船舶通航风险事故树的定性分析

事故树定性分析的主要任务是求出导致系统故障（事故）的全部故障模式。通过对最小割集或最小径集的分析，可以得到系统的危险性和安全性，并且可以利用最小割集和最小径集直接排出结构重要度的顺序，可以找出系统的薄弱环节，提高系统的安全性和可靠性。

2.1 最小割集分析

根据以上港口水域通航事故树中各事件之间的逻辑关系，可以得到事故树的布尔代数式：

将式（1）化简可以得到最小割集896组，最小径集14组，可见事故发生方式较多，风险致因影响复杂。最小割集数量较多不具体列出，最小径集具体如下：

最小割集表示系统的危险性，可以根据割集组成得到某些基本事件共同致因便会发生事故；最小径集表示系统的安全性，可以根据径集组成得到某些基本事件共同作用便可以防止事故发生。由上所得，割集数量较多，径集数量较小，因此港口水域通航发生事故的危险性较大，但单凭最小割集或径集无法直接得到基本事件的重要程度排序，需要通过计算得到结构重要度顺序。

2.2 基本事件结构重要度分析

计算整体事故树的结构重要度为事故树定性分析中一项重要程序。计算时，假设各个基本事件发生的概率相等，通过理论分析，得到各事件对于顶上事件发生的影响程度并进行排序，为具有针对性的安全措施的提出奠定基础[13]。

在事故树分析中，设xi表示某个基本事件i，其具有两种状态：xi=1（基本事件发生）和xi=0（基本事件不发生），对应结构函数为 φ（x）=1和 φ（x）=0。当 xi的状态由正常状态（0）变为故障状态（1），其他基本事件的状态保持不变时，则顶上事件可能有以下四种状态：

1）顶上事件从 0 变为 1；即 φ（0i，x）=0→φ（1i，x）=1 即 φ（1i，x）-φ（0i，x）=1

2）顶上事件处于0状态不发生变化；

3）顶上事件处于1状态不发生变化；

4）顶上事件从1变成0。

n个基本事件两种状态互不相容的组合数共有2n个。当把第Xi个基本事件作为变化对象时，其余n-1个基本事件的状态对应保持不变的对照组共有2n-1个组合。在这2n-1个对照组中共有多少是属于第一种情况，这个比值就是该事件xi的机构重要度。

本文主要通过软件EasyDraw根据最小径集进行计算得到每个基本事件的结构重要度系数大小并进行排序，见表1。结构重要度系数大小顺序为：

表1 基本事件结构重要度Tab.1 Basic event structure importance

由此可知：每个基本事件的重要度都不可忽略，但可由排序得到，最重要的为人的生理和心理因素，次之为管理因素。在对港口水域通航安全提出对策时，可以借鉴重要度排序进行分析。

3 港口水域船舶通航风险事故树的定量分析

事故树的定量分析是在定性分析的基础上进行的，定量分析可以计算出基本事件发生的概率值，从而计算出顶上事件发生的概率，此外定量分析还可以分析概率重要度，从而找出系统当中最佳的控制措施。本节利用老塘山港口的实例作为分析对象。老塘山港口作为舟山核心港区之一，港区年吞吐量巨大，在整个舟山港起着举足轻重的地位[14]。但该港区由于码头众多，岛屿林立，多处暗礁，多座桥梁横穿港区，交通流复杂，同时处于中国著名急流区，大型船舶进出港口频繁，通航环境复杂，因此该港区发生的通航事故较多。据舟山海事局统计，近5年老塘山港区船舶到港数达42 011艘，发生水上交通事故数量59艘。

3.1 顶上事件概率计算

对老塘山59起事故分别从29个基本事件中进行分析，根据公式（2）[15]计算得到每个基本事件发生的概率。计算结果见表2。

Pi为基本事件发生的概率；Wi为基本事件i发生次数。

表2 各个基本事件发生概率Tab.2 Probability of the occurrence of each basic event

顶上事件发生的概率求解公式为[16]：

由公式（3）-（6）计算可以得到顶上事件发生的概率为0.130%，实际近几年老塘山船舶发生事故数量比上到港船舶总数，计算结果为0.133%（发生事故数量59艘，到港船舶数量42 011艘），可见由事故树计算得到的概率较为准确，表明基于事故树对港口水域通航安全风险致因分析的方法是可行的。

3.2 概率重要度分析

基本事件发生概率变化引起顶上事件发生概率的变化程度称为概率重要度。顶上事件发生概率函数（公式（3））为一个多重线性函数，所以对自变量qi求一次偏导，就可以得到该基本事件的概率重要度系数，即。

将3.1当中所计算得到的基本事件概率值代入进行计算，得到各个基本事件概率重要度系数，见表3。

表3 各个基本事件概率重要度系数Tab.3 Probability importance of each basic event

概率重要度排序为：

3.3 通航致因分析

结合基本事件概率、结构重要度和概率重要度，找出系统薄弱环节，从而确定所采取相应安全措施的优先顺序，对港口水域进行科学、合理、有效的控制。由应用实例可知，基本事件概率较大的有X1，X3，X6，X7，X8，X16，X17，X24，X25，X27，X28，X29，其中“人为因素”中间事件有 8 个基本事件，当中大概率基本事件有 6个，占75%；“船的因素”中间事件有7个基本事件，当中大概率基本事件只有1个，占14%；“环境因素”中间事件有8个基本事件，其中大概率基本事件2个，占25%；“管理因素”中间事件有6个基本事件，大概率事件有5个，占了83%，由此可见管理与人为因素是导致通航事故发生的主要原因。

从结构重要度系数可以看到，X1和X2是重要度系数最高的，因此人为因素对于事故的发生影响比较大，其中疲劳程度是影响最大的；同时X3-X8、X24、X25、X26的重要度系数也是比较高的，前6者属于人为因素当中的适应性和责任性，后3者都是属于管理因素，由此可再次可得人为因素的影响力以及管理的重要度；X9-X15的结构度稍次于上述5个基本事件，可见船的因素也不可小觑。

根据所建立事故树的结构重要度排序分析和老塘山港口事故实例事故发生概率和基本事件概率分析，可共同得到在通航风险的人、船、管理、环境四大致因方向中，得到一级影响度当中人为因素是最主要的致因因素，其次是管理因素，船因素和环境因素稍低，同时也验证了事故树建立的合理性。

利用概率重要度排序，在一级影响度下进行二级影响度分析，可以得到在人为因素下，概率重要度心理因素排第一，其次为生理因素，其他基本事件排序较后；在管理因素当中，船舶管理排第一，其次为引航管理和拖轮管理，其他基本事件排序较后；在船的因素当中，船舶设备排第一，其次为船体强度，再者为船舶使用年份、航行能力、运货能力和船的吨位，抗风险能力排最后。

4 港口水域通航安全保障对策

根据事故树计算得到的最小割集、最小径集、结构重要度、概率重要度以及实例的应用，对港口水域通航安全的致危因子进行了分析，将影响因素进行如下排序：管理因素、人为因素、船舶因素、环境因素。因此需要着重管强化管理因素和人员因素的控制。

管理方面，首先应该加强对船舶的管理，从船舶检验、船舶登记和船舶安全检查三个方面进行加强，完善各自所对应的规章制度。再来应该加强引航管理和拖轮管理，在引航管理上，应该制定现代化的高效的引航管理策略和技术，保证引航策略的各项政策执行和现代化技术的开发；在拖轮管理上，船舶在港工作都需要拖轮的工作，因此拖轮工作关乎到港内船舶的安全，所以应该规范拖轮管理以及对其系统进行优化。

人员行为方面，首先应该对其心理与生理进行考核和锻炼，具体可从岗前、岗中和岗后三个体制入手，即在上岗前应进行全面培训并严格考核，考核合格后方可上岗；在岗时，应该严格按照规章制度执行任务，若未按规定操作应给予严重的处理；在工作结束非在岗时，应定期重温学习相关的规章制度和专业技能，并进行考核，以及定期进行身体素质检查。

另外对船舶因素，对船舶的的设施设备、船体强度应该加强管理，对设施设备的定期检查维修与优化改进。定期对船舶上的甲板、船身等牢固类系统进行检查；对机电、操作、通信、导航等设备进行日常检查与及时优化改进。

5 结论

基于事故树理论，对港口水域船舶的通航风险致因因素进行了分析，从人、船舶、管理和环境四大方面建立了港口水域通航事故的事故树，结合舟山老塘山港区的统计数据，通过计算事故数的结构重要度、基本事件概率和概率重要度，定性与定量结合，分析了港口水域船舶通航风险致因。结果表明，人为因素和管理因素为港口水域船舶通航风险最为重要致因，人为因素方面应该着重注意生理和心理影响，管理方面应该加强船舶管理和港口管理，船舶方面应该对船体设备加强管理。