基于SD的散货船进水风险演化仿真研究

王一沫 韩雅君

摘要：散货船运输货物集中，当发生破舱进水事故后极易导致船舶倾斜。针对散货船进水风险分析呈现多因素影响和非程序性等特点，采用系统动力学进行散货船进水风险演化仿真研究。在确定船舶进水各风险因素影响因子的基础上，构建散货船破舱进水风险因果关系图和存量流量图，在事故案例背景下对散货船破舱进水后的风险演化趋势进行仿真分析。结果表明：模型可以对破舱后的船舶状态进行仿真;船舶进水总风险呈增长趋势，780 s进水终了船舶状态较危险，需要尽快采取相应措施。

关键词：散货船进水;风险演化;系统动力学;vensim;仿真模拟

中图分类号：X951文献标识码：A文章编号：2095-7394（2021）06-0097-09

近年来，船舶海难事故频发，使人民生命财产遭受巨大损失，同时也对环境造成一定的污染;而船舶破舱进水是威胁航行安全的一个重要因素。散货船具有载货量大、航线固定以及装卸快速等特点，为全球大宗货物提供了运输服务。伴随着现代散货船大型化、高速度和结构复杂的发展趋势，安全问题也愈发突出;因此，将不利因素限制在可控范围之内，加强事故发生之后的有效安全决策至关重要。本文选取船舶事故中散货船进水事故进行研究，考虑到安全决策的复杂性、多因素影响和非程序性等特点，采用系统动力学（system dynamics，简称SD）方法，基于vensim软件在散货船进水后的安全影响因素分析，构建安全度仿真模型;建立系统动力学方程式并进行参数量化。根据模型仿真结果，进行散货船进水风险演化分析。

在交通运输领域的风险演化研究中，张阳等人[1]采用系统动力学构建风险演化模型，分析了各风险因素间的量化因果关系，显示了系统风险随时间的变化趋势;肖琴等人[2]构建了机场场面交通冲突风险演化的SD模型，揭示了场面交通冲突风险演化规律;孙广林等人[3]构建了危险品道路运输风险演化模型，选择最优的安全投入配置比例;郭云龙等人[4]研究了感潮港口船舶在不同潮时进港靠泊的引航过程风险演化规律，利用不确定人工智能云模型进行多时段船舶引航过程风险的建模仿真。在海船破舱研究中，陆子友等人[5]结合40 000 t自卸船分舱特点，利用NAPA软件对分舱指数计算过程和结果进行分析，对自卸船的破舱稳性计算进行了优化;胡晓倩等人[6]对散货船进行概率破舱稳性的计算研究，探讨了新旧SOLAS规范的差异及新规范对船舶概率破舱稳性计算的影响。然而，上述破舱状态的研究仅仅是针对某个结构或局部系统的性能，尚未分析船舶全面整体的破舱状态。

1散货船破舱进水风险因素分析

1.1散货船结构特点

散货船在货物运输上承担了大部分运力，具有船舶代表性;普通散货船对舱室分隔要求不高，船舶进水后的安全性更低，具有破舱风险针对性。因此，选择散货船来进行破舱进水的风险演化分析。

根据用途以及装运的货种不同，可将固体散货船分成3类。

（1）一般固体散货船。用于装载普通散装货物，具有尾机型、单层甲板、双层底、设置倾斜边舱、船中部设压载舱等特点。

（2）专用的固体散货船。具有货舱容积小、双层底较高、货舱两舷设置较大边压载舱、货舱较少的特点。

（3）其他固体散货船。包括少量的杂货船和多用途船，多应用于散货运输，船体结构形式和前两种相似。

可见，在散货船中货物集中装载在同一个舱室，如果浸水其物理化学性质会发生相应的变化，有可能会对船舶造成二次伤害或者对船员造成人身伤害[7];此外，船舶进水后会导致船舶斜倾，散装货物表面会发生移动，从而致使船舶的斜倾加剧。

1.2风险因素分析

根据人-机-环境系统工程理论，散货船破舱进水风险演化系统可以由船舶、船员和环境3个子系统组成，这3个子系统中的风险因素构成了船舶风险演化的全方位分析[8]。散货船的风险值不仅取决于破舱进水后的船舶本身情况，而且还与船员的组成情况、船舶所处位置等自然情况都有关系[9];因此，根据对整个系统的分析，将散货船破舱进水的风险因素分为4个部分[10-13]。

（1）浮态、稳性与强度。包括储備浮力、横倾角、稳性（GM）、船体强度（用最大剪力比、最大弯矩比的综合指标进行衡量）。

（2）船舶状态。包括船体进水区域、距安全地航程、船上旅客数量、船舶设备状态及船舶环境。

（3）海面状况。风力、浪级、涌高、其他异常天气（异常气温、雨雪、能见度等）。

（4）船员因素。心理状态、应急能力、船员协作能力等。

2散货船破舱进水风险模型的建立

2.1SD概述

SD由美国麻省理工学院Forrester教授于1956 年创立，它是以反馈控制理论为基础、仿真技术为手段，研究非线性、高阶多变量及多重反馈结构的针对复杂系统的一种定量分析方法。SD以实际存在为前提，从整体出发寻找完善系统行为的途径，依据对系统的实际观测信息，建立动态的仿真模型，并通过计算机试验来获得对系统过去、现在和未来行为的描述。

本文基于系统动力学建立散货船破舱进水风险模型，构建动力学方程式，对散货船破舱进水后的风险演化进行模拟仿真，并基于不同阶段的风险等级给出相应的处置建议。

2.2因果关系分析

船舶进水之后的风险等级可分为5级：安全、尚安全、有危险、较危险、危险。由于散货船进水后危险的诱因相对比较复杂，本文假定对船舶危险的影响包括4个方面：船舶结构强度、海面状况、船舶状况以及船员因素。

（1）假设一。研究船舶为干散货船，具有尾机型、单层甲板、双层底、设置倾斜边舱、船中部设压载舱的特点。

（2）假设二。散货船船舱破裂，舱内发生进水，破口面积为0.5m²。在一段时间之内，船舶的进水程度不至于会让船体倾覆。船舶未搁浅、无他船伴航且不具备抢滩坐浅的条件。

（3）假设三。散货船破舱进水后完整稳性和破舱稳性都符合要求。

（4）假设四。发现事故时，船员在船长的指挥下可以采取必要的措施，从而降低船舶进水程度。

如图1所示，在系统边界和模型假设的基础之上，根据散货船进水后风险因素的分析绘制出因果关系图。以浮态稳性强度风险为例，随着船舶进水程度的加剧，船舶稳性、剩余强度、储备浮力和横倾角都会发生变化，从而增加浮态稳性强度风险，进而增加船舶进水总风险。

2.3建立存量流量图

为了对系统运行的内在机理进行动态描述，以刻画变量间的逻辑关系，建立相应的模型方程式，并在数据模拟的基础上通过反馈与控制反映系统未来的行为。构建系统动力学的规范流图模型，系统模型主要包括状态变量、速率变量和辅助变量。状态变量用来描述系统要素的状态;速率变量决定了状态变量随时间变化的趋势;辅助变量为建立速率变量与状态变量的复杂关系提供了必要的辅助信息。如图2所示，基于散货船进水风险因果关系和变量之间的逻辑关系，建立散货船进水风险存量流量图[14]。

在散货船进水存量流量图中设置4个状态变量，分别为海面状况风险、浮态稳性强度风险、船舶状态风险和船员素质风险，其共同构成了船舶进水总风险。相应地，为了描述状态变量设置了4个速率变量，分别为海面状况风险增加值、浮态稳性强度风险增加值、船舶状态风险增加值和船员素质风险增加值。同时，为了准确描述变量间的关系，增加了相应的辅助变量，例如：最小干弦、最大剪力比、GM值、满载排水量等。

在模型中，所有变量之间的精确关系都需要通过方程式建立联系。如表1所示，通过相关文献资料[15-18]和存量流量图中的变量关系，运用Vensim软件中的Equation建立变量间的函数关系。描述变量关系主要分为线性关系和非线性关系。根据逻辑关系确定大部分变量为线性变化，例如船员素质风险增加值由应急能力和船员协作能力构成，其中R₁和R₂表示变量系数;难以用线性变化描述的变量采用非线性的方式描述，例如船舶进水程度，随着时间的增加，船舶进水量会越来越大、进水程度会加剧，因此，采用表函数的形式描述进水程度随时间的变化趋势。

3参数量化

基于方便、快捷、有效原则，模型的输出结果应当简单直观并且易于理解。由于指标单位不统一，因此，本文在模型建立过程中使一级、二级指标输出值介于[0.0，1.0]之间。其中：“1.00”表示安全;逐渐递减为“0.00”，表示船舶处于极度危险中。海船破舱进水风险值介于[0.0，1.0]之间，以反映海船安全度的高低。

最小二乘法兼顾了主、客观赋值方法，可以有效地避免主观偏好，其系数确定结果与实际结果之间不存在较大偏差。结合专家打分法和最大熵技术法，在具有变量偏好信息和通过客观熵信息输出系数的基础上，利用最小二乘法计算变量系数。

本文针对海船破舱进水情况，对相关专家采取问卷调查，评价散货船破舱进水风险变量系数。将评价标准分为6个等级，由专家针对散货船破舱进水风险变量权重的具体情况进行打分，系数重要性评价规则[19]如表2所示。采用克朗吧哈系数来测量专家打分的一致性与可靠性[20]。

克朗吧哈α系數计算公式为：

其中：

由式（2）可得变量系数结果：

根据式（2）、式（3）得到综合系数w=（w₁，w₂，w₃，…，w_n）^T。

本研究向航运公司管理人员、港口管理人员、船长、船员等15名专家，发放了针对5个指标权重的调查问卷，共回收问卷12份，除去作答不完整及作答无效的，保留有效问卷10份。如表3所示为10份问卷的评分结果。根据式（1）α=0.733可知，调查问卷的可信度比较高，问卷可以采用。根据式（2）和式（3）得到最终的变量系数为w=（0.42，0.37.0.21，0.36，0.34，0.30，0.55，0.45）^T，确定参数后的主要变量方程式如表4所示。

根据表4，在难以用线性关系表示变量关系或者表达相对困难的时候，可以选择用表函数表达变量之间的关系。以船舶进水程度为例，根据文献资料[21]得到船舶的进水速率随时间的变化趋势。船舶破口面积为0.5 m²，破口面积距船中为30 m，距舷外液面的高度为3.5 m，由于船舶舱室内货物的亏舱较大，船舶破舱进水后到进水终了用时约780 s，根据进水速率可得出船舶的进水程度即船舶进水排水量。

4散货船进水风险仿真分析

4.1基础数据获取

事故概况：船舶装载旅客12人，发生触礁事故，造成船舶右舷的1号燃油舱破损进水;船舶主机发生故障，维修时间为40 min;当进水终了后，船舶吃水6.017 m。船舶主要资料如表5所示。

根据船舶主要资料，通过Maxsurf软件进行船舶进水后数据计算。从该软件中的Prefit输入船舶型线数值表即能生成三维船体，在Maxsurf- Pro软件中可以进行修改船体形状等操作，进而在HydromaxPro中产生船体浮性和稳性等大量数据资料。在得到Maxsurf计算船舶数据的基础上，通过对船舶进水情况和周围环境状况的分析，得到船舶状态和周围海况的相关资料，如表6所示。

4.2仿真分析

如图3所示，将数据代入系统动力学边界变量中，运行调试模型后模拟从开始进水（0 s）到进水终了（780s）船舶的风险程度趋势。

如图4所示，为船舶进水子系统主要变量仿真图。恶劣天气下海面状况指标递减，浮态稳性强度指标随着进水量的增加而减少，当600 s后排水速率大于进水速率。船舶状态指标在600 s之前保持为1，600s之后呈递减趋势。图4反映了海面状态、浮态稳性强度、船舶状态、船员素质、进水速率、设备维修时间和船员心理状态指标的变化趋势。

4.3处置建议

相对于不同等级的风险，处置建议如下：

（1）1级风险（安全0～0.59）。水线附近的小范围破损，可尝试降低一侧水线以减少舱内进水，若水线下船壳破损，应调整航速和航向，将破洞置于下风侧;尽快堵漏排水;若油舱破损应移拨相关油舱剩余油液;密切监视进水速率，留意相邻舱室是否存在进水问题;密切监视船舶水线和横倾角的变化;调整压载以保持船舶正浮或减小横倾;谨防已完成堵漏的船体因裂痕扩展而再次进水。

（2）2级风险（尚安全0.60～0.69）。除上述措施外，需检查风雨密和所有的水密装置是否处于关闭状态;保持上甲板排水畅通;增加进水舱液位的测量次数;船舶横倾角较大且海面风浪较大时，应避免顺浪航行，及时减速并采取顶偏角约15°航行，以减小纵、横摇幅度。

（3）3级风险（有危险0.70～0.79）。除上述措施外，需调整船舶纵倾，避免船舶主甲板后部被水淹没;应考虑先行将船上旅客（如果有的话）转移至他船;若机舱进水，则轮机员在撤离前应及时关闭通向各货舱和油舱的阀门;备妥所有救生设备，以便随时使用。

（4）4级风险（较危险0.80～0.89）。除上述措施外需密切与岸基联系，要求在附近有他船伴航;有旅客时，应先行转移至他船;做好弃船准备。

（5）5级风险（危险0.90～1）。除非舱内进水已被控制住，舱内的水位明显下降，或船舶具备抢滩坐浅条件;否则，评价值40～60时建议船长考虑弃船，评价值低于40时建议船长果断下达弃船命令。

5结论

针对散货船破舱进水风险评价呈现非程序性的特点，本文利用系统动力学构建散货船破舱进水风险模型，基于Vensim软件进行仿真模拟。输人案例数据后的仿真结果表明：船舶进水总风险基本呈线性上升趋势，780 s进水终了船舶状态属于较危险，应立即与岸基联系，转移乘客并做好弃船准备;船舶进水初期，船长应采取措施缓解船员紧张恐惧的心理状态、提高船员协作能力，同时，加大排水速率，为船舶营救争取时间，进一步降低船舶的沉没风险。

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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