复杂水域船舶通航安全风险耦合机理分析＊

刘 清 王冠雄

（武汉理工大学交通学院 武汉 430063）

0 引 言

冰区、岛礁区、极区、浅水区、狭水道等视为复杂水域，主要表现在：（1）滩险、不稳定的坡岸等地质条件；（2）河道纵横交错、相互干扰形成的繁错的水上交通流；（3）复杂的水文气象条件；（4）水面上存在桥梁墩、隐藏浅滩、暗礁等．复杂水域是水上安全事故的多发地带，如南通的长江29至33号浮水域、张家港的福南水道、泰州的嘶马弯曲航段、镇江的尹公洲航段等．影响复杂水域船舶通航安全的风险因素较多，而且多个风险因素相互作用造成系统故障比单个风险因素造成系统故障的概率要大很多．本文提出对影响复杂水域船舶通航安全各风险因素的耦合进行分析和研究，以便减少船舶在复杂水域因特殊环境或条件而引发的水上事故．

当前关于复杂水域船舶通航安全研究非常少，D．Roeleven等［1］采用二项分布理论分析建立了事故概率预测的模型并考虑能见度、风速、可航宽度、弯曲半径与每个交通状况因子（ETS）等因素的影响．美国国家海洋和大气管理局（NOAA）开发出海洋观测系统，通过物理观测获得港口、航道周边的潮汐、海流、水温、空气温度、气压和风速等观测数据，通过科学的分析和计算，得出最佳的通航方案，从而可以进一步使得船舶更加安全、更高效率的行驶［2］．郑中义等［3］运用灰色理论对通航水域危险度进行评价，分别分析了船舶交通事故与通航水域环境各因素的关系，并提取出了影响通航环境危险态势的主要因素．项峰等［4］对港口的船舶交通环境作了系统的研究，通过分析提取出了船舶交通安全的主要影响的因素，并建立了相应的船舶交通安全评价模型．汤嘉辉等［5］在VTS对复杂水域监管的几点思考一文中主要对长江江苏段复杂水域水域发生的事故定性进行分析，并从VTS监管的实际情况出发提出充分利用VTS进一步加强对复杂水域的监管措施．在研究方法上和理论应用上，国内外相差不大，多从以人－机－环境为系统的整体性风险的角度去评估风险和设计指标体系，风险评估实践操作性不强，而且针对复杂水域通航环境研究非常少．因此，通过防范船舶在复杂水域通航安全风险耦合研究，对于复杂水域通航安全的各个细分机构的安全风险管理提供了参考和借鉴．

1 复杂水域船舶通航安全风险因子分析

通过对复杂水域所发生的事故进行统计分析，提取出域影响复杂水域船舶通航安全风险主要因子见图1．

图1 复杂水域船舶通航安全风险因子体系框架图

1．1 风险因子分析

1）航道状况 复杂水域航道状况主要体现在航道宽度、航道水深、航道弯曲度以及航道交叉状况等．航道宽度通常情况是取平均船舶宽度与航道宽度之比来衡量航道的宽度是否足够，当比值较大时，通航船舶容易发生岸推、浪损以及岸吸现象；船舶在浅水域中行使会造成船舶横移阻力增大，同时船员在操纵过程中也会出现舵效大幅度降低的状况，从而影响船舶的航行安全；另外一些复杂水域往往由于航道弯曲度较大，船舶途径时会受到航道水流及弯曲限制造成机动性较差，发生事故率高；而航道的交叉处，由于船舶流量和密度增大，船舶在交叉口会遇次数增多，易形成紧迫局面，并导致船舶驾驶员心理紧张，成为碰撞等事故高发地带．

2）水文气象 多数复杂水域由于独特的地理位置，水文气象复杂多变，如三峡库区常有团雾出现，造成能见度不良，而雪、雨和冰雹等气象都会造成能见度较低，据相关统计，能见度小于4 km对航行有一定的影响；当能见距离降至1km时，由于不能很好的了解通航情况如果不及时停泊，易造成事故［6］．其次是风的影响，风力增大使得波浪增高，航行在复杂水域的船舶航速较高时受风力影响产生倾斜、漂移以及偏转，很容易导致船舶碰撞．另外水流速度会对船舶受力产生一定影响，一般顺流舵效差；逆流舵效较好，在复杂水域环境下航行时，如涨落潮流后的水方向缺乏确定性及稳定性，易导致舵效变化快，给船舶操纵带来困难．

3）交通状况 在一些复杂的水域一旦交通量增多、交通密度增大，船舶交通的拥挤达到一定数量后很容易造成碰撞事故概率的增加．船舶交通流是指单位时间内通过水域中某一地点的所有船舶的数目，交通密度是指单位面积上船舶的数量，一般来说，交通密度越大，交通越拥挤，安全程度越差，主要是在空间上制约船舶行动，另外船舶安全心理受到严重影响，给船舶驾驶员带来很大的压迫感，从而造成事故．另外安全航速也是影响复杂水域通航风险的重要参数，如果船舶在复杂水域中航行速度过快，船员无法在遇到紧急情况时及时停住；而船舶航速较慢时因舵效较低，船员无法采取及时的避让操作；因此船舶驾驶员应综合考虑船舶和交通环境及时调整规避船舶碰撞等风险事故发生．

4）航行支持度 复杂水域的通航需要很高的航行支持度来规避风险，如加强VTS等监管度、完善导助航标志设施、清除碍航物等．船舶航行在复杂水域中，复杂水域中各种隐藏浅滩、暗礁、桥墩以及航道上方修建违规建筑物等，这些都在很大程度上降低了船舶航行安全．而导助航设施可以帮助船舶定位，拥有危险警告和确认等功能．复杂水域地区导、助航标志设置是否合理和完善对船舶航行安全的意义重大．如果大量船舶交叉航行时，相应的引导和监督是保证维持良好的水上交通秩序的重要条件［7］．

1．2 复杂水域船舶通航安全风险耦合特性分析

在风险管理领域，耦合是指系统中2个或2个以上的风险因素相互依赖于对方的1个量度，以及影响别的风险发生和影响力的程度．把这种风险间的依赖以及影响关系称之为风险耦合．风险间的依赖和影响程度越大，则风险耦合度越大，反之风险耦合度越小．

复杂水域船舶通航安全风险的大小主要是由复杂水域的动态性、复杂性和挑战性等特点决定．根据上节分析可将复杂水域船舶通航安全风险分为4类，即航道状况因素风险、交通状况因素风险、水文气象因素风险和航行支持度因素风险，分别记为a，b，c和d．因而复杂水域通航安全风险是指其系统内部及与其关系密切的各种与安全相关的因素，在特定的时间、空间及环境下，造成复杂水域事故发生的可能性以及事故带来的人员伤亡和财产损失程度．

本文主要针对的是复杂水域通航环境，重点体现水域的复杂性，因此主要研究多因素耦合风险，即3个风险因素或者4个风险因素之间相互影响而发生的因素耦合风险．见图2．

图2 复杂水域船舶通航安全多因素耦合风险图示模型

2 复杂水域船舶通航安全风险耦合测度研究

2．1 复杂水域船舶通航安全风险耦合模型

N－K模型不仅可计算出可能的风险网络组合形式同时还可用于分析影响船舶通航环境的重要因素，是通过计算风险交互信息考察风险耦合的有效方法．N－K模型是分析复杂动态系统的常用模型，与本文复杂水域的动态系统较契合度较高，它包括2个主要参数：K是系统网络中相互依赖关系的个数；N是系统中所有构成要素的数量．根据系统中的N种要素，其中每种要素又有n种不同的状态，则nN种就是所有可能的组合方式．系统中各要素按照不同方式进行组合便形成了网络．K 的最小值为0，最大值为N－1［8］．

计算复杂水域船舶通航安全系统中航道状况的因素风险、交通状况因素风险、水文气象因素风险以及航行支持度因素风险之间的交互信息，可以用来评价它们相互作用之后形成耦合风险的态势．如果某种方式出现耦合的次数多，那么这种耦合方式发生的概率就大；以某种方式耦合的值越大，就说明这种耦合风险越大，表示发生事故的概率越大．交互信息的计算公式

式中：phijk为航道状况在第h种状态、水文气象在第i种状态、交通状况在第j种状态、航行支持度第k种状态下，4种因素风险耦合发生的概率；T为对复杂水域船舶通航安全风险耦合的量化评估，T值愈高，说明船舶在此复杂水域通航安全风险愈大．由于复杂水域的特性决定了船舶通航安全风险大部分在局部（3因素）进行耦合，例如：航道支持度因素风险、交通因素风险以及航道因素风险发生耦合后导致不安全事件，此时与水文因素风险关系不大时，就界定为3个风险局部的耦合．因此，考察局部耦合的风险情况，可以通过计算3种因素风险之间的交互信息来量化局部风险．计算出3个变量的联合熵再减去3个变量各自的熵得出交互信息，得出复杂水域船舶通航安全风险流的计算公式

2．2 基于N－K模型复杂水域船舶通航安全风险耦合测度

影响复杂水域船舶通航安全的航道、交通、水文和航行支持度风险因素耦合有多种形式．为了便于研究，用0和1分别表示风险因素未发生耦合的情况和发生耦合的情况，则总共有5种可能的风险耦合形式．在对2008年1月～2013年1月期间发生在我国长江南京、泰州、张家港、镇江段等复杂水域的324事故统计数据的基础上，得到多因素风险耦合发生的次数及其频率，见表1～2．

表1 风险耦合发生次数

表2 风险耦合发生频率

为了计算多因素风险T值，需要先计算以下风险耦合不同形式发生的概率．

1）航道因素风险不参与耦合的情况下事故发生的概率

航道因素风险参与耦合的情况下事故发生的概率

同 理 可得 P．0．．＝0．336 4，P．1．．＝0．663 6，

2）航道因素风险和交通因素风险不参与耦合的事故发生的概率

P00．．＝P0000＋P0010＋P0001＋P0011＝0．079 5．

航道因素风险不参与，而交通因素风险参与耦合的事故发生的概率

P01．．＝P0100＋P0110＋P0101＋P0111＝0．253 2．

同理可得：

3）航道因素风险、交通因素风险和水文因素风险不参与耦合的情况下事故发生概率

航道因素风险和交通因素风险不参与，而水文因素风险参与耦合的情况下事故发生概率

同理可得：0．046 2，P111．＝0．277 3，P．010＝0．061 0，P．000＝0．048 1，P．001＝0．085 0，P．011＝0．142 3，P0．11＝0．162 7，P0．01＝0．064 7，P0．10＝0．059 1，P1．00＝0．094 3，P1．01＝0．144 2，P01．1＝0．164 5，P10．1＝0．164 5，P10．0＝0．092 4，P11．0＝0．138 6，P11．1＝0．271 7．

根据式（1）～（5），可分别计算出多因素风险耦合的T值

同理可得：

从计算结果可以得出，T4＞T32＞T33＞T34＞T31＞T26＞T21＞T24＞T23＞T22＞T25．

其中4因素耦合形成的风险概率值最大为5．8%，4因素风险耦合发生事故的概率将近是三因素耦合形成的风险（在2%～1%之间）的3倍；3因素耦合形成的风险比2因素形成的风险大了1倍，因而耦合风险值的大小会随风险因素的增加而变大，应尽量避免4因素耦合．另外，3因素耦合形成的风险中，航道状况－交通状况－航道支持度因素耦合风险、航道状况－水文－航道支持度因素耦合风险较大，表明航道状况和航道支持度完全耦合形成风险比较大．

3 结束语

将风险耦合分析方法引入到复杂水域船舶通航安全风险分析中，对复杂水域船舶通航安全风险耦合过程的分析，实质是度量复杂水域船舶通航过程中的安全风险．计算结果所得出的结论为复杂水域通航安全管理工作提供了理论依据，即在风险控制的过程中，要充分的完善复杂水域航道条件，维护航道提高航道水平，并加强复杂水域的通航监管，如进一步加强VTS，AIS等监管技术水平，完善预警系统，预防事故的发生．同时应尽可能量避免多因素风险耦合，尤其是4因素风险耦合．

［1］RELEVEN D，KOK M，STIPDONK H L．Inlnad water tansport：modeling the probability of accidents［J］．Saefyt Science，1995，19：191－202．

［2］PUSHKAR A，HALL F L，ACHA－DAZA J A．Estimation of speeds from single－loop freeway flow and occupancy data using cusp catastrophe theory model［R］．Transportation Research Record 1457，TRB，National Research Council，Washington，D．C．，2010：149－157．

［3］郑中义．通航水域航行安全评价的研究［J］．中国航海，2008，19（2）：35－37．

［4］项 峰．船舶交通安全评价方法比较研究［J］．船海工程，2007，6（2）：25－27．

［5］汤嘉辉．VTS对复杂水域监管的几点思考［J］．中国水运，2011，11（10）：11－12．

［6］刘春颖．深圳西部港区LNG船舶通航安全的综合评价研究［D］．大连：大连海事大学，2010．

［7］李 焱，郑宝友，陈汉宝．港口通航环境对船舶航行安全的影响分析及评价［J］．水道港口，2007，28（5）：55－59．

［8］罗 帆，刘堂卿．基于N－K模型的空中交通安全耦合风险分析［J］．武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2011，33（2）：122－125．