基于故障樹的工程作業船與海上平臺碰撞風險評價模型

鐘漢明　薛杰

【摘 要】 針對工程作業船舶與海上平臺存在的碰撞風險，評價和總結國內外研究現狀，介紹水上交通領域風險評價基本流程，提出基于故障樹的作業船舶與海洋油氣生產平臺碰撞風險評價模型，通過計算最小割集的發生概率，預測碰撞概率。該模型對碰撞風險評價提供一種新的解決思路，具有潛在的應用前景。

【關鍵詞】 海上平臺；海洋工程；工程作業船舶；碰撞風險；故障樹

0 引 言

隨著石油、天然氣、漁業、風能等海洋資源開發活動的不斷開展，各種海上離岸建筑也在不斷地建設并投入使用，其中最為典型的是海洋油氣生產平臺和鉆井平臺。

挪威船級社發布的《全球海上事故數據庫》統計資料顯示，1970―2002年，全球共發生船舶與平臺碰撞事故465起，其中，工程作業船舶在平臺作業、演習、生產和維修過程中發生的事故189起，占事故總數的40.65%。此外，為了進一步尋找碰撞原因，根據英國能源局關于船舶與平臺碰撞數據庫中的相關統計數據，1975―2001年10月31日期間共發生了557起事故，其中549起是由平臺與工作船舶之間發生碰撞造成的。從上述統計數據可以看出，工程作業船舶是船舶與海上平臺發生碰撞的主要肇事船型。

海上油氣開發平臺在建設、運營和維護的過程中，離不開各類工程作業船舶，而工程作業船舶在駛近海上平臺，以及在海上平臺附近作業的過程中，受到自然環境、人員操作、管理等因素的影響，存在與工程結構碰撞的風險。如何對此類風險進行科學的評估，并提出有針對性的風險控制方案，將風險控制在可接受范圍內，成為海洋工程領域面臨的關鍵問題之一。

針對這一問題，本文引入故障樹的基本原理，構建作業船舶與海上平臺碰撞概率預測故障樹模型，將該問題分解為駛近過程中和作業過程中發生碰撞概率預測兩個子問題，并逐步分解為若干基本事件的組合，將復雜問題逐步簡化成多個簡單問題，從而對碰撞概率進行預測。

1 國內外研究現狀

目前該領域的研究大多集中在從工程作業船舶和海上平臺的結構安全方面，利用船舶動力學原理[1]、海洋結構的有限元建模與仿真等方法[2]，研究結構的安全性，為海上平臺的設計提供理論依據，有關工程作業船舶與海上平臺碰撞概率估算的研究較少。風險的大小是通過不利事件發生的可能性與事故后果的嚴重程度之乘積來衡量的，因此，估算碰撞的概率同樣十分重要。

關于碰撞概率評估問題，最為常用的是船舶交通流理論[3]：根據離岸建筑物周圍交通流的長期統計特征，獲取船舶處于碰撞航向的概率，進而研究在不同海況下避碰失效的概率，將二者綜合即可求得碰撞概率。該理論的一個重要前提是船舶交通流具有明顯的統計特征，然而對于工程作業船舶來說，無論是船舶數量和工作頻率，都不具備該特征，因此，需要一種全新的解決思路。例如，DAI等[4]提出一種服務船舶與海上風機碰撞風險評價基本框架，綜合運用故障樹（Fault Tree）、事件樹（Event Tree）、貝葉斯網絡（Bayesian Networks）等研究船舶與風機的碰撞概率，然而該研究成果是否適用于其他類型的海洋平臺需要進一步論證。針對以上問題，本文在分析工程作業船舶航行和作業的基本特征的基礎上，提出一種通用的、并且能夠適用于工程作業船舶與海上平臺的碰撞風險評估基本模型。

2 水上交通風險評價基本流程

不同領域的風險評價通常都會遵循某種固定的步驟，而在水上交通領域，最為常用的是國際海事組織（IMO）提出的綜合安全評估（Formal Safety Assessment，FSA）。FSA已被公認為是目前水上安全評估的標準化程序，其基本步驟見圖1。本文風險評估框架主要解決步驟1和2中的相關問題。

3 工程作業船舶與海上平臺碰撞風險評估模型

3.1 故障樹

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）將某個不利事件的發生看作是由一系列簡單事件發生共同作用造成的。將事故看作一個較為復雜的頂層復合事件，利用“與”“或”來描述簡單事件之間的邏輯關系，再進一步根據預測簡單事件發生的概率計算頂層事件發生的概率。“與”門和“或”門的基本原理見圖2和圖3，其中：ET（TOP EVENT）為頂層復合事件；E1（EVENT 1）和E2（EVENT 2）為基本事件，其發生概率可以根據歷史數據或者相關領域專家的主觀判斷獲得。

ET是否發生由事件E1和E2共同決定。對于“與”門來說，只有E1和E2同時發生，ET才會發生。因此，ET發生的概率為

=（1）

式中：表示頂層事件ET發生的概率；表示基本事件Ei發生的概率。

對于“或”門來說，兩個底層事件只要有一個發生，ET就一定發生；因此，其發生概率為

=1- （2）

當頂層事件較為復雜時，可以將其分解為多個層級，且一個“與”和“或”門中可以存在多個子事件。假設故障樹中有n個底事件 ，C為某些底事件的集合，當其中全部底事件都發生時，頂事件必然發生，則C為故障樹的1個割集。若C是1個割集，且任意去掉其中1個底事件后就不再是割集，則C為最小割集。只要計算出所有最小割集中事件的發生概率，就可以求取頂層事件的發生概率。

3.2 工程作業船舶與海上平臺碰撞故障樹模型

利用故障樹的基本模型，對工程作業船舶與海上平臺碰撞風險進行建模研究。在建模前，應先對碰撞風險進行危險源識別，即找出導致碰撞的各個環節中的主要因素。工程作業船舶與海上平臺的碰撞事故可能發生在船舶駛近平臺過程中，也可能發生于船舶在平臺附近作業的過程中，這兩種碰撞類型的發生機理存在較大差異，其影響因素也有所區別。按照以上思路，構建工程作業船舶與海上平臺碰撞發生概率的故障樹模型（見圖4），各個節點表示的意義和類型見表1，其中所有節點都存在是（Y）和否（N）兩種狀態。

由圖4可知碰撞事故可能發生的路徑，頂層事件是否發生由航行中是否發生碰撞和作業中是否發生碰撞決定。航行過程中的碰撞事故進一步取決于船舶是否處于碰撞航向以及監控設備是否檢測到這一危險態勢，后者為基本事件，而前者則進一步由瞭望失誤和避碰失誤兩個基本事件共同決定。作業過程中的碰撞事故由船舶是否失控和是否遭遇大風浪兩個因素決定，而船舶失控則由推進器故障和舵機故障兩個基本事件決定。

根據故障樹中的最小割集的概念，以及工程作業船舶與海上平臺碰撞故障樹模型中的基本邏輯關系，可以得到最小割集{x6，x5}，{x7，x5}，{x10}，{x11}，{x9}。

通過求取在每個最小割集中基本事件同時發生的概率，則所有割集發生的概率之和記為頂層復合事件的發生概率，即

Px1=Px6 €？Px5 + Px7 €？Px5 + Px10 + Px11 + Px9

（3）

從以上的模型可以看出，故障樹模型的最大優勢是可以將一個復雜事件發生概率的預測問題進行逐步分解，轉化成若干個基本事件的組合，通過計算基本事件組合發生的概率獲取復雜事件的發生概率。需要說明的是，式（3）中基本事件的發生概率因受到具體的海洋工程特征、作業船舶性能、操作人員技能和素質等因素的影響，需要具體問題具體分析。

4 結 語

本文在水上交通FSA的基本框架內，利用故障樹的基本原理，研究了作業船舶與離岸建筑物的碰撞概率計算模型，利用故障樹的“與”和“或”兩個基本邏輯關系，將碰撞事件逐步分解為若干個能夠根據歷史數據或者相關領域專家的主觀知識獲取發生概率的基本事件，最后根據故障樹結構獲取的最小割集，集合計算碰撞發生的概率。該模型不同于傳統的基于交通流的碰撞概率預測模型，其為碰撞風險評價提供一種全新的思路。

參考文獻：

[1] 李潤培，陳偉剛，顧永寧.船舶與海洋平臺碰撞的動力響應分析[J]. 上海交通大學學報，1996，30（3）：40-47.

[2] 歐進萍，段忠東，肖儀清.海洋平臺結構安全評定[M].北京：科學出版社，2003.

[3]PEDERSEN P T.Collision and grounding mechanics[J].Proceedings of WEMT，1995（95）：125-157.

[4] DAI L，EHLERS S，RAUSAND M，et al.Risk of collision between service vessels and offshore wind turbines[J].Reliability Engineering & System Safety，2013（109）：18-31.