基于DPSIR模型的船撞橋風險評價指標體系

李志榮,朱金善,王哲凱,余鑒文

(大連海事大學航海學院,遼寧大連 116026)

隨著交通運輸在經(jīng)濟發(fā)展中的作用越來越重要,跨江河以及海峽海灣的橋梁建設(shè)日益增多,以及船舶大型化、通航密度不斷變大,且未對非通航孔抗撞能力進行相應(yīng)規(guī)定,導(dǎo)致船撞橋的風險越來越大以及船撞橋事故頻繁發(fā)生,事故輕者船舶和橋梁受損,重者橋塌、船沉甚至人亡。多數(shù)跨江河和跨海大橋橋梁建于船舶交通流密集的航路,如港珠澳大橋、青島海灣大橋、杭州灣大橋等,此類橋梁對船舶航行無疑是一種障礙物,且橋梁會導(dǎo)致該橋區(qū)水域通航環(huán)境和自然環(huán)境更為復(fù)雜。因此,對于客觀存在的船撞橋風險有必要進行評價以減少事故的發(fā)生率。

對船撞橋的風險進行評價,首先需要建立一套風險評價指標體系。國內(nèi)關(guān)于船撞橋風險評價的主要研究有：基于美國AASHTO概率[1]計算模型的船撞橋風險分析[2-6]；文獻[7]基于橋梁壽命評價了船撞橋的風險；文獻[8]考慮了風、流、水深、能見度、航道寬度、航道彎曲度、交通流量、交通構(gòu)成復(fù)雜度、通航孔凈寬、通航孔凈高、管理程度、航標完善程度以及相鄰設(shè)施的密集程度等,建立了橋區(qū)水域安全評價指標體系,并通過未確知測度評價了橋區(qū)水域的通航安全；文獻[9]基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立了船撞橋風險評價模型；文獻[10]基于模糊Bow-tie模型建立了跨海大橋船撞橋的風險評估模型；文獻[11]建立了船撞橋安全評價故障樹系統(tǒng),并進行了定性和定量分析,最終建立了基于模糊邏輯系統(tǒng)的評價模型。國外關(guān)于船撞橋風險評價的主要研究有：文獻[12]通過ADINA有限元程序研究了橋墩的形狀對船撞橋風險程度的影響；文獻[13]基于傳感器評估了船撞橋損害程度以及預(yù)警船撞橋事故；文獻[14]基于橋梁的振動參數(shù)建立了船撞橋事故后的橋梁損害程度估算模型；文獻[15]建立了對稱和傾斜船體對撞橋的有限元模型。綜上所述,船撞橋風險評價主要通過船撞橋的概率進行評價,而缺乏具體考慮人、船、橋、環(huán)境、管理等影響因素對于船撞橋的風險評價。因此,基于DPSIR(驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-反應(yīng))模型,建立一套兼顧人、船、橋、環(huán)境、管理等影響因素的船撞橋風險評價指標體系。

1 船舶穿越通航橋的危險源分析

1.1 危險源與船撞橋事故的關(guān)系

危險源與船撞橋事故的發(fā)生是并列與因果關(guān)系并存的(圖1)。船舶在橋區(qū)水域航行時危險源的存在是絕對的,由于受實際人、船、橋、環(huán)境、管理等影響因素的限制,危險源是不可能徹底消除或完全控制,只能通過對人、船、橋、環(huán)境、管理等方面盡可能消除或控制船撞橋的風險。

圖1 危險源與船撞橋事故發(fā)生的關(guān)系

1.2 船撞橋的危險源類別

(1)人為危險源。PIANC(國際航海協(xié)會常務(wù)會議)成立了一個專門從事船撞橋事故研究的工作小組,該小組通過建立的數(shù)據(jù)庫分析了151起船舶撞橋事故,并發(fā)現(xiàn)事故原因中人為失誤約占70%[16]。

(2)船舶危險源。船舶是造成船舶通航安全的直接因素,船舶機械失效、船舶的類型和尺寸、助航電子設(shè)備失效甚至船舶管理等因素都直接或間接地造成撞橋事故的發(fā)生。

(3)橋梁危險源。橋區(qū)通航孔和非通航孔都會影響船舶穿越大橋的安全,如通航孔的凈高、凈寬以及防撞裝置是否符合要求,非通航孔的抗撞能力、警戒標志是否符合標準且有效。

(4)環(huán)境危險源。環(huán)境危險源是包括自然環(huán)境和橋區(qū)附近的通航環(huán)境和光環(huán)境,自然環(huán)境往往導(dǎo)致船舶的操縱性變差,而航道環(huán)境會限制船舶的操縱空間。

(5)管理危險源。管理危險源主要包括船舶管理、海事管理、橋梁管理。船舶管理直接影響著船舶的安全航行；海事管理水平體現(xiàn)在VTS(船舶交通管理系統(tǒng))服務(wù)、橋區(qū)的法律法規(guī)、助航系統(tǒng)的完善程度；橋梁管理體現(xiàn)在橋梁設(shè)施的管理與維護。

2 建立船撞橋風險評價指標體系模型

2.1 DPSIR模型

DPSIR模型是由驅(qū)動力D(Driving forces)、壓力P(Pressure)、狀態(tài)S(State)、影響I(Impact)和響應(yīng)R(Responses)等5方面組成的一種環(huán)境評價指標體系模型[17]。該模型全面考慮指標間的聯(lián)系,而不是獨立于單一指標去評價環(huán)境問題,可全面地考慮各指標間的相互影響。該模型可將船撞橋危險源和解決對策體現(xiàn)在評價體系中,其主要的因果或依賴關(guān)系為：狀態(tài)和影響指標指“發(fā)生什么”；驅(qū)動力和壓力指標指“為什么發(fā)生”；響應(yīng)指標指“如何應(yīng)對已發(fā)生的”(圖2)。

圖2 DPSIR模型關(guān)系

在現(xiàn)有研究中,風險評價體系的建立一般基本局限于壓力、狀態(tài)、影響等3種指標建立的體系,本文在船撞橋風險評價中應(yīng)用DPSIR模型,重點解決響應(yīng)指標和驅(qū)動力指標對評價體系的影響。一方面,應(yīng)用響應(yīng)指標有助于橋梁管理者根據(jù)評價結(jié)果和過程,修訂和提出降低船撞橋碰撞風險的方案,并為政策制定部門提供一定的參考,另一方面,將社會和經(jīng)濟的發(fā)展等驅(qū)動力指標應(yīng)用到評價體系中,可全面地評價船撞橋風險程度,從而全面了解“人-船-橋-環(huán)境-管理”系統(tǒng)的發(fā)展狀況。

2.2 指標的篩選原則

(1)代表性與針對性。在構(gòu)建體系過程中要有針對地選取一些代表性強,與通航橋海上安全、船舶航行安全緊密相關(guān)的指標,或可從側(cè)面反應(yīng)通航橋安全的客觀或主觀指標。因此,選擇針對評價主體是跨江河、海峽海灣橋梁的特定指標。

(2)定量與定性綜合。船撞橋風險評價指標遵循定量定性相結(jié)合的原則，以確保其評價結(jié)果更加切實和全面。定量指標減少了主觀的依賴性,可使評價結(jié)果更加直觀和準確。要對船撞橋風險進行全面的評價,需要通過定性指標對評價結(jié)果的發(fā)展規(guī)律有指導(dǎo)性的主觀意志,使得該體系更加全面和有說服力。

(3)全面性與獨立性。大橋船撞安全性評價主要針對人、船、橋、環(huán)境、管理等5個不同的方面,若僅對其某一方面進行評價而忽略其他影響方面,將難以保障其體系的精確性,導(dǎo)致無法反映船撞橋的風險程度。在保障指標體系完整全面基礎(chǔ)上,要兼顧指標的獨立性,確保其評價結(jié)果不會隨其他非指標的變化而改變。

(4)科學性與可操作性。大橋船撞安全評價主要從“人-船-環(huán)境-管理-橋”相互影響又相互獨立的系統(tǒng)中進行分析研究,該系統(tǒng)包含的影響因素眾多,若不考慮指標的科學性與可操作性而將系統(tǒng)中的所有因素納入評價體系中,將難以斷定其風險程度。

3 基于DPSIR的船撞橋風險評價指標體系

3.1 驅(qū)動力指標

驅(qū)動力指標是環(huán)境發(fā)展變化的指標,是最直接、關(guān)鍵的評價指標,通常為經(jīng)濟變化方面的指標。本文將其分為沿海城市的經(jīng)濟發(fā)展指標和港口吞吐量。

(1)城市的經(jīng)濟發(fā)展指標。經(jīng)濟發(fā)展是陸上運輸和水上運輸發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動力,橋梁建設(shè)的增多、船舶的大型化、船舶密度的增大,一般均是由于沿海城市經(jīng)濟的迅速發(fā)展所引起,因此沿海城市的經(jīng)濟發(fā)展是船撞橋事故發(fā)生的驅(qū)動力指標之一。經(jīng)濟發(fā)展指標可通過人均GDP及其增長率、人均收入、消費水平等表示,其中最為常用的是人均GDP(GDP總額/總?cè)丝?。

(2)港口吞吐量。港口吞吐量是指某一港口或幾個港口在某段時期內(nèi)通過水運輸出、輸入港區(qū)并經(jīng)過裝卸作業(yè)的貨物總量,通過該量值可衡量港口的業(yè)務(wù)能力,一般可通過貨物吞吐量增長率表示,其計算公式為：(該段時期貨物吞吐量-上段時期貨物吞吐量)/上段時期貨物吞吐量×100%[18]。

3.2 壓力指標

壓力指標是指在驅(qū)動力作用于船橋系統(tǒng)后,導(dǎo)致船橋系統(tǒng)發(fā)展變化的影響指標。本文將從港口經(jīng)濟發(fā)展和港口吞吐量對船橋系統(tǒng)的影響對壓力指標進行分析,主要考慮船員指標、船舶指標、橋梁建設(shè)水平指標。

(1)船舶流量指標。船舶作為海上運輸?shù)妮d體,隨著經(jīng)濟的發(fā)展和港口吞吐量的增多,通航橋區(qū)的船舶流量也越來越多。船舶作為船撞橋事故風險的主體之一,船舶的流量是衡量其風險程度的重要指標。

(2)橋梁建設(shè)水平指標。通航橋一般都建設(shè)在船舶交通流密集的水域,主要有航道、港區(qū)、錨地等水域,增加了船撞橋的風險。橋梁作為船撞橋事故風險的另一主體,其建設(shè)水平是評價其風險的重要指標。

(3)船員影響指標。隨著港口經(jīng)濟的發(fā)展,海上運輸業(yè)也隨之發(fā)展,進而對船員的需求量越來越大。船員作為航運發(fā)展的直接承擔者,船員的綜合能力水平越高,碰撞事故發(fā)生的概率就越小,且可最大程度減少損失。

3.3 狀態(tài)指標

狀態(tài)指標指在驅(qū)動力作用下船撞橋系統(tǒng)環(huán)境的反應(yīng)。船撞橋風險評價過程中,通過對船撞橋事故風險源的分析,可將狀態(tài)指標從船員技能和素質(zhì)、船舶自身狀態(tài)、船舶的偏航概率以及橋梁防撞和助航設(shè)施水平等方面考慮。

(1)船員技能和素質(zhì)。船員技能是對船員適應(yīng)工作評價的主要依據(jù),良好的船舶操縱能力可對船撞橋事故風險進行有效的控制,且事故發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生時能采取一定的有效措施使船舶和橋梁的損失最小化。船員的素質(zhì)也是影響船撞橋事故風險的重要因素之一,船舶駕駛?cè)藛T作為船舶航行的直接操縱者,其素質(zhì)將直接影響船舶的操縱,進而影響船舶穿越橋區(qū)航行時的安全。

(2)船舶自身狀態(tài)。船舶往往是造成船舶航行安全的直接因素,船舶穿越大橋過程中的狀態(tài)是船橋環(huán)境系統(tǒng)的安全保障,船撞橋事故多與船舶自身狀態(tài)有關(guān)。在穿越大橋時,船舶機械失效、船舶的類型和尺寸、助航電子設(shè)備失效甚至船舶管理等因素都直接或者間接地造成船舶撞橋事故的發(fā)生。

(3)橋梁防撞和助航設(shè)施水平。若橋梁的防撞水平與橋梁設(shè)計標準的通航船舶等級不匹配,就會造成船撞橋事故風險增大,尤其是非通航孔橋區(qū)若未設(shè)置防撞裝置,對于船舶誤入或者違章進入非通航孔,一旦發(fā)生碰撞就會影響橋梁安全。另外,橋區(qū)的助航設(shè)施可指導(dǎo)船舶安全穿越橋區(qū),當船舶駕駛員在穿越橋區(qū)航行時難以通過警示標志分清通航橋孔和非通航橋孔,就會隨意選擇橋孔穿越橋梁,進而增加了船撞橋的風險程度。

3.4 影響指標

影響指標指由于驅(qū)動力和壓力指標的作用而引起船橋環(huán)境系統(tǒng)的變化。船撞橋事故風險評價過程中,主要考慮橋梁建設(shè)引起的通航條件變化和船撞橋事故發(fā)生等方面。

(1)通航條件的變化。橋梁的建設(shè)會造成通航條件的變化,進而導(dǎo)致船舶的操縱空間受限,如水深的改變、流向的變化、橋區(qū)凈空尺度以及航道條件的彎曲度、會遇交叉情況、航道寬度等都影響船舶在橋區(qū)航道的安全航行。復(fù)雜程度越大的通航條件,駕駛員操縱船舶帶來的難度就越大,船舶碰撞事故的風險程度也隨之增加。

(2)船撞橋事故。船撞橋事故指標從不同風險等級事故發(fā)生的次數(shù)對其風險進行評價。船撞橋的風險等級根據(jù)其風險后果分為災(zāi)難性的、嚴重的、較輕的、可忽略的等四個等級[5]。

3.5 響應(yīng)指標

響應(yīng)指標是指在船撞橋事故發(fā)生后,相關(guān)部門為了減少船撞橋事故的發(fā)生而采取的措施指標。通過對船撞橋的風險源分析,可將響應(yīng)指標分為船撞橋的防撞控制和船撞橋管理機制的健全。

(1)船撞橋的防撞控制水平。船撞橋的防撞控制可分為主動控制和被動控制：主動控制是指通過預(yù)警、助航、水上管理以及對船舶和船員的管理等措施減少風險程度；被動控制主要是指橋梁的抵抗撞擊能力和防撞設(shè)施的配置,進而減少事故損失。

(2)船撞橋管理機制的健全程度。船撞橋管理機制的健全是減少事故發(fā)生的有效保障,通過建立健全的船撞橋管理體制,可統(tǒng)一協(xié)調(diào)、組織、監(jiān)督相關(guān)職能部門行使職責,進而降低其風險[19]。

本文結(jié)合人、船、橋、環(huán)境、管理等影響因素,在指標篩選原則的指導(dǎo)下,建立了基于DPSIR(驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-反應(yīng))模型的船撞橋風險評價的指標體系(圖3)。

圖3 船撞橋風險評價指標體系

4 DPSIR船撞橋風險評價指標體系的應(yīng)用

通過DPSIR模型建立的船撞橋風險評價指標體系,將其應(yīng)用于對船撞橋風險評價。(1)識別船撞橋風險評價體系中關(guān)于人、船、橋、環(huán)境、管理等5方面的危險源；(2)通過參考相關(guān)文獻和規(guī)范，確定DPSIR指標體系模型中的各個指標等級評定范圍,將風險等級分為風險高、風險較高、風險一般、風險較低、風險低等5類,不同的風險等級對應(yīng)不同的評定范圍,最終確定各評價指標對應(yīng)的風險評價等級φi；(3)根據(jù)實際橋梁和橋區(qū)航行船舶的工況,確定各個風險評價指標的權(quán)重ωi。權(quán)重可分為主觀權(quán)重和客觀權(quán)重,可通過主觀、客觀或者主客觀結(jié)合的賦權(quán)方法確定指標的權(quán)重；(4)計算風險評價等級RI=∑φiωi,判斷其計算結(jié)果,若其屬于評價結(jié)果風險高、風險較高和風險一般中的某一等級,則應(yīng)對危險源中風險等級高的指標加強控制(圖4)。

圖4 DPSIR船撞橋風險評價指標體系的應(yīng)用流程

5 結(jié)論

(1)在分析危險源與船撞橋事故關(guān)系的基礎(chǔ)上,對船舶穿越通航橋的人為、船舶、橋梁、環(huán)境、管理等危險源進行了分析,為指標的篩選提供參考。

(2)分析了DPSIR模型中驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)等5方面的制約或依賴關(guān)系,并敘述了該模型在船撞橋風險評價中的應(yīng)用意義。

(3)分析了代表性與針對性、指標定量與定性綜合、全面性與獨立性、科學性與可操作性等指標篩選原則,為建立指標體系提供一定的理論依據(jù)。

(4)從驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)等5方面篩選出12個評價指標,建立較為全面的船撞橋風險評價指標體系,進而為下一步對跨江河或海灣海峽等通航橋梁風險程度的評價提供一定的理論依據(jù)和實用價值。

(5)通過DPSIR模型建立的船撞橋風險評價指標體系計算風險評價因子,進而斷定所評價系統(tǒng)的風險程度,若其風險程度不符合要求,則可通過對危險源的加強控制進而降低風險,直到滿足要求。

(6)本文所建立的體系適用于橋區(qū)水域船舶交通流大的船橋系統(tǒng),且其中部分指標無法量化,在后續(xù)的研究中將更加細化指標,有待在實踐中驗證,并通過判斷船撞橋的風險程度對如何控制風險的對策進行研究。