李志荣,朱金善,王哲凯,余鉴文

(大连海事大学航海学院,辽宁大连 116026)

随着交通运输在经济发展中的作用越来越重要,跨江河以及海峡海湾的桥梁建设日益增多,以及船舶大型化、通航密度不断变大,且未对非通航孔抗撞能力进行相应规定,导致船撞桥的风险越来越大以及船撞桥事故频繁发生,事故轻者船舶和桥梁受损,重者桥塌、船沉甚至人亡。多数跨江河和跨海大桥桥梁建于船舶交通流密集的航路,如港珠澳大桥、青岛海湾大桥、杭州湾大桥等,此类桥梁对船舶航行无疑是一种障碍物,且桥梁会导致该桥区水域通航环境和自然环境更为复杂。因此,对于客观存在的船撞桥风险有必要进行评价以减少事故的发生率。

对船撞桥的风险进行评价,首先需要建立一套风险评价指标体系。国内关于船撞桥风险评价的主要研究有：基于美国AASHTO概率[1]计算模型的船撞桥风险分析[2-6]；文献[7]基于桥梁寿命评价了船撞桥的风险；文献[8]考虑了风、流、水深、能见度、航道宽度、航道弯曲度、交通流量、交通构成复杂度、通航孔净宽、通航孔净高、管理程度、航标完善程度以及相邻设施的密集程度等,建立了桥区水域安全评价指标体系,并通过未确知测度评价了桥区水域的通航安全；文献[9]基于贝叶斯网络建立了船撞桥风险评价模型；文献[10]基于模糊Bow-tie模型建立了跨海大桥船撞桥的风险评估模型；文献[11]建立了船撞桥安全评价故障树系统,并进行了定性和定量分析,最终建立了基于模糊逻辑系统的评价模型。国外关于船撞桥风险评价的主要研究有：文献[12]通过ADINA有限元程序研究了桥墩的形状对船撞桥风险程度的影响；文献[13]基于传感器评估了船撞桥损害程度以及预警船撞桥事故；文献[14]基于桥梁的振动参数建立了船撞桥事故后的桥梁损害程度估算模型；文献[15]建立了对称和倾斜船体对撞桥的有限元模型。综上所述,船撞桥风险评价主要通过船撞桥的概率进行评价,而缺乏具体考虑人、船、桥、环境、管理等影响因素对于船撞桥的风险评价。因此,基于DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-反应)模型,建立一套兼顾人、船、桥、环境、管理等影响因素的船撞桥风险评价指标体系。

1 船舶穿越通航桥的危险源分析

1.1 危险源与船撞桥事故的关系

危险源与船撞桥事故的发生是并列与因果关系并存的(图1)。船舶在桥区水域航行时危险源的存在是绝对的,由于受实际人、船、桥、环境、管理等影响因素的限制,危险源是不可能彻底消除或完全控制,只能通过对人、船、桥、环境、管理等方面尽可能消除或控制船撞桥的风险。

图1 危险源与船撞桥事故发生的关系

1.2 船撞桥的危险源类别

(1)人为危险源。PIANC(国际航海协会常务会议)成立了一个专门从事船撞桥事故研究的工作小组,该小组通过建立的数据库分析了151起船舶撞桥事故,并发现事故原因中人为失误约占70%[16]。

(2)船舶危险源。船舶是造成船舶通航安全的直接因素,船舶机械失效、船舶的类型和尺寸、助航电子设备失效甚至船舶管理等因素都直接或间接地造成撞桥事故的发生。

(3)桥梁危险源。桥区通航孔和非通航孔都会影响船舶穿越大桥的安全,如通航孔的净高、净宽以及防撞装置是否符合要求,非通航孔的抗撞能力、警戒标志是否符合标准且有效。

(4)环境危险源。环境危险源是包括自然环境和桥区附近的通航环境和光环境,自然环境往往导致船舶的操纵性变差,而航道环境会限制船舶的操纵空间。

(5)管理危险源。管理危险源主要包括船舶管理、海事管理、桥梁管理。船舶管理直接影响着船舶的安全航行；海事管理水平体现在VTS(船舶交通管理系统)服务、桥区的法律法规、助航系统的完善程度；桥梁管理体现在桥梁设施的管理与维护。

2 建立船撞桥风险评价指标体系模型

2.1 DPSIR模型

DPSIR模型是由驱动力D(Driving forces)、压力P(Pressure)、状态S(State)、影响I(Impact)和响应R(Responses)等5方面组成的一种环境评价指标体系模型[17]。该模型全面考虑指标间的联系,而不是独立于单一指标去评价环境问题,可全面地考虑各指标间的相互影响。该模型可将船撞桥危险源和解决对策体现在评价体系中,其主要的因果或依赖关系为：状态和影响指标指“发生什么”；驱动力和压力指标指“为什么发生”；响应指标指“如何应对已发生的”(图2)。

图2 DPSIR模型关系

在现有研究中,风险评价体系的建立一般基本局限于压力、状态、影响等3种指标建立的体系,本文在船撞桥风险评价中应用DPSIR模型,重点解决响应指标和驱动力指标对评价体系的影响。一方面,应用响应指标有助于桥梁管理者根据评价结果和过程,修订和提出降低船撞桥碰撞风险的方案,并为政策制定部门提供一定的参考,另一方面,将社会和经济的发展等驱动力指标应用到评价体系中,可全面地评价船撞桥风险程度,从而全面了解“人-船-桥-环境-管理”系统的发展状况。

2.2 指标的筛选原则

(1)代表性与针对性。在构建体系过程中要有针对地选取一些代表性强,与通航桥海上安全、船舶航行安全紧密相关的指标,或可从侧面反应通航桥安全的客观或主观指标。因此,选择针对评价主体是跨江河、海峡海湾桥梁的特定指标。

(2)定量与定性综合。船撞桥风险评价指标遵循定量定性相结合的原则，以确保其评价结果更加切实和全面。定量指标减少了主观的依赖性,可使评价结果更加直观和准确。要对船撞桥风险进行全面的评价,需要通过定性指标对评价结果的发展规律有指导性的主观意志,使得该体系更加全面和有说服力。

(3)全面性与独立性。大桥船撞安全性评价主要针对人、船、桥、环境、管理等5个不同的方面,若仅对其某一方面进行评价而忽略其他影响方面,将难以保障其体系的精确性,导致无法反映船撞桥的风险程度。在保障指标体系完整全面基础上,要兼顾指标的独立性,确保其评价结果不会随其他非指标的变化而改变。

(4)科学性与可操作性。大桥船撞安全评价主要从“人-船-环境-管理-桥”相互影响又相互独立的系统中进行分析研究,该系统包含的影响因素众多,若不考虑指标的科学性与可操作性而将系统中的所有因素纳入评价体系中,将难以断定其风险程度。

3 基于DPSIR的船撞桥风险评价指标体系

3.1 驱动力指标

驱动力指标是环境发展变化的指标,是最直接、关键的评价指标,通常为经济变化方面的指标。本文将其分为沿海城市的经济发展指标和港口吞吐量。

(1)城市的经济发展指标。经济发展是陆上运输和水上运输发展的关键驱动力,桥梁建设的增多、船舶的大型化、船舶密度的增大,一般均是由于沿海城市经济的迅速发展所引起,因此沿海城市的经济发展是船撞桥事故发生的驱动力指标之一。经济发展指标可通过人均GDP及其增长率、人均收入、消费水平等表示,其中最为常用的是人均GDP(GDP总额/总人口)。

(2)港口吞吐量。港口吞吐量是指某一港口或几个港口在某段时期内通过水运输出、输入港区并经过装卸作业的货物总量,通过该量值可衡量港口的业务能力,一般可通过货物吞吐量增长率表示,其计算公式为：(该段时期货物吞吐量-上段时期货物吞吐量)/上段时期货物吞吐量×100%[18]。

3.2 压力指标

压力指标是指在驱动力作用于船桥系统后,导致船桥系统发展变化的影响指标。本文将从港口经济发展和港口吞吐量对船桥系统的影响对压力指标进行分析,主要考虑船员指标、船舶指标、桥梁建设水平指标。

(1)船舶流量指标。船舶作为海上运输的载体,随着经济的发展和港口吞吐量的增多,通航桥区的船舶流量也越来越多。船舶作为船撞桥事故风险的主体之一,船舶的流量是衡量其风险程度的重要指标。

(2)桥梁建设水平指标。通航桥一般都建设在船舶交通流密集的水域,主要有航道、港区、锚地等水域,增加了船撞桥的风险。桥梁作为船撞桥事故风险的另一主体,其建设水平是评价其风险的重要指标。

(3)船员影响指标。随着港口经济的发展,海上运输业也随之发展,进而对船员的需求量越来越大。船员作为航运发展的直接承担者,船员的综合能力水平越高,碰撞事故发生的概率就越小,且可最大程度减少损失。

3.3 状态指标

状态指标指在驱动力作用下船撞桥系统环境的反应。船撞桥风险评价过程中,通过对船撞桥事故风险源的分析,可将状态指标从船员技能和素质、船舶自身状态、船舶的偏航概率以及桥梁防撞和助航设施水平等方面考虑。

(1)船员技能和素质。船员技能是对船员适应工作评价的主要依据,良好的船舶操纵能力可对船撞桥事故风险进行有效的控制,且事故发生或将要发生时能采取一定的有效措施使船舶和桥梁的损失最小化。船员的素质也是影响船撞桥事故风险的重要因素之一,船舶驾驶人员作为船舶航行的直接操纵者,其素质将直接影响船舶的操纵,进而影响船舶穿越桥区航行时的安全。

(2)船舶自身状态。船舶往往是造成船舶航行安全的直接因素,船舶穿越大桥过程中的状态是船桥环境系统的安全保障,船撞桥事故多与船舶自身状态有关。在穿越大桥时,船舶机械失效、船舶的类型和尺寸、助航电子设备失效甚至船舶管理等因素都直接或者间接地造成船舶撞桥事故的发生。

(3)桥梁防撞和助航设施水平。若桥梁的防撞水平与桥梁设计标准的通航船舶等级不匹配,就会造成船撞桥事故风险增大,尤其是非通航孔桥区若未设置防撞装置,对于船舶误入或者违章进入非通航孔,一旦发生碰撞就会影响桥梁安全。另外,桥区的助航设施可指导船舶安全穿越桥区,当船舶驾驶员在穿越桥区航行时难以通过警示标志分清通航桥孔和非通航桥孔,就会随意选择桥孔穿越桥梁,进而增加了船撞桥的风险程度。

3.4 影响指标

影响指标指由于驱动力和压力指标的作用而引起船桥环境系统的变化。船撞桥事故风险评价过程中,主要考虑桥梁建设引起的通航条件变化和船撞桥事故发生等方面。

(1)通航条件的变化。桥梁的建设会造成通航条件的变化,进而导致船舶的操纵空间受限,如水深的改变、流向的变化、桥区净空尺度以及航道条件的弯曲度、会遇交叉情况、航道宽度等都影响船舶在桥区航道的安全航行。复杂程度越大的通航条件,驾驶员操纵船舶带来的难度就越大,船舶碰撞事故的风险程度也随之增加。

(2)船撞桥事故。船撞桥事故指标从不同风险等级事故发生的次数对其风险进行评价。船撞桥的风险等级根据其风险后果分为灾难性的、严重的、较轻的、可忽略的等四个等级[5]。

3.5 响应指标

响应指标是指在船撞桥事故发生后,相关部门为了减少船撞桥事故的发生而采取的措施指标。通过对船撞桥的风险源分析,可将响应指标分为船撞桥的防撞控制和船撞桥管理机制的健全。

(1)船撞桥的防撞控制水平。船撞桥的防撞控制可分为主动控制和被动控制：主动控制是指通过预警、助航、水上管理以及对船舶和船员的管理等措施减少风险程度；被动控制主要是指桥梁的抵抗撞击能力和防撞设施的配置,进而减少事故损失。

(2)船撞桥管理机制的健全程度。船撞桥管理机制的健全是减少事故发生的有效保障,通过建立健全的船撞桥管理体制,可统一协调、组织、监督相关职能部门行使职责,进而降低其风险[19]。

本文结合人、船、桥、环境、管理等影响因素,在指标筛选原则的指导下,建立了基于DPSIR(驱动力-压力-状态-影响-反应)模型的船撞桥风险评价的指标体系(图3)。

图3 船撞桥风险评价指标体系

4 DPSIR船撞桥风险评价指标体系的应用

通过DPSIR模型建立的船撞桥风险评价指标体系,将其应用于对船撞桥风险评价。(1)识别船撞桥风险评价体系中关于人、船、桥、环境、管理等5方面的危险源；(2)通过参考相关文献和规范，确定DPSIR指标体系模型中的各个指标等级评定范围,将风险等级分为风险高、风险较高、风险一般、风险较低、风险低等5类,不同的风险等级对应不同的评定范围,最终确定各评价指标对应的风险评价等级φi；(3)根据实际桥梁和桥区航行船舶的工况,确定各个风险评价指标的权重ωi。权重可分为主观权重和客观权重,可通过主观、客观或者主客观结合的赋权方法确定指标的权重；(4)计算风险评价等级RI=∑φiωi,判断其计算结果,若其属于评价结果风险高、风险较高和风险一般中的某一等级,则应对危险源中风险等级高的指标加强控制(图4)。

图4 DPSIR船撞桥风险评价指标体系的应用流程

5 结论

(1)在分析危险源与船撞桥事故关系的基础上,对船舶穿越通航桥的人为、船舶、桥梁、环境、管理等危险源进行了分析,为指标的筛选提供参考。

(2)分析了DPSIR模型中驱动力、压力、状态、影响、响应等5方面的制约或依赖关系,并叙述了该模型在船撞桥风险评价中的应用意义。

(3)分析了代表性与针对性、指标定量与定性综合、全面性与独立性、科学性与可操作性等指标筛选原则,为建立指标体系提供一定的理论依据。

(4)从驱动力、压力、状态、影响、响应等5方面筛选出12个评价指标,建立较为全面的船撞桥风险评价指标体系,进而为下一步对跨江河或海湾海峡等通航桥梁风险程度的评价提供一定的理论依据和实用价值。

(5)通过DPSIR模型建立的船撞桥风险评价指标体系计算风险评价因子,进而断定所评价系统的风险程度,若其风险程度不符合要求,则可通过对危险源的加强控制进而降低风险,直到满足要求。

(6)本文所建立的体系适用于桥区水域船舶交通流大的船桥系统,且其中部分指标无法量化,在后续的研究中将更加细化指标,有待在实践中验证,并通过判断船撞桥的风险程度对如何控制风险的对策进行研究。