基于事故树方法的固体散货船舶自沉事故分析

Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue Bao

文章编号：2095—3747（2019）-02-0039-06

基于事故树方法的固体散货船舶自沉事故分析李奕良

（大连海事大学航海学院，辽宁 大连116026）

摘　要：为减少固体散货运输船自沉事故的发生，提高航行安全性，引入了安全评估方法中的事故树分析（FTA）法。根据导致事故的各个因素和相应的逻辑关系，构建事故树。通过定性分析，得到最小割集、事件的结构重要度系数和最小径集。总结事故的主要致因，提出了对自沉事故的预防措施。同时，研究结果表明，事故树的定性分析可以找到引发自沉事故的各种途径，并提出避免事故发生的安全措施，对提高固体散货运输船舶的航行安全性有重要的意义。

关键词：船舶自沉；固体散货；事故树分析；预防控制中图分类号：U675　　　　文献标识码：A

引 言

海上交通安全一直是航运发展的主题和动力。降低船舶事故率，提高船舶的航行安全一直是海事部门重点关注的问题。船舶自沉事故是事故的主要类型之一，尽管并不占事故总量的多数，但其造成的人员伤亡率和财产损失却在所有事故比例中居高不下。据长江海事局统计[1]，辖区内2010-2014五年间，共发生自沉事故66件，占五年事故总和877件的7.5%，但却造成死亡失踪人数86人，平均每年有17人死亡或者失踪，占据了五年总死亡失踪人数的%。同时，运输固体散货的船舶又是自沉事故当中的最主要船型。借鉴往年的相关数据统计结果[2]，在中国沿海发生的217起船舶自沉事故当中，固体散货运输船舶（干、散、杂货船）自沉事故占据1起，事故比例达到87.10%之多。面临严峻的形势，分析找到导致事故多发的致因并提出风险控制措施已经刻不容缓。

事故树分析法（Fault Tree Analysis，简称FTA）作为预测和预防事故的主要方法之一，具有形象、清晰、逻辑性强的特点，可用于识别和评估系统的危险性。演绎逻辑的推理方式可以形

收稿日期: 2019—04—10

作者简介：李奕良（1995-），男，硕士研究生

象地表达“树”中每一个事件的因果关系，即以系统中可能发生或者已发生的事故（顶事件）作为分析起点，把导致事故发生的原因事件按因果逻辑关系逐层列出，用树形图表示以形成一种逻辑模型，然后定性或定量地分析事件发生的各种可能方式和发生概率，并找到避免事故发生的有效措施。

1 事故树分析

1.1事故树分析理论简述

事故树分析又称故障树分析(Fault Tree Analysis，简称FTA)，是为了达到系统的安全所采用的一种系统分析方法。传统的事故树分析法在基于布尔代数和概率论的基础上，利用作图法（逻辑框图）将原因到结果的逆过程进行分析，即把要分析的灾害（top event称作顶上事件或目标事项）写出，在其下一阶段应并列写出导致灾害的中间事件，如人员失误，设备问题等（称作故障事项），与顶上事件之间以“门”联结。然后在第三阶段分别写出构成第二阶段中间事件的基本事件，与第二阶段之间以“门”联结[3]。以这种方式，将所有事件倒置过来进行逐步扩展，并在最后写出更加细微的原因。由于图形类似树

·39·

2019年第2期 青岛远洋船员职业学院学报 VOL.40 NO.2

Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue Bao

木的分枝，因而命名为“树（tree）”。

具体的常用符号及定义如图1所示[4]。

（1）基本事件，无须探明其发生原因的底事件

（2）未探明事件，原则上应进一步探明其原因但暂时不必或者暂时不能探明其原因的底事件（3）结果事件（顶事件，中间事件），由其他事件或事件组合所导致的事件（4）条件事件，描述逻辑门起作用的具体的特殊事件（5）与门，表示仅当所有输入事件发生时，输出事件才发生（6）或门，表示至少一个输入事件发生时，输出事件就发生

图1　具体的常用符号及定义

1.2事故树分析特点

事故树同时具有以下几个特点[4-5]：

1）事故树分析法采用图形演绎的方式，使用逻辑推理的方法对特定的事故（即顶上事件）进行深入分析，从而找到基本事件和顶上事件之间的逻辑关系；

2）事故树分析可以对人、机、环境等各个对系统可能产生危险性的因素进行辨识和评价；

3）事故树分析法的使用是对系统进行深入探索的过程，可以在查询过程中找到并解决问题；

4）事故树分析法的通用灵活性很强，由于演绎的特征，其可作定量的分析，即在已知基本事件的概率基础上，求解出顶上事件概率，再依次求解概率重要度以及临界重要度，从而对灾害进行定量的预测。

在实际情况中，由于系统的复杂性及许多不确定因素的影响，很难获取到基本事件的概率[6]，便通常止于对事故的定性分析，即通过布尔代数简化事故树，求取最小割集（导致顶上事件发生所必要的最小限度的基本事件集合）和最小径集（使顶上事件不发生的最低限度的基本事件集合），获得每个基本事件的结构重要度系数，并直观地了解影响事故的最基本要素，从而给出准确和可信的评价结果，为减少事故的发生提供可靠的预防措施。

1.3事故树分析程序

图2　事故树分析程序

·40·

2019年第2期 青岛远洋船员职业学院学报 VOL.40 NO.2

Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue Bao

2 船舶自沉事故树编制

事故树的编制通常使用演绎法，针对一个确切的系统，调查这个系统发生的各类事故，收集原始的数据资料，确立顶上事件；再通过调查与顶上事件有关的所有因素或者因素组合，归纳总结，找到中间事件，根据事件之间的逻辑关系，用相应的逻辑门将顶上事件和中间事件进行联结。同样，对中间事件再进行相似的分析，找到

每一个中间事件所对应的基本事件，以完成对整个事故树的编制。

顶上事件选取固体散货运输船舶发生的自沉事故，并经过对多起自沉事故报告进行分析总结，将导致船舶自沉的直接因素（即中间原因）归为船舶自身稳性的变差和人为操作的失误，并继续逐层分析，找到影响自沉事故的最基本因素，编制出完整的故障树，如图3所示。

图3　固体运输散货船自沉事故的事故树

3 船舶自沉事故树定性分析

3.1事故树最小割集求解及原因分析3.1.1 事故树的最小割集

根据固体运输散货船自沉事故树事件之间的逻辑关系，写出故障树的数学表达式，即把顶事件用布尔代数表达式表示，其结构函数为：

（1）

故障树经过布尔代数化简，会得到若干交（“与”）集和并（“或”）集，每一个交集便是一个最小割集。将（1）式展开并应用布尔代数有关运算法则归并、化简可以得到组最小割集，当最小割集中任意一个事件发生时，顶事件即固体运输散货船舶自沉事故必然发生。3.1.2 结构重要度分析

通过最小割集，从故障树的结构，可以分析各个基本事件的重要度系数，即分析各个基本事件对顶上事件的影响程度，称为结构重要度分析。在利用最小割集进行判断结构重要度时，文献[7]给出了求解时可以遵循的原则，以及用以判断和

·41·

2019年第2期 青岛远洋船员职业学院学报 VOL.40 NO.2

Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue Bao

计算的近似判别式，公式如下所示：

（2）

式中，　　　——第　个基本事件的结构重要度系数；

　　　　 ——第　个最小割集；　　　　 ——第　个基本事件所在的第　 最小割集中的基本事件总数；　　　　 ——最小割集的数量。通过式（2），可以得到各个基本事件的结构重要度系数近似值，如表1所示。同时可以直观地表示出基本事件的影响程度排序为

I（14）=I（13）>I（12）=I（11）=I（10）>I（15）=I（9）=I（8）=I（5）=I（4）=I（3）=I（2）=I（1）>I（7）=I（6）

表 1　各基本事件结构重要度系数

基本事件结构重要度系数近似值

X14，X13；0.162037X12，X11，X10；0.108025 X5，X9，X8，X5，X4，X3，0.037037X2，X1；X7，X6；

0.032407

3.1.3 事故原因分析

根据已经得到的基本事件组合和各个基本事件的重要度系数，可以得到造成固体运输散货船舶自沉的主要原因有：

（1）驾驶员自恃经验而不观察实际（X14），或者对船性、舵性不熟悉（X13）导致危险来临时出现盲目、冒险的操作；船员自身的不适任（X12），以及船员未能及时查明危险原因（X10），对倾覆危险估计不足（X11）导致危险来临时未采取有效的措施，上述两者同时构成了人员的操作失误。

（2）恶劣天气海况影响（X15）为船舶稳性变差的客观因素，其往往会导致船舶发生剧烈横摇，给船舶的操纵带来严重影响；船舶自身稳性不达标（X9）是导致船舶稳性变差或丧失的内因，属于船体结构的缺陷；货物未平仓、积载不当（X8）或大风浪引起的连续振动（X1）会导致货移；甲板上浪（X5）、触碰水中物体（X4）或船体局部缺陷遭受风浪（X3）引发的船体破损进水、大风·42·

浪引起的连续振动（X1）及货物中含有大量水分（X2）引起的散装货物流态化均会产生自由液面，它对船舶的稳性产生严重的不利影响。

（3）船员安全意识淡薄（X6）及监管部门监督不力（X7）导致的船舶超载引发船舶稳性变差。

3.2事故树最小径集求解及事故控制措施3.2.1事故树最小径集求解

对于事故树，当一组事件构成的集合具有以下特征时，即当这个集合中所有的基本事件全都不发生时，顶上事件必然不发生，这样的集合称为径集。如果在某个径集中任意除去一个基本事件就不再是径集，则这样的径集称之为最小径集，亦是导致顶上事件不能发生的最低限度的基本事件的组合[8]。

求取最小径集时，应先求对偶的成功树（将或门换成与门，与门换成或门），然后写出成功树的结构函数，化简得到由最小割集表示的成功树的结构函数，再求补得到若干并集的交集，每一个并集就是一个最小径集，所以由上述法则可知，该事故树对应的成功树结构函数为：

（3）

再由狄摩根定律求补可得：

（4）

2019年第2期 青岛远洋船员职业学院学报 VOL.40 NO.2

Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue Bao

所以，由式（4）可以得到四组最小径集：（5）

用最小径集表示的等效事故树如图4所示：

图4　等效事故树

3.2.2 船舶自沉事故控制措施

根据所求得的四组最小径集，从人、船、环境和管理等方面进行考虑，提出了针对固体运输散货船舶自沉事故的控制措施，进而可以最大程度上为避免相关事故的发生提供理论及实践支持。

1）由成功路径P1及P2中的基本事件X1 ～ X9，X15可以得知，恶劣天气海况是引发船舶自沉事故的客观环境因素。当船舶遭遇大风浪引起的连续振动时，可以适当调整航向，避免振动引发的移动而使货物表面析出水分；对货物的含水量情况也要严格把控，保证含水量低于该货物的适运水分限，避免散装货物流态化产生自由液面。同时，要合理积载，对货物进行平仓，减少货物移动的可能性。

其次，船舶应当适时检修，一方面保证船舶自身计算的完整稳性达标，不存在问题。一方面防止存在缺陷的局部船体在遭遇大风浪时，产生破损引发船体进水。驾驶员在航行途中应提高安全意识，熟悉航道、海域信息，及时发现碍航物，避免船舶碰撞水中物体。应采取适当的减速措施[9]

，减少甲板上浪，缓解船舶的纵摇和垂荡。当发生甲板上浪时，应当保证甲板的排水畅通来避免自由液面的形成。

最后，船员和监管部门都应引起重视，增强自身的安全和责任意识，防止船舶超载，避免使船舶稳性变差。

2）成功路径P3中的基本事件X10～X12表明，要对船舶可能发生的倾覆危险有充分的估计，准确地查明造成危险事故的原因，从而及时采取有效的补救措施。同时，公司要加强安全管理，增强船员安全教育，做好安全培训工作，保证值班驾驶员持有相关的适任证书[10]，以在最大程度上减少人为操作失误的影响。

3）由成功路径P4中的基本事件X13，X14可以得知，驾驶人员应首先对船性、舵性熟悉，才不会出现盲目的操纵而错过最佳的自救时机。在危险发生时，驾驶人员切忌依赖经验，要视当时的实际情况如天气海况、船舶自身的受损情况等，进而采取适当的措施。

4 结论

本文通过绘制事故树图直观地反应出每一事件之间的逻辑关系，定性分析的结果对引发固体运输散货船自沉事故的人、船、环境及管理多方面因素进行了归纳统一，而不是仅针对船舶稳性或结构问题进行讨论。在绘制过程中探索引发出自沉事故的基本原因，总结经验，提出有效控制决策，为降低固体运输散货船的自沉事故率和提

·43·

2019年第2期 青岛远洋船员职业学院学报 VOL.40 NO.2

Qingdao Yuan Yang Chuan Yuan Zhi Ye Xue Yuan Xue Bao

高其航行安全性提供理论支撑。但上述结果也说明，事故树分析也存在着一定的缺陷，即有时无法获取或获取不到确切的基本事件概率，从而不能进行定量分析，无法完整地论证事故发生的普遍性原理。在后续研究中，应当有针对性地搜集与建立相应的船舶自沉数据库，以完善对固体散货运输船自沉事故的研究。

渔船海损事故分析[J].中国航海,2007,(01):68-71.

[5] 姚杰,任玉清,李玉伟.基于事故树分析的海上交通事故的研究[J].大连海洋大学学报,2010,25(04):348-352.[6] 张乃禄.安全评价技术（第二版）[M]. 陕西：西安电子科技大学出版社,2011.

[7] 魏春荣,李艳霞,孙建华,龚志超,邢书仁.事故树结构重要度的求解方法[J].黑龙江科技学院学报,2012,22(01):84-88+92.

[8] 陈勇刚,田水承,孙斌.基于事故树分析法安全评价指标的确定[J].陕西煤炭,2003,(03):20-22.

[9] 赵月林,张选逵.自由液面对船舶安全的影响及其对策[J].大连海事大学学报,2003,(02):34-37.

[10]熊国印,肖健龙,刘霓.浅谈船旗国如何消

除不适任船员(英文)[J].大连海事大学学报,2008,34(S2):85-88.

参考文献：

[1] 长江海事局.长江海事局2013-2014年及2015年一季度长江海事局辖区安全形势[EB/OL].[2015-05-04]. https://www.cjmsa.gov.cn/xxgk/xxgkml/aqxx/aqxs/201505/t20150504 _391527.shtml.

[2] 韩俊松,吴宛青,杜嘉立,封星,张永松.中国沿海固体散货运输船自沉事故分析与对策[J].中国航海,2014,37(01):82-86.[3] 井上威恭.故障树分析（FTA）安全工程学[M]. 北京：人民交通出版社,19.

[4] 任玉清,姚杰,赵希波,陈禹娜.基于FTA的

Research on Foundering Accidents of SolidBulk Ship Based on Fault Tree Analysis

LI Yi-liang

(Dalian Maritime University, Dalian116026, China)

Abstract: In order to reduce the occurrence of foundering accidents for vessels carrying solid bulk cargo and improve the safety of navigation. Fault Tree Analysis (FTA)，one of the safety evaluation methods, is introduced. The fault tree is constructed according to the various factors causing the accident and the corresponding logical relationship. Through the qualitative analysis, the minimal cut sets, the structure importance degree coefficient of the event and the minimal path sets can be obtained. Then summarize the main causes of accidents and make the prevention and control measures for ship foundering accidents. At the same time, the research results show that the qualitative analysis of FTA can well find various possibility approaches which cause the accidents and can give the safety countermeasures to avoid them, which is of great significance to improve the navigation safety for vessels carrying solid bulk cargo.

；solid bulk cargo；Fault Tree Analysis；prevention and controlKeywords: ship foundering

·44·