綜合安全評估在客船破損穩性衡準修訂中的應用

王西召，顧學康，聶明明

(1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214000；2.大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

綜合安全評估在客船破損穩性衡準修訂中的應用

王西召1，顧學康1，聶明明2

(1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214000；2.大連海事大學 航海學院，遼寧 大連 116026)

針對SOLAS 2009有關客船破損穩性的要求，分析綜合安全評估(FSA)在提高客船破損穩性衡準論證中的具體應用方式，認為FSA在提高客船R指數中得到全面的應用，建立的風險模型可評價現有郵輪和滾裝船的社會風險水平，可作為成功修訂IMO規則的一個范例。

綜合安全評估;SOLAS公約;客船;概率破損穩性;要求的分艙指數R

綜合安全評估(FSA)作為一種結構化和系統化的風險分析與費效評估方法在國際海事組織(IMO)規則制定中的應用日趨廣泛，它包括危險識別、風險分析、風險控制方案的提出、費效評估與決策建議5個基本步驟[1-2]。該方法以情景分析為基礎，對系統潛在危險進行全面分析，評估危險發生的可能性及后果的嚴重程度，提出以降低危險發生的頻率或減輕后果為目的的風險控制措施，并在對風險控制措施進行費效評估的基礎上，篩選出符合費效準則的措施，為規則的制定或修訂提供科學依據[3]。成員國或國際組織在向IMO提交關于公約和規則的修訂建議時，常常借助于FSA對其建議的事項進行分析，并利用分析結果驗證其建議的可行性。

自SOLAS公約公布概率破損穩性規則(簡稱SOLAS 2009)后，IMO成員國針對SOLAS 2009中的一些漏洞(如未考慮客滾船滾裝甲板進水對破損穩性的影響[4])開展研究，比較突出的是歐盟開展的客船破損穩性研究項目(分別簡稱EMSA1、EMSA2和EMSA3)和英國與丹麥聯合開展的基于費效分析的客船風險型破損穩性新要求研究項目(簡稱GOALDS項目)，見表1。制定SOLAS 2009的目的就是為了提高船舶破損穩性，但EMSA2研究發現，按照SOLAS 2009設計的客滾船破損殘存能力比按SOLAS 90(客船的破損穩性的確定性方法)和斯德哥爾摩協定共同設計的客滾船差，而SOLAS 90和斯德哥爾摩協定也有一定的局限性。這種局限性主要體現在船舶安全水平評價的不統一，即兩艘符合斯德哥爾摩協定的船舶卻有不同的殘存性水平(按照達到的分艙指數A計算)[5]。這種不統一可能導致船舶設計上的一些差異，進而導致符合斯德哥爾摩協定的船>舶安全水平出現差異[6]。因此,為全面對SOLAS公約客船殘存性的要求進行修改，歐盟開展了EMSA3研究項目，本文以EMSA3項目的相關數據為基礎，研究FSA在提高客船破損穩性衡準的論證中具體的應用方式，為國內開展基于FSA的船舶破損穩性研究提供借鑒。

1 SOLAS 2009關于客船破損穩性的要求

SOLAS 2009的基本原理是按照經典條件概率論研究船舶遭遇碰撞破損浸水的概率以及浸水后殘存的概率。假定“破損后能殘存”為A事件，“被碰撞而發生破損浸水”為B事件，“浸水后沒有傾覆”為C事件，按照條件概率論“破損后能殘存”A事件為B、C同時發生的結果，A=B∩C。

船舶破損后殘存概率為

(1)

式中：P(A)為船舶破損后殘存的概率；P(B)為發生某一破損事件的概率；P(C/B)為在事件B發生的條件下，事件C發生的概率[7]。

船舶分艙不同則破損后殘存的概率不同，通過計算船舶破損后殘存的概率P(A)，即能體現船舶的分艙水平。SOLAS 2009中稱船舶破損后殘存的概率P(A)為船舶達到的分艙指數A(以下簡稱“A指數”)，每一艘船舶都有一個確定的A指數。而實船的A指數須滿足一定的衡準，該衡準稱為要求的分艙指數R(以下簡稱“R指數”)，因此R指數的水平決定了船舶應該滿足的分艙程度，應用FSA提高船舶的概率破損穩性要求主要是提高R指數的水平。

1.1 對客船R指數的要求

對于適用破損穩性要求的所有客船，指數R由以下公式確定。

(2)

式中:LS為分艙長度；N為救生艇可供使用的人數N1與允許船舶載運的超出N1的人數N2(包括高級船員和普通船員)之和。

客船R指數如圖1所示，客船的R指數與分艙長度和船上人數有關。SOLAS公約第Ⅲ-21條規定，從事非短程國際航行的客船救生艇可容納人數不得少于船上人員的75%，而從事短程國際航行的客船救生艇可容納人數不得少于船上人員的30%，故圖1中區分了救生艇容納30%和75%船上人員2種情況，救生艇可容納人數為30%時的R指數明顯高于75%的情況。

1.2A指數的計算

A指數的計算首先是根據不同吃水計算出局部分艙指數Ai，然后將各局部分艙指數進行組合，得到全船的A指數。SOLAS 2009在定義部分給出了最深分艙吃水(ds)、空載吃水(dl)與部分分艙吃水(dp)的定義，根據以上3種不同的吃水可以計算出各局部指數As、Al和Ap。達到的分艙指數A可由局部指數As、Ap和Al的加權相加得到，按下式計算。

A=0.4As+0.4Ap+0.2Al

(3)

每一局部指數是對考慮的所有破損情況的影響的總和，應按下式計算。

(4)

式中:Ak為局部指數As、Ap或Al；i為所考慮的每艙或艙組；Pi為只有所考慮的艙或艙組可能浸水的概率；不考慮任何水平分艙；Si為所考慮的艙或艙組浸水后的殘存概率；包括任何水平分艙的影響。

2 FSA在提高R指數中的應用

應用FSA對客船(包括郵輪和滾裝船)破損穩性進行研究，應識別客船碰撞、擱淺、火災/爆炸等危害，建立風險模型評估客船現有風險水平，篩選出符合費效比的風險控制措施，最終提出提高客船R指數的建議。

2.1 風險分析和評估

運用事件樹(ET)建立風險模型。事件樹模型依據高層次事件序列建立，高層次事件序列為事件樹的主要分叉。以郵輪碰撞為例，圖2列明了船舶碰撞事故發生后5個層次的后續事件序列，并在此基礎上構建了如圖3所示的郵輪和客滾船碰撞事件樹。

如圖2所示，碰撞事故發生后區分撞擊或是被撞；船舶操作區域分為航行途中/受限制水域和港口區域；船舶進水狀況區分進水或不進水；船舶下沉狀況區分下沉和不下沉；下沉區分快和慢。圖3顯示的事件樹的初始頻率是根據歷史數據統計得到的，即發生碰撞的概率為0.696%。其他各個節點的概率由假設或情景模擬得到，其中沒有下沉的概率86%即為船舶的A指數。

在風險評估方面，選取兩類郵輪和三類滾裝船進行風險評估，表2顯示了郵輪和滾裝船樣本船型的基本參數，表3和表4分別顯示了郵輪和滾裝船的事故頻率和潛在人命損失(PLL)。根據郵輪和滾裝船碰撞、擱淺、火災/爆炸的事件樹模型，繪制出郵輪和滾裝船的F-N曲線，以大型郵輪的F-N曲線為例(見圖4)，可知大型郵輪的F-N曲線大致在ALARP(最低合理可行)區域內。

2.2 風險控制方案的選擇和費效評估

風險控制方案(RCO)的選擇一般更傾向于船舶設計上的一些改變，而非操作程序或步驟上的變化。因此歐盟和IMO關于船舶破損穩性的FSA研究，主要關注能改變船舶設計并且能夠提升破損穩性的措施，然后依據SOLAS 2009計算實施該項RCO后船舶達到的分艙指數A。表5為大型郵輪的RCO，RCO的選擇主要集中在2個方面，一是改變船舶主尺度，例如改變船舶寬度和干舷；二是改變船舶內部分艙，例如改變船舶的布置或增加水密艙壁。計算實施每項RCO后的指數A，并與參考船型的指數A進行比較，得到指數A的變化值ΔA，見表6。結果顯示,每項RCO達到的分艙指數均大于參考船型的指數。

表2 樣本船的基本參數[8]56

表3 基于2000-2012平均事故頻率的郵輪PLL[8]57

船型大小事故數事故頻率/(船·年)潛在人命損失(PLL)小型(625人)中型(1700人)大型(3280人)碰撞509.38×1032.76×1026.05×1028.96×102觸碰/擱淺1132.12×1024.66×1028.28×1024.35×101火災/爆炸244.50×1031.26×1025.52×1028.21×102進水101.88×1032.19×1027.75×1021.05×101合計3.70×1021.09×1012.76×1017.12×101

表5 大型郵輪的RCO[8]152

表6 大型郵輪每項RCO達到的分艙指數A[8]174

每項RCO的成本由凈現值(NPV)表示，在計算NPV時，假定船齡為30年，每年5%的折現率?？紤]實施每項RCO所造成的鋼鐵重量、公共區域、艙室區域、主機功率、燃油等的變化,最終確定每項RCO成本的NPV值，見表7。

表7 大型郵輪每項RCO的NPV值[8]174

費效評估的衡準取為800萬美元。經分析可知，只有K1(改變分艙)和K3(改變分艙+增加40 cm干舷)方案的NPV值低于400萬美元，指數A分別增加了0.009 8和0.013 3；K2方案的NPV值低于800萬美元，指數A增加了0.015 6。故K1、K2和K3方案可作為備選方案。

2.3 對R指數的建議

對由滾裝船或郵輪符合費效比的RCO計算所得的指數A進行回歸分析，得到指數R的建議曲線，見圖5。圖中的散點值即為各個RCO達到的指數A，對散點值進行回歸分析，即可得到建議的指數R(圖中藍線所示)。該曲線起點約為0.83，然后緩慢上升，在6 000人左右處達到0.9[9]。IMO采納了該曲線6 000及以上的區段，擬合公式對應表8中N>6 000時的公式。

3 IMO確定的R指數

IMO船舶設計和建造分委會第3次會議(SDC3)對EMSA項目以及各國的提案進行了審議[10]，經過協調磋商，最終形成了指數R的折中方案，見圖6[11]。該方案將指數R分為3段，分別為0～1 000人、1 000～6 000人和6 000人以上，并給出相應的計算公式，見表8。

船上人數RN≤1000R=0.000088×N+0.748810006000R=1-(C1×6200)/(4×N+20000)其中:C1=0.8-(0.25/10000)×(10000-N)

該計算公式較SOLAS 2009有較大變化，SOLAS 2009關于指數R公式與分艙長度、船上人數和救生艇可容納人數相關，而此次SDC3建議的指數R計算公式僅與船上人數相關。相較于SOLAS 2009，SDC3建議的指數R起點定為0.75，在400人處達到0.783 0，提高了約11.9%；在1 000人處達到0.836 8，提高了約14.6%；在6 000人處達到0.900 6，提高了約5.6%。

4 客船概率破損穩性研究對FSA的促進作用

歐盟進行的客船概率破損穩性研究全面評估了郵輪和客滾船的社會風險，其對事故頻率和傷亡人數的獨特假設豐富了FSA事件樹模型的研究案例，例如船舶下沉區分快沉和慢沉兩種情況，大中型郵輪快沉的概率為18%，滾裝船和小型郵輪快沉和慢沉均為50%；航行途中快沉傷亡比例為80%，慢沉為5%，而港口區域快沉傷亡5%，慢沉沒有傷亡。

此外，該項研究還提出了可供后續研究使用的社會風險衡準和費效衡準，計算方法參見文獻[12]；費效衡準經靈敏度分析取值在400萬～800萬美元，即NPV值處于400萬～800萬美元之間或以下均為符合費效比，更新了FSA導則的費效衡準建議值300萬美元。

5 結論

此次對SOLAS 2009的修訂是FSA在IMO公約修訂中的一次成功實踐，FSA在提高客船R指數的過程中起到關鍵性作用。建議我國在開展基于FSA的船舶破損穩性研究工作時，借鑒風險模型中各個階段的事故假設和傷亡假設，建立符合我國經濟發展實際情況的客船社會風險衡準和費效衡準，評價我國現有客船的風險水平。

IMO最終確定的R指數公式較SOLAS 2009有較大提升，特別是對小型和中型客船的殘存性水平提升幅度較大。建議業界關注新制定的R指數對客船分艙設計與建造成本帶來的影響。

[1] IMO. Revised guidelines for formal safety assessment (fsa) for use in the imo rule-making process[S].MSC-MEPC.2/Circ.12/Rev.1,London,UK,2015.

[2] 樊紅,馮恩德.概率影響圖在船舶綜合安全評估中的應用[J].船海工程,2004(5):3-4.

[3] 鮑君忠.面向綜合安全評估的多屬性專家決策模型研究[D].大連:大連海事大學,2011.

[4] IMO.Specific ship stability requirements for ro-ro passenger ships[R].MSC 84/22/12,London,UK,2008.

[5] JASIONOWSKI,A. Study of the specific damage stability parameters of Ro-Ro passenger vessels according to SOLAS 2009 including water on deck calculation[R]. Project No.EMSA/OP/08/2009,Sep,2011.

[6] IMO. Damage stability parameters of ro-ro passenger ships according to SOLAS 2009 amendments, including water-on-deck calculations[R].SLF55/INF.6, London,UK,2012.

[7] 胡威,張高峰.對SOLAS客船與貨船概率破損穩性新規則的修改建議[J].上海造船,2005(2):69-70.

[8] European Maritime Safety Agency.Risk acceptance criteria and risk based damage stability,final report,part2:formal safety assessment[R].2015.

[9] IMO.Formal Safety Assessment-Damage stability of passenger ships[R].SDC 3/INF.3, London,UK,2015.

[10] IMO. Alternate proposal for the required subdivision index 'R' for passenger ships[R].SDC 3/3/9, London,UK,2015.

[11] IMO.Report of the SDS Working Group[R].SDC 3/WP.4,London,UK,2016.

[12] European Maritime Safety Agency.Risk acceptance criteria and risk based damage stability[R]. Final Report,part1:Risk Acceptance Criteria,2015.

Application Overview of Formal Safety Assessment in Amending Damage Stability Criteria for Passenger Ship

WANG Xi-zhao1, GU Xue-kang1, NIE Ming-ming2

(1.China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214000, China;2.Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

In terms of the damage stability requirements in SOLAS 2009, the application of formal safety assessment (FSA) in improving the damage stability of passenger ships was analyzed. It was found that the FSA approach has been fully used for the purpose of increasing indexRof passenger ships. The risk model is helpful to assess societal risk of existing cruises and RoPax ships. This specific application of FSA appears to be a good example for successfully amending IMO regulation.

FSA; SOLAS convention; passenger ships; probabilistic damage stability; required subdivision indexR

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.001

2016-09-01

工信部高技術船舶科研項目(工信部聯裝[2013]414號)

王西召(1990—)，男，碩士，助理工程師

U661.2

A

1671-7953(2017)02-0001-05

修回日期：2016-09-14

研究方向:船舶與海洋結構物安全性評估