基于FRAM-MC的船员疲劳事故研究_潘恒毅.pdf

第 卷 第 期 年 月江西师范大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）资助项目作者简介：潘恒毅（），男，江西南昌人，博士研究生，主要从事交通运输规划与管理研究：潘恒毅 基于 的船员疲劳事故研究 江西师范大学学报（自然科学版），（）：（），（）：文章编号：（）基于 的船员疲劳事故研究潘恒毅（上海海事大学交通运输学院，上海）摘要：针对船员疲劳事故，利用功能共振分析（）与蒙特卡罗仿真（）相结合的方法，构建了船员疲劳事故致因分析模型（）以“深能”轮搁浅事故为案例，通过梳理事件经过和 模型计算并实证分析，结果表明：基于 的船员疲劳事故分析方法可建立清晰事故层次结构，有助于理清事故致因，其功能可变性和耦合分析能够准确高效地找出事故发生的关键功能和关键路径，为功能屏障设置提供依据，从而制定针对性防控措施，有效提高海事运输系统安全性，其研究结果可为海事事故分析提供参考和科学依据关键词：船员疲劳；功能共振分析；蒙特卡罗仿真；航运事故中图分类号：文献标志码：引言人为因素（如船员疲劳）是造成海事事故的主要原因，海事事故的结果往往会造成人身伤亡、经济损失和环境污染，人为因素是船舶航行安全的重大隐患之一 航运业承担了大量国际货物贸易往来，其中船员疲劳与船员健康和航行安全息息相关，也关系到整个行业乃至世界海上贸易的正常运行 日本海事会的调查指出，约 的搁浅和的碰撞都是由船员睡眠不足和疲劳过度导致的 美国海岸警卫队的一项调查显示，约 的重大事故和 的人身伤亡事故与船员疲劳有关 国际海事组织（）指出，在船舶碰撞或搁浅案例中，有 的事故与疲劳因素有关，并且有 的船员曾在值班中打瞌睡或睡着，其中将近 的船员每周工作时间超过 连续疲劳值班不仅对船员身体造成损害，还会引发海上安全事故和造成海洋环境污染 例如，年“”油轮溢油事件，年德国籍集装箱船“”在英吉利海峡上搁浅，年“”轮在苏格兰海岸上发生事故，年“深能 号”在离澳大利亚东海岸 处搁浅，这些事故的共同特点是值班人员疲劳当班，工作表现下降造成失误或疏忽等不安全行为 因此，需要对海事事故从致因和演变进行研究，以避免类似事故再次发生和船员伤亡及财产的损失功能共振分析法（，）可用于航运事故风险分析研究 张靖雯等构建了功能共振分析方法（）与模糊层次分析（）方法相结合的船舶碰撞事故致因分析模型（即 法）等将功能共振分析方法（）与动态贝叶斯网络（）相结合，建立了船舶碰撞风险演化分析模型 等结合失效模式和影响分析（）与功能共振分析方法（），提出了核动力破冰船在冰雪覆盖水域上独立、护航和护航作业的概率风险分析方法 等研究了 在航运业务定性风险分析中的应用本文通过将 与蒙特卡罗（，）仿真结合，建立船员疲劳事故分析模型，以“深能”轮搁浅事故为案例，通过耦合分析找出系统关键功能和关键路径，阐述功能间耦合导致功能共振原理，为船员疲劳事故提供可量化的分析方法 从而增强对船员疲劳与海事事故的认识，为船员疲劳事故的致因分析和干预策略提供理论依据，以达到减少海事事故、保障海事安全的目的 研究方法 建模过程通常 分析过程有 个步骤，它们分别是：）确定系统边界，识别并描述功能；）分析功能变化；）耦合分析并绘制功能网络图；）耦合结果分析；）层次网络模型海上交通运输的因素层包括人员因素、船舶因素、环境因素、管理因素，这些因素可能会影响到 提出的 个特征维度表征功能单元，其包括输入（）、输出（）、控制（）、资源（）、前提（）、时间（）种属性，分为组织、技术、人员 种类型，因素层的变化会导致功能模块性能变化，进而使得功能模块间产生剧烈波动，从而导致在行动系统层中的功能模块的振荡超出正常范围，因此引发海上交通系统风险 量化系统功能可变性为了让系统中的变化耦合情况能够更清晰地识别，可对功能可变性进行量化，输出可以从时间和精度 方面衡量 就时间而言，可能有太早、准时、太晚或遗漏几种情况“遗漏”表示有可能某个输出未发生 在精度方面，输出可以是精确的、可接受的或不精确的 若输出是精确的，则它完全满足下游功能的需要和要求；若可以接受，则下游函数需要进行一些调整；若不精确，则需要进行更大的调整 第 类是“错误”，它代表了与预期完全不同的输出，在这种情况下下游功能的可变性放大了这样就可以给每个性能可变性状态分配一个数值分数，而不是用语言定义来描述一个函数 评分量表可以表达对功能可变性性能的影响：评分越高，输出的变量越大 可以根据实际情况或具体的过程表现来确定语言和数字分数 因此，上游输出 的可变性 可定义为这 个得分的乘积：，（）其中 表示上游输出 在时间方面变化的得分，表示上游输出 在精度方面变化的得分为每个功能定义分数的一个主要问题来自于这样一种认识：系统组件的静态行为可能不能完美地反映真实情况 例如，尽管仪器的输出通常是精确和准时的，但它可能在传输中有罕见的不可预测的错误和延迟，导致输出不精确和 或太晚 在静态可变性评分水平不合适甚至错误的组织或人员功能中，这个因素发挥着更重要的作用 为此，可以采用离散概率分布函数来更恰当地定义函数的可变性，每个函数都有自己的离散概率分布 聚合功能可变性 抑制和加剧对于任何通用函数，都可以从可变性的角度定性地定义耦合的影响 例如，表示下游函数的前提条件的上游输出，若到达太晚，则可能会导致时间损失，从而放大了可变性 另外，若及时则相同的输出可能会抑制可变性，若过早则可能导致一个错误的开始和扩大可变性 同样在精确度方面，若不精确，则同样的输出可能会导致误解并放大可变性；若错误，则甚至可能导致消除潜在歧义的时间损失 即使某些特定耦合的典型行为是常见的，指出，一个准确的分析必须评估每个特定耦合本身的效果 这些定性评价可以演变成半定量评价 根据式（），一个特定的时间和精度指标可以表示每个耦合的阻尼或放大效应，定义上游输出 和下游函数 的耦合变化为 ，其中 表示就时间而言的上游输出 和下游功能 的放大因子，表示就精度而言的上游输出 和下游功能 的放大因子 当上游输出对下游功能具有阻尼作用时，（或）；当上游输出对下游功能基本没有影响时，（或）；当上游输出对下游功能具有放大作用时，（或），通常取值为、，若其取值小于，则可认为是抑制，若大于，则为加剧 场景实例化 除了可变性和放大因子，还需要考虑实际场景对操作或流程的影响 例如，在海事交通系统中，通常会考虑海况、船员工作量、水域的交通环境、培训考核等具体特点第 期潘恒毅：基于 的船员疲劳事故研究为了考虑模型的特定实例化，需要定义特定数量的个变量，能够识别要分析的场景，即场景性能条件，其中 ，以及它们的潜在影响 因此，可以构建场景性能条件影响矩阵，它确定每个 对每个功能的影响，不同场景条件对于不同系统功能的输出也会有加剧、抑制或不产生作用的效果（见表）表 系统功能与场景条件关系表功能场景条件 场景条件 场景条件 功能 功能 功能 在表 中表示对 函数的影响，其符合公式（），通常取值为、，场景条件对功能输出变化有明显作用，场景条件对功能输出变化有轻微作用，场景条件对功能输出变化几乎无作用（）的特殊组合构成了一个操作场景 通过 可以将每个场景与识别的联系起来 表示在 场景（，（）中的放大效果（见表）表 运行场景与场景条件关系表场景场景条件 场景条件 场景条件 场景 场景 场景 在不同场景下，场景条件的表现 可以分为 个等级：，在场景中的某一场景条件有较大影响，在场景中的某一场景条件有较小影响，在场景中的某一场景条件几乎无影响（）因此，在某一场景 下对于特定功能 的影响，场景效应 可以由公式（）表达：（）但是，由于考虑到对于任何的 某一功能的为 的情况，此时运行场景不对系统功能产生影响，即 ，所以本文构建的场景效应 由公式（）所示：，（）因此，在操作场景 中，每个耦合的总体指数（根据时间和精度表型处理其可变性）可导出：，（）通过蒙特卡罗模拟，公式（）的乘积也变成了一个离散的概率分布，将 和 中的不确定性传播为，中的不确定性 监测和管理可变性考虑到上游可变性，上游 下游链接和操作场景，之前的步骤定义了每个耦合的可变性 因此，固定 个阈值 和 个置信度，可以定义所有在阈值下的累积分布概率小于置信度的耦合为临界为了定制适当的缓解措施，而不是简单独立的关键耦合，可以将关键路径定义为：关联相同功能的反向或事后关键耦合链 当在对应阈值下的累积概率分布大于 时，系统出现功能共振，进而确定了事故演变的关键路径以及干预的优先性 通过提出消除、预防和抑制性能变化的方法来达到降低风险的目的案例分析本节首先对事故基本情况进行介绍，识别事故相关的系统功能；然后，通过量化和聚合系统功能的可变性，构建关于功能变化和事故发生的量化模型；最后，通过运用 的仿真结果得出共振路径，并提出相应措施，以消除或减弱系统的功能共振现象 事故概况和系统功能识别 年 月 日 时，中国籍散货船“深能”轮，在从澳大利亚道格拉斯通港装载 煤开往中国鲅鱼圈途中，因船员工作疏忽而导致船舶在澳大利亚大堡礁国家公园禁航区内搁浅，根据事故报告，通过梳理事件经过和事故相关因素，将其按照组织、技术、人员进行分类，并对相应功能模块进行描述，从而更详细地展示事件的实际运行功能及其之间的关系，为构建事故功能网络图奠定基础因此，根据梳理事故经过和相关因素，可以归纳出事故相关功能（见表）江西师范大学学报（自然科学版）年表 事故功能模块及其描述编号简称描述替代（工作）措施采取替代工作措施应对工作时间过长，改善船员超时工作问题管理体系更改航线相关问题应列入安全管理体系，并完善交接班体系培训考核增强业务能力和熟练度，特别是安全管理能力工作负荷主要指工作量和类型，其次还包括工作计划睡眠时长一般指一天内的睡眠持续时间，另外还包括由睡眠中断、障碍等睡眠质量问题业务能力相关技能的掌握程度、熟练度，安全管理能力调整计划更改航线应分析更改航线对航行安全的影响，并提醒驾驶人员引起注意驾驶主要指二副驾驶过程中的操作，包括定位、输入转向点等交接班主要指大副接替二副的交接班，包括任务交接、沟通等方面配载图大副为应对停靠港口期间的装卸任务准备配载图，还有停靠期间一些其他任务睡眠 大副完成配载图等任务到起锚之间的睡眠起锚包括起锚、停靠、水尺检测、监督排水和装卸任务等睡眠 大副完成监督工作到船舶离港之间的睡眠离港包括水尺检测、计算装货量、准备有关文件和离港等睡眠 大副从离港到交接班之间的睡眠观察（航线和环境）大副接班后观察航线和相关环境定位按规定航行期间每隔一定时间需要定位一次转向驾驶船舶中的操作，包括转舵、输入转向点等 事故功能网络图可分为几个层面 在组织抽象功能层面，分为管理层面和事故影响因素层面 在具体行动功能层次方面，主要包括大副和二副的行动及其交互 各层次功能单元分别用灰色深浅不同的图 案 表 示使 用 可 视 化 软 件（，），可构建事故功能网络图（见图）图 事故功能层次网络图第 期潘恒毅：基于 的船员疲劳事故研究 量化和聚合系统功能可变性为量化系统功能可变性，需要定义系统功能相应维度的概率分布 系统上游功能在时间上的变化和在精度上的变化 的评分取值为、，其时间和精度可变性得分对应的概率分布为，文献 根据 对系统功能输出在时间和精度上变化的总结，对时间和精度变化的可能性进行了概率分配，其离散概率分配是基于 提出的典型功能行为的可能性，对于一般系统有一定代表性，符合将系统的动态行为变化进行初步数字化展示的要求，本文在此基础上根据实际情况进行调整，作为系统的假定值（见表）表 时间和精度变化评分的概率分布类型概率评分技术人员组织准时 精确太早 可接受太晚 不精确遗漏 错误时间准时 太早 太迟 遗漏 精确度精准 可接受 不精准 错误 另外，就时间而言的上游输出 和下游功能 的放大因子 和就精度而言的上游输出 和下游功能 的放大因子 可能随上下游功能的评分不同对应不同效果，其取值与相应评分对应 因此，将系统所有的上下游功能进行评分和概率分配，可得系统各功能得分及其分数的概率分布，表 展示了部分功能可变性的概率分布和放大因子表 系统各功能变化的得分概率分布下游功能方面上游功能类