基于复杂网络的水上交通风险辨识及事故演化机理研究.pdf

第 卷 第 期 年 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 收稿日期：基金项目：国 家 重 点 研 发 计 划 项 目（）；国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（）；韶 关 市 引 进 创 新 创 业 团 队 项 目（）作者简介：万程鹏，博士，副研究员，主要研究方向为水路交通系统韧性。通信作者：余庆，博士，副教授，主要研究方向为水上交通安全与风险评价。：基于复杂网络的水上交通风险辨识及事故演化机理研究万程鹏，刘翼飞，吴兵，余庆（武汉理工大学 智能交通系统研究中心，湖北 武汉 ；广东省内河港航产业研究有限公司，广东 韶关 ；武汉理工大学 交通与物流工程学院，湖北 武汉 ；集美大学 航海学院，福建 厦门 ）摘要：为探索水上交通事故风险演化机理，基于水上交通事故调查报告，采用“模型”提取事故致因链，结合复杂网络分析理论构建水上交通事故风险演化网络模型。从事故潜伏、扩散、发生阶段辨识水上交通事故关键致因因素，并开展案例研究。研究结果表明：船舶碰撞为该辖区主要水上交通事故类型，碰撞事故的关键致因因素包括船员操作不当、应急处置不当等；碰撞事故在风险演化网络中具有传递路径短、随机性强的特征，且风险因素间相互依赖关系紧密。研究结果可为海事监管部门精准管控水上交通安全风险提供理论依据。关键词：安全工程；风险演化；复杂网络；水上交通事故；事故致因中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，“”，：；引言近年来，随着国际航运业的发展，船舶数量逐年增加，水上交通事故时有发生。船舶一旦发生事故，会导致环境污染、财产损失、甚至是人员伤亡，因此，水上交通安全问题受到社会各界的广泛关注，国内外学者围绕水上交通事故风险分析开展研究。吴?等 采用文本挖掘方法对船舶碰撞风险进行挖掘，确定船舶碰撞事故致因因素；等 对碰撞事故案例进行文本分析，识别出复杂碰撞事故的潜在致因因素；等 考虑到数据的不确定性，通过修正风险矩阵对海上事故进行风险评估，找出导致各类事故类型的主要致因因素。针对水上交通事故风险分析方法及模型应用，胡甚平等 引入云理论，对海上交通系统风险演化机理与多因素耦合作用进行研究；等 提出船舶碰撞事故因果概率模型，从微观与宏观角度整合个体遭遇情况对相应因果概率的影响。贝叶斯网络（）是水上交通事故风险分析中的重要方法之一 。叶子阳等 基于贝叶斯网络对内河船舶交通事故进行分析，从而预测出最有可能发生事故的目标船舶类型；等 提出基于贝叶斯网络（）的北极航运事故情景分析方法，用于船只与冰山之间的碰撞风险分析。复杂网络理论主要被应用于航空、轨道、矿库领域。等 基于复杂网络理论构建航空事故致因网络，并进行网络拓扑特征分析；许慧等 基于复杂网络理论构建城市轨道交通风险演化网络，以识别高风险节点；等 基于复杂网络理论构建尾矿库复垦风险演化网络，研究尾矿库复垦风险的演化过程；等 基于复杂网络理论分析不同演化阶段对整个社会稳定的影响。现有研究一定程度上推进了水上交通事故风险分析技术的发展，完善了水上交通安全监管理论，但研究侧重于从静态、层次结构的视角辨识水上交通事故的致因因素，对事故因素之间耦合关系的动态分析尚有不足。其次，当前研究着重于探讨某些特定因素与事故发生的关联性，未能充分揭示多因素共同作用下的风险演化规律。鉴于此，本文研究采用复杂网络分析技术识别高危风险致因因素，从全局角度分析水上交通事故致因因素之间的相互影响关系，并实现对事故风险演化路径的可视化表达，研究结果可为海事部门水上交通安全监管及风险防控提供理论支撑。事故致因演化分析方法 基于“”模型的事故链分析事故致因链是反应事故成因、始末过程和事故后果的链条，用于对事故现象的发生、发展进行分析 。本文研究将基于“”模型分析事故致因关系，提取事故链。根据复杂网络理论，每个事故致因因素被视为一个独立的节点，因素之间的因果关系或主动关系被视为有向边，相同因素之间的共现次数作为边的权重 。以实际水上交通碰撞事故调查报告为例，基于事故致因“”模型进行分析，如图 所示。图 事故致因“”模型 “”风险事故演化网络基于事故致因链，构造事故风险演化网络的邻接矩阵，通过 可视化软件绘制水上交通事故风险演化网络模型。风险演化网络模型的节点包括主要事故致因因素、事故类型和事故后果。复杂网络分析）节点度中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷在复杂网络分析中，通过节点强度、加权接近中心性、加权中介中心性指标对事故风险演化网络中的事故致因因素进行分析。节点的度是指与该节点相关联的边的条数 。在事故风险演化模型中，节点表示提取的事故致因因素，边表示事故致因因素间的逻辑关系，度值越大，事故因素之间的联通性越高。对于有向网络，节点 的度 包含出度 和入度 ，如式（）所示：（）式中：表示由节点 指向节点 的有向连边；表示由节点 指向节点 的有向连边；表示网络中的节点总数。）节点强度节点强度定义为与节点相连接的所有边权值的和。等 将节点度推广为加权网络中的节点强度，有向网络中的节点强度分为出节点强度和入节点强度。节点强度越大，在事故中该因素的风险性越高，如式（）所示：（）式中：为节点强度；为与节点 直接相连的节点集合；为边权值。）加权接近中心性 加权接近中心性用于衡量节点与其他节点的可达性和连通效率。个节点与其他所有节点的加权最短距离之和越小，加权接近中心性越强 ，如式（）所示：，（）式中：为节点 ，之间的加权最短路径长度；表示节点 ，连边的权值；表示节点 ，连边的权值；表示加权值。）加权中介中心性 加权中介中心性反映该节点对网络整体连通性的重要程度，即节点对网络中沿最短路径传输网络流的控制力。节点对加权最短路径通过该节点的数量越多，加权中介中心性越大，代表事故致因因素之间的联系越紧密，如式（）所示 ：（）（）（）式中：为节点 ，之间的加权最短路径数量和；（）为节点 ，之间的加权最短路径经过节点 的次数。实际案例分析 数据收集本文研究从河北海事局官方网站上收集 年共 起公开的水上交通事故调查报告，作为主要数据来源。根据统计分析，河北海事局辖区涉及的事故类型主要包括船舶碰撞（船船碰撞和船物碰撞）、搁浅、自沉、失火、丢锚和倾覆 种类型。其中，船舶碰撞、触礁及触码头事故 起，船舶搁浅事故 起，船舶倾覆事故 起，船舶丢锚事故 起，船舶失火事故 起。水上交通事故致因因素选取本文研究所提取的事故风险致因因素均来源于事故调查报告中的描述，包括人员风险、船舶风险、环境风险、管理风险 类，可划分为 个事故致因因素，如表 所示。表 水上交通事故致因因素 类别编号致因因素人员因素 维护保养不到位 安全意识不足 操作不当 疏忽望 危险估计不足 船员未有效履行职责 未遵守航行规则 人员疏忽大意 未运用良好船艺 未谨慎驾驶 应急处置不当 不熟悉通航环境 疲劳 未进行充分沟通 未保持安全航速环境因素 急潮流 夜间 大风浪 能见度不良船舶因素 结构缺陷 舵机失灵 船体老化 设备老化 设备故障 吃水受限 货舱未进行有效封闭第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术表 （续）类别编号致因因素船舶因素 运载危险货物 货物装载不当 航海资料或设备配备不齐管理因素 安全管理缺失 配员不足 未提供有效的岸基支持 安全管理体系存在缺陷 培训不足 超航区航行 船舶检验证书失效 未取得船员适任证书 船员不适任 船舶不适航 事故风险演化模型构建以事故致因因素作为复杂网络中的节点，以事故致因因素之间有向连接关系作为连边，综合河北海事局辖区 起事故的所有事故致因链，构建目标水域的事故风险演化网络模型，如图 所示。事故风险演化分析本文将从事故风险潜伏、风险扩散和风险发生 个阶段进行风险演化分析，并从人员、环境、船舶、管理 个方面揭示水上交通安全风险演化规律，识别水上交通关键安全风险因素。风险潜伏阶段风险潜伏阶段是指存在风险发生的可能但现阶段尚未显现，如潜在威胁发生、节点失效、部分节点处于高图 水上交通事故风险演化网络模型 风险状态等。该阶段是事故链的最初节点，加以预防和控制能够有效防止风险扩散。）人员因素因人员因素导致的潜在威胁因素见表 。由表 可知，船员望疏忽的节点强度最高，为 ，度值为 ，表示与 种潜在威胁因素相关，未保持安全航速、未运用良好船艺次之；人员疏忽大意的加权接近中心性最高，为 ，表明人员疏忽大意接近网络的中心位置，在风险网络中价值较大；，和 的加权中介中心性为 ，表明这些节点处于风险演化网络边缘，是风险的最初隐患。）船舶因素经计算可知，因船舶因素导致的潜在威胁因素中，设备故障节点强度最高，与 种潜在威胁相关；设备故表 复杂网络中人员因素导致的潜在威胁因素 编号事故致因因素度入强度出强度加权接近中心性加权中介中心性 安全意识不足 船员望疏忽 未遵守航行规则 人员疏忽大意 未运用良好船艺 未谨慎驾驶 不熟悉通航环境 疲劳 未进行充分沟通 未保持安全航速 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷障的节点加权接近中心性最高，为 。）环境因素在环境因素导致的潜在威胁因素中，大风浪的节点强度最高，并且其节点加权接近中心性最高。）管理因素在管理因素导致的潜在威胁因素中，安全管理缺失的节点强度和加权接近中心性最高，其与 种潜在威胁因素相关，包括超航区航行、未提供有效的岸基支持等。安全管理缺失会导致船员培训、审核不严格，驾驶员责任心不强并最终引发事故。风险扩散阶段风险扩散阶段可以理解为风险正在系统中扩散，由种或多种潜在风险事件的作用发展为具有一定程度的高危险事件，此时风险事故尚未发生，但整个系统的风险水平较高。在 种潜在威胁因素单独或共同作用下，可能造成 种关键致因因素，关键致因因素风险演化网络模型如图 所示。风险扩散阶段中 个关键致因因素特征指标如表 所示。由表 可知，操作不当的节点加权接近中心性与加权中介中心性最高，中心性特征显著，与其他事故致图 关键致因因素风险演化网络模型 因因素关联性较高，说明该节点具有较高的风险传递作用。应急处置不当的节点强度最高，为 ，其与 种潜在威胁因素相关，是船舶碰撞事故中最容易出现的事故致因因素；其节点加权接近中心性为 ，加权中介中心性为 ，二者均较高，说明该节点是事故风险发生的关键致因因素。表 复杂网络中关键致因因素特征指标 编号事故致因因素度入强度出强度加权接近中心性加权中介中心性 维护保养不到位 操作不当 危险估计不足 船员未有效履行职责 应急处置不当 船员不适任 船舶不适航 风险发生阶段以船舶航行事故发生阶段的事故类型为中心，得到风险演化模型如图 所示。由图 可知，船舶搁浅、船舶碰撞、船舶倾覆、船舶溢油和船舶失火 种事故较多，事故类型节点信息见表 。由表 可知，船舶搁浅与 种潜在威胁因素相关，船舶碰撞与 种潜在威胁因素相关，船舶倾覆与 种风险因素相关，船舶溢油与 种潜在威胁因素相关，船舶失火与 种潜在威胁因素相关；船舶碰撞的加权接近中心性和加权中介中心性最高，分别为 和 。综上可知，船舶碰撞是整个网络的中心枢纽，其可能导致的事故后果包括船舶倾覆、船舶受损、船舶沉没、船舶进水和人员伤亡。船舶溢油、船舶失火的加权接近中心性和加权中介中心性次之，表明这 种事故的前置条件也比较高，引起事故发生的潜在威胁仅次于“船舶碰撞”。图 船舶航行事故类型演化模型 第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术表 事故类型节点信息 事故类型度入强度出强度加权接近中心性加权中介中心性船舶搁浅 船舶碰撞 船舶倾覆 船舶溢油 船舶失火 讨论及建议船舶事故是多种潜在威胁因素共同作用的结果，关键致因因素包括维护保养不到位、操作不当、危险估计不足、船员未有效履行职责、应急处理不当、船员不适任和船舶不适航等，以维护保养不到位为例，绘制其风险演化路径如图 所示。由图 可知，维护保养不到位是安全管理缺失、船员未有效履行职责等产生级联失效作用的事故结果。因此，建议严格规范船舶公司的日常保养制度，实行多人监督、多次检验以保障船员职责履行到位，遏制维护保养不到位的初级隐患，切断风险传递，避免事故发生。图 维护保养不到位的风险演化模型 根据事故调查报告分 析 结 果 可 知，“危 险 估 计 不足”由船员不熟悉通航环境或望疏忽导致，因此，船舶航行前必须了解水域通航环境，制定正确的航行计划；开船前务必检查是否配备航行资料或通航设备，避免因船员不熟悉通航环境导致航行风险态势估计不足，出现船舶间的紧迫局面；加强值班人员的值守和责任考核，避免船员望疏忽。结论）本文通过事故致因理论和复杂网络分析技术，分析船舶事故成因与影响因素之间的相互关系，揭示水上交通事故风险演化规律。）通过对事故案例进行分析发现，船舶航行风险涉及 种潜在威胁因素，可能扩散为 种关键致因因素。其中，船舶碰撞事故为主要事故类型，其与 种潜在威胁因素相关，为事故风险演化网络的中心枢纽。）在下一步研究中，可以增加事故的样本数量和种类，开展不同水域水上交通事故风险演化规律的横向对比研究。参考文献 吴?，江福才，姚厚杰，等 基于文本挖掘的内河船舶碰撞事故致因因素分析与风险预测 交通信息与安全，（）：，（）：，（）：，（）：胡甚平，黎法明，席永涛，等 海上交通系统风险成因耦合机理仿真 应用基础与工程科学学报，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：叶子阳，陈沿伊，张培林，等 基于数据驱动贝叶斯网络的内河船舶交通事故分析 安全与环境工程，（）：，（）：，：，中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷 ，（）：许慧，邓宁辉，李杨，等 城市轨道交通运行风险演化网络动态仿真研究 安全与环境学报，（）：，（）：，（）：，：冯如，李帅 事故致因模型在海上船舶碰撞事故安全管理中的运用研究 中国安全生产科学技术，（）：，（）：，：关晓光，李振福，陈雪，等 基于航次加权的世界集装箱港口复杂网络结构及港口中心性研究 大连海事大学学报，（）：，（）：（责任编辑：张伟丽檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪）第三届全国危险化学品安全生产应急救援技术竞赛组委会会议在京召开第三届全国危险化学品安全生产应急救援技术竞赛组委会会议近日在北京召开。会议认真学习贯彻习近平总书记关于应急管理重要论述，总结竞赛筹备工作启动以来各项工作落实情况，研究竞赛有关事宜，进一步明确赛事筹办工作要求，研究部署下一阶段重点工作。应急管理部副部长、竞赛组委会主任宋元明主持会议。共青团中央书记处书记胡盛，宁夏回族自治区党委常委、常务副主席陈春平，国家能源集团董事长刘国跃，国家能源集团副总经理杨鹏等竞赛组委会副主任出席会议。会议指出，第三届危化救援技术竞赛是应急管理部组建以来举办的第一次全国性危化救援技术竞赛，是贯彻落实习近平总书记关于应急管理重要讲话精神的具体实践，是落实主题教育重实践、建新功要求的重要举措，是提升危险化学品事故应急救援能力的实际行动，对应急管理体系和能力现代化建设具有重要意义。会议强调，竞赛筹办已进入全力冲刺的关键时期，时间紧、任务重，各单位要再接再厉、通力协作，盯节点、盯进度、盯效果，继续高标准、高质量推动各项筹备工作，要坚持安全办赛、公平办赛、干净办赛，确保把本届竞赛打造成一场体现救援特色、展现时代风采的应急救援竞技盛会。竞赛组委会成员和组委会办公室成员等参加会议。信息来源：应急管理部网站第 期 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术