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  哈尔滨工程大学学报  2021, Vol. 42 Issue (1): 152-158  DOI: 10.11990/jheu.201906037
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引用本文  

张树凯, 刘正江, 蔡垚, 等. 综合安全评估的研究进展及展望[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2021, 42(1): 152-158. DOI: 10.11990/jheu.201906037.
ZHANG Shukai, LIU Zhengjiang, CAI Yao, et al. Research progress and future of formal safety assessment[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2021, 42(1): 152-158. DOI: 10.11990/jheu.201906037.

基金项目

国家自然科学基金项目(51709165)

通信作者

张树凯, E-mail: zhangshukai1990@126.com

作者简介

张树凯, 男, 博士研究生;
刘正江, 男, 教授, 博士生导师

文章历史

收稿日期:2018-10-22
网络出版日期:2020-12-09
综合安全评估的研究进展及展望
张树凯 1,2, 刘正江 3, 蔡垚 3,4, 史国友 3, 梁伟珍 2,3     
1. 上海海事大学 商船学院, 上海 201306;
2. 招商局集团 招商蛇口邮轮事业部, 广东 深圳 518067;
3. 大连海事大学 航海学院, 辽宁 大连 116026;
4. 交通运输部 政策研究室, 北京 100736
摘要:为提高海上安全和环保水平,国际海事组织采纳并倡导由英国提出的综合安全评估方法。综合安全评估现已广泛应用于国际海事组织规则制定、船舶设计制造、航运安全管理等多方面。本文通过回顾综合安全评估产生的背景及其在国际海事组织的发展历程、对比新旧综合安全评估指南,归纳了综合安全评估的最新进展。最后,分析了综合安全评估的未来发展趋势以及综合安全评估研究中存在的不足和亟待开展的工作。建议我国加强海事风险数据的统一管理并建立分享机制,为我国综合安全评估相关的国际海事组织提案提供技术和案例支持,在国际海事公约、规则、规范的制定过程中为我国争取更多的话语权。
关键词综合安全评估    海上安全    风险分析    海事基础数据库    专家意见一致度评判    ALARP原则    GBS原则    安全水平法    
Research progress and future of formal safety assessment
ZHANG Shukai 1,2, LIU Zhengjiang 3, CAI Yao 3,4, SHI Guoyou 3, LIANG Weizhen 2,3     
1. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;
2. Division of Cruise Business, CMSK, China Merchants Group, Shenzhen 518067, China;
3. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;
4. Policy Research Office, Ministry of Transport, Beijing 100736, China
Abstract: To improve maritime safety and environmental protection levels, the International Maritime Organization (IMO) adopted and advocated the formal safety assessment (FSA) proposed by British researchers. The FSA methodology has been widely used in the formulation of IMO regulations, ship design and manufacturing, shipping safety management, and other aspects of shipping. This study reviews the background of the FSA and its development by the IMO. Next, it summarizes the latest progress by comparing current guidance with previous guidance. Finally, it analyzes the future of the FSA and the deficiencies existing in related research. Meanwhile, it also suggests that China should strengthen the unified management of maritime risk data and establish a sharing mechanism, so as to provide provide the FSA with related IMO proposals that have both technology and case support. and to strive for greater national interest and discussion in the process of formulating international maritime conventions, rules, and standards.
Keywords: formal safety assessment (FSA)    maritime safety    risk analysis    maritime database    expert consensus rating    ALARP    GBS    and safety level approach    

随着科技的发展和社会的进步,人们对海上安全的认识和研究逐渐深入。综合安全评估(formal safety assessment,FSA)的出现标志着海上安全评估步入了新的阶段。该方法现已成为国际海事组织(IMO)大力推荐的安全评估方法。FSA是一种结构化和系统化的方法,旨在通过风险分析和费用效益评估提高海上安全[1]

1 FSA的发展回顾

1988年7月6日,英国北海“Piper Alpha”钻井平台发生爆炸,事故造成167人死亡。英国政府组成了官方调查团,调查结果催生了安全案例法。英国海岸警卫队于1993年向IMO海上安全委员会(maritime safety committee,MSC)第62届会议提交提案,提出了FSA[2]

1997年,MSC第68届会议和海上环境保护委员会(marine environment protection committee,MEPC)第40届会议通过了《FSA在IMO规则制定程序中的应用暂行指南》[3]。2001年,MSC第74届会议和2002年MEPC第47届会议通过了《FSA在IMO规则制定程序中的应用指南》[4],并将人的因素分析(human element analyzing process,HEAP)与FSA结合,形成了《HEAP和FSA在IMO规则制定过程中的应用导则》[5]。自此,FSA的研究和应用有了指导性文件。

此后,历经2005、2006年的修订,IMO于2012年MSC第91届会议和2013年MEPC第65届会议通过了《经修订的FSA在IMO规则制定程序中的应用指南》(以下简称《指南》)[6],将HEAP完全融入FSA,形成了最新的2013版《指南》。

2 对新版《指南》的解读

新版《指南》更加系统完善,虽然流程框架仍沿用原有的危险识别、风险分析、风险控制方案、费用效益评估和决策建议5个步骤,但各步骤的目标、方法等均有改变,使其整体性有所提升。

Download:
图 1 FSA方法流程 Fig. 1 Flowchart of the FSA methodology

新版《指南》不仅涵盖了历年修正案,还对概念术语、评估方法、标准等级等进行了修改。通过对比分析和梳理总结,主要修改体现在3个方面。

2.1 新概念和新方法的引入

新版《指南》增加了一批新的概念和术语,并对原有易造成误解的部分进行了明确。例如,在步骤2中将风险种类细分,增加了个人风险和社会风险的定义,并分别给出计算方法。又如,在基本术语部分明确了概率的定义,与原有的频率一词加以区分,避免了概念混淆。

新版《指南》还引入了一些新方法,并对部分原有方法进行了改进。例如,增加了敏感性和不确定性分析方法,并要求在步骤2、3、4和人的可靠性分析中使用。又如,引入贝叶斯网络改进事故概率计算的准确性:旧版《指南》通常使用故障树分析,但事故致因之间往往相互关联,其概率大小相互影响,无法在计算中体现关联性。贝叶斯网络节点间的相互关系解决了事故致因之间的关联问题。

Download:
图 2 故障树和贝叶斯网络示意 Fig. 2 Sketches of fault tree and Bayesian network
2.2 评估可靠性的提升

新版《指南》通过增加验证性的方法和标准保证评估的可靠性。其中,最显著的改进之一就是专家意见一致度的评判。由于专业背景的差异,不同专家的意见往往不一致甚至相悖。处理好专家意见一致度关系到FSA最终结果的有效性和准确性[7-8]。在步骤1中,IMO给出了一种通常的专家判断方式,专家排序的一致程度通过一致度系数W表示。假定有J位专家用自然数(1, 2, …, I)对I个危险项排序,专家j对危险项i的排序值为xij,则一致度系数W为:

$ W=\frac{12 \sum\limits_{i=1}^{i=I}\left[\sum\limits_{j=1}^{j=J} x_{i j}-\frac{1}{2} J(I+1)\right]^{2}}{J^{2}\left(I^{3}-I\right)} $ (1)

式中:W介于0~1。当W=1时,表示所有专家排序完全一致。一般而言,W>0.7时,可认为专家一致度较高,判断结果可接受;W < 0.5,可认为专家一致度较低,判断结果不可接受。

2.3 成果应用性的加强

为加强FSA成果的应用,新版《指南》增加了《FSA实际应用和评审程序导则》。该《导则》对FSA研究的管理方式、评审过程、专家构成等进行了规定。其中,评审程序是FSA研究成果能否实际应用的关键因素之一。

评审程序由IMO委员会设立的评审专家组执行。评审的主要依据是《指南》,当然,如在评审中发现FSA方法本身存在问题,则可考虑是否修改《指南》,以改进FSA方法。

3 FSA的发展趋势

加快FSA相关基础研究和实践应用是当务之急[9]。根据近年来IMO相关会议文件来看,FSA未来的发展趋势主要有如下3个方面。

3.1 海事基础数据库的建立

海事历史数据已广泛应用于许多FSA研究中。2013年11月在伦敦召开的IMO FSA专家组会议认为,缺乏历史数据仍是FSA研究面临的老问题[10]。现有的数据库存在着事故收录不全、事故致因数据缺乏、数据标准不统一等问题,在一定程度上影响了FSA评估结果的准确性。

进一步建立健全海事数据库是FSA研究的未来发展趋势之一。在建立数据库时,特别要注意原始数据和基础数据的区别。对收集到的原始数据进行有效的分级和分类,转化为可用于FSA研究的基础数据,据此构建合理的基础数据体系,并形成完善的报告、管理和共享机制。

3.2 敏感性和不确定性分析的完善

新版《指南》要求在FSA的风险分析、风险控制方案和费用效益评估等3个步骤中均必须进行敏感性和不确定性分析,然而,《指南》仅给出了简单的定义和笼统的要求,并无具体的方法和模型可用,IMO FSA专家组在实际操作中因为没有指导和依据而导致分析效果不佳。

值得注意的是,具有检验性的评估和分析方法往往能对FSA研究的有效性起到决定性作用。例如,2004年,希腊就曾以费用效益评估问题为由,否定了英国的FSA研究结论,继而否决了由其主导制定的散货船相关强制规定[11]。敏感性和不确定性分析同样可以对决定FSA研究结论是否有效起到关键作用。

3.3 人的因素研究的加强

自1997年IMO通过《FSA在IMO规则制定程序中的应用暂行指南》以来,人的因素始终是FSA评估过程中需要注意的重要方面,IMO还专门制定了《HEAP和FSA在IMO规则制定过程中的应用导则》。2013年,该《导则》相关内容纳入新版《指南》,使人的因素分析与FSA有机融合。

然而,人的因素分析方法难以适用于新事物、新情况,如e-航海战略[12]。人的因素贯穿于FSA整个流程,两者的有效结合及人的因素分析方法的完善是未来FSA研究亟待解决的问题。2011年,IMO将人的因素相关工作列入研究战略计划。

4 FSA亟待解决的问题

FSA《指南》的颁布和更新促进了航海安全文化的发展,为航海安全研究和风险控制方案的应用提供了积极有益的指导。综合国内外FSA的研究进展,建议针对以下两方面进行研究,加强FSA的实用性和应用的鲁棒性。

4.1 风险的定义与定量描述

如何理解、界定、描述风险依然是一个有待完善的问题[13-15]。《指南》中将风险定义为事故的发生频次和严重程度的组合,即:

$ \text { Risk = Probability } \times \text { Consequence } $ (2)

为便于定级并对定级进行验证,一般以对数方式确定后果和概率,然后通过概率和后果指数相加获得风险指数,即:

$ \log R=\log P+\log C $ (3)

风险分析是FSA的第2个步骤,主要是对第1步危险识别中识别出的危险进行精加工、排序。风险分析的结果直接影响评估结果的准确性。在实际分析过程中,若直接简单应用《指南》中对于风险的定义和定量描述方法,则可能出现不准确的情况。例如,假设A事故每年发生1 000次,每次损失1万;而B事故每年只发生1次,一次的损失高达1 000万。若采用《指南》中式(2)、(3)的定义,这2种事故的风险指数和风险排序是一致的,而在实际中却未必如此。

FSA方法的第3步风险控制方案是根据第2步风险分析中风险的排序结果重点关注需要控制的风险区域,识别风险控制措施,然后将其组合成有限数量的风险控方案RCO,以供实际管理时选用。在第3步重点考虑最需要控制风险的区域时,除了考虑风险指数外,还需将风险的两大组成因素概率、后果一分为二单独考虑,另外,风险识别模型、历史数据在风险指数、后果严重性或概率上的可靠性、准确性也需考虑在内。

通过以上的分析可以看出,在《指南》的不同步骤中根据所分析问题的不同,风险的组成元素和对风险的描述是不一样的,在第2步风险排序中只考虑概率和后果的组合结果风险指数,在第3步考虑最需要控制风险的区域时不仅考虑风险指数,还需单独概率、后果及三者的可靠性,在第3步组合RCO时分别从概率和后果的角度考虑组合。概念或问题界定的模糊可能使FSA方法遭到误用从而得出错误的结果[2, 8, 16]

4.2 费用效益分析的衡量标准

费用效益分析是FSA的第4步。它的目的是对风险控制方案中识别和定义的每个RCO所产生的效益和费用进行识别和比较。在《指南》中推荐的2种指标为避免死亡事故的总成本(gross cost of averting a fatality,GCAF)和避免死亡事故的净成本(net cost of averting a fatality,NCAF)。

GCAF是指按风险控制方案的边际成本与人员降低(以所避免的死亡事故计)之比,即:

$ \mathrm{GCAF}=\frac{\Delta C}{\Delta R} $ (4)

NCAF是指按风险控制方案的边际成本(计及风险控制方案的经济效益)与人员风险降低(以所避免的死亡事故计)之比来衡量成本效益,即:

$ \mathrm{NCAF}=\frac{\Delta \text { Cost }-\Delta \text { EconomicBenefit }}{\Delta \text { Risk }}= \\ \text { GCAF }-\frac{\Delta \text { EconomicBenefit }}{\Delta \text { Risk }} $ (5)

在实际应用中,由于GAAF和NCAF所采用的都是比例值而非绝对值,因此可能出现与期望相差很大甚至是相反的结果[17]。假设有2个RCO:RCO1和RCO2,RCO2的GCAF和NCAF数值都比RCO1高,但是RCO1可避免的死亡事故风险却是RCO2的10倍。而根据《指南》的步骤和标准,RCO2是比RCO1更合理的风险控制方案,这显然与期望的结果相反。

$ -\mathrm{NCAF}=\frac{\Delta E B-\Delta C}{\Delta R}=\frac{\cos a}{\sin a}=\tan ^{-1} a $ (6)

因此,NCAF的数值大小仅与角度a有关,这显然不是《指南》所期望的结果。对于GCAF的分析也是同样的道理。

另外,从提交给IMO的不同船型的FSA研究报告来看[18-23],在风险控制方案时基本沿用2002年通过的FSA指南推荐的300万美元作为GCAF和NCAF的基础阈值,建议GCAF和NCAF的阈值应该重新调整。国际船级社协会提交的杂货船FSA报告[24]不仅使用300万美元作为阈值,并认为满足600万美元阈值的方案仍然是可行的。

5 FSA在船舶设计建造中的应用

关于FSA的试验性研究成果在船舶设计建造标准的制定以及海上安全规则的制定中也发挥了积极作用,本文将一些较有影响力的案例归纳如下。

5.1 FSA在客船设置直升机升降区中的应用

1996年通过的SOLAS公约修正案中新增的第28条第2款规定1999年7月1日以后建造的船长超过130 m的客船,必须设置直升机升降区[25]

1998年,意大利、挪威和世界邮轮理事会分别向IMO提交了关于所有客船设置直升机升降区的FSA研究报告,认为在非滚装客船上设置直升机升降区的灾难转移费用不符合经济合作与发展组织广泛接受的标准。最终,在1998年召开的MSC第70届会议[26]决定修改SOLAS公约修正案第28条第2款的适用范围,将该款公约的适用范围从所有客船缩小为客滚船。

该案例不仅体现了FSA在规则制定中的科学性,也体现了FSA在船舶设计建造规范中的效力。

5.2 FSA在《完整稳性规则》中的应用

1993年,IMO第18届会议A.749(18)号决议[27]通过了《完整稳性规则》,但该规则并非强制性衡准,而是建议性要求。

2003年,德国向IMO提交了关于《完整稳性规则》的FSA研究报告,建议将《完整稳性规则》中的稳性衡准强制化。该研究成果支持了当时IMO正在进行的旨在将部分《完整稳性规则》内容强制化的修订工作。最终,在2003年召开的MSC第78届会议上,IMO采纳了德国的提案,并对《完整稳性规则》进行了修改[28]

5.3 FSA在散货船设置双层船壳研究中的应用

2002年,日本以及以英国为协调人的国际FSA研究组相继完成了关于散货船的FSA研究。研究建议150 m及以上的散货船设置双层船壳。

在2002年召开的MSC第76届会议上,IMO通过了一系列关于散货船的风险控制措施,并指示船舶设计与设备分委会起草关于“新造150 m及以上散货船设置双层船壳”的公约修正案草稿[29]

2004年,在MSC第78届会议上,希腊认为要求“新造150 m及以上散货船设置双层船壳”不符合FSA指南中的费效准则[30]。研究结果恰恰与国际FSA研究组的研究报告相反。最终,MSC第78届会议通过表决的方式决定不必强制要求新造150 m及以上散货船设置双层船壳[31]

6 FSA的应用展望

FSA在提高航海安全方面起到了巨大的促进作用[1, 2, 9, 13, 32-34],大量文章研究了FSA中的定量分析方法[35],提高FSA的可实施性[36]等。现在,FSA不仅广泛应用于各种船舶的综合安全评估,在其他方面也有尝试性应用,例如在建筑方面[37]

FSA的框架、理论、方法已渐趋成熟,相比于传统的航海安全问题,一些新的安全研究方向和热点凸显出来,综合航海安全发展的新局面,建议将FSA尝试性应用到以下几个方面。

6.1 FSA与SLA

传统的规范式船舶标准为所有船舶制定了统一的标准,而忽略了特定船舶在特定工况下的具体情况[38]。“安全水平法”(safety level approach,SLA)在实质上并不是一种具体的技术方法,而是一种分析和解决问题的方法或模式。

工业和信息化信部在2013年发布了《高技术船舶科研项目指南(2013年版)》[39],大力提倡旨在通过对FSA/SLA理论、方法及应用的系统性研究和实际案例验证,研究制定FSA/SLA应用指南和软件,初步建立国内主流船型安全性数据库。

在MSC第81届会议上,德国、瑞典、丹麦和挪威提出了SLA的框架结构[40],如图 3所示。在MSC第81届会议上,丹麦和德国的提案[41]将SLA称为“掌控海事安全的旋钮”,即利用已知的知识和技术合理的调整船舶可接受的安全水平,类似于FSA中的ALARP阈值。

Download:
图 3 安全水平法框架 Fig. 3 Structure of the Safety Level Approach

在MSC第85届会议上,日本的提案[42]将SLA定义为:SLA是应用风险等定量指标来确定“Tier 1总体目标”和“Tier 2功能要求”,并能够利用“规范的规范”来验证“规范”(即Tier 4国际规则制度)的符合性。

2014年,在MSC第94届会议上,中国的提案[43]将SLA定义为IMO规则制定过程中一种基于风险的方法论的结构化应用,用于获取明确的安全水平。

目前,对于SLA的研究仍然存在概念不清晰的问题,主要的原因包括:1)Tier 2功能要求尚无完善清晰定义;2)Tier 3符合性验证如何应用风险评估尚无明确完善对导则。

6.2 FSA与GBS

船级社和船级社规范发展历史早于IMO的成立和国际海上安全公约的发展[44]。自20世纪80年代以来,由于一些船舶事故反映出船舶结构方面的缺陷,使IMO一些成员国对各船级社执行规范标准不统一提出了质疑。在上述背景下,巴哈马及希腊在2002年11月召开的IMO第89次理事会上最早提出了目标型船舶建造标准(goal-based ship construction standards,GBS)的建议[45]

基于GBS/FSA联合工作组的讨论成果,2011年MSC第89届会议审议通过了MSC.1/Circ.1 394号通函:《制定目标型标准的通用导则》[46],为IMO目标型新船建造标准的制定、验证、实施和监控提供了一般性的程序和指南。GBS是一种基于风险评估的标准,该标准只设定目标,而没有强制规定符合标准的方法,同时允许使用经主管机关认可的替代方式实现设定的目标。

针对如何确定GBS的标准,MSC中一种观点主张采用整体分析方法,对现有关于船舶安全的强制性规范进行风险评价,并通过FSA方法制定未来风险可接受标准;另一种观点主张根据在散货船和油船方面获得的大量实践经验制定更加确定的标准[47]。这2种观点经过在MSC的讨论、研究、发展,分别形成了“安全水平法”[38]和“规范法”(prescriptive approach)。经过几届会议的讨论后,MSC第81届会议[48]决定将这2种方法并行审议,即采用“规范法”为散货船和油船的船体结构制定GBS,而对于其他船舶的GBS则采用SLA。

目前,散货船和油船的GBS已经在IMO获得通过,并已写入SOLAS公约修正案并在2012年1月1日起生效。相对于规范法,SLA法的进展则比较缓慢,主要的原因是FSA在GBS中的地位和作用等问题还未得到解决[49]

从历届MSC会议对GBS的审议进展来看,GBS在新船建造标准的制定过程中发挥着越来越重要的作用,它执行顶层设计和监督的角色,使船舶建造和设计规范趋向于统一,这将保证船舶设计和建造标准的有效实施。

7 结论

1) FSA的可靠性严重依赖于从历史统计数据中获取先验知识。目前国内对FSA的理论研究和工程应用已较为普遍,最为的困难应是海事风险数据的统一管理和共享问题。有必要进一步加强FSA的基础研究和技术、数据支撑,为我国形成FSA方面的IMO提案提供技术和案例支持。

2) 由于IMO要求在规则的制定程序上应用FSA方法,因此对FSA进行深入研究可以在国际公约、规则、规范的制定过程中为我国争取更多话语权,进一步推动我国航运事业的发展。

3) 针对风险的定义与定量描述、费用效益分析衡量标准等问题,在《指南》中建立具有普适性方法的难度较大,在具体的应用范例中,可参考SLA、GBS的程序和指南确定相应的标准。

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