基于系统动力学的客滚船航行安全仿真
郭国平+徐元春+吴兵
摘要：为保障客滚船航行安全，在分析客滚船航行安全影响因素的基础上，构建客滚船航行安全因果关系图，并运用VensimDSS构建客滚船航行安全仿真模型.对渤海上的某一客滚船的航行安全进行仿真，分析安全投入增加对客滚船航行安全水平的影响，得出结论：客滚船航行安全系统是一个复杂的动态系统，其航行风险主要是由人、货物、自然环境、交通环境、硬件设施和管理等6个因素交叉耦合导致的，其中人、货物和自然环境对客滚船的航行安全水平影响显著.这可为客滚船航行安全风险管理及防控方面的研究提供参考.
关键词： 航行安全； 客滚船； 风险管理； 系统动力学
中图分类号： U676.1；U674.11
文献标志码： A
Abstract： To ensure the navigation safety of RoRo passenger ships， based on the analysis on the factors influencing ship navigation safety， the cause and effect relationship diagram of RoRo passenger ship navigation safety is drawn， and the simulation model of RoRo passenger ship navigation safety is built by the VensimDSS. The navigation safety of a RoRo passenger ship at Bohai Sea is simulated， and the effect of the increase of safety input on the ship navigation safety level is analyzed. The conclusions are the following： the navigation safety system of RoRo passenger ships is a complex dynamic system， and the navigation risk is caused mainly by the crossing and coupling of 6 influencing factors which are human， goods， natural environment， traffic environment， facilities and management factors. The human， goods and natural environment have a significant effect on the ship navigation safety level. It can provide some reference for the research on risk management， prevention and control of the RoRo passenger ship navigation safety.
Key words： navigation safety； RoRo passenger ship； risk management； system dynamics
0 引 言
跨海客滾船兼有客船与滚装船的特点，具有装卸效率高、船舶周转快、水陆直达和联运便捷等优点.[1]我国沿海客滚船运输占领了跨海客运的大部分市场，主要集中在渤海湾、琼州海峡、舟山群岛、台湾海峡等水域，在实现沿海跨地区人口之间的文化交流、沟通等方面起着桥梁和纽带的作用，为沿海港口地区的经济发展发挥了重大作用.然而，与客滚船运输商业上的巨大成功形成鲜明对比的是，客滚船恶性海难事故频发，导致了乘客生命和财产的巨大损失，给社会造成了恶劣的影响.
目前系统动力学的方法在煤矿、道路、航空等领域已有比较成熟的应用，但在航运领域应用较少.本文通过建立客滚船航行安全水平的系统动力学模型，利用系统动力学仿真软件VensimDSS仿真客滚船航行安全影响因素的变化，分析安全投入增加对客滚船航行安全水平的影响，最终确定客滚船事故发生的关键影响因素，从而为预防客滚船事故的发生与发展提供科学依据.
1 客滚船航行安全影响因素分析
系统动力学模型被誉为实际系统的实验室，是一种将结构、功能、历史相结合，借助于计算机仿真定量地研究非线性、多重反馈、复杂时变系统的系统分析技术[24].应用系统动力学的步骤如下：
问题描述→确定系统边界→确定因果反馈图→因果关系变量描述→数学方程表达及模型应用→系统行为分析→情景分析及对策模拟→系统修正及调整.
1.1 影响因子
影响客滚船航行安全的因素是非常复杂的.本文通过调查问卷及参考国内相关学者的研究，分析跨海客滚船航行的特点，对客滚船主体安全风险、作业环节中的重大风险源进行辨识，对相关影响因素进行系统分析.
客滚船安全航行系统是一个由人、机、环境、船和货物互相依存和制约的复杂的动态系统.根据系统动力学反馈原理，客滚船航行安全水平受人、自然环境、交通环境、硬件设施、货物和管理等因素（分别用i=1，2，…，6表示）水平的影响.
1.2 因果关系图
依据上述客滚船航行安全影响因素和系统动力学反馈原理，可利用VensimDSS构建客滚船航行安全系统的主要因果关系图[5]，见图1.
由图1可知，随着客滚船航行安全系统中不安全行为或现象的逐渐增加，各影响因素的水平就会下降，客滚船航行安全水平会随之下降，而当安全水平下降到一定值时系统通过反馈使得整个系统中的不安全行为或现象减少.当系统中的不安全行为或现象减少时，客滚船航行安全水平会提高，而当安全水平达到目标值时系统通过反馈使得整个系统中的不安全行为或现象增加.
2 系统动力学仿真模型构建
系统动力学中的变量主要包括水平变量、流速变量、辅助变量和常量等.[6]客滚船航行安全系统中的部分变量见表1.
确定了以上各变量后，依据系统动力学反馈原理，运用VensimDSS构建客滚船航行安全系统动力学仿真模型[79]，见图2.
利用系统动力学可以深入研究客滚船航行安全系统，动态分析该系统的机理，进而理清客滚船航行安全影响因素之间的作用和反馈关系.上述仿真模型中的直接变量为人、环境、管理、硬件設施和货物因素.由于客滚船的特殊性，将乘客情况归入货物因素中.
3 客滚船航行安全仿真
3.1 客滚船航行安全仿真实验
假设客滚船初始航行安全水平值为100（无量纲），根据最初的客滚船航行安全水平，将客滚船航行安全系统划分为3个状态，见表2.
根据图2找出模型中的边界风险因素（它们不受系统内部的影响）[10]，其中无法确定数值的风险因素主要是通过相关调研和专家打分获得的.这类参数主要是一些辅助变量的表函数，如工作状态、船员业务水平等对客滚船航行安全的影响.
通过实地调研和专家问卷调查获取渤海轮渡龙口至旅顺航线的运营环境及“珠”字号客滚船的资料，对相应数据进行处理.对各子系统中影响因素定量数据的采集和定性指标重要程度的划分采用问卷调查、专家打分的方式.对所获取的客滚船系统安全影响因素的重要程度统计数据进行一致性检验，计算得到具体各子系统中影响因素权重值.利用VensimDSS建立量化的系统仿真模型并写出相应的系统动力学方程.
考虑到构建系统动力学方程的需要，可知关键变量为：人的风险、货物的风险、交通环境的风险、硬件设施的风险、自然环境的风险和管理的风险.设Y为客滚船航行安全水平值.
3.2 仿真方案
根据渤海轮渡龙口至旅顺航线的运营环境及“珠”字号客滚船的资料数据进行客滚船航行安全影响因素作用程度分析，可以得到在不同安全投入增加率下
Y随时间的变化值.
仿真的时间边界为36个月，运行步长为1个月.部分参数的取值：各影响因素安全水平初值（R1，R2，R3，R4，R5，R6）=（70，75，80，75，80，75）；安全投入水平初值Ei=0（i=1，2，3，4，5，6）；假设各影响因素的安全投入增加率均为0.5，即Di=0.5，i=1，2，…，
6；由调研及专家打分，通过计算确定影响因素对系统安全水平的作用率（A1，A2，A3，A4，A5，A6）=（0.323 3，0.269 2，0.033 9，0.033 9，0.224 0，0.115 7）；以相关因素的实际水平比值为参考，然后采取参数估计法，并结合问卷调查，由专家修订，得到各影响因素对该影响因素安全水平的影响系数（C1，C2，C3，C4，C5，C6）=（0.06，0.07，0.06，0.08，0.05，0.07）；Y的目标值为90.
为研究各子系统对客滚船航行安全水平的影响情况，对7种模式进行仿真，以期得到7种模式下Y值及其变化趋势.这里模式1为按照以上设定进行的仿真.此后，分别调整系统中单个影响因素的安全投入增加率为0.8，而其他影响因素的安全投入增加率不变，可分别得到Y值及其变化趋势图（即分别得到模式2～7下的Y值及其变化趋势）.
3.3 仿真结果分析
（1）通过VensimDSS进行计算，可以直观地看到系统的安全水平发展趋势，其中客滚船航行安全水平值Y随时间变化的具体数据见表3.在各影响因素安全投入增加率Di均为0.5时（即模式1下），客滚船航行安全水平在第30个月达到目标值90.
（2）由图3可以看出，改变各影响因素安全投入增加率后，客滚船航行安全水平值Y的涨幅并不同，其中在模式2下涨幅最大，在模式4下涨幅最小，即人对整个客滚船航行安全水平影响最大，其次依次为货物、自然环境、管理及硬件设施，交通环境对其影响最小.从大量的客滚船事故得知：发生客滚船事故的重大原因是船舶当航次的自然环境；对于硬件设施因素，货物配积载不当或其未有效系固绑扎是导致事故恶化的重要内因.
（3）由图3可知，若要提高客滚船航行安全水平，降低航行风险，要特别注意船员和货物，其中船员的影响最为显著.这与以往研究中得出的人的因素是导致客滚船海上事故的主要原因的结论相一致.保证客滚船安全航行的关键点为船员适任.客滚船的货物主要是旅客、车辆，其中车辆运输危险系数较高，车辆本身及其系固绑扎等均具有一
定的危险性.在以上7次仿真中，最优安全管理与控制方案为模式2（客滚船航行安全水平值Y在同一时刻比其他模式的都大），故相关主体需着重关注客滚船人员因素水平，加强对相关人员的管理.
（4）影响客滚船航行安全的重大风险因子包括：业务水平、岗位责任，强对流天气、雾及能见度、风，货物系固绑扎、配积载、操纵性，船舶安全管理、公司安全管理、船员日常演习，渔船干扰、交通冲突点等.建议相关主体在对客滚船航行安全风险进行研究与控制时重点关注以上风险因子.
（5）根据以上仿真研究结果，为保障客滚船航行安全，相关主体应着重落实以下几点安全保障措施：
①加强人群管理，主要包括船员管理、旅客管理等.关注船员整体业务素质水平及岗位责任感，实施水上客运“实名制”售票和乘船，以准确掌握船上具体人员情况.
②加强客滚船货物监督，对车辆舱及货物区等进行相关监控.
③完善客滚船恶劣天气预警系统，对海上恶劣天气提早预警.
4 结束语
客滚船航行安全系统是一个复杂的动态系统，影响因素众多且相互关联、相互制约.本文通过调研提取出客滚船航行安全影响因素，包括人、货物、自然环境、交通环境、硬件设施和管理等因素，依据系统动力学原理，运用VensimDSS构建了客滚船航行安全系统动力学仿真模型.
研究结果表明，各影响因素对系统的安全水平的影响程度不同，其中人、货物及恶劣天气等对客滚船的安全水平影响显著.这为客滚船航行安全风险研究及控制提供了参考依据.
参考文献：
[1]王振兴. 大风浪天气滚装船航行安全预警系统的研究[D]. 大连： 大连海事大学， 2010.
[2]何刚， 张国枢， 陈清华， 等. 煤矿安全生产中人的行为影响因子系统动力学（SD）仿真分析[J]. 中国安全科学学报， 2008， 18（9）： 4347. DOI： 10.16265/j.cnki.issn10033033.2008.09.006.
[3]高永， 向锦武. 多目标火力分配的系统动力学模拟[J]. 系统仿真学报， 2006， 18（S2）： 120121. DOI： 10.16182/j.cnki.joss.2006.s2.036.
[4]王睿， 雒興刚， 李延来， 等. 高速铁路车站安全管理的系统动力学仿真研究[J]. 中国安全科学学报， 2016， 26（3）： 9197.
[5]吉安民， 何沙. 基于系统动力学的井喷事故仿真研究[J]. 中国安全科学学报， 2011， 21（10）： 3742.
[6]张进春， 吴超， 侯锦秀， 等. 石化企业伤亡事故率的系统动力学仿真[J]. 安全与环境学报， 2006， 6（6）： 107111.
[7]MONTEWKA J， EHLERS S， GOERLANDT F， et al. A framework for risk assessment for maritime transportation systems a case study for open sea collisions involving RoPax vessels[J]. Reliability Engineering System Safety， 2014， 124（2）： 142157.
[8]GOERLANDT F， MONTEWKA J， KUZMIN V， et al. A riskinformed ship collision alert system： framework and application[J]. Safety Science， 2015， 77（1）： 182204.
[9]BANDA O A V， GOERLANDT F， KUZMIN V， et al. Risk management model of winter navigation operations[J]. Marine Pollution Bulletin， 2016， 108（1/2）： 242262.
[10]曹久华， 席永涛， 胡甚平， 等. 基于系统动力学的港口船舶通航风险成因耦合模型[J]. 安全与环境学报， 2015（3）： 6571.
[11]苏懋康. 系统动力学原理及应用[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 1988： 2543.
（编辑 贾裙平）
摘要：为保障客滚船航行安全，在分析客滚船航行安全影响因素的基础上，构建客滚船航行安全因果关系图，并运用VensimDSS构建客滚船航行安全仿真模型.对渤海上的某一客滚船的航行安全进行仿真，分析安全投入增加对客滚船航行安全水平的影响，得出结论：客滚船航行安全系统是一个复杂的动态系统，其航行风险主要是由人、货物、自然环境、交通环境、硬件设施和管理等6个因素交叉耦合导致的，其中人、货物和自然环境对客滚船的航行安全水平影响显著.这可为客滚船航行安全风险管理及防控方面的研究提供参考.
关键词： 航行安全； 客滚船； 风险管理； 系统动力学
中图分类号： U676.1；U674.11
文献标志码： A
Abstract： To ensure the navigation safety of RoRo passenger ships， based on the analysis on the factors influencing ship navigation safety， the cause and effect relationship diagram of RoRo passenger ship navigation safety is drawn， and the simulation model of RoRo passenger ship navigation safety is built by the VensimDSS. The navigation safety of a RoRo passenger ship at Bohai Sea is simulated， and the effect of the increase of safety input on the ship navigation safety level is analyzed. The conclusions are the following： the navigation safety system of RoRo passenger ships is a complex dynamic system， and the navigation risk is caused mainly by the crossing and coupling of 6 influencing factors which are human， goods， natural environment， traffic environment， facilities and management factors. The human， goods and natural environment have a significant effect on the ship navigation safety level. It can provide some reference for the research on risk management， prevention and control of the RoRo passenger ship navigation safety.
Key words： navigation safety； RoRo passenger ship； risk management； system dynamics
0 引 言
跨海客滾船兼有客船与滚装船的特点，具有装卸效率高、船舶周转快、水陆直达和联运便捷等优点.[1]我国沿海客滚船运输占领了跨海客运的大部分市场，主要集中在渤海湾、琼州海峡、舟山群岛、台湾海峡等水域，在实现沿海跨地区人口之间的文化交流、沟通等方面起着桥梁和纽带的作用，为沿海港口地区的经济发展发挥了重大作用.然而，与客滚船运输商业上的巨大成功形成鲜明对比的是，客滚船恶性海难事故频发，导致了乘客生命和财产的巨大损失，给社会造成了恶劣的影响.
目前系统动力学的方法在煤矿、道路、航空等领域已有比较成熟的应用，但在航运领域应用较少.本文通过建立客滚船航行安全水平的系统动力学模型，利用系统动力学仿真软件VensimDSS仿真客滚船航行安全影响因素的变化，分析安全投入增加对客滚船航行安全水平的影响，最终确定客滚船事故发生的关键影响因素，从而为预防客滚船事故的发生与发展提供科学依据.
1 客滚船航行安全影响因素分析
系统动力学模型被誉为实际系统的实验室，是一种将结构、功能、历史相结合，借助于计算机仿真定量地研究非线性、多重反馈、复杂时变系统的系统分析技术[24].应用系统动力学的步骤如下：
问题描述→确定系统边界→确定因果反馈图→因果关系变量描述→数学方程表达及模型应用→系统行为分析→情景分析及对策模拟→系统修正及调整.
1.1 影响因子
影响客滚船航行安全的因素是非常复杂的.本文通过调查问卷及参考国内相关学者的研究，分析跨海客滚船航行的特点，对客滚船主体安全风险、作业环节中的重大风险源进行辨识，对相关影响因素进行系统分析.
客滚船安全航行系统是一个由人、机、环境、船和货物互相依存和制约的复杂的动态系统.根据系统动力学反馈原理，客滚船航行安全水平受人、自然环境、交通环境、硬件设施、货物和管理等因素（分别用i=1，2，…，6表示）水平的影响.
1.2 因果关系图
依据上述客滚船航行安全影响因素和系统动力学反馈原理，可利用VensimDSS构建客滚船航行安全系统的主要因果关系图[5]，见图1.
由图1可知，随着客滚船航行安全系统中不安全行为或现象的逐渐增加，各影响因素的水平就会下降，客滚船航行安全水平会随之下降，而当安全水平下降到一定值时系统通过反馈使得整个系统中的不安全行为或现象减少.当系统中的不安全行为或现象减少时，客滚船航行安全水平会提高，而当安全水平达到目标值时系统通过反馈使得整个系统中的不安全行为或现象增加.
2 系统动力学仿真模型构建
系统动力学中的变量主要包括水平变量、流速变量、辅助变量和常量等.[6]客滚船航行安全系统中的部分变量见表1.
确定了以上各变量后，依据系统动力学反馈原理，运用VensimDSS构建客滚船航行安全系统动力学仿真模型[79]，见图2.
利用系统动力学可以深入研究客滚船航行安全系统，动态分析该系统的机理，进而理清客滚船航行安全影响因素之间的作用和反馈关系.上述仿真模型中的直接变量为人、环境、管理、硬件設施和货物因素.由于客滚船的特殊性，将乘客情况归入货物因素中.
3 客滚船航行安全仿真
3.1 客滚船航行安全仿真实验
假设客滚船初始航行安全水平值为100（无量纲），根据最初的客滚船航行安全水平，将客滚船航行安全系统划分为3个状态，见表2.
根据图2找出模型中的边界风险因素（它们不受系统内部的影响）[10]，其中无法确定数值的风险因素主要是通过相关调研和专家打分获得的.这类参数主要是一些辅助变量的表函数，如工作状态、船员业务水平等对客滚船航行安全的影响.
通过实地调研和专家问卷调查获取渤海轮渡龙口至旅顺航线的运营环境及“珠”字号客滚船的资料，对相应数据进行处理.对各子系统中影响因素定量数据的采集和定性指标重要程度的划分采用问卷调查、专家打分的方式.对所获取的客滚船系统安全影响因素的重要程度统计数据进行一致性检验，计算得到具体各子系统中影响因素权重值.利用VensimDSS建立量化的系统仿真模型并写出相应的系统动力学方程.
考虑到构建系统动力学方程的需要，可知关键变量为：人的风险、货物的风险、交通环境的风险、硬件设施的风险、自然环境的风险和管理的风险.设Y为客滚船航行安全水平值.
3.2 仿真方案
根据渤海轮渡龙口至旅顺航线的运营环境及“珠”字号客滚船的资料数据进行客滚船航行安全影响因素作用程度分析，可以得到在不同安全投入增加率下
Y随时间的变化值.
仿真的时间边界为36个月，运行步长为1个月.部分参数的取值：各影响因素安全水平初值（R1，R2，R3，R4，R5，R6）=（70，75，80，75，80，75）；安全投入水平初值Ei=0（i=1，2，3，4，5，6）；假设各影响因素的安全投入增加率均为0.5，即Di=0.5，i=1，2，…，
6；由调研及专家打分，通过计算确定影响因素对系统安全水平的作用率（A1，A2，A3，A4，A5，A6）=（0.323 3，0.269 2，0.033 9，0.033 9，0.224 0，0.115 7）；以相关因素的实际水平比值为参考，然后采取参数估计法，并结合问卷调查，由专家修订，得到各影响因素对该影响因素安全水平的影响系数（C1，C2，C3，C4，C5，C6）=（0.06，0.07，0.06，0.08，0.05，0.07）；Y的目标值为90.
为研究各子系统对客滚船航行安全水平的影响情况，对7种模式进行仿真，以期得到7种模式下Y值及其变化趋势.这里模式1为按照以上设定进行的仿真.此后，分别调整系统中单个影响因素的安全投入增加率为0.8，而其他影响因素的安全投入增加率不变，可分别得到Y值及其变化趋势图（即分别得到模式2～7下的Y值及其变化趋势）.
3.3 仿真结果分析
（1）通过VensimDSS进行计算，可以直观地看到系统的安全水平发展趋势，其中客滚船航行安全水平值Y随时间变化的具体数据见表3.在各影响因素安全投入增加率Di均为0.5时（即模式1下），客滚船航行安全水平在第30个月达到目标值90.
（2）由图3可以看出，改变各影响因素安全投入增加率后，客滚船航行安全水平值Y的涨幅并不同，其中在模式2下涨幅最大，在模式4下涨幅最小，即人对整个客滚船航行安全水平影响最大，其次依次为货物、自然环境、管理及硬件设施，交通环境对其影响最小.从大量的客滚船事故得知：发生客滚船事故的重大原因是船舶当航次的自然环境；对于硬件设施因素，货物配积载不当或其未有效系固绑扎是导致事故恶化的重要内因.
（3）由图3可知，若要提高客滚船航行安全水平，降低航行风险，要特别注意船员和货物，其中船员的影响最为显著.这与以往研究中得出的人的因素是导致客滚船海上事故的主要原因的结论相一致.保证客滚船安全航行的关键点为船员适任.客滚船的货物主要是旅客、车辆，其中车辆运输危险系数较高，车辆本身及其系固绑扎等均具有一
定的危险性.在以上7次仿真中，最优安全管理与控制方案为模式2（客滚船航行安全水平值Y在同一时刻比其他模式的都大），故相关主体需着重关注客滚船人员因素水平，加强对相关人员的管理.
（4）影响客滚船航行安全的重大风险因子包括：业务水平、岗位责任，强对流天气、雾及能见度、风，货物系固绑扎、配积载、操纵性，船舶安全管理、公司安全管理、船员日常演习，渔船干扰、交通冲突点等.建议相关主体在对客滚船航行安全风险进行研究与控制时重点关注以上风险因子.
（5）根据以上仿真研究结果，为保障客滚船航行安全，相关主体应着重落实以下几点安全保障措施：
①加强人群管理，主要包括船员管理、旅客管理等.关注船员整体业务素质水平及岗位责任感，实施水上客运“实名制”售票和乘船，以准确掌握船上具体人员情况.
②加强客滚船货物监督，对车辆舱及货物区等进行相关监控.
③完善客滚船恶劣天气预警系统，对海上恶劣天气提早预警.
4 结束语
客滚船航行安全系统是一个复杂的动态系统，影响因素众多且相互关联、相互制约.本文通过调研提取出客滚船航行安全影响因素，包括人、货物、自然环境、交通环境、硬件设施和管理等因素，依据系统动力学原理，运用VensimDSS构建了客滚船航行安全系统动力学仿真模型.
研究结果表明，各影响因素对系统的安全水平的影响程度不同，其中人、货物及恶劣天气等对客滚船的安全水平影响显著.这为客滚船航行安全风险研究及控制提供了参考依据.
参考文献：
[1]王振兴. 大风浪天气滚装船航行安全预警系统的研究[D]. 大连： 大连海事大学， 2010.
[2]何刚， 张国枢， 陈清华， 等. 煤矿安全生产中人的行为影响因子系统动力学（SD）仿真分析[J]. 中国安全科学学报， 2008， 18（9）： 4347. DOI： 10.16265/j.cnki.issn10033033.2008.09.006.
[3]高永， 向锦武. 多目标火力分配的系统动力学模拟[J]. 系统仿真学报， 2006， 18（S2）： 120121. DOI： 10.16182/j.cnki.joss.2006.s2.036.
[4]王睿， 雒興刚， 李延来， 等. 高速铁路车站安全管理的系统动力学仿真研究[J]. 中国安全科学学报， 2016， 26（3）： 9197.
[5]吉安民， 何沙. 基于系统动力学的井喷事故仿真研究[J]. 中国安全科学学报， 2011， 21（10）： 3742.
[6]张进春， 吴超， 侯锦秀， 等. 石化企业伤亡事故率的系统动力学仿真[J]. 安全与环境学报， 2006， 6（6）： 107111.
[7]MONTEWKA J， EHLERS S， GOERLANDT F， et al. A framework for risk assessment for maritime transportation systems a case study for open sea collisions involving RoPax vessels[J]. Reliability Engineering System Safety， 2014， 124（2）： 142157.
[8]GOERLANDT F， MONTEWKA J， KUZMIN V， et al. A riskinformed ship collision alert system： framework and application[J]. Safety Science， 2015， 77（1）： 182204.
[9]BANDA O A V， GOERLANDT F， KUZMIN V， et al. Risk management model of winter navigation operations[J]. Marine Pollution Bulletin， 2016， 108（1/2）： 242262.
[10]曹久华， 席永涛， 胡甚平， 等. 基于系统动力学的港口船舶通航风险成因耦合模型[J]. 安全与环境学报， 2015（3）： 6571.
[11]苏懋康. 系统动力学原理及应用[M]. 上海： 上海交通大学出版社， 1988： 2543.
（编辑 贾裙平）
