基于碰撞概率的通航桥梁船撞风险评价指标体系

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2025.09.1064

摘要/Abstract

摘要：

为提高通航桥梁船桥碰撞风险评估的准确性和可靠性,对国内外248起船桥碰撞事故作统计分析和致因识别,构建包含23个风险致因的船桥碰撞风险因素初始指标体系;在此基础上,基于故障树分析法绘制船桥碰撞风险致因初始故障树,采用布尔代数运算求取故障树割集,通过合并去重最小割集,首次化简初始故障树致因数量;之后根据剩余风险致因引发事故概率的计算分析,结合各风险因素的皮尔逊相关性分析,二次化简故障树致因数量,进而得到影响船桥碰撞的主要风险因素。结果表明:通航状况与超过通航净高、工作状态较差、沟通能力较弱和船员能力不高、船舶设备老化和习惯心理等因素宜分别并入通航状况生疏、缺乏航行技术、机械设备故障和侥幸心理等风险致因中;反常心理在8年事故概率期内未引发事故,且其10年的事故占比仅0.21%,宜剔除;船舶密度、助航设施管理与其他因素的相关性较弱,且2因素导致事故的概率低,可将其从船桥碰撞主要风险因素中去除。由此构建基于气象水文、机械设备故障、专业航行技术弱、紧急应对能力不强等14个主要风险因素的通航桥梁船桥碰撞风险评价指标体系。

关键词: 碰撞概率, 通航桥梁, 船撞风险, 风险因素, 指标体系, 事故样本, 相关性分析

Abstract:

In order to improve the accuracy and reliability of ship-bridge collision risk assessment for navigable bridges, the causes of 248 ship-bridge collision accidents at home and abroad were statistically analyzed and identified, thereby constructing the initial index system of ship-bridge collision risk factors, including 23 risk causes. Based on the fault tree analysis method, the initial fault tree of ship-bridge collision risk was constructed. Boolean algebra operation was used to obtain the fault tree cut sets. By merging and deduplicating the minimum cut sets, the number of causes in the initial fault tree was first simplified. According to the calculation and analysis of the accident probability caused by residual risk causes, combined with Pearson correlation analysis of risk factors, the number of fault tree risk causes was simplified in the second step, and then the main risk factors affecting ship-bridge collisions were identified. The results show that factors such as "navigational conditions and exceeding navigational clearance height", "poor working status", "weak communication ability and poor crew ability", "ship equipment aging and psychological habit" should be incorporated into risk causes including "unfamiliarity with navigational conditions", "lack of navigation technology", "mechanical equipment failure and fluky psychology". Abnormal psychology did not cause accidents during the 8-year period of accident probability analysis, and its proportion in accidents over 10 years was only 0.21%, so it should be eliminated. The correlation between ship density, management of navigational aids and other factors is weak, and the probability caused by the two factors is low, so they can be removed from the main risk factors of ship-bridge collision. Therefore, a ship-bridge collision risk evaluation index system for navigable bridges is constructed, which is based on 14 main risk factors such as meteorological and hydrological conditions, mechanical equipment failure, and weak professional navigation technology and weak emergency response capability.

Key words: collision probability, navigable bridges, risk factors, ship collision risk, index system, accident samples, correlation analysis

中图分类号:

X913.4安全系统工程

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图/表 10

表1

2013—2023年部分船桥碰撞事故统计

事故时间	事故桥梁	对象	事故结果	事故致因
2013年7月	重庆牛角沱嘉陵江大桥	船撞击桥墩	2号桥墩被撞	驳船受洪水冲击
2013年9月	上海南浦大桥	船撞击桥墩	上游右侧桥墩被撞	船员疏忽瞭望
2014年3月	美国得克萨斯州 Houston Viaduct Bridge	船撞击桥墩	油轮受损,原油泄漏	恶劣天气致视线受限
2015年10月	肇庆西江铁路大桥	船撞击梁部	大桥钢桁梁受损	不了解桥梁通航高度
2016年3月	广东港珠澳大桥(通车前)	船撞防撞设施	26号墩北侧防撞桩变形	能见度不良、疏忽瞭望
2016年4月	美国伊利诺伊州 Thebes Railroad Bridge	船撞击桥墩	2艘船沉没、14艘船受损	人为操作失误
2016年7月	天津永定新河特大桥	船撞击桥墩	桥墩受损,船舶沉没	船员无证驾驶
2017年8月	中山磨刀门特大桥	船撞桥墩横梁	船舶侧翻,部分桥跨受损	台风影响
2017年10月	美国明尼苏达州 Union Pacific Rail Bridge	船撞击桥墩	驳船撞上桥墩	船员缺乏经验,操作失误
2018年9月	广州白坭河大桥	船撞击桥墩	大桥主墩开裂	舵机失灵,船舶失控
2018年10月	美国佛罗里达州 Sunshine Bridge	船撞击梁部	桥梁损毁,交通中断	人为操作失误
2019年1月	广州东洲河大桥	船撞击梁部	T梁受损,船舶输送臂折断	船员无证驾驶
2019年3月	美国弗吉尼亚州 Southern Railway Bridge	船撞击桥墩	轨道偏转,铁路中断	急流影响船舶行驶
2020年6月	肇庆封开西江大桥	船撞防撞设施	货船碰撞桥墩	暴雨和急流影响
2020年9月	舟山桃夭门大桥	船撞击梁部	钢箱梁和斜拉索受损	人为操作失误
2021年1月	美国路易斯安那州 CSX Rigolets Bridge	船撞击梁部	桥梁与船舶受损	桥梁通航孔无导航照明
2021年10月	广东广深沿江高速大桥	船撞防撞设施	船、墩柱及防撞设施受损	淤积致使航道变窄
2022年3月	美国路易斯安那 Houma Twin Span Bridges	船撞击梁部	桥面断裂,交通受阻	不了解桥梁通航高度
2022年4月	日本东京湾横滨大桥	船撞防撞设施	桥墩防撞设施受损	遭遇大风影响
2023年4月	美国密西西比 Natchez-Vidalia Bridge	船撞击桥墩	船舶沉没	船员疏忽瞭望

表1

图1

图2

表2

图3

图4

表3

表4

表5

图5

参考文献 15

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事件及符号		逻辑门及符号
顶上事件/ 中间事件		与门
基本事件		或门
开关事件		异或门
条件事件		优先与门

基本事件	概率值
基本事件	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021	2022
气象水文X₁	1.1×10^-4	6.1×10^-5	4.7×10^-5	2.1×10^-5	1.5×10^-4	6.9×10^-5	3.9×10^-5	1.8×10^-5
地形地貌X₂	2.7×10^-5	4.1×10^-5	0	4.2×10^-5	0	2.3×10^-5	1.9×10^-5	0
自然灾害X₃	2.7×10^-5	0	2.3×10^-5	2.1×10^-5	2.5×10^-5	0	0	1.8×10^-5
船舶密度X₄	0	2.0×10^-5	0	0	0	0	0	0
船体建造规格X₅	0	2.0×10^-5	0	2.1×10^-5	0	4.6×10^-5	0	0
机械设备故障X₆	1.1×10^-4	2.0×10^-5	4.7×10^-5	6.4×10^-5	2.5×10^-5	4.6×10^-5	3.9×10^-5	5.4×10^-5
侥幸心理X₇	8.0×10^-5	2.0×10^-5	4.7×10^-5	6.4×10^-5	7.6×10^-5	9.2×10^-5	1.9×10^-5	3.6×10^-5
反常心理X₈	0	0	0	0	0	0	0	0
身体疾病X₉	2.7×10^-5	0	2.3×10^-5	0	2.5×10^-5	2.3×10^-5	0	0
缺乏航行技术X₁₀	1.1×10^-4	1.4×10^-4	9.4×10^-5	2.1×10^-5	5.0×10^-5	1.1×10^-4	3.9×10^-5	3.6×10^-5
驾驶经验不足X₁₁	2.7×10^-5	4.1×10^-5	7.0×10^-5	2.1×10^-5	5.0×10^-5	0	1.9×10^-5	1.8×10^-5
通航状况生疏X₁₂	2.7×10^-4	1.6×10^-4	2.1×10^-4	1.5×10^-4	2.3×10^-4	1.8×10^-4	2.1×10^-4	1.4×10^-4
桥梁运营体制X₁₃	2.7×10^-5	6.1×10^-5	4.7×10^-5	2.1×10^-5	5.0×10^-5	2.3×10^-5	1.9×10^-5	0
助航设施管理X₁₄	0	0	0	4.1×10^-5	0	0	0	0
应对能力不强X₁₅	5.4×10^-5	0	2.3×10^-5	0	2.5×10^-5	0	0	0
无证驾驶船舶X₁₆	5.4×10^-5	4.1×10^-5	7.0×10^-5	8.5×10^-5	1.3×10^-4	4.6×10^-5	1.9×10^-5	3.6×10^-5
疲劳驾驶X₁₇	5.4×10^-5	2.0×10^-5	2.3×10^-5	6.4×10^-5	2.5×10^-5	4.6×10^-5	0	1.8×10^-5

r取值范围	相关程度	相关方向
(-1, -0.8)	强线性相关	负向
[-0.8,-0.3]	中线性相关	负向
(-0.3, 0)	弱线性相关	负向
(0, 0.3)	弱线性相关	正向
[0.3, 0.8]	中线性相关	正向
(0.8, 1)	强线性相关	正向

事件	X₁	X₂	X₃	X₄	X₅	X₆	X₇	X₉	X₁₀	X₁₁	X₁₂	X₁₃	X₁₄	X₁₅	X₁₆	X₁₇
X₁	1	-0.457	0.298	-0.296	-0.103	-0.223	0.554	0.684	-0.339	0.260	0.546	0.364	0.207	0.395	0.734	-0.013
X₂	-0.457	1	-0.372	0.204	0.529	0.169	-0.029	-0.372	0.271	-0.377	-0.214	0.117	0.271	-0.196	-0.235	0.483
X₃	0.298	-0.372	1	-0.276	-0.557	0.515	0.401	0.437	-0.291	0.457	0.387	-0.019	0.125	0.688	0.644	0.397
X₄	-0.296	0.204	-0.276	1	0.218	-0.442	-0.196	-0.376	0.600	0.189	-0.297	0.606	0.085	-0.253	-0.222	-0.213
X₅	-0.103	0.529	-0.557	0.218	1	-0.164	0.379	-0.005	0.342	-0.543	-0.423	0.009	0.049	-0.470	-0.124	0.450
X₆	-0.223	0.169	0.515	-0.442	-0.164	1	0.430	0.300	0.007	-0.248	0.424	-0.450	-0.171	0.637	-0.119	0.615
X₇	0.554	-0.029	0.401	-0.196	0.379	0.430	1	0.755	0.490	-0.215	0.375	-0.062	0.435	0.455	0.521	0.746
X₉	0.684	-0.372	0.437	-0.376	-0.005	0.300	0.755	1	0.388	0.285	0.740	0.299	0.276	0.744	0.463	0.309
X₁₀	-0.339	0.271	-0.291	0.600	0.342	0.007	0.490	0.388	1	0.374	0.241	0.578	0.116	0.379	-0.228	0.069
X₁₁	0.260	-0.377	0.457	0.189	-0.543	-0.248	-0.215	0.285	0.374	1	0.316	0.714	0.277	0.387	0.476	-0.269
X₁₂	0.546	-0.214	0.387	-0.207	-0.423	0.424	0.375	0.740	0.241	0.316	1	0.265	0.020	0.744	0.241	0.049
X₁₃	0.364	0.117	-0.019	0.606	0.009	-0.450	-0.062	0.299	0.578	0.714	0.265	1	0.558	0.558	0.419	-0.113
X₁₄	0.207	0.271	0.125	0.085	0.049	-0.171	0.435	0.276	0.116	0.277	0.020	0.558	1	0.014	0.641	0.538
X₁₅	0.395	-0.196	0.668	-0.253	-0.470	0.637	0.455	0.744	0.279	0.387	0.744	0.558	0.014	1	0.339	0.297
X₁₆	0.734	-0.235	0.644	-0.222	-0.124	-0.119	0.521	0.463	-0.228	0.476	0.241	0.419	0.641	0.339	1	0.340
X₁₇	-0.013	0.483	0.397	-0.213	0.450	0.615	0.746	0.309	0.069	-0.269	0.049	-0.113	0.538	0.297	0.340	1