为了评估无人船舶对海上运输安全的潜在影响外文翻译资料

Towards the assessment of potential impact of unmanned vessels on maritime transportation safety

Abstract

The prototypes of unmanned merchant vessels are expected to come into service within the coming years. The main line of argument supporting their introduction pertains to the increase in navigational safety, which is expected to be achieved by reducing the frequency of human-related accidents on board ships, by removing the crews. On the other hand, the response of unmanned ship to potential accidents is still uncertain. With enthusiasm on one side and apprehension on the other, the literature lacks an objective study on the effect of unmanned ships on safety of maritime transportation.

This paper constitutes an attempt to bridge the aforementioned gap by applying a framework based on what-if analysis to a hundred maritime accident reports. The aim of the analysis is to assess whether the accident would have happened if the ship had been unmanned, and once the accident had happened - would its consequences have been different.

The results obtained reveal that the occurrence of navigational accidents (e.g. collision, grounding) can be expected to decrease with the development of unmanned ship. However the extent of consequences resulting particularly from non-navigational accidents (e.g. fire, ship loss due to structural failure) can be expected to be much larger for the unmanned ships when compared to the conventional ones.

1. Introduction

The concept of unmanned surface vehicle (USV) is not new. While its first demonstration was performed by Nikola Tesla in 1898 [1], the last decade of the 20th century has seen a large number of projects emerge. The vast majority of existing solutions pertain to the law-enforcement and naval units with displacement of up to 10 t [2], although some mine-sweepers can reach up to 100 t [3]. Due to technology advancements in recent years and experience gained in the operation of small- and medium-sized USVs, the aspiration appeared to develop an unmanned merchant vessel able to haul her cargo across the oceans. It is believed that the first unmanned ships will become operational within the next 10–15 years [4,5]. However, it must be ensured that those masterpieces of technology would indeed increase maritime safety or at least would not reduce it [6,7].

At present, there are several Ramp;D projects aiming at the development of a proof of autonomous merchant vesselsrsquo; concept [1,8–11]. Therein a hypothetical autonomous ship takes advantage of her ability of being operated in one of the three modes, as follows: fully manned, remote controlled or fully autonomous. The latter corresponds to autonomy level 5 (AL5) according to Lloyd#39;s Register scale, defined as follows: lsquo;Unsupervised or rarely supervised operation where decisions are made and actioned by the system, i.e. impact is at the total ship levelrsquo; [12]. She would traverse high seas autonomously with possibility of switching to remote control via satellite communication link in case the systems are unable to perform correctly in given circumstances or whenever a shore-based operator considers it necessary. Furthermore, a full complement of crew would embark prior to reaching the port of destination in order to perform mooring or any other demanding operations in a safe and efficient manner.

In the course of quantitative safety assessment of the unmanned bulk carrier concept carried out within MUNIN project [6,10] the authors claim that the unmanned ship can be expected to be safer than the conventional units despite acknowledging that they lack vital information pertaining to her design and operation [11]. Moreover, the majority of the hazards anticipated within that study are human-related and the effect of human absence on the development of the accident#39;s aftermath does not appear to be properly accounted for. For instance, redundancy is claimed to be a primary means of reducing accident#39;s consequences which can prove unfeasible in some cases like fire incidents where, as we conclude from our analysis, it would be extremely difficult to design a technical system capable of preventing or handling all the potential fire scenarios.

Furthermore, insurance companies are rather sceptical about the idea of unmanned ships. It is believed that it will take decades rather than years for the concept to become operational and legally acceptable, however it could offer an economically feasible alternative for short sea shipping, in a form of a convoy formation with manned vessels escorting and tracking the unmanned ships, [13].

From the scarce body of literature in the field of unmanned shipping it is evident that one of major issues related to the unmanned ship operations is their safety. The main line of argument supporting their introduction pertains to the increase in navigational safety. This is expected to be achieved by reducing the frequency of human-related accidents on board ships, simply by removing the crews. However, the crew will not be in fact completely removed but rather relocated to a remote command centre. This may create hazards that are yet to be identified. Furthermore, the response of unmanned ship to potential accidents is still uncertain. With enthusiasm on one side and apprehension on the other, the literature lacks scientific study on the effect of unmanned ships on the safety of maritime transportation.

To bridge this gap, or at least to reduce it, we made an attempt of applying a safety assessment framework based on what-if analysis over a hundred of maritime accident reports. The aim of the analysis was to assess whether the accident would have happened if the ship had been unmanned, and once it had - would its consequences have been different if there were no one on board to counteract them.

The assessment is based on the use of subjective two-step what-if analysis supported by Human Factors Anal

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为了评估无人船舶对海上运输安全的潜在影响

摘要

预计无人驾驶商船原型将在未来几年内投入使用。支持其引入的争论主要涉及到航行安全性的提高，这通过减少船员发生人为事故的频率来实现。另一方面，无人驾驶船舶对潜在事故的响应仍不确定。另一方面，文献缺乏对无人驾驶船舶对海上运输安全的影响的客观研究。

本文构建了一个尝试，通过对一百份海事事故报告应用基于假设分析的框架来弥补上述差距。分析的目的是评估船舶是否无人驾驶时是否会发生事故，一旦事故发生 - 其后果会不同。

所获得的结果表明，随着无人船的发展，导航事故（例如碰撞，搁浅）的发生可望减少。然而，与传统船舶相比，无人驾驶船舶造成的特别是非导航事故（例如火灾，船舶结构失效造成的船舶损失）造成的后果的程度预计会大得多。

1.介绍

无人地面车辆（USV）的概念并不新鲜。虽然它的第一次示范是在1898年由尼古拉特斯拉进行的[1]，但20世纪的最后十年出现了大量的项目。绝大多数现有解决方案都属于执法和海军部队，排水量高达10吨[2]，尽管一些扫雷机可以达到100吨[3]。由于近年来的技术进步和中小型USV的运行经验，这种愿望似乎开发了一艘无人驾驶的商船，能够将货物拖运到海洋。据信，第一艘无人船将在未来10 - 15年内投入使用[4,5]。然而，必须确保那些技术杰作确实会增加海上安全，或至少不会减少它[6,7]。

目前，有几个研发项目旨在开发自主商船概念的证明[1,8-11]。其中一艘假想的自主船利用其在三种模式中的一种模式下操作的能力，如下所示：完全有人驾驶，遥控或完全自主驾驶。后者符合劳埃德船级社规定的自主权等级5（AL5），定义如下：“系统作出决定并采取行动的无监督或很少受监督的作业，即作用于整个船舶的水平”[12]。如果系统在特定情况下无法正确运行，或岸基运营商认为有必要，她将自主穿越公海，并可通过卫星通信链路切换到远程控制。此外，全套船员将在到达目的港之前出发，以便以安全和有效的方式进行系泊或任何其他苛刻的作业。

在MUNIN项目[6,10]中进行的无人散货船概念的定量安全评估过程中，作者声称，尽管无人驾驶船承认它们缺乏与她有关的重要信息，但可望比常规船舶更安全设计和操作[11]。此外，该研究中预期的大多数危害与人类有关，人类缺勤对事故后果发展的影响似乎没有得到适当的解释。例如，声称冗余是减少事故后果的主要手段，在某些情况下，如火灾事故证明是不可行的，因为从我们的分析得出的结论是，设计能够预防或处理所有事故的技术系统是极其困难的潜在的火灾情况。

此外，保险公司对无人船的想法持怀疑态度。相信这个概念需要数十年而不是数年的时间才能在业务上和法律上可以接受，但它可以为短海运输提供经济上可行的替代方案，这种替代方式是通过护航和跟踪无人船舶，[13]。

从无人航运领域的稀缺文献来看，与无人船舶运营相关的主要问题之一就是它们的安全性。支持其推出的主要论点与航海安全的增加有关。预计这可以通过减少船上人为事故的频率来实现，只需要移除船员。但是，船员事实上并不会完全被拆除，而是转移到远程指挥中心。这可能会造成尚未确定的危害。此外，无人驾驶船舶对潜在事故的反应仍不确定。另一方面，文献缺乏对无人船舶对海上运输安全的影响的科学研究。

为弥合这一差距，或者至少减少这个差距，我们尝试了应用基于对100多份海事事故报告的假设分析的安全评估框架。分析的目的是评估如果这艘船是无人驾驶的，是否会发生事故，一旦发生 - 如果船上没有人来抵消它，其后果会不同。该评估基于使用人为因素分析和海上事故分类系统（HFACS-MA）方法和简单后果检查支持的主观两步假设分析。在这样的框架内，可以对事故原因及其后果进行研究。第一步是评估如果有问题的船是无人驾驶的（事故的可能性问题）事故是否会更多（或更少）发生。在下一步中，由于事故确实发生，后果会不同（关于影响严重性的问题）。为了回答这两个问题，使用如下定性量表：1）没有影响，2）发生或影响更大，3）发生或影响更小。

得到的结果显示，如果无人舰艇投产按照自主权5级，我们可以预期典型的，与人类有关的海上事故的发生率较低，但没有前提预计潜在事故的后果比观测到的低如今。评估没有考虑过去在航运业没有经历的危害，如网络盗版或恐怖主义[14]。如果出现这些情况，它们可能会导致严重影响无人驾驶船舶航行安全和公众对其无视的破坏性后果。

本文的其余部分结构如下：介绍了评估中使用的第一种材料和方法。随后我们介绍并讨论获得的结果以及基于分析的其他观察结果。最后得出结论并给出未来研究的建议。

2．材料和方法

本节详细说明用于评估潜在无人船舶对航行安全的影响的可用数据。另外，这里介绍应用的方法。最后，本节将演示该方法在选定事故报告中的应用情况。

2.1事故报告

由于正在进行关于无人船舶实际操作方式的讨论[15,16]，我们假设无人船舶将在海洋通过期间以自主模式运行，直到海岸操作员将接管的港口进近之前的某个点。根据预期的交通量和环境条件的复杂程度等，“Conn to operator”的观点可能因不同的港口或航程而有所不同，但可以预期，船舶管理人员希望尽可能长时间以自主模式运营船舶，以充分利用自主的优势，而不涉及额外的成本。为了适应这种不确定性，我们假设有问题的船将自主运行，直到船长在实际事件中采取连锁。同时也承认，未来的无人驾驶船只可能因为例如在恶劣天气下靠泊船员无法登船而被迫停留在锚地。

在这里介绍的研究中，我们根据公开的调查报告分析了涉及119艘船舶的100起海上事故。根据无人驾驶船舶的预期操作惯例，我们只选择在未来最有可能变得无人驾驶的航行期间发生的事故。除非没有确定航行阶段和事故情况之间的联系，否则在本次研究中发生的航行其他部分（例如港口航行）发生的事故与本研究无关。表1列出了发生航行阶段和特殊条件的事故数量。

表1.按其发生的航行阶段划分的事故数量。

事故报告取自下列组织：澳大利亚运输安全局[17]，挪威事故调查委员会[18]，丹麦海事局[19]，欧洲海事安全局[20]，马恩岛船舶登记处[21] ，日本运输安全局[22]，英国海事事故调查处[23]，德国联邦海事调查局[24]，巴哈马海事管理局[25]，香港特别行政区政府[26] ]，加拿大运输安全委员会[27]。表A1列出了分析的事故清单和数据来源。

在分析的事故中，有63人丧生，28人受伤。这些数字包括救援人员在协助濒危海员时受伤或死亡。三起案件造成严重的环境破坏。事故中涉及的船舶类型如图1所示。我们在我们的分析中将货船事故包括在多数船舶和其他船舶类型（滚装船，离岸支持船）中，只有当它们的不同类型没有明显影响事件的可能性或后果。事故涉及总吨位在182至170,794之间的船舶。这些事件发生在1999年至2015年的不同地理区域，尽管大部分地面发生在北欧水域和碰撞事故中 - 中国海，前者涉及由7-8名男子小船组成的大量过山车。已经观察到船舶的年龄与她参与海上事故的可能性之间没有特别的关系。

2.2方法

现有的科学文献缺乏评估紧急情况下船上人员缺乏的影响的方法。因此，我们试图根据对事故发生时的情况和情况的分析，事故的原因以及机组人员为应对紧急情况和其他因素的行动（如果适用）而对这种影响进行定性评估。

尽管无人驾驶商船的概念仍处于发展阶段，但对其未来设计和性能的高度期待仍然存在，例如参见[6,10,28,29]。我们在对无人船舶对海上安全的影响进行初步评估时使用了这些背景知识。

2.2.1无人船舶安全分析框架

为了回答引入无人船舶是否会增加海上运输总体安全性的问题，我们采用了人为因素分析和海上事故分类系统（HFACS-MA）增强的假设分析框架[30]并进行简单的后果检查。我们特别关注以下两个方面：

1）如果这艘船无人驾驶，这个事实将如何影响特定事故的可能性？

2）如果事故无论如何发生，如果船上没有船员，其后果会或多或少严重？

为此，我们审查了100份海上事故调查报告。这些是由国家海事安全机构，利用其成员和专家的最佳知识和经验的机构编写和出版的。绝大多数报告包括活动时间轮廓的章节，涉及船舶的详细信息，以及船员在事故发生前，发生过程中和发生后采取的行动及其原因和后果。

我们将每一起事故分为两个阶段：事故发生前和事故后。然后从前两个方面研究前者的根源和直接原因。为了进行分析，我们将根本原因定义为导致直接原因的事件或条件，而事件或条件反过来又是事件发展的枢纽点，事后很少有事情可以做，以避免事故发生。事故后阶段包括以下阶段：情景评估，决策和损害控制，如图2所示。

为了分析的目的，我们做了以下假设：

1）假想船舶的控制系统将被设计成能够正确处理船舶正常运行期间可能发生的大多数情况，在充足的时间内检测到意外情况并在遥控下运行。

2）船舶以AL5模式运行，直到系统检测到需要岸基操作员介入的情况 - 与船舶航海人员要求主人协助或火警/一般警报自动激活的现状相对应的事件。

有些理想化的第一个假设的一些后果将在第2.2.2节中进一步讨论。

2.2.1.1事故原因

为了评估事故原因，我们应用了最初在[31]中提出的HFACS-MA。通用HFACS基于Reason的瑞士奶酪理论[32]，最初是为了研究人体因素对军事航空事故的贡献而开发的，但是由各个学者进一步开发以包含其他因果因素。它在检测出故障和事故分析方面的成功使它深受来自航空，铁路和航运等各个领域的事故调查人员的欢迎[33]。根据HFACS-MA，事故的原因分为21个因果类别，分为5个级别：外部因素，组织影响，不安全监督，先决条件和不安全行为。属于特定类别的原因可能是位于上层的因素的结果，也可能是独立发生的，最终导致事故。有关该方法的说明，请参见图3和表2.在审查有关该事件的事实数据时，会对

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