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基于风险模型评估船舶设计和操作因素对人类行为的影响和敏感性
摘要
本文就船舶设计中的典型因素如噪声、振动、船舶运动等人为误差产生的原因及影响进行了研究。在审查了有关的文献之后，为了确定和量化有关的参数和影响，已拟订了一份详细的调查表，并由海员回答。问卷调查结果以定量风险模型的形式呈现，使用贝叶斯网络，并应用于两艘安全关键型船舶，即集装箱船和油轮。最后，给出了两种船舶碰撞和搁浅的一般原因概率。研究结果与现有文献基本一致。定量地了解船舶设计因素对人的性能的影响将有助于船舶设计和制定新的安全规章制度。
简介
在过去几十年里，航运业致力于提高船舶系统可靠性和性能，为减少乃至消除海难的发生。通过这种方式，船体及其稳定性、推进系统和导航设备等，通过先进的硬件系统有了很大的改进。然而，尽管有这些先进技术支持，今天海难发生的次数依然很高。人们常常表示大约80%的海难事故（碰撞或触礁）都是人为失误为主要原因。
事实上，任何航运系统都是基于人设计的。船舶完全依靠船员的专业精神和能力。很公正地说，船员是保证船舶运行安全、海上生命安全和海洋环境保护的最后责任人。人为因素是实现航行安全的关键因素。船上的人们利用技术互动、环境状况和组织管理因素，反过来，这些因素的影响加重或减轻人类造成的风险。因此，我们必须把重点放在人的操作、设计技术、工作环境和组织问题上，支持和鼓励操作人员改进他们的职责。
在“安全设计”理念下，基于风险的船舶设计是一种将风险评估和传统造船流程结合起来的方法，将安全作为设计目标。从它的实践中，RBD已经在数个研究项目中证实其用处，例如SAFEDOR（2005-2016）；该项目旨在通过整合将安全性的设计目标考虑入船舶设计及风险评估考虑入审批框架来提高航运业的安全性和海运产业的竞争力。 其他研究，例如Klanac、Varsta (2011) 和Staring;hlberg (2013)等人则聚焦于对环境更加安全的海洋结构物设计的基础方法。以上研究均解决了船-船碰撞场景风险基础下的船舶是均可定位到以风险为基础的船舶设计。 Boulogouris和Papanikolaou(2013)通过介绍洪涝灾害后船舶行为的评估方法提出了针对海军舰船基于风险的设计理念。最近，Kujala等人总结了干旱条件下基于风险的船舶设计应用的必要知识。然而，人为因素从未被这些研究考虑过。 针对人为因素的船舶设计主要解决地方水平下的人体工程学设计，最典型的例子是为达到有效性和经济性的桥梁布局的人体工程学优化(Pusia和Bliault, 2013)。几乎没有学者去花费精力去考虑由将人为错误的原因和结果纳入相关船舶设计因素（SDFs）例如噪声、振动及船舶运动引起的船舶设计。举个例子，基于模拟器的实验研究(Anderson等，2014;Hove和Roza, 2010;Houben和Bos,2010; Kurt等，2010)调查了相关船舶设计因素SDFs对海员行为的影响。然而值得强调的是，文献中的数据清楚地论述了SDFs对人类行为产生影响这一观点具有确切的依据(Hansen和Holmen，2011; Smith等，2001, Dobie T，2000)。在这样的背景下，欧洲科研项目FAROS (2012–2015) 构造了一个连接SDFs与人类可靠性的理论框架。这个框架是基于设计规范和国际标准下特定的船舶最大噪声、振动和运动水平允许限度。在此背景下，本文的目的是通过使用贝叶斯信念网络(BBNs)，提出基于人可靠性的海上人员伤亡风险模型，并将其应用于两种对船舶安全至关重要的类型，即集装箱船和油轮。碰撞和搁浅事故得到了已发表背景知识的模型支持(Det Norke Veritas, 2003, 2006；Heuro; anninen和Kujala, 2012)。这些风险模型随着变量关系与SDFs 的结合得到了增强。为量化SDFs 的消极影响，在分析和综合现有知识的基础下，对船员进行了问卷调查。
SDF对人类行为影响的文献综述
下面讨论船舶设计因素对人类行为的典型负面影响。
噪声的影响
噪声被定义为不良的声音，它出现在一艘船大部分零件中，包括发动机、发电机和泵等。噪声对船员的影响是非常大的。基于此，消极影响可以分为两类：生理的和心理的。
生理学上的影响最为人熟知的是听觉丧失（暂时或永久的）。然而，长期暴露在高噪声水平下可能导致其他人体器官的病变，如心血管系统紊乱（高血压、低血压和心脏病），消化系统紊乱（溃疡、结肠炎）、内分泌及生化失调。尽管这些生理上的影响不明显，但是它们对于人的行为都有不容忽略的影响，这使得它们成为噪音诱发疲劳最危险的原因(Lamb, 2006)。
另一方面，噪声暴露也会损害人们的心理健康。工作在嘈杂环境中海员更加情绪化和易怒(Becker等，1995；Lamb，2006； Pusia和Bliault，2013；Kurt等，2016)，从而减少了认知资源。焦虑可能是噪声引起的另一个影响。研究表明Studies (Edsell，1976；Standing和Stace，1980) 与低噪音相比，噪音环境下的焦虑更大。焦虑可能会对中枢神经系统产生影响，反过来，警惕性任务的反映水平下降（Button等，2004）。
显而易见，噪声同样会影响睡眠模式。职员们都有睡眠困难，时常醒来，罹患失眠症。它降低了休息的恢复质量，这大大导致了疲劳(Lamb, 2006)，并在船上创造了一种好斗的气候。在进行海员的应激源识别这项研究中(Oldenburg 等，2009)，噪声物理应激源在研究的23个应激源中排名第10位。
在船舶行业，最新的IMO（国际海事组织）船舶噪声标准（IMO, 2014）是现行的噪声标准。然而，一些船级社为船上各个舱室标定了他们自己比IMO更加严格的的噪声限制。总之，船员不允许被暴露在超过80分贝的环境中。然而，这些限制是为了保护海员免受影响其听力的危险水平的噪音，也因此，限制噪音对工作行为和船员心理健康影响被忽略了。从这个意义上说，聚焦于减少船舶噪声和振动水平的SILENV项目，提出了一个全面的方法来调查所有这些噪音相关的烦恼，并建议了减少噪音的方法。此外，与现行的标准框架相比，还引入了SILENV绿色标签噪音标准（Kurt等，2016）。
全身振动的影响(WBV)
WBV可能影响船员的主观舒适度和工作效率。振动可能对人产生物理影响。它可以传播到体表或身体的个别部位，如手部。根据指示2002/44/EC相对于物理介质，WBV被定义为当振动传递到全身时，会对工人的健康和安全，特别是下背部的发病率和脊柱的创伤带来风险的机械振动。此外，振动可能会通过影响稳定的视野、导致视线模糊和解释困难来间接影响人类行为(Dobie, 2000；Pusia和Biault，2013)。Conway（2007）的研究表明，WBV对表现有负面影响，其中知觉和精细运动任务的负面影响最大。同样的，对认知能力中等消极影响被发现了。Dobie（2000）和Lamb（2006）也表示振动可能导致疲劳，能力缺陷和操作中断要求。最后，疲劳产生的撞击可能是造成船员不舒服的来源之一(Dallinga和Bos，2010)。这一实时在船舶遭遇冲击中表现更为显著(Grech等，2010)。这项研究表明，长时间暴露于这些类型的血管中的冲击脉冲和WBVs会对人员的健康和工作表现产生负面影响。
Salyga和Juozuynas(2016)开展了一项研究来确定海员所经历的环境和心理-情绪压力之间的关系。研究表明，振动和噪声是影响船舶健康的主要因素。
船舶运动的影响
船舶运动效应通常用运动病（MIS）和运动中断来衡量。MIS被认为是身体和心理状态执行缺陷的主要诱因。全身不适、心神不宁、恶心呕吐是运动病的特征表现(Dobie, 2000)。然而，海员对船舶运动的适应性很强，尤其是富有经验的水手(Pusia和Biault，2013)。关于MIS，UECOMPASS 项目（2002-2005）调查并提出了一种更合适更实际的处理海上交通中晕车和乘客舒适度的方法。但是船舶运动可能会通过影响激情、疲劳和维持平衡所耗费的时间(Applebe等，1980；Wertheim, 1998；Valk等，2010)而影响船员的工作表现妨碍粗细工作技能，包括运动诱导造成的活动减少(Matsangas等，2010)。此外，船舶运动可能通过妨碍任务完成而直接干扰工作。MII处理的情况是，当一个人由于局部运动而失去平衡或滑倒，因此中断正在执行的任何任务(Dobie, 2000)。
在这个背景下，有明确的证据表明，噪音、振动和船舶运动会对人类的行为产生负面影响。然而，根据动态适应性(Hanckok, 1989)和补偿控制模型(Robert and Hockey, 1997)，船员表现退化水平是模糊的，并且与船员自身密切相关。根据这些理论，当人类有动机，就有能力适应环境。此外，他们可以找到额外的认知资源、牺牲其他领域的表现来促进任务的完成。
方法
采用的方法
船舶碰撞或搁浅概率的估计是海上风险定量评估的基础。当前，较为广泛地计算船舶碰撞和搁浅概率的方法起源于Fujii(1974)和McDuff (1974)等人的研究。事故概率是由若干个可能发生事故的候选人和一个因果概率的乘积来计算的。
目的是衡量一个恶劣事件原因和结果的关系。作为例证，它代表了为避免事故而采取的规避策略失败的可能性。因此，是在未发生规避操作的情况下，实际事故占潜在事故总数的比例的量化(Montewka等，2010)。因此，取决于正在进行的规避操作的类型，而这又取决于许多促成因素，通常是人为错误、技术故障或环境因素。原因概率可以通过事故统计或风险分析工具，如故障树或贝叶斯网络(Hanninen和Kujala, 2010)来估计。此外，还有一些研究通过基于海上交通分析和大量模拟的候选碰撞模型的近碰撞分析(Montewka等，2012)或通过贝叶斯配对比较法(Szwed等，2006)引入了概念。
贝叶斯网络(BN)是连接概率论和图论的一种图形表示(Friss-Hansen, 2005)。BN是一个概率模型，它使用直观的可视化表示(直接无环图)将一组随机变量及其条件依赖性联系起来。随机变量由网络中的一组节点表示，它们之间的相关关系用箭头直接链接表示。
BN技术被认为是海运业一个高效可靠的风险模型和决策支持工具。就这一点而言，综合安全评估（FSA）针对大型客船或电子海图显示与信息系统（ECDIS）(DNV, 2003, 2006)或为芬兰湾航运安全发展的风险模型 (Hanninen and Kujala, 2010)的研究，都是BN在航运研究中的应用。这篇文章通过背景知识的支持，利用BN模拟了集装箱船或者油船的碰撞、搁浅的原因概率。在BNs建模中，本文使用了GeNIe分析员学术 (GeNIe,2015) 。为捕捉到人类因素或表现的影响，风险模型中加入了与船舶设计因素(SDFs)相关的变量，如噪声、振动和船舶运动。
贝叶斯网络中SDFs的量化
为量化船舶设计因素（噪声、全身振动和船舶运动）对船员压力水平的影响，我们设计了一个调查问卷。问卷见附录1。
调查问卷已分发给几个欧洲海员协会。共回收130份问卷，其中有效问卷119份。在未被纳入分析的11份问卷里，有2份是因为大多数问题都没有回答。其余9份问卷由甲板和轮机学员(6名甲板学员和3名轮机学员)完成，由于应答者在船上的经验有限，因此不包括在分析中。因有63份答卷由资历合格的船长和驾驶员完成，所以六位甲板学员的问卷不予以采纳，并不会对分析结果产生重大影响。
问卷是根据SDFs对人类表现的典型影响而制定的，如文献中所述。问卷包含14个问题，重点问题如下：
a)问题与个人数据有关：船员岗位、年龄、性别、工作经验。
b)关于船上SDFs水平和参与者的压力水平自我感觉(自我评价)的一般问题。一般而言，在这些问题中，应以数量来表示某种程度的满足/感知/强度。为此，我们设计了5个等级的量表(即很高、高、正常、低、很低)。
c)与由SDFs效应导致的典型身心压力相关的具体问题，其频率需要在问题中说明。为此，我们设计了4个等级的量表（即总是，常常，有时，从不或极少）。考虑的精神压力有以下6种：兴奋性、焦虑、注意力分散、认知能力减退、晕船和睡眠问题（进一步细分包括入睡困难、睡眠中断和失眠）。考虑的生理压力为体力工作表现下降。图1显示了根据文献综述确定的SDFs和压力源。
具体问题按1-4分进行评价；1=从不或极少；2=有时；3=经常；4=总是。 这些具体问题的答案被用来量化贝叶斯网络中的SDF变量。这组变量是从Montewka等人(2017, 2015)那里采用的，在4.2节进行了描述，BN中与SDFs相关的节点的描述和量化。
从量化过程中得到的结果将会被转化为相应的贝叶斯网络节点。每个变量定义了两个阶段，即1=有影响，0=无影响。意指用前文提到量表来计算的每个变量概率的百分数，值 1 = 0%; 2 = 33%; 3 = 67% and 4 = 100% 的概率。例如，对于2.19，在变量阶段使用的概率为40%有影响和40%无影响。（即0.10在0和1之间，0为无影响，1为有影响）
易怒
焦虑
工作时注意力分散
认知能力下降
睡眠问题
噪声
易怒
工作时注意力分散
认知能力下降
睡眠问题
体力工作表现弱化
全身振动
睡眠问题
晕船
体力工作表
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