一种量化北极海上事故应急响应中风险引发的功能变异性的方法论

《Process Safety and Environmental Protection》：A methodology to quantify risk-induced functional variability in Arctic maritime accident emergency response

可靠高效的应急响应对减少北极水域事故伤亡和环境影响至关重要，但系统存在功能变异风险。本文提出整合FRAM、STPA、复杂网络等方法的量化框架，通过船舶搁浅事故验证，发现货物重新分配和压载控制是功能变异关键驱动因素。

　　

王婷|马晓雪|马来豪

大连海事大学海洋经济与管理学院，中国大连116026

摘要

:在北极水域，可靠且高效的应急响应对于减少海上事故造成的人员伤亡和环境破坏至关重要。然而，北极海上应急响应构成了一个复杂的社会技术系统，其中功能变异性是由响应活动之间的相互作用所产生的潜在风险所引发的。为了量化北极海上应急响应中由风险引发的功能变异性，本研究提出了一种系统方法，该方法整合了功能共振分析方法（FRAM）、系统理论过程分析（STPA）、复杂网络（CN）、站点渗透模型（SPM）和耦合度模型（CDM）。具体而言，首先通过回顾事故报告和海上救援指南，开发了一个针对北极海上应急响应的FRAM模型。然后，通过使用STPA和CN构建的四层风险耦合网络，汇总得到的度中心性值来确定功能模块的初始变异性。进一步考虑初始变异性的传播、应急功能的结构耦合以及自然环境的干扰，引入SPM来计算功能耦合的变异性。最后，利用CDM量化功能共振强度。通过船舶搁浅事故的案例研究验证了所提出的方法。研究结果表明，货物重新分配和压载控制是产生和传播变异性的关键因素。

引言

由于丰富的自然资源和新兴的航运路线，北极地区日益成为全球战略和经济关注的重点区域。根据《北极海洋环境保护（2025）》的报告，在北极极地代码区域内运营的独特船舶数量从2013年的1,298艘增加到2024年的1,781艘，增长了37%（北极理事会，2025年）。然而，极端的环境条件和船员在极地操作中的有限经验对航行安全构成了重大挑战。根据IHS Sea-web（全球海上事故数据库）的数据，2010年至2020年间北极水域发生了568起海上事故，导致了重大的人员伤亡、经济损失和环境影响（Li等人，2022年）。为了减轻这些由北极海上事故造成的影响，可靠且高效的应急响应至关重要。

北极海上应急响应是一个典型的复杂社会技术系统，依赖于一系列由人与人之间以及人与机器之间的互动支持的动态响应活动（Wang等人，2024年）。实际上，这些互动不可避免地受到多种风险因素的影响，包括人类认知能力（Hameed和Khan，2016年；Balindres等人，2016年；Islam等人，2018年）、设备性能（Fu等人，2021年）、组织管理（Knol等人，2014年）以及北极特有的环境条件，如海冰、极端寒冷和偏远地区（Liu等人，2023年）。这些风险因素可能导致响应活动出现变异性，使功能输出偏离预期目标，从而导致应急性能的不确定性和波动。更重要的是，这种偏差可能会在整个系统中传播，降低应急操作的整体效率和可靠性。因此，为了量化北极海上应急响应中由风险引发的功能变异性，本研究提出了一种系统方法，整合了FRAM、STPA、CN、SPM和CDM，以提供方法论支持，提高北极海上应急响应的韧性和有效性。研究的后续结构如下：第2节回顾了关于北极海上事故应急响应的现有文献，以及研究空白和贡献；第3节介绍了所提出方法的基本原理；第4节提出了一个案例研究及其相应结果；第5节总结了结论；最后，第6节概述了研究的局限性。

相关研究

相关研究

随着海冰的持续消退，北极水域的航运活动正在稳步增加。然而，极端的环境条件和有限的航行经验使得该地区的船舶特别容易发生海上事故，其后果往往非常严重。在这种情况下，建立一个明确且可操作的北极海上风险定义对于系统风险分析至关重要。借鉴Kaplan和Garrick（1981年）提出的风险定义，

研究空白和贡献

在研究内容方面，大多数现有研究集中在北极海上事故的应急准备上，包括政策制定、资源分配和风险评估。然而，量化北极海上应急响应中由风险引发的功能变异性并研究其传播机制的研究仍是一个研究空白。在研究方法方面，尽管FRAM已被广泛用于分析复杂系统中的功能互动和风险放大效应，

一般方法框架

图1展示了所提出方法的一般原理，包括四个主要步骤。

步骤0：根据实际响应情景分析北极海上事故的应急响应过程。根据IAMSAR手册和海上事故调查报告，识别功能模块及其相互关系。

步骤1：为北极海上事故应急响应开发一个风险耦合网络。应用STPA分析功能模块之间的互动，

数据描述

本研究首先对来自IMO GISIS的58°N以北的109份事故调查报告进行了统计分析，这些报告涵盖了2012年至2022年间发生的事故，事故类型分布如图6所示。其中，船舶搁浅事故占比最大，为20.2%。因此，选择北极水域船舶搁浅事故作为案例研究，以验证所提出的方法。

为了确保所选数据的相关性和可靠性，

功能变异性的置信区间验证

引入了一个概率框架，并结合蒙特卡洛模拟，来模拟和分析与初始功能变异性及其在系统中传播相关的不确定性。鉴于初始变异性V₀严格限定在区间[0,1]内，并且在实际应用中通常表现出偏态分布特征，因此采用Beta分布来建模V₀

讨论

本研究提出了一种方法框架，整合了FRAM、STPA、CN和CDM，以量化北极海上应急响应中由风险引发的功能变异性。与传统的FRAM和STPA框架相比，引入SPM和CDM提供了额外的能力，可以明确模拟功能变异性沿功能耦合的传播、积累和潜在放大效应。这些机制在传统方法中并未得到充分捕捉

结论

本研究的目的是量化北极海上应急响应中由风险引发的功能变异性，重点关注初始变性、功能耦合变异性和功能共振强度。为此，通过整合STPA、CN、SPM和CDM，开发了一个改进的FRAM框架。通过船舶搁浅事故的案例研究验证了该方法。具体而言，基于

未引用的参考文献

(Amin等人，2019年，北极门户图书馆，2015年，Bian等人，2021年，Browne等人，2022年，Bu等人，2023年，Fu等人，2022年，Hameed等人，2016年，Kruke和Auestad，2021年，Knol和Arbo，2014年，Li等人，2022年，Li等人，2024年，Li等人，2022年，Ma等人，2022年，McCarthy，2013年，Naeini和Nadeau，2023年，Roud，2021年，Wang等人，2025年)

CRediT作者贡献声明

马晓雪：监督、调查。马来豪：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。王婷：撰写——初稿、方法论、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢中国国家自然科学基金（72401047）、中国博士后科学基金（2023MD744170）、辽宁省自然科学基金（项目编号2025-BS-218）、中央高校基本科研业务费（项目编号3132025213）、河北省自然科学基金青年项目（G2025507002）以及大连优秀博士论文培养计划提供的财政支持