Проблемы безопасности мореплавания находятся в центре внимания исследователей и проектировщиков. Основной путь их решения заключается в повышении надежности судов, что достигается за счет рационального проектирования корпуса и других конструктивных элементов судна, улучшения мореходных качеств, совершенствования средств навигации и противопожарной защиты, а также принятия других мер.
Усилия, затраченные в этом направлении, дали определенный результат. Согласно статистическим данным Английского Ллойда (в расчет принимались суда валовой вместимостью, превышающей 100 per. т), во второй половине позапрошлого столетия ежегодно гибли 500 - 600 судов, что составляло 3 - 4 % общего числа судов мирового флота, находившихся в эксплуатации. Однако уже в начале прошлого столетия относительные потери морских судов снизились до 1,5 %, а в 1955г. достигли абсолютного минимума и составили всего 0,5 %.
В период с 1955 по 1967г. относительные потери судов монотонно возрастали и достигли 0,76 %. С 1967 по 1977г. абсолютные потери судов сохранялись приблизительно на одном уровне. Однако вследствие значительного роста числа судов в мировом флоте относительные потери в этот период снижались, достигнув минимума в 1977г (0,5 % по числу судов и 0,27 % по тоннажу). В последние годы потери, как по числу судов, так и по тоннажу стремительно скачкообразно возросли. Так, в 1999г. относительные потери судов по валовой вместимости практически удвоились по сравнению с 1989г. (с 0,27 до 0,53 %).
Исходя из стабильности статистических данных о потерях судов, можно прогнозировать изменение риска гибели и вероятный характер аварии судна, по крайней мере, на ближайшее будущее. Следует отметить, что соотношение между различными категориями аварий является достаточно устойчивой величиной. Так, за рассматриваемые 15 лет наблюдалось лишь незначительное перераспределение между числом случаев гибели из-за потери остойчивости и посадок на грунт. Увеличение относительного количества опрокинувшихся судов - симптом тревожный, так как эти аварии чреваты наиболее высоким риском для человеческой жизни. В этот же промежуток времени несколько возросло относительное количество пожаров, что связано с ростом численности танкеров и судов, транспортирующих сжиженные газы. В целом для использования при расчетах можно рекомендовать следующие средние значения аварий различных категорий за пятилетний период: столкновения - 9,9 %; посадки на грунт - 30,3 %; опрокидывания (нарушения герметичности корпуса) - 13,4 %; пожары и взрывы - 20,3 %.
Как следует из статистических данных, средний размер погибшего судна значительно меньше среднего размера эксплуатируемого судна. Это свидетельствует о том, что риск гибели для малых судов существенно выше, чем для больших. Рассмотрим эту зависимость подробнее.
В последние годы состав мирового флота начал стабилизироваться. Это связано с резким сокращением строительства крупнотоннажных и особенно гигантских судов, используемых для транспортировки сырой нефти. Именно из-за этой группы судов средний размер судна за рассматриваемые 15 лет увеличился с 3500 до 5500 per. т. В 1999г. впервые за последнее время средний размер судна снизился по сравнению с предыдущим годом.
В связи с существенным возрастанием количества погибших судов в 1998 – 1999 гг. рассмотрим данные за эти годы более подробно.
Результаты сравнительного анализа свидетельствуют о том, что размеры погибших и эксплуатируемых судов мирового флота существенно различаются. Примем отношение потерь морских судов за год к числу эксплуатируемых судов за среднюю вероятность гибели судна. Для того чтобы получить вероятность гибели судов той или иной размерной группы, это значение необходимо умножить на коэффициент ŋ. Величину ŋ можно рассчитать. Зависимость на рис. 1.1 подтверждает качественно сделанное заключение о том, что в целом вероятность гибели средних и малых судов валовой вместимостью менее 10 тыс. per. т примерно в два-три раза больше, чем у крупных судов.
Зависимость коэффициента ŋ от тоннажа судна
Рис. 1.1.
При проведении анализа несколько неожиданным оказалось снижение вероятности гибели малых судов по сравнению со средними. Является ли это обстоятельство случайным? Для проверки обратимся к статистическим данным Японии за 1966 - 1974 гг., в которых учтены суда вместимостью 5 рег. т и выше, и на их основании получим подтверждение сделанному выше заключению.
Вероятность гибели судов валовой вместимостью свыше 1000 рег. т равна 0,48 %, вместимостью 500 - 1000 рег. т - 1,56 %. Однако, для интервала 100 - 500 рег. т она составляет 1,24 % и с уменьшением размеров судов продолжает снижаться. Например, вероятность гибели судов вместимостью 5-20 рег. т (0,33 %) примерно в два раза ниже среднего уровня.
Как отмечалось выше, при оценке риска для жизни находящихся на судне людей важное значение приобретает характер вероятной аварии. Проанализируем с этих позиций аварии, происшедшие в 1998 - 1999 гг. Соотношение между основными видами аварий можно выразить в процентах, приняв сумму потерь в каждой размерной категории за 100 %. изменение соотношений между основными категориями аварий в зависимости от валовой вместимости судна (рис. 1.2), нельзя не обратить внимание на резкое снижение вероятности опрокидывания судов при переходе от интервала 100 - 500 per. т к 500 - 1000 per.
Изменение соотношений между различными категориями аварий в зависимости от валовой вместимости судна
Рис. 1.2.
В дальнейшем изменение соотношений между категориями аварий происходит достаточно плавно. Результаты расчетов, выполненных на основании данных, накопленных за значительно более обширный промежуток времени, показывают, что рассматриваемые зависимости становятся еще более плавными.
Какие факторы, помимо вместимости судна, могут оказать влияние на вероятность его гибели и характер аварии? Проанализируем с этих позиций такую важнейшую характеристику судна, как его назначение. Рассмотрим два типа судов, нефтеналивные и рыболовные, в наибольшей степени, различающиеся валовой вместимостью и условиями эксплуатации. Так, у танкера средняя валовая вместимость превышает 20 тыс. per. т, а у рыболовного судна составляет всего около 400 рег. т.
Фактические потери морских судов этих типов и потери, рассчитанные в предположении, что вероятность гибели зависит только от размеров судна и соответствует распределению, приведенному на рис. 1.1, различаются весьма незначительно. Это убедительно доказывает, что вероятность гибели судна существенно зависит от его размеров. Следует отметить, что расчетные распределения размеров погибших судов удовлетворительно совпадают 
с фактическими.
Использование для судов различных назначений единого закона распределения вероятности их гибели вместе с тем не является основанием для предположения об аналогичном характере аварий судов разных размеров.
Например, для судов средней валовой вместимостью свыше 20 тыс. per. т наибольшую опасность представляют пожары, столкновения и посадки на грунт.
Это заключение не является неожиданным, так как выше указывалось, что в основном такая вместимость присуща нефтеналивным судам. Наиболее вероятной причиной гибели рыболовных судов является потеря остойчивости, поскольку средний размер их невелик.
Какое влияние на риск гибели судна оказывает его возраст? Данные, необходимые для такого анализа, были заимствованы из ежегодных статистических отчетов Английского Ллойда.
Введем коэффициент ξ (рис. 1.3), учитывающий отклонение вероятности гибели судна той или иной возрастной группы от среднего значения, равного отношению числа погибших в рассматриваемом году судов к количеству судов, находящихся в эксплуатации. Тогда вероятность гибели судна с учетом его возраста равна: Вг = (n/N)ŋξ.
Видно, что только потери судов в возрастной группе 10 - 15 лет соответствуют среднему риску гибели n/N. Для первых двух групп аварийность существенно ниже среднего значения, а для более старых судов в 2,5 раза превышает среднее значение. Соответственно, вероятность гибели судов в течение первых 10 лет с момента постройки примерно в шесть раз ниже, чем для судов с продолжительностью эксплуатации от 20 до 30 лет. Вероятность гибели судна возрастом от 10 до 20 лет в среднем в 2,5 раза превышает минимальное значение.
Значение коэффициента ξ, учитывающего возраст судна
Рис. 1.3.
Следует отметить, что зависимость, приведенная на рис. 1.3, является весьма стабильной во времени и может использоваться не только для текущих оценок, но и для прогнозов на ближайшее будущее.
График на рис. 1.3 намеренно ограничен числом 30, так как после 25-летнего срока службы суда, как правило, подлежат списанию.
Влияет ли возраст судна на вероятную причину его гибели? Об изменении соотношений между категориями аварий в зависимости от возраста судна можно судить по графику на рис. 1.4. Несмотря на некоторое возрастание числа пожаров и сокращение относительного количества столкновений, можно утверждать, что возраст судна на вероятные причины гибели влияет мало. Для приблизительных оценок можно рекомендовать средние значения, которые также приведены на рис. 1.4 Они мало отличаются от полученных ранее значений, рассчитанных за пятилетний период.
Изменение соотношений между категориями аварий в зависимости от возраста судна
Рис.1.4.
Большое значение имеет анализ обстоятельств аварий морских судов, так как, в конечном счете, они сказываются на безопасности людей, К сожалению, количество литературных источников, содержащих подобную информацию, чрезвычайно ограничено.
Распределение аварий судов по месяцам года
Рис. 1.5
Распределение аварий морских судов (около 3000) по месяцам года приведено на рис. 1.5. Наибольшее их число в зимние и осенние месяцы обусловлено ухудшением условий плавания: видимости, состояния моря и др.
Распределение аварий судов в течение суток
Рис. 1.6.
Распределение аварий в течении суток представлено на рисунке 1.6.Наибольшее количество аварий приходится на периоды 4-8и16-20 ч. Если для первого ночного периода можно найти какие-то оправдательные обстоятельства, то для дневного это сделать достаточно трудно. Примерно поровну распределяются аварии между темным и светлым временем суток. Логически объяснимо распределение количества посадок на грунт: днем 37% и ночью 63%.
Однако статистические данные, связывающие вероятность аварий с погодными условиями и видимостью, заставляют задуматься. Так, для норвежского флота характерно нижеследующее распределение аварий.
Количество аварий
Ясно, частично облачно 36
Туман, дымка 12
Дождь 16
Снег, снежные заряды 4
Всего: 68
Приведем аналогичные данные для морских судов японского флота.
Количество аварий
Ясно 43
Облачно 38
Дождь 36
Туман, снег 10
Всего: 127
Столь же неожиданно распределяются аварии в зависимости от условий видимости, что видно, в частности, из данных по норвежскому флоту.
Объяснить такое положение можно следующим образом. Во-первых, относительное количество дней с погодными условиями, осложняющими управление судном и угрожающими его безопасности, относительно невелико. Во-вторых, в таких условиях повышается внимательность судоводительского персонала, управление судном поручается наиболее квалифицированным специалистам.
К внешним факторам, угрожающим безопасности судна, следует отнести ветер и волнение. О том, как часто они становятся причиной столкновений и посадок судов на грунт, можно судить по приводимым ниже норвежским данным.
Относительное количество аварий, %
Ветер:
слабый (бриз) 85
средний 13
от спокойного до среднего 88
от спокойного до штормового 12
Так же, как и в предыдущем случае, объяснить такое соотношение можно, приняв во внимание небольшую относительную продолжительность экстремальных внешних воздействий. Как сила ветра, так и волнение в наибольшей степени влияют на остойчивость судов, особенно не больших, размеров.
Естественно, что при потере остойчивости ветер играет определенную роль, тем не менее, главенствующей ее считать нельзя. Так, только 3 - 5 % аварий этой категории произошли при сильном ветре, который действительно мог явиться причиной бедствия.
Эффективность спасательных операций и степень риска для жизни людей на борту судна при аварийной ситуации в значительной степени определяются характером и продолжительностью протекания аварии. При столкновении или посадке на грунт сквозь повреждения в корпусе проникает вода, и осадка судна начинает изменяться. Из-за потери остойчивости и преобладания факторов, способствующих увеличению кренящего момента, судно получает крен, который возрастает до некоторой критической величины. При пожарах большое значение приобретает скорость распространения огня и его интенсивность.
Статистика последних лет свидетельствует, что, несмотря на использование современных достижений науки и техники, аварийность на морском флоте имеет тенденцию к росту. Большая часть повреждений приходиться на главные и вспомогательные механизмы, в 2000 году эта цифра составляла 69% от общего числа повреждений. Опыт показывает, что значительная часть всех аварийных случаев происходит из-за несвоевременного обнаружения предаварийного состояния судовых технических средств (ТС), а так же неправильных действий в аварийной ситуации, что объясняется неспособностью оператора идентифицировать состояние объекта, определить отказавшие элементы, прогнозировать развитие аварийной ситуации и найти эффективное решение по выходу из нее. Как результат - тяжелые повреждения или гибель судна (см. таблица 1.3).
Аварийность морских судов в 2012 году Таблица 1.3
| Причины аварийных случаев | Тяжелые повреждения | Гибель судна |
| Повреждения корпуса и механизмов | ||
| Столкновение | ||
| Кораблекрушение и посадка на мель | ||
| Пожары и взрывы | ||
| Затопления | ||
| Контакты с грунтом | ||
| Разнообразные | ||
| Боевые действия |
Потери от аварий морских судов, в особенности от аварий танкеров, приносят огромные убытки, а экологические катастрофы несут угрозу всему живому. Поэтому экологически опасные суда (танкеры, газовозы, химовозы и т.п.) оборудуют двойным корпусом, дублирующими системами электроснабжения, грузоперевалки, пожаротушения. На них устанавливают либо пропульсивные установки с двумя двигателями, либо дополнительные убирающиеся винторулевые комплексы. Стандартом такой безопасности стал танкер дедвейтом 31 600 тонн, построенный в 2001 году германской судостроительной промышленностью в соответствии с новой программой «Safety Tanker Class 2004». Однако и этих мер на сегодняшний день становиться недостаточно.
Международная морская организация «ГМО» приняла Международный кодекс по управлению безопасной эксплуатацией судов и предотвращению загрязнения (МКУБ), согласно которому каждая судоходная компания должна разработать и внедрить в своих подразделениях и судах систему управления безопасностью. В рамках требований МКУБ Россия приняла специальную программу создания единой системы безопасности судоходства, одним из обязательных элементов которой является установка на морских и речных судах оборудования безопасной конструкции.
При создании такого оборудования возникает необходимость в разработке автоматических систем управления (АСУ) судовыми ТС, построенными на новых принципах, позволяющих решать задачи не только высококачественного оптимального управления, но и управления объектами в предаварийных, аварийных, и послеаварийных режимах. Поэтому каждая АСУ, входящая в современный интегрированный комплекс систем управления судном, должна включать в себя подсистемы безопасного (противоаварийного) управления техническим объектом, которые обеспечивают:
1) контроль за безопасным движением и состоянием покоя объекта (интерпретация текущего режима) и предсказание (прогнозирование) возникновения аварийной ситуации;
2) раннее выявление опасной (предаварийной) ситуации и формирование информации о развитии и последствиях, которые могут вызвать возникшие неполадки, оценка риска повреждения объекта и судна в целом;
3) коррекцию управления по недопущению перерастания аварийной ситуации в аварию, т.е. выбор эффективного управляющего воздействия для быстрого приведения системы в нормальный режим;
4) определение границ и распознавание безопасной рабочей области, и локализацию возникшей аварии по средствам перевода технологического оборудования в безопасное состояние (отключение, остановка и т.п.);
5) устранение последствий аварии ТС, т.е. восстановление нормального режима установки.
Характер решаемых задач (сложность, широкая номенклатура, необходимость формирования новых знаний) и другие специфические особенности систем безопасного (противоаварийного) управления потребовали новых подходов, новых принципов, новых информационных технологий для их реализации, которые основываются на использовании современных методов моделирования, программирования, идей и методов теории искусственного интеллекта. Всё это многообразие аспектов проблемы обеспечения безопасного функционирования судовых объектов указывает на необходимость исследования с единых технических позиций на основе общности используемых методических приёмов, т.е. становится целесообразным объединение всего комплекса научно-теоретических и практических методов анализа и синтеза систем безопасного (противоаварийного) управления в одно направление.
Использование принципов безопасного (противоаварийного) управления при создании новых АСУ позволит обеспечить безопасное функционирование судовых технических средств и судов в целом без дополнительных затрат на повышение уровня надежности составляющих элементов, что является более сложной проблемой.