Denizcilikte kompleks sistem kaza analizi için yeni bir model önerisi
Novel approach for maritime complex system accident analysis
Yazar: BULUT OZAN CEYLAN
Danışman: PROF. DR. YASİN ARSLANOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Denizcilik = Marine ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering
Dizin: Deniz kazaları = Maritime accidents ; İş kazaları = Occupational accidents

Özet:
Kazaların neden oluştuğunu anlayabilmek, ileride oluşacak kazaları engellemek adına son derece önemlidir. Kaza nedenselliğinin sonuçları mal, çevre ve insan yaşamı için son derece yıkıcı etkilere sebep olabileceğinden, birçok alan için her zaman kritik ve sıklıkla çalışılan bir konudur. Bu bağlamda, kazaların analiz edilerek güvenlik kavramının iyileştirilmesi, birçok sistemin temel hedefi haline gelmiştir. Kazaların neden oluştuğunu anlamak ve kazanın ardında gizlenen tüm faktörleri ortaya çıkartmak amacıyla tarih boyunca çeşitli kaza analiz yöntemleri önerilmiş ve kullanılmıştır. Bu yöntemler, genellikle içinde bulunduğu ortamı yansıttığından, bazıları salgın hastalık durumundan, bazıları ise dönemin teknolojik şartlarından etkilenmiştir. Fakat genel olarak kaza analiz yöntemleri oluşan kazaların, birbiri ardına tetiklenen olaylar sonucu meydana geldiğini kabul eden, doğrusal bir akış içerisinde kazayı inceleyen mekanizmalara sahiptir.
Son yıllarda hızla gelişen teknoloji sayesinde gelişmiş ekipman, yazılım ve sistemler endüstride kullanılmaya başlanmıştır. Daha önceki yıllarda sadece mekanik temellere dayanan endüstri insan, makine ve yazılım unsurlarını beraber barındıran dinamik ve karmaşık süreçlere sahip yapılara evirilmiştir. Artık, pek çok sistem, yazılım ve insan tarafından kontrol edilen makineler ve bunların birbiri ile etkileşimini içermektedir. Tarih boyunca, diğer mekanik sistemlerde olduğu gibi, günümüz karmaşık sosyo-teknik ortamlarında da kazalar yaşanmakta ve bu kazalar analiz edilmektedir. Kompleks yapıdaki tesislerin mühendislik sistemleri, dinamik ve karmaşık bir yapı içerisinde hareket eden bileşenlere sahiptir. Bu sosyo-teknik sistemin kaza analizi, süreç güvenliği ve risk mühendisliği açısından diğer sistemlerden daha büyük bir öneme sahiptir. Ancak günümüz kompleks sistemlerinde, ortaya konduğu dönemin mekanik endüstri anlayışını yansıtan ve olayların zincirleme reaksiyonlar sonucu geliştiği fikriyle çalışan kaza analiz yöntemleri başarılı olamadığı görülmüştür. Uzun yıllar önce ortaya konmuş bu yöntemler, insan, makine ve yazılım etkileşimlerinin tümünü yakalamada başarısız olabilmektedir. Ayrıca anlık olarak değişen dinamik sistemlerde, sıralı olarak analiz yapan bu yöntemlerin etkili olması beklenmemektedir. Bu yöntemlerin ortaya konduğu tarihteki mekanik sistemler ile günümüz kompleks sistemleri kıyaslandığında, çok büyük farklar olduğu açıktır. Bu nedenle, bugünün karmaşık sistemlerini analiz edebilen, yeni nesil kaza analiz tekniklerinin önemi gün geçtikçe artmaktadır. Bu ihtiyaç ışığında, araştırmacılar tarafından sistem teorisine dayalı yeni kaza analiz yöntemleri tanıtılmaya ve kullanılmaya başlanmıştır.
Sistem teorisi tabanlı AcciMap, Sistemler-Teorik Kaza Modeli ve Süreçleri (STAMP) ve Fonksiyonel Rezonans Kaza Modeli (FRAM) en tutarlı yapıdaki ve sık çalışılan sistematik yaklaşımlardır. Bu analiz yöntemlerinden biri olan STAMP, Leveson tarafından karmaşık sistemlerde analiz yapmak üzere, geleneksel kaza analizinin sınırlamalarına cevap verebilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu yöntem, güçlü algılama kabiliyeti sayesinde, dinamik ve karmaşık bir yapının her türlü bileşen hatasını ve bunların etkileşimlerini tespit edebilmektedir. Diğer sistem teorisine dayalı yöntemlerle karşılaştırıldığında ise, STAMP'ın kazanın temel nedenlerinin belirlenmesinde daha kapsamlı olduğu, bazı çalışmalarla ortaya konmuştur. Ek olarak, bu yöntemin, karmaşık sistemlerde daha etkin bir kapasiteye sahip olduğu ve Accimap gibi diğer tekniklerden daha güvenilir analiz sonuçları üretebildiği de çeşitli çalışmalarla vurgulanmıştır. Fakat bu teknik sistem teorisine dayanmasına ve dinamik analitik yeteneklere sahip olmasına rağmen, hala geliştirmeye açık zayıf noktaları vardır. Dezavantajlardan biri, STAMP'ın sayısal bir analiz olmayıp nitel olarak analiz yapmasıdır. Literatürdeki çalışmalara bakıldığında araştırmacıların bu yöntemi çeşitli alanlarda, nitel olarak kullandıkları görülmektedir. Analiz sonucu tespit edilen eksiklikler, bir sıralama olmaksızın okuyucuya sunulmakta, faktörlerin eşit öneme sahip olduğu kabul edilmektedir. Bu sebeple, analiz sonrası bir öncelik sırası paylaşılamamaktadır. Buna ek olarak, yöntemin bilimsel çalışmalarda çok farklı şekillerde uygulanması, net uygulama adımları bulunmadığını göstermektedir.
Daha özel bir bakış açısıyla, güverte ve makine bölümleri ile gemiler yukarıda bahsedilen karmaşık mühendislik yapıları arasında yer almaktadır. Ticari bir geminin makine dairesi, farklı süreçlere sahip çeşitli sistemler ve alt sistemler içermektedir. Örneğin, basınçlı hava, yağlama, soğutma suyu, ön ısıtma, egzoz, yakıt, sevk sistemi, yağ buharı algılama, makine koruma güvenlik sistemleri ile ana makine, geminin makine dairesi bileşenlerinden yalnızca bir tanesidir. Sadece geminin ana makinesinde bile, bu kadar çok bileşen varken, gemide bulunan jeneratörler, kazanlar, kompresörler, pompalar, dümen sistemi, acil durum jeneratör ve pompa sistemleri, gibi unsurlar düşünüldüğünde gemilerin son derece karmaşık yapılar olduğu görülmektedir. Makine kısmına ek olarak, geminin güverte kısmı da benzer şekilde çeşitli sistemlerle donatılmış durumdadır. Tüm bunlara insan faktörü ve gelişen teknoloji ile artan insan-makine etkileşimleri de eklendiğinde gemilerin yüksek karmaşıklıktaki durumu daha iyi ifade edilmiş olmaktadır.
Karmaşık sistemleri analiz edebilen, yeni nesil kaza analiz yöntemleri, günümüzde çok farklı alanlarda kullanılmaya başlanmıştır. Sağlık, havacılık, demiryolu, petrol üretim, mühendislik süreçleri gibi sektörler bunlardan bazılarıdır. Denizcilik, tamamen karmaşık sistemler içermesine ve sistem teorisi temelli kaza analizleri son derece kapsamlı olmasına rağmen, bu yeni nesil yaklaşımlar denizcilik alanında henüz yeterince kullanılmamıştır. Denizcilik sektöründe, STAMP gibi yeni nesil kaza analiz yöntemlerini kullanan çok az çalışma bulunmaktadır. Yüksek karmaşıklığa sahip yapılar olan gemilerde yürütülecek olan kaza analizlerinin bu karmaşık yapıya cevap verebilen kapsamlı ve yeni nesil teknikler kullanılması gerekliliği açıktır. Bu sebeple, bu tez çalışmasında, yenilikçi kaza analiz yöntemleri ile denizcilikte kompleks sistem kaza analizi için yeni bir model önerisi sunularak bu ihtiyacın karşılanması amaçlanmaktadır.
Çalışmada, kazalara katkıda bulunan faktörlerin araştırılması için, yeni bir analiz aracı önermektedir. Bu yaklaşım, karmaşık sistem kaza analizi dâhilinde, alternatif bir çözüm oluşturmak için, STAMP ve kural tabanlı bulanık FMEA yöntemlerini birleştirmektedir. Bu iki yönteme ek olarak, bazı yenilikçi adımlar da çalışmaya dâhil edilmiştir. Tez uygulaması kapsamında, önerilen modelin etkinliğini göstermek adına, iki adet yaşanmış gemi kazası incelenmiştir. İncelenen kazaların, makine kaynaklı olması ve insan, yazılım, donanım etkileşimlerini içeren son derece karmaşık bir yapıya sahip olması gözetilmiştir. Ayrıca, son dönemde artan teknolojik gelişmelerle hızlanan makine-insan etkileşimlerini daha iyi gösterebilmek adına, her iki kaza son yıllarda gerçekleşen, güncel vakalardan seçilmiştir. Her iki vakaya önerilen modelin adımları, sırasıyla uygulanmış, elde edilen faktörler, FRPN puanlarıyla beraber final raporu altında paylaşılmıştır. İlk uygulama olan M/V Vitaspirit kazası kapsamında, kazaya sebep olan faktörler tespit edilmiş, kodlanmış, daha sonra bulanık mantık ortamında uzman görüşü ile ağırlıklandırılarak, final raporu elde edilmiştir. Final raporu ışığında, bu kazanın, %71 insan faktörü, %12 donanım ve yazılım faktörü ve %17 dış faktör nedeniyle ortaya çıktığı ortaya konmuştur. Önerilen yaklaşıma göre, ikinci uygulaması vakası olan M/V Guroni olayında ise, kazanın %79 insan faktörü, %14 donanım ve yazılım faktörü ve %7 dış faktör nedeniyle oluştuğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Gaining a comprehensive understanding of the causes of accidents is of utmost importance in order to effectively prevent their occurrence in subsequent instances. However, the notion of safety is consistently regarded as a critical and extensively researched matter across various disciplines due to its potential to cause significant consequences on property, the environment, and human life. In this context, numerous systems have prioritized the enhancement of safety by means of inspecting accidents. Over the course of history, numerous accident analysis methodologies have been developed and implemented with the aim of explaining the causes of accidents and comprehensively identifying the various factors that contribute to them. Because these procedures typically reflect the environment, some of them were influenced by the epidemic disease, while others were influenced by the technical circumstances of the time, resulting in shaped analysis processes. However, these techniques in general contain mechanisms that assess the accident in a linear flow, which acknowledges that accidents happen as a result of events that occur one after the other.
The rapid advancement of technology has led to the adoption of advanced technology, software, and systems within the sector. Over the years, the industry has witnessed a significant evolution, transitioning from rudimentary mechanical foundations in its early stages to complex structures characterized by intricate and dynamic processes. These processes encompass a combination of human, machine, and software elements. Several modern systems incorporate the integration of software-controlled machines and human agents, facilitating their collaborative interaction. Accidents are also observed in these intricate socio-technical environments, and efforts are made to analyze these occurrences. The engineering systems within these facilities exhibit a diverse array of components that are organized in a dynamic and intricate structure. The analysis of accidents in this socio-technical system holds greater significance compared to other systems with regards to process safety and risk engineering. However, it is argued that in modern complex systems, accident analysis methods that are based on the mechanical industry's understanding during their inception and rely on the concept of chain reactions may not yield successful outcomes. Furthermore, the sequential nature of these methods renders them ineffective in dynamic systems characterized by instantaneous changes. There are present significant disparities when comparing the historical development of these methods with modern systems. Consequently, there is a growing significance attributed to modern accident analysis techniques that are capable of analyzing complex structures prevalent in the present era. Researchers have introduced and utilized new accident analysis methods grounded in systems theory to address this particular requirement. Systems theory-based AcciMap, Systems-Theoretical Accident Model and Processes (STAMP), and Functional Resonance Accident Model (FRAM) are the most consistent and frequently studied approaches. One of these analysis methods, STAMP, was designed by Leveson to respond to the limitations of traditional accident analysis to analyze complex systems. Thanks to its powerful detection capability, this method can detect all kinds of component failures and their interactions with a dynamic and complex structure. Compared to other systems theory-based methods, some studies have shown that STAMP is more comprehensive in determining the root causes of the accidents. In addition, it has been emphasized by various studies that this method has a more efficient capacity in complex systems and can produce more reliable analysis results than other techniques such as Accimap. Nevertheless, despite its foundation in systems theory and its possession of dynamic analytical capabilities, this technique still exhibits certain vulnerabilities that warrant further enhancement. One limitation of STAMP is its qualitative nature, as it does not involve quantitative analysis. Upon reviewing the existing studies in the academic literature, it becomes evident that researchers employ this particular method in a qualitative manner across diverse disciplinary domains. The analysis reveals deficiencies that are presented to the reader without any specific order, and all factors are regarded as having equal significance. Due to this rationale, it is not feasible to disseminate a prioritization sequence subsequent to the analysis. Moreover, the widespread utilization of this method across various research studies serves as a significant indication of the absence of well-defined implementation procedures.
From a more specific point of view, the deck, cargo and machinery sections of ships are located between the above-mentioned complex engineering structures. The engine room of a commercial ship contains various systems and subsystems with different processes. For example, compressed air, lubrication, cooling water, preheating, exhaust, fuel, propulsion system, oil mist detection, machinery protection safety systems and the main engine are only one of the ship's engine room components. While there are so many components only in the main engine of the ship, elements such as generators, boilers, compressors, pumps, lubrication systems, compressed air systems, heating systems, sea water and fresh water systems, steering system, emergency generator and pump systems, electrical system are on the ship. Given the inherent complexity of ships as intricate structures, it is evident that. In conjunction with the machinery component, the deck segment of the vessel is also outfitted with a diverse array of systems. The expression of the high complexity of ships is enhanced when considering the human factor and the growing interactions between humans and machines in relation to advancing technology.
The application to current accident analysis methodologies, which possess the ability to assess complex systems, has witnessed a growing prevalence in diverse fields in recent years. Sectors such as healthcare, aviation, railway transportation, oil production, and engineering processes are among the various sectors under consideration. Despite the inherent complexity of maritime systems and the comprehensive nature of accident analysis based on system theory, there remains a lack of adequate utilization of these advanced approaches within the maritime domain. In the maritime industry, there exists a scarcity of research endeavors that employ modern accident analysis techniques, such as the Systems-Theoretic Accident Modeling and Processes (STAMP) approach. It is evident that when conducting accident analyses on ships with complicated structural designs, it is imperative to employ comprehensive and state-of-the-art methodologies capable of effectively addressing the complexities inherent in such structures. The objective of this thesis is to address the aforementioned need by proposing a novel model for analyzing accidents in complex maritime systems.
The study proposes a novel analysis tool to investigate the factors contributing to accidents. This approach combines STAMP and rule-based fuzzy FMEA to create an alternative solution within complex system accident analysis. Furthermore, the study incorporates several innovative measures in addition to the aforementioned two methods. In order to ascertain the efficacy of the proposed model, an analysis is conducted on two real ship acidents. The objective is to investigate accidents that are caused by machines and possess a highly intricate composition involving interactions between humans, software, and hardware. Furthermore, to effectively demonstrate the heightened machine-human interactions resulting from recent technological advancements, two accidents have been chosen from current case studies that have occurred in recent years. The application steps were applied to both cases and the factors obtained were shared under the final report together with the FRPN scores. The initial application, known as the M/V Vitaspirit Accident, involved the identification and categorization of the factors that played a role in the occurrence of the accident. These factors were subsequently analyzed and a final report was generated by incorporating expert opinions within a fuzzy logic framework. In the light of the final report, it was revealed that this accident occurred due to 71% human factors, 12% hardware and software factors, and 17% external factors. In the case of M/V Guroni, which is the second application case, it was determined that the accident occurred due to 79% human factors, 14% hardware and software factors, and 7% external factors.