基于Petri網(wǎng)的航母飛行甲板火災評價方法＊

胡容兵 訾書宇 謝 君

（1．海軍工程大學科研部 武漢 430033）（2．海軍工程大學裝備經(jīng)濟管理系 武漢 430033）（3．海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

火災是航母飛行甲板頻發(fā)的事故之一［1］，據(jù)不完全統(tǒng)計，美國航母在1951年～2008年間就發(fā)生了大小火災18次，平均每3年就會發(fā)生1次火災。由于航母甲板上停放有作戰(zhàn)飛機和武器彈藥，所以甲板火災還極易引起爆炸事故，輕則造成財產損失，重則導致人員傷亡。比如，2008年“華盛頓”號航母發(fā)生的火災在歷史上的航母火災中尚屬“輕微”，但它的直接經(jīng)濟損失卻達7000 萬美元；在1951年以來美國航母發(fā)生的火災中，至少有376人死亡，30 架艦載機被毀，平均每次火災死亡21人、毀壞艦載機117架以上［2］。因此，對航母飛行甲板進行火災評價研究，可有效控制火災的發(fā)生，減少由其帶來的對生命和財產的威脅。

對航母飛行甲板火災風險進行評價可以客觀、準確地認識甲板火災的危險性，為有針對地進行甲板火災防范提供科學的依據(jù)。目前，火災風險的隨機性評價方法雖比較成熟［3～8］，但難以對甲板火災風險進行定量和動態(tài)分析。因為定量火災風險評估方法以系統(tǒng)發(fā)生事故的概率為基礎，進而求出風險，以風險大小衡量系統(tǒng)的火災安全程度。該方法需要依據(jù)數(shù)據(jù)資料和數(shù)學模型，通過統(tǒng)計計算進行科學評價。所以只有當火災評估的數(shù)據(jù)量較充足時，才可采用定量評估方法進行火災風險評估。

鑒于此，本文在綜合當前火災風險評價方法的基礎上，針對航母飛行甲板的火災安全特性，提出引入Petri網(wǎng)對航母飛行甲板火災風險進行系統(tǒng)評價。

2 Petri網(wǎng)基本理論

Petri網(wǎng)的概念由Carl Adam Petri于1962年首次提出，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，應用領域日益廣泛。Petri網(wǎng)是一種集圖形建模、數(shù)學分析和仿真為一體的工具。通過Petri網(wǎng)對系統(tǒng)進行描述，可以進一步分析變遷的活性（liveness）、狀態(tài)及標識之間的可達性（reachability）、位置的有界性（boundness）、初始狀態(tài)的可逆性（reversibility）、變遷之間的堅挺（persistence）、事件之間的同步距離（synchronic distance）和公平性（fairness）等行為特性［9～10］。

2．1 Petri網(wǎng)定義

定義1：位置／變遷系統(tǒng)（P／T系統(tǒng)）

一個六元組Σ＝（P，T；F，K，W，M0））是一個P／T系統(tǒng)當且僅當：

1）三元組是一個Petri網(wǎng)。其中P＝｛p1，p2，…，pn｝，n＞0，為位置的有限集；T＝｛t1，t2，…，tm｝，m＞0，為變遷的有限集；F表示弧集合，且滿足P∪T≠Φ；P∩T＝Φ；F?（P×T）∪（T×P）。

2）K：P→N＋∪｛∞｝是位置容量函數(shù)。

3）W；F→N＋是弧權函數(shù)，用ω（p，t）或ω（t，p）表示p指向t或由指向的有向弧的權重。

4）M0：P→N是初始標識（marking），滿足?p∈P：M0（p）≤K（p）。

隨機Petri網(wǎng)（Stochastic Petri Net，SPN）則通過對Petri網(wǎng)中的變遷引入時間參數(shù)，進行系統(tǒng)性能評價。SPN 有兩種形式：Molloy形式和Florin-Natkin形式。

定義2：連續(xù)時間SPN＝（P，T；F，W，M0，λ），其中（P，T；F，W，M0）是一個P／T系統(tǒng)，λ＝｛λ1，λ2，…，λm｝是變遷平均觸發(fā)速率集合。

2．2 SPN 應用于系統(tǒng)性能評價的理論基礎

系統(tǒng)性能評價的傳統(tǒng)方法是采用排隊論來解決系統(tǒng)的描述問題。數(shù)學求解的基礎是馬爾可夫隨機過程，Petri網(wǎng)的出現(xiàn)為系統(tǒng)性能分析提供了新的描述工具。用Petri網(wǎng)來描述一個系統(tǒng)通常基于兩個概念：事件和條件。Petri網(wǎng)不僅僅是系統(tǒng)的一種圖形表示，更重要地是同時獲得了系統(tǒng)的數(shù)學描述。

為了描述系統(tǒng)的動態(tài)行為，處理任務的執(zhí)行可以用相應的轉換發(fā)射來表示。Petri網(wǎng)中令牌的移動表示了處理過程中的信息流程。Petri網(wǎng)在某一時刻的標記反映了系統(tǒng)的特定狀態(tài)，向前標記決定了在給定初始狀態(tài)下系統(tǒng)所有可能出現(xiàn)的狀態(tài)的集合。在連續(xù)時間的隨機Petri網(wǎng)中，一個轉換從可發(fā)生到實施需要延時，即在一變遷變成可發(fā)生到它實施時刻之間即被看成是一個連續(xù)隨機變量，且服從于指數(shù)分布。已經(jīng)證明一個隨機Petri網(wǎng)同構于一個連續(xù)時間的馬爾可夫鏈（MC），SPN 應用于系統(tǒng)性能評價主要分為三步：

1）給出系統(tǒng)的一個SPN 模型。

2）按照觸發(fā)延遲時間服從指數(shù)分布，構造出該SPN 所同構的馬爾科夫鏈（若不完全服從指數(shù)分布，則調用SPNP軟件包的仿真功能進行仿真。）

3）對基于馬爾科夫鏈的穩(wěn)定狀態(tài)概率進行所要求的系統(tǒng)性能分析。

在求得其穩(wěn)態(tài)概率的基礎上，可進一步分析系統(tǒng)性能指標及時間特性，分析組織或各轉換的忙閑程度、工作效率，找出影響系統(tǒng)性能的主要因素、分析系統(tǒng)在不同調度指揮方式下的資源分配優(yōu)化方案。

3 基于Petri網(wǎng)的航母飛行甲板火災風險評價模型

3．1 火災評價基本假設

建立火災評價方法的基本假定主要包括以下幾個方面：

1）飛行甲板上的工作人員會出現(xiàn)錯誤行為。這些行為是事故性火災發(fā)生所必需的條件；

2）飛行甲板上的各類設施（包括艦載機、彈射裝置、止動輪檔、噴氣偏流板、阻攔裝置、著艦引導系統(tǒng)、防護設備等）會發(fā)生隨機失效。這些失效事件是火災發(fā)生所必需的條件；

3）工作人員的錯誤行為和各類設施發(fā)生隨機失效的分布情況是可知的，但不精確；

4）工作人員錯誤行為的出現(xiàn)概率可以降低，各類設施的安全性能可以得到改進，但不可能達到完美程度；

5）火災過程的實際特性是可以確定的。

3．2 航母飛行甲板火災評價的基本框架

1）確定評估目標。根據(jù)航母飛行甲板的具體特點，確立相應的評估目標和功能要求。

2）確立評估標準。根據(jù)評估目標和功能要求，建立航母飛行甲板火災安全評價標準。

3）綜合評估防火安全性能。根據(jù)航母飛行甲板防火安全性能預測結果，參照評估標準，綜合評估防火安全性能。

3．3 航母飛行甲板火災風險評價指標體系

圖1 航母飛行甲板火災風險評價指標體系

科學、客觀全面地確定指標體系是評價研究內容的基礎和關鍵，直接影響評價的精度和結果。在確定火災指標體系時主要考慮的因素有：能夠預防火災發(fā)生的因素；在火災發(fā)生后，能夠發(fā)揮有效作用減少災害造成的人員傷亡或財產損失的因素。建立航母飛行甲板火災評價指標體系如圖1所示。

3．4 基于Petri網(wǎng)的航母飛行甲板火災風險評價

模型的建立

具體建模步驟如下：

1）確定火災風險的評價指標。

2）確定網(wǎng)模型。定義含義位置元素P、變遷元素T的含義，確定有關位置及變遷的相關參數(shù)等。

3）確定網(wǎng)絡的容量函數(shù)和各弧的權重。

4）各評價指標的綜合，得到整個火災風險評價系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型。

按照上述建立Petri網(wǎng)模型的步驟，對飛行甲板的火災風險評價系統(tǒng)進行分析，建立Petri網(wǎng)火災風險評價模型如圖2所示。

該模型中各位置和變遷分別表示：

P1：飛行甲板的初始風險狀態(tài)；P2：新發(fā)現(xiàn)風險的基本情況；P3：甲板條件（包括甲板材料耐火性能、甲板結構的防火構造、甲板溫度、彈藥安全狀態(tài)、油料安全狀態(tài)）；P4：防火設施狀況（包括火災探測與報警系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)等）；P5：設備特性（包括彈射器、止動輪檔、阻攔裝置、著艦引導系統(tǒng)等，因為系統(tǒng)發(fā)生危險，往往會造成艦載機失事，繼而引發(fā)火災）；P6：人員特性（包括人員安全意識、人員安全行為等）；P7：安全管理狀況（包括安全職責劃分、安全教育宣傳、安全培訓檢查等）；P8：由于甲板條件導致的風險損失；P9：對甲板條件采取火災防范措施的效果；P10：由于防火設施狀況導致的風險損失；P11：對防火設施采取火災防范措施的效果；P12：由于設備特性因素導致的風險損失；P13：對設備特性采取火災防范措施的效果；P14：由于人員特性因素導致的風險損失；P15：對人員特性采取火災防范措施的效果；P16：由于安全管理狀況導致的風險損失；P17：對安全管理狀況采取火災防范措施的效果；P18：綜合評價飛行甲板火災風險等級。

圖2 航母飛行甲板Petri網(wǎng)火災風險評價模型

t1：發(fā)現(xiàn)火災風險；t2：確定該風險為已辨識風險；t3：判斷為甲板條件導致的風險；t4：判斷為防火設施狀況導致的風險；t5：判斷為設備特性導致的風險；t6：判斷為人員特性導致的風險；t7：判斷為安全管理狀況導致的風險；t8：確定甲板條件的致險等級；t9：確定防火設施狀況的致險等級；t10：確定設備特性的致險等級；t11：確定人員特性的致險等級；t12：確定安全管理狀況的致險等級；t13：對甲板條件采取火災防范措施；t14：對防火設施狀況采取火災防范措施；t15：對設備特性采取火災防范措施；t16：對人員特性采取火災防范措施；t17：對安全管理采取火災防范措施。

4 結語

航母飛行甲板火災風險評價是一個非常復雜且十分重要的研究課題，Petri網(wǎng)的引入對該課題的研究開辟了一條新的途徑。文中對航母飛行甲板火災風險評價的Petri網(wǎng)模型進行了研究，更深入的求解及分析工作將在后續(xù)的研究中繼續(xù)開展。

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