風險模態下的艦船火災源評估分析

沙小進

(南通航運職業技術學院，江蘇 南通226010)

0 引 言

現代艦船結構復雜，設備結構層次不一，動力設備和器械設備相互作用共同保證了艦船的安全運行。在艦船行駛中，必然需要攜帶大量的物品，其中就包含易燃易爆危險品，這些危險品的存在導致艦船在海上環境行駛時火災發生的可能性大大提高。在近幾十年的航運史上，世界各國發生的艦船火災事故數不勝數，造成人員、財產及艦船設備損失也極為慘重。而且，當艦船火災發生時，撲救措施有限，撲救方式也較為單一;對于從事軍事戰斗行動的艦船來說，火災威脅更是致命。因此，如何有效辨別火災源并預估出火災源發生火災的風險概率受到越來越多專家的重視，艦船火災評估也成為衡量艦船生命力和性能的標準之一。尤其近10 年來，船舶火災預防安全評估被納入艦船安全工程研究中，并引入數學方法進行定量與定性分析，實現了更精確風險模態下艦船火災源評估的準確性和科學性。基于此，本文通過對艦船火災源進行分類辨識，并在此基礎上利用事故樹模型方法對艦船的火災源評估進行分析，以期為預防艦船火災事故的發生提供一定的科學依據。

1 艦船火災風險評估研究基本框架

1.1 艦船火災機理分析

從機理上講，艦船設備結構復雜，各個艙室狹窄封閉，空氣溫度升高和動力設備運行產生的氣體是艦船火災發生的主要因素，在此過程中，船體中的管道或高溫艙室受損便會造成火災;其次，艦船上各種油氣和武器彈藥存放都具有極大危險性，必須以嚴格的操作行為和完善的制度管理實現對物質設備人員的動態防范;最后，艦船火災的發生是艦船性能監測的失范，是儀器儀表靈敏性或船體結構承受力受損造成的，這樣在艦船內外環境共同作用下產生了火災源因素的激活，造成不同程度的艦船火災事故。因此，在艦船火災機理上把握住艦船火災源因素，然后從機理上辨別出可能造成艦船火災的火災源，并以科學方法分析出各火災源的火災風險概率，研究分析艦船火災發生的可能性，才能有效預防火災的發生。

1.2 火災源因素

艦船火災事故的發生是由于在艦船空間或結構或物品中存在著潛在的火災源，火災源有多種存在形式，按照一般的火災危險源分類，火災事故發生的起源因素有以下幾種:一定的燃燒物產生的危險氣體;存在易燃易爆的物品;人為或環境不安全動作，包括人、物和環境。

所以，針對火災因素，在艦船火災評估中，要有效的識別。同時艦船的裝備屬性意味著所攜帶的彈藥武器也是危險源，也需要納入整個火災源識別框架系統中。因此，在確定艦船火災源因素后進行艦船火災事故的評估分析，能更好地對艦船火災事故進行防范。

1.3 火災源識別評估方法

現階段對艦船火災源的識別評估方法不一，分析方式不同，各研究中采用的主要方法有:

1)模糊綜合評判法

該方法利用艦船火災風險嚴重程度以層級的原理建立至上而下的火災源評估體系，邀請多個專家對評估指標的各項數值進行評判，并根據評判結果進行指標權重的統計。然而該方法沒有明確的指標分析標準，受限于專家知識和經驗，評估結果可能與實際出現一定的誤差。

2)安全檢查表法

該方法依據相關火災預防標準、規范，通過系統的檢查，找出導致火災發生的因素，并將諸多因素編制匯總，相關人員定時按照該匯總對不合格對象因素整改，預防潛在的火災事故。但該方法無法對檢查對象定量分析，缺乏相關的衡量指數。

3)火災動力學與統計理論結合法

該方法充分利用了艦船火災發生的動力學理論，以動態和靜態的分析方法辨別艦船火災危險源，在掌握火災孕育發生演化的機理下，運用一定方法(如Petri 網模型法)建立以火災動力學模型為基礎的統計分析公式，計算過火面積。這種方法雖然有效，卻過于注重細節，無法整體上增強艦船火災源分析的客觀性。

4)事故樹(FTA)分析法

該法以火災源因素的發生概率為基礎，以火災事故的因果關系為前提，建立至上而下的關系結構，分析各層級的發生概率，全面完整的找出事故火災源的發生概率以及嚴重程度，有著其他方法不具備的優勢，而且，隨著信息計算技術的發展帶來的概率計算的便利，事故樹分析法 (FTA)應用會更廣泛。

因此，本文采用事故樹(FTA)分析法進行艦船火災源的風險評估，以影響艦船安全的火災源為對象，計算產生火災源的概率因素，并對產生火災源的因素進行研究分析。

2 事故樹分析法

2.1 事故樹分析法原理

2.1.1 事故樹法相關定義

對于一個事件，假設其存在2 種狀態，設

其中i = 1，2…，n 表示存在n 個底事件。

如果F 為事故樹的頂事件T 的相關描述，那么關于F 的底事件函數為:

若

F = F(x)= F(x1，x2，…，xi－1，1. xi+1，…，xn)≠F(x1，x2，…，xi－1，0，. xi+1，…，xn)則認為xi與F 相干，否則就認為xi對頂事件T 不具有任何作用;

現假設{x1，x2，…，xn}為一個事故樹的底事件，其子集滿足如下所示:

當xi1= xi2= … = xil= 1 且F(x)= 1 時，則可以認為該子集為對應底事件向量割集，如果底事件與頂事件的狀態相一致，則認為該割集為最小割集;相反，如果xi1= xi2= … = xil= 0 且F(x)=0 ，則可認為該子集為底事件的徑集，同時，如果底事件與頂事件的狀態相一致，則稱該徑集為最小徑集。

2.1.2 頂事件概率的計算

若在頂事件用最小割集計算表示的話，現設有m 個最小割集p1，p2，…，pm，那么該事故樹的結構函數為其中pi用底事件表示為:

則可得到:

若頂事件用最小徑集計算的話，則設有k 個最小徑集Q1，Q2，…，QK，那么該事故樹的結構函數為其中Qi用底事件表示為則可得到:

由上述頂事件的結構函數F(x)以順利求得頂事件的概率計算時，若以最小割集表示，則PT=那么由上述知頂事件是一個和事件，因此:

PT= p{piYp2Y…Ypm}。

通過以上定義可知，事件的概率公式如下:

當底事件的發生概率可以忽略不計時，對頂事件的概率計算可簡化為:

2.1.3 底事件概率的計算

由對頂事件的概率計算知，底事件的概率重要性即相對于頂事件所做出的相應貢獻大小，底事件對頂事件的貢獻值越大，則其概率重要性越大，反之越小，所以可用數學公式描述為:

式中:I(i)為底事件的重要程度;qi為底事件發生的概率。

2.2 事故樹分析法流程

采用事故樹分析法進行火災事故分析時，要遵循的流程步驟，先進行目標分析，確定頂事件對象，再計算目標事件的發生概率，在此基礎上，分析事件發生的源過程，找出起因，從頂事件開始對事件源逐級進行尋找，然后進行定性定量的事件分析，運用最小割集和最小徑集原理，分析事件的重要性程度，進而確定事件發生的概率大小，在分析出事件概率后，有針對性的進行事件改進補償，不斷評估改進后得到新效果，以期到達理想要求。

圖1 事故樹分析法流程Fig.1 The process of accident tree analysis

3 基于事故樹法的艦船火災源風險評估

3.1 各火災源的風險概率

上文指出，艦船的火災源因素不一，所以在進行事故樹分析前，需要識別出火災源的風險概率。下面就按照火災源分類的方法，對艦船火災源進行風險概率評估。

3.1.1 易燃易爆源

易燃易爆物的火災源與艦船艙室溫度、大氣壓強和環境濕度因素有著直接的關系，現假設以上的因素參數分別為t，p，s，y，則艦船在艙室中發生火災的概率如下式所示:

式中:N(t，p，s)為概率密度函數;參數t，p，s 分別為溫度、壓強和濕度;N(t，p，s)是通過儀器測量和精確計算得出。

3.1.2 人為因素源

假設艦船的操作人員在一定時期為X，選取的事故樹模型中底事件失誤率數值為Y，建立函數:

在此基礎上進行數據分析。對操作人員的失誤原因進行統計，按照統計方法(如最小二乘、協方差)擬合函數曲線，獲取X 和Y 之間的相應關系，得到人員操作失誤的模型，進一步求得各人的失誤概率數值，根據該數值便可知因人為原因造成的艦船火災發生的概率，計為ppf。

3.1.3 環境因素源

由于艦船行駛中可能遇到不確定的海況環境，而且海況環境具有不確定性，所以在計算環境因素源導致的火災風險概率時需要依賴歷史數據，假設環境因素造成的艦船火災發生的概率為

式中:g 為一段時間內因環境因素造成的艦船火災發生的次數;m 為該段時間內艦船的數量。

在綜上火災源風險概率的基礎上，可以數值化計算出火災發生時所造成的艦船損害嚴重危險程度，即火災危險度，這樣能對艦船火災發生造成的損失以直觀化、數字化的展現。下面以火災危險度為對象，建立實現火災危險度的評估模型進行艦船火災源的風險評估。

3.2 建立評估模型

在本文中，根據火災源的事故樹 (FTA)分析法的設計機制，設計出的層次結構如圖2所示。

圖2 事故樹分析法層次結構圖Fig.2 Accident tree analysis hierarchy structure

結合艦船本身的艙室設計及設備的材料結構，將單艙室的火災發生公式函數設計如下:

式中:Qf為該艦船艙室的火災危險度;K1，K2，K3，K4分別為火災源爆炸的影響因子，包括空氣可燃度、可燃速度、通風狀態等。通過對火災源風險概率和火災危險度的計算后，可知具體的定量數值。在此基礎上，建立基于事故樹分析法的艦船火災風險評估模型，其公式如下:

通過對上式的量化求出具體的艦船火災風險概率，這種量化的方式直觀能分析出艦船火災發生的概率大小，從而確定具體的危險源存在空間，提前防范，避免火災的發生。

3.3 實例分析

現根據上述公式，以我國東海某型號驅逐艦燃油設備、錨機艙室、臥室空間和艦船機艙進行基于事故樹的火災風險分析，計算結果如表1 所示。

表1 艦船火災源概率分析表Tab.1 The probability analysis of ship fire source table

表1 中，燃油設備的火災危險度較其他艙室的火災危險性大，可知燃油設備發生火災事故的概率較大，應該采取措施對燃油設備進行重點防范，根據燃油設備的系統結構和性能參數進行方法補償。本文的補償方法如表2 所示。

表2 燃油設備補償措施Tab.2 Fuel equipment compensation measures

由表2 可知，在補償后的火災風險性為:

Qf=0.265968 ×0.96 ×0.93 ×0.94 ×0.97 ×0.94=0.2035。

這樣通過科學的方法和合理的模型設計，以定量的方式計算出艦船火災發生的風險，并通過對火災源的設備補償，火災風險性降低了24%，實現了降低火災源發生火災的概率，保證了艦船的壽命和性能，提高了艦船的穩定性，減少了在艦船火災事故中不必要的人員傷亡財產損失。

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