船舶火災風險評估研究現狀及發展趨勢

，，

(1.中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，合肥 230026；2.海軍研究院，北京 100161)

船舶工業作為國家實施海洋強國和制造強國戰略的重要支撐，得到了廣泛關注，船舶安全更是得到了前所未有的重視，特別是近年來多起重特大海難事故的發生，更加凸顯了對提高船舶安全的迫切需求。因此，使用科學的方法提高船舶的整體安全性并降低海難事故的發生，對我國海洋強國戰略的實施意義重大。

風險評估作為一種系統、科學的分析方法能更加客觀、準確地認識災害的危險性，為人們預防災害、控制災害提供依據和支撐。國際海事組織(IMO)在20世紀90年代提出了綜合安全評估(formal safety assessment, FSA)，并呼吁成員國積極開展船舶安全方面的研究[1]。根據船舶風險研究在國際頂級期刊的發表情況(見圖1)，發現更多的研究關注船舶擱淺、碰撞等駕駛類事故，較少關注船舶火災。伴隨著我國豪華郵輪、VLCC、LNG船等高附加值船舶的建設，船舶火災的風險評估及防控技術值得重點關注。

圖1 船舶風險研究在安全類和船舶類國際期刊上的發表情況(2010—2017年)

1 船舶火災的特點

船舶火災部分特點如下。

1)火災發生可能性較高。船舶較陸地建筑通常具有更多的火災隱患。船舶艙室除居住艙室外，還包含有機械艙室，這類艙室內普遍存在有大量危險可燃物。機械處所不僅可能存在人員操作不慎造成的火災，還有可能存在設備老化引起的火災。機器設備的高溫表面、燃油管路接頭的松動或斷裂、油柜的滴漏或滿溢、電氣設備短路過熱和電纜自身著火等都是引起船舶起火的重要原因[2]。據不完全統計，機艙火災占船舶火災總數的2/3[3]。

2)船舶火災載荷大、耐火等級低，火災蔓延迅速。船舶總體結構相對狹窄，大量可燃物集中在很小的空間里，導致單位面積的火災載荷很大，一旦發生火災艙室溫度會急速上升，甚至發生轟燃。船舶由于載重和結構限制，內部舾裝的耐火等級普遍低于建筑，火災發生后容易燒穿甲板、隔墻等分隔物，加速火災蔓延。

3)火災撲救難度大，人員逃生方式與建筑存在差異。不同于建筑火災，船舶發生火災后通常無法得到外界支援，只能依靠自身配備的消防力量進行撲救。船舶所配備的消防器材和設備有限，給滅火工作帶來極大限制。另外，在逃生過程中，船舶人員逃生既可以從下往上，也會從上向下，與建筑自上而下的模式存在較大差異。

4)船舶火災損失嚴重，風險容忍度低。船舶在海上一旦發生火災很容易造成巨大的經濟損失和大量的人員傷亡，特別是大型客船，一旦在海上發生火災，人員的生命安全將受到巨大的威脅。船舶能接受的火災風險容忍度相比于陸地建筑更低。

2 研究現狀

國內外關于火災風險評估的研究主要從20世紀70年代開始，最初的目的主要為研究如何對超規格建筑進行性能化的防火設計，因此，研究的對象主要是城市建筑，涉及船舶的火災風險評估相對較少。隨著全球海洋工程領域的發展，船舶的火災風險問題逐漸被重視，風險評估的方法得到運用。

2.1 基于不確定性的船舶火災風險研究

火災作為一種事故通常具有不確定性。火災發生的原因、規模等因素受到多種因素的影響，部分研究者從火災在船舶上發生發展過程中可能存在不確定性的角度對火災風險開展了研究。針對各類船型火災事故的綜合安全評估，主要使用了事件樹的分析方法。結合船舶的特性，從火災的發展過程出發，建立了船舶火災事故的事故樹模型[4]。有學者對客船機艙環境的火災風險問題進行了研究[5]，提出使用近似推理的不確定性分析方法對機艙中存在的潛在危險進行建模，實現對危險源風險的量化和排序，為機艙消防的決策提供依據。部分研究者還關注了人因可靠性對船舶火災風險的影響。使用人因分析與分類系統(HFA CS)的人因可靠性分析方法對41起機艙火災事故進行了分析，總結不同人為組織因素對火災事故的影響[6]。國內研究者利用多種評估手段對船舶的火災風險進行了評價，利用模糊層次分析法對機艙火災風險開展了評估[7]。利用模糊綜合評價的方法從船員、設備和管理的角度對艦船機艙的消防安全管理進行了評價[8]。

基于不確定性的船舶火災風險研究，研究的思路主要是將船舶火災視為一種事故，利用統計或不確定性分析方法對災害發生的原因進行分析，找出火災發生的規律，研究的重點主要為人因可靠性以及設備可靠性對船舶火災風險的影響。

2.2 基于確定性的船舶火災風險研究

火災的發生發展通常具有雙重性特點，即確定性和隨機性[9]。火災的確定性指在某一特定場合下發生的火災會按基本確定的規律發展蔓延，很多學者從這一方面對船舶火災進行了研究。由于真實的船舶火災實驗難度較大，且成本較高，針對船舶火災確定性規律的風險評估研究多是基于數值模擬開展。現階段常用的火災數值模擬根據火災與煙氣場景特性的數值計算方法不同，主要可以分為區域模擬和場模擬。區域模擬是基于對空間上下層氣體形態的假設建立起來的火災模型，計算時將著火區域分為上下2層，上層為熱煙氣層，下層為冷空氣層，每層內的物理參數如溫度、煙氣濃度等均勻分布，目前應用較為廣泛的火災區域模擬軟件是CFAST[10]。在場模擬中，研究區域被劃分為許多控制體單元，控制體之間通過邊界上的節點進行能量、質量和化學組分的交換，能較為真實地得到區域內的瞬態流場與各種物理量的詳細分布，精度較高，目前場模擬軟件中應用最廣泛的是美國NIST開發的FDS[11]。在這一研究領域，部分研究者利用FDS對一艘遠洋貨輪的機艙火災事故進行了重構，得到了火災發生時機艙內的溫度和壓力場，對船舶的火災風險進行了分析[12]。利用FDS對豪華郵輪客艙的火災發展過程進行分析，重點關注火災事故中煙氣流動、溫度場分布和CO體積分數等參數的變化[13]。

火災動力學模擬能作為一種有效的手段，對船舶火災的后果進行預測和分析，對火災風險的量化與評價具有重要意義。

2.3 耦合確定性和不確定性的船舶火災風險評估研究

火災作為一種耦合了確定性和隨機性的事故，許多研究者也在研究中同時考慮了火災風險的確定性和不確定性規律。部分研究者對不確定的火災場景對火災發展的影響進行了分析。2005年歐盟開展了代號為SAFEDOR的基于風險的船舶設計項目，在基于風險的船舶消防設計中提出一種針對散貨船集裝箱起火的火災預測模型。該模型首先利用對特定場景的火災動力學仿真獲得評估可利用的基礎數據，然后利用貝葉斯網絡對火災事故后果進行建模，最終實現對不同場景下的火災風險的預測[14]。另外還有部分研究者對火災隨機性參數對火災后果的影響進行了研究。利用Monte Carlo模擬對客船火災參數的隨機性問題進行研究，對不同火災參數與火場人員可用逃生時間(ASET)進行了分析[15]。在歐盟FIREPROOF項目中建立了一套旨在對客船的設計方案進行評估的框架，方法中也考慮了隨機的火災參數對火災發展確定性規律的影響[16]。在對艦船生命力易損性評估中利用CFAST結合Monte Carlo模擬對不同參數下的火災后果進行了分析[17]。

火災科學是一門確定性和不確定性相互交織的復雜科學，從火災的雙重性角度出發，在考慮船舶火災蔓延和煙氣運動等確定性過程的基礎上，也考慮火災演化中隨機性規律對火災后果的影響。研究普遍采用的火災動力學數值模擬與不確定性分析方法相結合的思路，重點關注火災場景的多樣性和火災參數的隨機性等不確定性。

3 研究展望

盡管研究者從不同的角度利用風險評估的理論對船舶火災風險進行研究，但目前廣泛運用的一些風險評估的理念與方法并沒有與船舶火災特點相結合。船舶火災的發生形式、演變過程和事故后果與水上交通事故或者普通建筑火災不同，對于船舶火災風險評估研究，應該從船舶火災的特點出發，有針對性地引入一些新方法。

3.1 船舶火災的概率安全評價

概率安全評價(probabilistic safety assessment, PSA)也稱為概率風險評估，是以數學中概率論等方法為基礎的風險量化評價技術[18]。該技術通過探究復雜系統中可能存在的危險事故，估算其發生概率以及可能導致的后果，對系統的安全程度進行綜合的評價。常用的方法包括傳統的故障樹和事件樹，以及近年來廣泛關注的貝葉斯網絡[19-20]、證據理論[21]等。由于這一類方法能夠對事故過程及后果進行量化，使得PSA具有了強大的預測和推演能力，在航空航天以及核電等領域，PSA的方法都得到廣泛地應用[22-23]。火災作為一種災害性的事故，其發生通常可以表現為多個隨機事件影響的連續隨機過程，將PSA理論運用于火災風險的分析中，可以為分析火災中的不確定性問題提供很好的解決途徑。相比于建筑火災，船舶火災存在的不確定性更為突出。建筑系統由于系統組成固定，火災發生的原因以及災害的演化過程都較為簡單，而船舶系統作為一種人機組合的大型運輸工具，具有高度的復雜性，人、機、管理等因素都會對火災的發生發展造成影響，很難通過1～2次具體事故的研究，就對整個系統的安全風險有清晰的認識。隨著現代傳感器技術的進步，數據收集方式的多樣化，越來越多的數據能被有效收集，利用收集的數據結合專家經驗開展基于證據的定量風險分析勢在必行[24]。PSA作為一種定量的風險評估手段，在船舶的火災風險評估中勢必有著廣闊的應用前景。

3.2 基于事故場景分析模擬的船舶火災風險評估

船舶火災雖是水上事故中的一種，但是從事故的演變過程上來看，船舶火災相較于其他水上事故存在著較大的不同，簡單套用水上交通系統安全評價的經驗并不可取。從事故類型上看，船舶碰撞、擱淺和觸碰等更多傾向于交通事故，這一類事故發生后災害演化迅速，災害一旦形成就意味著嚴重的后果，研究的重點多為探究事故產生的原因以及如何防止事故的發生。而船舶火災則大為不同，船舶火災存在明顯漸進的災害演化過程，不同的邊界條件、火源參數和人為干預都可能造成不一樣的火災動力學演化，導致不同的后果，利用事故場景模擬的分析手段來分析火災風險十分必要。

評估方法基本框架見圖2。首先利用事件樹進行火災場景的篩選，然后針對不同火災場景的火災隨機參數進行分析，最終利用這些參數開展數值模擬，更加真實準確地反映不用場景下的火災后果。傳統的研究關注隨機的火災參數對事故后果的影響，事實證明火災參數并不可能是完全隨機的，火災參數在很大程度上取決于火災場景，不同因素的干預都會間接導致不一樣的火災后果。利用事故場景分析模擬的手段，深入研究船舶事故不確定性與確定性之間的聯系，是船舶火災風險評估發展的一個重要方向。近年來，核電領域火災風險評估研究，大量基于事故場景分析模擬的方法[25-26]，為船舶火災風險評估提供了借鑒。

圖2 基于事故場景分析模擬的船舶火災風險評估框架

3.3 韌性理論在船舶火災中的應用

韌性理論認為韌性是能夠使系統對逆向事件所產生的負面影響進行抵御、吸收和恢復的能力。系統安全韌性的概念見圖3。系統在遭受破壞后，系統性能下降，表現出一定的易損性，然后伴隨著系統韌性的作用，系統依靠內外部條件進行自適應地調整，讓系統性能水平得以恢復。對于船舶火災，特別是大型客船的火災風險融入韌性理論十分必要。

圖3 系統安全韌性概念框架[27]

2010年IMO提出并實施的安全返港規則(Safety Return to Port，SRtP)，要求船舶在一定界限內發生火災時，應能依靠自身的動力安全返港，而不是讓乘客棄船逃生。“安全返港”是一種形成體系的高度冗余設計理念，船舶各系統在災害發生過程中的動態響應以及復雜耦合對船舶的整體性能影響巨大，如何有效開展對船舶安全返港能力的評估一直是困擾航運界已久的問題。韌性理論認為在災害發生后系統性能存在一個動態變化的過程，充分考慮系統在造成災害以后具有的易損性以及可恢復性，為評估在火災發生后船舶各項系統的承災能力以及系統的恢復能力提供了思路。通過對韌性理論的研究，希望能為解決大型客船的安全返港評估問題提供可行的途徑。

4 結論

運用火災風險評估的方法能有效提高船舶整體的安全，減低火災帶來的損失。國內外學者在本領域的研究中充分借鑒交通和建筑安全評估方法，從不確定性、確定性以及耦合確定和不確定性等方面開展大量船舶風險評估研究，取得了豐富的成果。

船舶火災由于具有非常鮮明的特點，不能簡單等同于其他的水上交通事故，和城市建筑火災存在較大差別，單一借鑒水上交通系統安全評價以及建筑火災風險評估與性能化設計的方法并不科學。對于船舶火災的研究應該充分吸收風險評估領域的新知識，根據船舶火災的發生形式、演變過程和事故后果特點，采取基于概率評價、場景模擬的技術方法，挖掘船舶火災中不確定性因素與火災演化規律之間的關系，考慮船舶作為一種移動運載工具在面對災害時存在的系統韌性，開展深入的船舶火災風險定量評估工作，提升我國在本領域總體技術水平，為盡快滿足我國在船舶設計和權益保護方面的需要提供理論支持。