沙小進(jìn)

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通226010)

0 引 言

現(xiàn)代艦船結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備結(jié)構(gòu)層次不一，動(dòng)力設(shè)備和器械設(shè)備相互作用共同保證了艦船的安全運(yùn)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(xiǎn)品，這些危險(xiǎn)品的存在導(dǎo)致艦船在海上環(huán)境行駛時(shí)火災(zāi)發(fā)生的可能性大大提高。在近幾十年的航運(yùn)史上，世界各國(guó)發(fā)生的艦船火災(zāi)事故數(shù)不勝數(shù)，造成人員、財(cái)產(chǎn)及艦船設(shè)備損失也極為慘重。而且，當(dāng)艦船火災(zāi)發(fā)生時(shí)，撲救措施有限，撲救方式也較為單一;對(duì)于從事軍事戰(zhàn)斗行動(dòng)的艦船來說，火災(zāi)威脅更是致命。因此，如何有效辨別火災(zāi)源并預(yù)估出火災(zāi)源發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)概率受到越來越多專家的重視，艦船火災(zāi)評(píng)估也成為衡量艦船生命力和性能的標(biāo)準(zhǔn)之一。尤其近10 年來，船舶火災(zāi)預(yù)防安全評(píng)估被納入艦船安全工程研究中，并引入數(shù)學(xué)方法進(jìn)行定量與定性分析，實(shí)現(xiàn)了更精確風(fēng)險(xiǎn)模態(tài)下艦船火災(zāi)源評(píng)估的準(zhǔn)確性和科學(xué)性?；诖耍疚耐ㄟ^對(duì)艦船火災(zāi)源進(jìn)行分類辨識(shí)，并在此基礎(chǔ)上利用事故樹模型方法對(duì)艦船的火災(zāi)源評(píng)估進(jìn)行分析，以期為預(yù)防艦船火災(zāi)事故的發(fā)生提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 艦船火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究基本框架

1.1 艦船火災(zāi)機(jī)理分析

從機(jī)理上講，艦船設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個(gè)艙室狹窄封閉，空氣溫度升高和動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的氣體是艦船火災(zāi)發(fā)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(huì)造成火災(zāi);其次，艦船上各種油氣和武器彈藥存放都具有極大危險(xiǎn)性，必須以嚴(yán)格的操作行為和完善的制度管理實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)設(shè)備人員的動(dòng)態(tài)防范;最后，艦船火災(zāi)的發(fā)生是艦船性能監(jiān)測(cè)的失范，是儀器儀表靈敏性或船體結(jié)構(gòu)承受力受損造成的，這樣在艦船內(nèi)外環(huán)境共同作用下產(chǎn)生了火災(zāi)源因素的激活，造成不同程度的艦船火災(zāi)事故。因此，在艦船火災(zāi)機(jī)理上把握住艦船火災(zāi)源因素，然后從機(jī)理上辨別出可能造成艦船火災(zāi)的火災(zāi)源，并以科學(xué)方法分析出各火災(zāi)源的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)概率，研究分析艦船火災(zāi)發(fā)生的可能性，才能有效預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

1.2 火災(zāi)源因素

艦船火災(zāi)事故的發(fā)生是由于在艦船空間或結(jié)構(gòu)或物品中存在著潛在的火災(zāi)源，火災(zāi)源有多種存在形式，按照一般的火災(zāi)危險(xiǎn)源分類，火災(zāi)事故發(fā)生的起源因素有以下幾種:一定的燃燒物產(chǎn)生的危險(xiǎn)氣體;存在易燃易爆的物品;人為或環(huán)境不安全動(dòng)作，包括人、物和環(huán)境。

所以，針對(duì)火災(zāi)因素，在艦船火災(zāi)評(píng)估中，要有效的識(shí)別。同時(shí)艦船的裝備屬性意味著所攜帶的彈藥武器也是危險(xiǎn)源，也需要納入整個(gè)火災(zāi)源識(shí)別框架系統(tǒng)中。因此，在確定艦船火災(zāi)源因素后進(jìn)行艦船火災(zāi)事故的評(píng)估分析，能更好地對(duì)艦船火災(zāi)事故進(jìn)行防范。

1.3 火災(zāi)源識(shí)別評(píng)估方法

現(xiàn)階段對(duì)艦船火災(zāi)源的識(shí)別評(píng)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(píng)判法

該方法利用艦船火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度以層級(jí)的原理建立至上而下的火災(zāi)源評(píng)估體系，邀請(qǐng)多個(gè)專家對(duì)評(píng)估指標(biāo)的各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行評(píng)判，并根據(jù)評(píng)判結(jié)果進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的統(tǒng)計(jì)。然而該方法沒有明確的指標(biāo)分析標(biāo)準(zhǔn)，受限于專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，評(píng)估結(jié)果可能與實(shí)際出現(xiàn)一定的誤差。

2)安全檢查表法

該方法依據(jù)相關(guān)火災(zāi)預(yù)防標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，通過系統(tǒng)的檢查，找出導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生的因素，并將諸多因素編制匯總，相關(guān)人員定時(shí)按照該匯總對(duì)不合格對(duì)象因素整改，預(yù)防潛在的火災(zāi)事故。但該方法無法對(duì)檢查對(duì)象定量分析，缺乏相關(guān)的衡量指數(shù)。

3)火災(zāi)動(dòng)力學(xué)與統(tǒng)計(jì)理論結(jié)合法

該方法充分利用了艦船火災(zāi)發(fā)生的動(dòng)力學(xué)理論，以動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的分析方法辨別艦船火災(zāi)危險(xiǎn)源，在掌握火災(zāi)孕育發(fā)生演化的機(jī)理下，運(yùn)用一定方法(如Petri 網(wǎng)模型法)建立以火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)分析公式，計(jì)算過火面積。這種方法雖然有效，卻過于注重細(xì)節(jié)，無法整體上增強(qiáng)艦船火災(zāi)源分析的客觀性。

4)事故樹(FTA)分析法

該法以火災(zāi)源因素的發(fā)生概率為基礎(chǔ)，以火災(zāi)事故的因果關(guān)系為前提，建立至上而下的關(guān)系結(jié)構(gòu)，分析各層級(jí)的發(fā)生概率，全面完整的找出事故火災(zāi)源的發(fā)生概率以及嚴(yán)重程度，有著其他方法不具備的優(yōu)勢(shì)，而且，隨著信息計(jì)算技術(shù)的發(fā)展帶來的概率計(jì)算的便利，事故樹分析法 (FTA)應(yīng)用會(huì)更廣泛。

因此，本文采用事故樹(FTA)分析法進(jìn)行艦船火災(zāi)源的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，以影響艦船安全的火災(zāi)源為對(duì)象，計(jì)算產(chǎn)生火災(zāi)源的概率因素，并對(duì)產(chǎn)生火災(zāi)源的因素進(jìn)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(guān)定義

對(duì)于一個(gè)事件，假設(shè)其存在2 種狀態(tài)，設(shè)

其中i = 1，2…，n 表示存在n 個(gè)底事件。

如果F 為事故樹的頂事件T 的相關(guān)描述，那么關(guān)于F 的底事件函數(shù)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(rèn)為xi與F 相干，否則就認(rèn)為xi對(duì)頂事件T 不具有任何作用;

現(xiàn)假設(shè){x1，x2，…，xn}為一個(gè)事故樹的底事件，其子集滿足如下所示:

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

2.1.2 頂事件概率的計(jì)算

若在頂事件用最小割集計(jì)算表示的話，現(xiàn)設(shè)有m 個(gè)最小割集p1，p2，…，pm，那么該事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)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(jì)算的話，則設(shè)有k 個(gè)最小徑集Q1，Q2，…，QK，那么該事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)為其中Qi用底事件表示為則可得到:

由上述頂事件的結(jié)構(gòu)函數(shù)F(x)以順利求得頂事件的概率計(jì)算時(shí)，若以最小割集表示，則PT=那么由上述知頂事件是一個(gè)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(dāng)?shù)资录陌l(fā)生概率可以忽略不計(jì)時(shí)，對(duì)頂事件的概率計(jì)算可簡(jiǎn)化為:

2.1.3 底事件概率的計(jì)算

由對(duì)頂事件的概率計(jì)算知，底事件的概率重要性即相對(duì)于頂事件所做出的相應(yīng)貢獻(xiàn)大小，底事件對(duì)頂事件的貢獻(xiàn)值越大，則其概率重要性越大，反之越小，所以可用數(shù)學(xué)公式描述為:

式中:I(i)為底事件的重要程度;qi為底事件發(fā)生的概率。

2.2 事故樹分析法流程

采用事故樹分析法進(jìn)行火災(zāi)事故分析時(shí)，要遵循的流程步驟，先進(jìn)行目標(biāo)分析，確定頂事件對(duì)象，再計(jì)算目標(biāo)事件的發(fā)生概率，在此基礎(chǔ)上，分析事件發(fā)生的源過程，找出起因，從頂事件開始對(duì)事件源逐級(jí)進(jìn)行尋找，然后進(jìn)行定性定量的事件分析，運(yùn)用最小割集和最小徑集原理，分析事件的重要性程度，進(jìn)而確定事件發(fā)生的概率大小，在分析出事件概率后，有針對(duì)性的進(jìn)行事件改進(jìn)補(bǔ)償，不斷評(píng)估改進(jìn)后得到新效果，以期到達(dá)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(zāi)源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 各火災(zāi)源的風(fēng)險(xiǎn)概率

上文指出，艦船的火災(zāi)源因素不一，所以在進(jìn)行事故樹分析前，需要識(shí)別出火災(zāi)源的風(fēng)險(xiǎn)概率。下面就按照火災(zāi)源分類的方法，對(duì)艦船火災(zāi)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)估。

3.1.1 易燃易爆源

易燃易爆物的火災(zāi)源與艦船艙室溫度、大氣壓強(qiáng)和環(huán)境濕度因素有著直接的關(guān)系，現(xiàn)假設(shè)以上的因素參數(shù)分別為t，p，s，y，則艦船在艙室中發(fā)生火災(zāi)的概率如下式所示:

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

3.1.2 人為因素源

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

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)操作人員的失誤原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照統(tǒng)計(jì)方法(如最小二乘、協(xié)方差)擬合函數(shù)曲線，獲取X 和Y 之間的相應(yīng)關(guān)系，得到人員操作失誤的模型，進(jìn)一步求得各人的失誤概率數(shù)值，根據(jù)該數(shù)值便可知因人為原因造成的艦船火災(zāi)發(fā)生的概率，計(jì)為ppf。

3.1.3 環(huán)境因素源

由于艦船行駛中可能遇到不確定的海況環(huán)境，而且海況環(huán)境具有不確定性，所以在計(jì)算環(huán)境因素源導(dǎo)致的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)概率時(shí)需要依賴歷史數(shù)據(jù)，假設(shè)環(huán)境因素造成的艦船火災(zāi)發(fā)生的概率為

式中:g 為一段時(shí)間內(nèi)因環(huán)境因素造成的艦船火災(zāi)發(fā)生的次數(shù);m 為該段時(shí)間內(nèi)艦船的數(shù)量。

在綜上火災(zāi)源風(fēng)險(xiǎn)概率的基礎(chǔ)上，可以數(shù)值化計(jì)算出火災(zāi)發(fā)生時(shí)所造成的艦船損害嚴(yán)重危險(xiǎn)程度，即火災(zāi)危險(xiǎn)度，這樣能對(duì)艦船火災(zāi)發(fā)生造成的損失以直觀化、數(shù)字化的展現(xiàn)。下面以火災(zāi)危險(xiǎn)度為對(duì)象，建立實(shí)現(xiàn)火災(zāi)危險(xiǎn)度的評(píng)估模型進(jìn)行艦船火災(zāi)源的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3.2 建立評(píng)估模型

在本文中，根據(jù)火災(zāi)源的事故樹 (FTA)分析法的設(shè)計(jì)機(jī)制，設(shè)計(jì)出的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 事故樹分析法層次結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Accident tree analysis hierarchy structure

結(jié)合艦船本身的艙室設(shè)計(jì)及設(shè)備的材料結(jié)構(gòu)，將單艙室的火災(zāi)發(fā)生公式函數(shù)設(shè)計(jì)如下:

式中:Qf為該艦船艙室的火災(zāi)危險(xiǎn)度;K1，K2，K3，K4分別為火災(zāi)源爆炸的影響因子，包括空氣可燃度、可燃速度、通風(fēng)狀態(tài)等。通過對(duì)火災(zāi)源風(fēng)險(xiǎn)概率和火災(zāi)危險(xiǎn)度的計(jì)算后，可知具體的定量數(shù)值。在此基礎(chǔ)上，建立基于事故樹分析法的艦船火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，其公式如下:

通過對(duì)上式的量化求出具體的艦船火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)概率，這種量化的方式直觀能分析出艦船火災(zāi)發(fā)生的概率大小，從而確定具體的危險(xiǎn)源存在空間，提前防范，避免火災(zāi)的發(fā)生。

3.3 實(shí)例分析

現(xiàn)根據(jù)上述公式，以我國(guó)東海某型號(hào)驅(qū)逐艦燃油設(shè)備、錨機(jī)艙室、臥室空間和艦船機(jī)艙進(jìn)行基于事故樹的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

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

表1 中，燃油設(shè)備的火災(zāi)危險(xiǎn)度較其他艙室的火災(zāi)危險(xiǎn)性大，可知燃油設(shè)備發(fā)生火災(zāi)事故的概率較大，應(yīng)該采取措施對(duì)燃油設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)防范，根據(jù)燃油設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)進(jìn)行方法補(bǔ)償。本文的補(bǔ)償方法如表2 所示。

表2 燃油設(shè)備補(bǔ)償措施Tab.2 Fuel equipment compensation measures

由表2 可知，在補(bǔ)償后的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性為:

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

這樣通過科學(xué)的方法和合理的模型設(shè)計(jì)，以定量的方式計(jì)算出艦船火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，并通過對(duì)火災(zāi)源的設(shè)備補(bǔ)償，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性降低了24%，實(shí)現(xiàn)了降低火災(zāi)源發(fā)生火災(zāi)的概率，保證了艦船的壽命和性能，提高了艦船的穩(wěn)定性，減少了在艦船火災(zāi)事故中不必要的人員傷亡財(cái)產(chǎn)損失。

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