，，

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥 230026；2.海軍研究院，北京 100161)

船舶工業(yè)作為國家實施海洋強國和制造強國戰(zhàn)略的重要支撐，得到了廣泛關(guān)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(fā)生，更加凸顯了對提高船舶安全的迫切需求。因此，使用科學(xué)的方法提高船舶的整體安全性并降低海難事故的發(fā)生，對我國海洋強國戰(zhàn)略的實施意義重大。

風(fēng)險評估作為一種系統(tǒng)、科學(xué)的分析方法能更加客觀、準(zhǔn)確地認(rèn)識災(zāi)害的危險性，為人們預(yù)防災(zāi)害、控制災(zāi)害提供依據(jù)和支撐。國際海事組織(IMO)在20世紀(jì)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(jù)船舶風(fēng)險研究在國際頂級期刊的發(fā)表情況(見圖1)，發(fā)現(xiàn)更多的研究關(guān)注船舶擱淺、碰撞等駕駛類事故，較少關(guān)注船舶火災(zāi)。伴隨著我國豪華郵輪、VLCC、LNG船等高附加值船舶的建設(shè)，船舶火災(zāi)的風(fēng)險評估及防控技術(shù)值得重點關(guān)注。

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

1 船舶火災(zāi)的特點

船舶火災(zāi)部分特點如下。

1)火災(zāi)發(fā)生可能性較高。船舶較陸地建筑通常具有更多的火災(zāi)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(nèi)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(zāi)，還有可能存在設(shè)備老化引起的火災(zāi)。機器設(shè)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(shè)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(jù)不完全統(tǒng)計，機艙火災(zāi)占船舶火災(zāi)總數(shù)的2/3[3]。

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

3)火災(zāi)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(zāi)，船舶發(fā)生火災(zāi)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(jìn)行撲救。船舶所配備的消防器材和設(shè)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(zāi)損失嚴(yán)重，風(fēng)險容忍度低。船舶在海上一旦發(fā)生火災(zāi)很容易造成巨大的經(jīng)濟損失和大量的人員傷亡，特別是大型客船，一旦在海上發(fā)生火災(zāi)，人員的生命安全將受到巨大的威脅。船舶能接受的火災(zāi)風(fēng)險容忍度相比于陸地建筑更低。

2 研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外關(guān)于火災(zāi)風(fēng)險評估的研究主要從20世紀(jì)70年代開始，最初的目的主要為研究如何對超規(guī)格建筑進(jìn)行性能化的防火設(shè)計，因此，研究的對象主要是城市建筑，涉及船舶的火災(zāi)風(fēng)險評估相對較少。隨著全球海洋工程領(lǐng)域的發(fā)展，船舶的火災(zāi)風(fēng)險問題逐漸被重視，風(fēng)險評估的方法得到運用。

2.1 基于不確定性的船舶火災(zāi)風(fēng)險研究

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

基于不確定性的船舶火災(zāi)風(fēng)險研究，研究的思路主要是將船舶火災(zāi)視為一種事故，利用統(tǒng)計或不確定性分析方法對災(zāi)害發(fā)生的原因進(jìn)行分析，找出火災(zāi)發(fā)生的規(guī)律，研究的重點主要為人因可靠性以及設(shè)備可靠性對船舶火災(zāi)風(fēng)險的影響。

2.2 基于確定性的船舶火災(zāi)風(fēng)險研究

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

火災(zāi)動力學(xué)模擬能作為一種有效的手段，對船舶火災(zāi)的后果進(jìn)行預(yù)測和分析，對火災(zāi)風(fēng)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(zāi)風(fēng)險評估研究

火災(zāi)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(zāi)風(fēng)險的確定性和不確定性規(guī)律。部分研究者對不確定的火災(zāi)場景對火災(zāi)發(fā)展的影響進(jìn)行了分析。2005年歐盟開展了代號為SAFEDOR的基于風(fēng)險的船舶設(shè)計項目，在基于風(fēng)險的船舶消防設(shè)計中提出一種針對散貨船集裝箱起火的火災(zāi)預(yù)測模型。該模型首先利用對特定場景的火災(zāi)動力學(xué)仿真獲得評估可利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對火災(zāi)事故后果進(jìn)行建模，最終實現(xiàn)對不同場景下的火災(zāi)風(fēng)險的預(yù)測[14]。另外還有部分研究者對火災(zāi)隨機性參數(shù)對火災(zāi)后果的影響進(jìn)行了研究。利用Monte Carlo模擬對客船火災(zāi)參數(shù)的隨機性問題進(jìn)行研究，對不同火災(zāi)參數(shù)與火場人員可用逃生時間(ASET)進(jìn)行了分析[15]。在歐盟FIREPROOF項目中建立了一套旨在對客船的設(shè)計方案進(jìn)行評估的框架，方法中也考慮了隨機的火災(zāi)參數(shù)對火災(zāi)發(fā)展確定性規(guī)律的影響[16]。在對艦船生命力易損性評估中利用CFAST結(jié)合Monte Carlo模擬對不同參數(shù)下的火災(zāi)后果進(jìn)行了分析[17]。

火災(zāi)科學(xué)是一門確定性和不確定性相互交織的復(fù)雜科學(xué)，從火災(zāi)的雙重性角度出發(fā)，在考慮船舶火災(zāi)蔓延和煙氣運動等確定性過程的基礎(chǔ)上，也考慮火災(zāi)演化中隨機性規(guī)律對火災(zāi)后果的影響。研究普遍采用的火災(zāi)動力學(xué)數(shù)值模擬與不確定性分析方法相結(jié)合的思路，重點關(guān)注火災(zāi)場景的多樣性和火災(zāi)參數(shù)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(fēng)險評估的理論對船舶火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行研究，但目前廣泛運用的一些風(fēng)險評估的理念與方法并沒有與船舶火災(zāi)特點相結(jié)合。船舶火災(zāi)的發(fā)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(zāi)不同，對于船舶火災(zāi)風(fēng)險評估研究，應(yīng)該從船舶火災(zāi)的特點出發(fā)，有針對性地引入一些新方法。

3.1 船舶火災(zāi)的概率安全評價

概率安全評價(probabilistic safety assessment, PSA)也稱為概率風(fēng)險評估，是以數(shù)學(xué)中概率論等方法為基礎(chǔ)的風(fēng)險量化評價技術(shù)[18]。該技術(shù)通過探究復(fù)雜系統(tǒng)中可能存在的危險事故，估算其發(fā)生概率以及可能導(dǎo)致的后果，對系統(tǒng)的安全程度進(jìn)行綜合的評價。常用的方法包括傳統(tǒng)的故障樹和事件樹，以及近年來廣泛關(guān)注的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[19-20]、證據(jù)理論[21]等。由于這一類方法能夠?qū)κ鹿蔬^程及后果進(jìn)行量化，使得PSA具有了強大的預(yù)測和推演能力，在航空航天以及核電等領(lǐng)域，PSA的方法都得到廣泛地應(yīng)用[22-23]?；馂?zāi)作為一種災(zāi)害性的事故，其發(fā)生通?？梢员憩F(xiàn)為多個隨機事件影響的連續(xù)隨機過程，將PSA理論運用于火災(zāi)風(fēng)險的分析中，可以為分析火災(zāi)中的不確定性問題提供很好的解決途徑。相比于建筑火災(zāi)，船舶火災(zāi)存在的不確定性更為突出。建筑系統(tǒng)由于系統(tǒng)組成固定，火災(zāi)發(fā)生的原因以及災(zāi)害的演化過程都較為簡單，而船舶系統(tǒng)作為一種人機組合的大型運輸工具，具有高度的復(fù)雜性，人、機、管理等因素都會對火災(zāi)的發(fā)生發(fā)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(tǒng)的安全風(fēng)險有清晰的認(rèn)識。隨著現(xiàn)代傳感器技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)收集方式的多樣化，越來越多的數(shù)據(jù)能被有效收集，利用收集的數(shù)據(jù)結(jié)合專家經(jīng)驗開展基于證據(jù)的定量風(fēng)險分析勢在必行[24]。PSA作為一種定量的風(fēng)險評估手段，在船舶的火災(zāi)風(fēng)險評估中勢必有著廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 基于事故場景分析模擬的船舶火災(zāi)風(fēng)險評估

船舶火災(zāi)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(zāi)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(tǒng)安全評價的經(jīng)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(fā)生后災(zāi)害演化迅速，災(zāi)害一旦形成就意味著嚴(yán)重的后果，研究的重點多為探究事故產(chǎn)生的原因以及如何防止事故的發(fā)生。而船舶火災(zāi)則大為不同，船舶火災(zāi)存在明顯漸進(jìn)的災(zāi)害演化過程，不同的邊界條件、火源參數(shù)和人為干預(yù)都可能造成不一樣的火災(zāi)動力學(xué)演化，導(dǎo)致不同的后果，利用事故場景模擬的分析手段來分析火災(zāi)風(fēng)險十分必要。

評估方法基本框架見圖2。首先利用事件樹進(jìn)行火災(zāi)場景的篩選，然后針對不同火災(zāi)場景的火災(zāi)隨機參數(shù)進(jìn)行分析，最終利用這些參數(shù)開展數(shù)值模擬，更加真實準(zhǔn)確地反映不用場景下的火災(zāi)后果。傳統(tǒng)的研究關(guān)注隨機的火災(zāi)參數(shù)對事故后果的影響，事實證明火災(zāi)參數(shù)并不可能是完全隨機的，火災(zāi)參數(shù)在很大程度上取決于火災(zāi)場景，不同因素的干預(yù)都會間接導(dǎo)致不一樣的火災(zāi)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(lián)系，是船舶火災(zāi)風(fēng)險評估發(fā)展的一個重要方向。近年來，核電領(lǐng)域火災(zāi)風(fēng)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(zāi)風(fēng)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(zāi)風(fēng)險評估框架

3.3 韌性理論在船舶火災(zāi)中的應(yīng)用

韌性理論認(rèn)為韌性是能夠使系統(tǒng)對逆向事件所產(chǎn)生的負(fù)面影響進(jìn)行抵御、吸收和恢復(fù)的能力。系統(tǒng)安全韌性的概念見圖3。系統(tǒng)在遭受破壞后，系統(tǒng)性能下降，表現(xiàn)出一定的易損性，然后伴隨著系統(tǒng)韌性的作用，系統(tǒng)依靠內(nèi)外部條件進(jìn)行自適應(yīng)地調(diào)整，讓系統(tǒng)性能水平得以恢復(fù)。對于船舶火災(zāi)，特別是大型客船的火災(zāi)風(fēng)險融入韌性理論十分必要。

圖3 系統(tǒng)安全韌性概念框架[27]

2010年IMO提出并實施的安全返港規(guī)則(Safety Return to Port，SRtP)，要求船舶在一定界限內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，應(yīng)能依靠自身的動力安全返港，而不是讓乘客棄船逃生?！鞍踩蹈邸笔且环N形成體系的高度冗余設(shè)計理念，船舶各系統(tǒng)在災(zāi)害發(fā)生過程中的動態(tài)響應(yīng)以及復(fù)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(rèn)為在災(zāi)害發(fā)生后系統(tǒng)性能存在一個動態(tài)變化的過程，充分考慮系統(tǒng)在造成災(zāi)害以后具有的易損性以及可恢復(fù)性，為評估在火災(zāi)發(fā)生后船舶各項系統(tǒng)的承災(zāi)能力以及系統(tǒng)的恢復(fù)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(jié)論

運用火災(zāi)風(fēng)險評估的方法能有效提高船舶整體的安全，減低火災(zāi)帶來的損失。國內(nèi)外學(xué)者在本領(lǐng)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(fēng)險評估研究，取得了豐富的成果。

船舶火災(zāi)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(zāi)存在較大差別，單一借鑒水上交通系統(tǒng)安全評價以及建筑火災(zāi)風(fēng)險評估與性能化設(shè)計的方法并不科學(xué)。對于船舶火災(zāi)的研究應(yīng)該充分吸收風(fēng)險評估領(lǐng)域的新知識，根據(jù)船舶火災(zāi)的發(fā)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(shù)方法，挖掘船舶火災(zāi)中不確定性因素與火災(zāi)演化規(guī)律之間的關(guān)系，考慮船舶作為一種移動運載工具在面對災(zāi)害時存在的系統(tǒng)韌性，開展深入的船舶火災(zāi)風(fēng)險定量評估工作，提升我國在本領(lǐng)域總體技術(shù)水平，為盡快滿足我國在船舶設(shè)計和權(quán)益保護方面的需要提供理論支持。