风险模态下的舰船火灾源评估分析

沙小进

(南通航运职业技术学院，江苏 南通226010)

0 引 言

现代舰船结构复杂，设备结构层次不一，动力设备和器械设备相互作用共同保证了舰船的安全运行。在舰船行驶中，必然需要携带大量的物品，其中就包含易燃易爆危险品，这些危险品的存在导致舰船在海上环境行驶时火灾发生的可能性大大提高。在近几十年的航运史上，世界各国发生的舰船火灾事故数不胜数，造成人员、财产及舰船设备损失也极为惨重。而且，当舰船火灾发生时，扑救措施有限，扑救方式也较为单一;对于从事军事战斗行动的舰船来说，火灾威胁更是致命。因此，如何有效辨别火灾源并预估出火灾源发生火灾的风险概率受到越来越多专家的重视，舰船火灾评估也成为衡量舰船生命力和性能的标准之一。尤其近10 年来，船舶火灾预防安全评估被纳入舰船安全工程研究中，并引入数学方法进行定量与定性分析，实现了更精确风险模态下舰船火灾源评估的准确性和科学性。基于此，本文通过对舰船火灾源进行分类辨识，并在此基础上利用事故树模型方法对舰船的火灾源评估进行分析，以期为预防舰船火灾事故的发生提供一定的科学依据。

1 舰船火灾风险评估研究基本框架

1.1 舰船火灾机理分析

从机理上讲，舰船设备结构复杂，各个舱室狭窄封闭，空气温度升高和动力设备运行产生的气体是舰船火灾发生的主要因素，在此过程中，船体中的管道或高温舱室受损便会造成火灾;其次，舰船上各种油气和武器弹药存放都具有极大危险性，必须以严格的操作行为和完善的制度管理实现对物质设备人员的动态防范;最后，舰船火灾的发生是舰船性能监测的失范，是仪器仪表灵敏性或船体结构承受力受损造成的，这样在舰船内外环境共同作用下产生了火灾源因素的激活，造成不同程度的舰船火灾事故。因此，在舰船火灾机理上把握住舰船火灾源因素，然后从机理上辨别出可能造成舰船火灾的火灾源，并以科学方法分析出各火灾源的火灾风险概率，研究分析舰船火灾发生的可能性，才能有效预防火灾的发生。

1.2 火灾源因素

舰船火灾事故的发生是由于在舰船空间或结构或物品中存在着潜在的火灾源，火灾源有多种存在形式，按照一般的火灾危险源分类，火灾事故发生的起源因素有以下几种:一定的燃烧物产生的危险气体;存在易燃易爆的物品;人为或环境不安全动作，包括人、物和环境。

所以，针对火灾因素，在舰船火灾评估中，要有效的识别。同时舰船的装备属性意味着所携带的弹药武器也是危险源，也需要纳入整个火灾源识别框架系统中。因此，在确定舰船火灾源因素后进行舰船火灾事故的评估分析，能更好地对舰船火灾事故进行防范。

1.3 火灾源识别评估方法

现阶段对舰船火灾源的识别评估方法不一，分析方式不同，各研究中采用的主要方法有:

1)模糊综合评判法

该方法利用舰船火灾风险严重程度以层级的原理建立至上而下的火灾源评估体系，邀请多个专家对评估指标的各项数值进行评判，并根据评判结果进行指标权重的统计。然而该方法没有明确的指标分析标准，受限于专家知识和经验，评估结果可能与实际出现一定的误差。

2)安全检查表法

该方法依据相关火灾预防标准、规范，通过系统的检查，找出导致火灾发生的因素，并将诸多因素编制汇总，相关人员定时按照该汇总对不合格对象因素整改，预防潜在的火灾事故。但该方法无法对检查对象定量分析，缺乏相关的衡量指数。

3)火灾动力学与统计理论结合法

该方法充分利用了舰船火灾发生的动力学理论，以动态和静态的分析方法辨别舰船火灾危险源，在掌握火灾孕育发生演化的机理下，运用一定方法(如Petri 网模型法)建立以火灾动力学模型为基础的统计分析公式，计算过火面积。这种方法虽然有效，却过于注重细节，无法整体上增强舰船火灾源分析的客观性。

4)事故树(FTA)分析法

该法以火灾源因素的发生概率为基础，以火灾事故的因果关系为前提，建立至上而下的关系结构，分析各层级的发生概率，全面完整的找出事故火灾源的发生概率以及严重程度，有着其他方法不具备的优势，而且，随着信息计算技术的发展带来的概率计算的便利，事故树分析法 (FTA)应用会更广泛。

因此，本文采用事故树(FTA)分析法进行舰船火灾源的风险评估，以影响舰船安全的火灾源为对象，计算产生火灾源的概率因素，并对产生火灾源的因素进行研究分析。

2 事故树分析法

2.1 事故树分析法原理

2.1.1 事故树法相关定义

对于一个事件，假设其存在2 种状态，设

其中i = 1，2…，n 表示存在n 个底事件。

如果F 为事故树的顶事件T 的相关描述，那么关于F 的底事件函数为:

若

F = F(x)= F(x1，x2，…，xi－1，1. xi+1，…，xn)≠F(x1，x2，…，xi－1，0，. xi+1，…，xn)则认为xi与F 相干，否则就认为xi对顶事件T 不具有任何作用;

现假设{x1，x2，…，xn}为一个事故树的底事件，其子集满足如下所示:

当xi1= xi2= … = xil= 1 且F(x)= 1 时，则可以认为该子集为对应底事件向量割集，如果底事件与顶事件的状态相一致，则认为该割集为最小割集;相反，如果xi1= xi2= … = xil= 0 且F(x)=0 ，则可认为该子集为底事件的径集，同时，如果底事件与顶事件的状态相一致，则称该径集为最小径集。

2.1.2 顶事件概率的计算

若在顶事件用最小割集计算表示的话，现设有m 个最小割集p1，p2，…，pm，那么该事故树的结构函数为其中pi用底事件表示为:

则可得到:

若顶事件用最小径集计算的话，则设有k 个最小径集Q1，Q2，…，QK，那么该事故树的结构函数为其中Qi用底事件表示为则可得到:

由上述顶事件的结构函数F(x)以顺利求得顶事件的概率计算时，若以最小割集表示，则PT=那么由上述知顶事件是一个和事件，因此:

PT= p{piYp2Y…Ypm}。

通过以上定义可知，事件的概率公式如下:

当底事件的发生概率可以忽略不计时，对顶事件的概率计算可简化为:

2.1.3 底事件概率的计算

由对顶事件的概率计算知，底事件的概率重要性即相对于顶事件所做出的相应贡献大小，底事件对顶事件的贡献值越大，则其概率重要性越大，反之越小，所以可用数学公式描述为:

式中:I(i)为底事件的重要程度;qi为底事件发生的概率。

2.2 事故树分析法流程

采用事故树分析法进行火灾事故分析时，要遵循的流程步骤，先进行目标分析，确定顶事件对象，再计算目标事件的发生概率，在此基础上，分析事件发生的源过程，找出起因，从顶事件开始对事件源逐级进行寻找，然后进行定性定量的事件分析，运用最小割集和最小径集原理，分析事件的重要性程度，进而确定事件发生的概率大小，在分析出事件概率后，有针对性的进行事件改进补偿，不断评估改进后得到新效果，以期到达理想要求。

图1 事故树分析法流程Fig.1 The process of accident tree analysis

3 基于事故树法的舰船火灾源风险评估

3.1 各火灾源的风险概率

上文指出，舰船的火灾源因素不一，所以在进行事故树分析前，需要识别出火灾源的风险概率。下面就按照火灾源分类的方法，对舰船火灾源进行风险概率评估。

3.1.1 易燃易爆源

易燃易爆物的火灾源与舰船舱室温度、大气压强和环境湿度因素有着直接的关系，现假设以上的因素参数分别为t，p，s，y，则舰船在舱室中发生火灾的概率如下式所示:

式中:N(t，p，s)为概率密度函数;参数t，p，s 分别为温度、压强和湿度;N(t，p，s)是通过仪器测量和精确计算得出。

3.1.2 人为因素源

假设舰船的操作人员在一定时期为X，选取的事故树模型中底事件失误率数值为Y，建立函数:

在此基础上进行数据分析。对操作人员的失误原因进行统计，按照统计方法(如最小二乘、协方差)拟合函数曲线，获取X 和Y 之间的相应关系，得到人员操作失误的模型，进一步求得各人的失误概率数值，根据该数值便可知因人为原因造成的舰船火灾发生的概率，计为ppf。

3.1.3 环境因素源

由于舰船行驶中可能遇到不确定的海况环境，而且海况环境具有不确定性，所以在计算环境因素源导致的火灾风险概率时需要依赖历史数据，假设环境因素造成的舰船火灾发生的概率为

式中:g 为一段时间内因环境因素造成的舰船火灾发生的次数;m 为该段时间内舰船的数量。

在综上火灾源风险概率的基础上，可以数值化计算出火灾发生时所造成的舰船损害严重危险程度，即火灾危险度，这样能对舰船火灾发生造成的损失以直观化、数字化的展现。下面以火灾危险度为对象，建立实现火灾危险度的评估模型进行舰船火灾源的风险评估。

3.2 建立评估模型

在本文中，根据火灾源的事故树 (FTA)分析法的设计机制，设计出的层次结构如图2所示。

图2 事故树分析法层次结构图Fig.2 Accident tree analysis hierarchy structure

结合舰船本身的舱室设计及设备的材料结构，将单舱室的火灾发生公式函数设计如下:

式中:Qf为该舰船舱室的火灾危险度;K1，K2，K3，K4分别为火灾源爆炸的影响因子，包括空气可燃度、可燃速度、通风状态等。通过对火灾源风险概率和火灾危险度的计算后，可知具体的定量数值。在此基础上，建立基于事故树分析法的舰船火灾风险评估模型，其公式如下:

通过对上式的量化求出具体的舰船火灾风险概率，这种量化的方式直观能分析出舰船火灾发生的概率大小，从而确定具体的危险源存在空间，提前防范，避免火灾的发生。

3.3 实例分析

现根据上述公式，以我国东海某型号驱逐舰燃油设备、锚机舱室、卧室空间和舰船机舱进行基于事故树的火灾风险分析，计算结果如表1 所示。

表1 舰船火灾源概率分析表Tab.1 The probability analysis of ship fire source table

表1 中，燃油设备的火灾危险度较其他舱室的火灾危险性大，可知燃油设备发生火灾事故的概率较大，应该采取措施对燃油设备进行重点防范，根据燃油设备的系统结构和性能参数进行方法补偿。本文的补偿方法如表2 所示。

表2 燃油设备补偿措施Tab.2 Fuel equipment compensation measures

由表2 可知，在补偿后的火灾风险性为:

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

这样通过科学的方法和合理的模型设计，以定量的方式计算出舰船火灾发生的风险，并通过对火灾源的设备补偿，火灾风险性降低了24%，实现了降低火灾源发生火灾的概率，保证了舰船的寿命和性能，提高了舰船的稳定性，减少了在舰船火灾事故中不必要的人员伤亡财产损失。

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