基于Petri網(wǎng)的航母飛行甲板火災(zāi)評(píng)價(jià)方法＊

胡容兵 訾書宇 謝 君

（1．海軍工程大學(xué)科研部 武漢 430033）（2．海軍工程大學(xué)裝備經(jīng)濟(jì)管理系 武漢 430033）（3．海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

火災(zāi)是航母飛行甲板頻發(fā)的事故之一［1］，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，美國航母在1951年～2008年間就發(fā)生了大小火災(zāi)18次，平均每3年就會(huì)發(fā)生1次火災(zāi)。由于航母甲板上停放有作戰(zhàn)飛機(jī)和武器彈藥，所以甲板火災(zāi)還極易引起爆炸事故，輕則造成財(cái)產(chǎn)損失，重則導(dǎo)致人員傷亡。比如，2008年“華盛頓”號(hào)航母發(fā)生的火災(zāi)在歷史上的航母火災(zāi)中尚屬“輕微”，但它的直接經(jīng)濟(jì)損失卻達(dá)7000 萬美元；在1951年以來美國航母發(fā)生的火災(zāi)中，至少有376人死亡，30 架艦載機(jī)被毀，平均每次火災(zāi)死亡21人、毀壞艦載機(jī)117架以上［2］。因此，對(duì)航母飛行甲板進(jìn)行火災(zāi)評(píng)價(jià)研究，可有效控制火災(zāi)的發(fā)生，減少由其帶來的對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)的威脅。

對(duì)航母飛行甲板火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)可以客觀、準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)甲板火災(zāi)的危險(xiǎn)性，為有針對(duì)地進(jìn)行甲板火災(zāi)防范提供科學(xué)的依據(jù)。目前，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的隨機(jī)性評(píng)價(jià)方法雖比較成熟［3～8］，但難以對(duì)甲板火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量和動(dòng)態(tài)分析。因?yàn)槎炕馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法以系統(tǒng)發(fā)生事故的概率為基礎(chǔ)，進(jìn)而求出風(fēng)險(xiǎn)，以風(fēng)險(xiǎn)大小衡量系統(tǒng)的火災(zāi)安全程度。該方法需要依據(jù)數(shù)據(jù)資料和數(shù)學(xué)模型，通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)。所以只有當(dāng)火災(zāi)評(píng)估的數(shù)據(jù)量較充足時(shí)，才可采用定量評(píng)估方法進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

鑒于此，本文在綜合當(dāng)前火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)航母飛行甲板的火災(zāi)安全特性，提出引入Petri網(wǎng)對(duì)航母飛行甲板火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

2 Petri網(wǎng)基本理論

Petri網(wǎng)的概念由Carl Adam Petri于1962年首次提出，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。Petri網(wǎng)是一種集圖形建模、數(shù)學(xué)分析和仿真為一體的工具。通過Petri網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，可以進(jìn)一步分析變遷的活性（liveness）、狀態(tài)及標(biāo)識(shí)之間的可達(dá)性（reachability）、位置的有界性（boundness）、初始狀態(tài)的可逆性（reversibility）、變遷之間的堅(jiān)挺（persistence）、事件之間的同步距離（synchronic distance）和公平性（fairness）等行為特性［9～10］。

2．1 Petri網(wǎng)定義

定義1：位置／變遷系統(tǒng)（P／T系統(tǒng)）

一個(gè)六元組Σ＝（P，T；F，K，W，M0））是一個(gè)P／T系統(tǒng)當(dāng)且僅當(dāng)：

1）三元組是一個(gè)Petri網(wǎng)。其中P＝｛p1，p2，…，pn｝，n＞0，為位置的有限集；T＝｛t1，t2，…，tm｝，m＞0，為變遷的有限集；F表示弧集合，且滿足P∪T≠Φ；P∩T＝Φ；F?（P×T）∪（T×P）。

2）K：P→N＋∪｛∞｝是位置容量函數(shù)。

3）W；F→N＋是弧權(quán)函數(shù)，用ω（p，t）或ω（t，p）表示p指向t或由指向的有向弧的權(quán)重。

4）M0：P→N是初始標(biāo)識(shí)（marking），滿足?p∈P：M0（p）≤K（p）。

隨機(jī)Petri網(wǎng)（Stochastic Petri Net，SPN）則通過對(duì)Petri網(wǎng)中的變遷引入時(shí)間參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)。SPN 有兩種形式：Molloy形式和Florin-Natkin形式。

定義2：連續(xù)時(shí)間SPN＝（P，T；F，W，M0，λ），其中（P，T；F，W，M0）是一個(gè)P／T系統(tǒng)，λ＝｛λ1，λ2，…，λm｝是變遷平均觸發(fā)速率集合。

2．2 SPN 應(yīng)用于系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)

系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的傳統(tǒng)方法是采用排隊(duì)論來解決系統(tǒng)的描述問題。數(shù)學(xué)求解的基礎(chǔ)是馬爾可夫隨機(jī)過程，Petri網(wǎng)的出現(xiàn)為系統(tǒng)性能分析提供了新的描述工具。用Petri網(wǎng)來描述一個(gè)系統(tǒng)通常基于兩個(gè)概念：事件和條件。Petri網(wǎng)不僅僅是系統(tǒng)的一種圖形表示，更重要地是同時(shí)獲得了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述。

為了描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，處理任務(wù)的執(zhí)行可以用相應(yīng)的轉(zhuǎn)換發(fā)射來表示。Petri網(wǎng)中令牌的移動(dòng)表示了處理過程中的信息流程。Petri網(wǎng)在某一時(shí)刻的標(biāo)記反映了系統(tǒng)的特定狀態(tài)，向前標(biāo)記決定了在給定初始狀態(tài)下系統(tǒng)所有可能出現(xiàn)的狀態(tài)的集合。在連續(xù)時(shí)間的隨機(jī)Petri網(wǎng)中，一個(gè)轉(zhuǎn)換從可發(fā)生到實(shí)施需要延時(shí)，即在一變遷變成可發(fā)生到它實(shí)施時(shí)刻之間即被看成是一個(gè)連續(xù)隨機(jī)變量，且服從于指數(shù)分布。已經(jīng)證明一個(gè)隨機(jī)Petri網(wǎng)同構(gòu)于一個(gè)連續(xù)時(shí)間的馬爾可夫鏈（MC），SPN 應(yīng)用于系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)主要分為三步：

1）給出系統(tǒng)的一個(gè)SPN 模型。

2）按照觸發(fā)延遲時(shí)間服從指數(shù)分布，構(gòu)造出該SPN 所同構(gòu)的馬爾科夫鏈（若不完全服從指數(shù)分布，則調(diào)用SPNP軟件包的仿真功能進(jìn)行仿真。）

3）對(duì)基于馬爾科夫鏈的穩(wěn)定狀態(tài)概率進(jìn)行所要求的系統(tǒng)性能分析。

在求得其穩(wěn)態(tài)概率的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步分析系統(tǒng)性能指標(biāo)及時(shí)間特性，分析組織或各轉(zhuǎn)換的忙閑程度、工作效率，找出影響系統(tǒng)性能的主要因素、分析系統(tǒng)在不同調(diào)度指揮方式下的資源分配優(yōu)化方案。

3 基于Petri網(wǎng)的航母飛行甲板火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

3．1 火災(zāi)評(píng)價(jià)基本假設(shè)

建立火災(zāi)評(píng)價(jià)方法的基本假定主要包括以下幾個(gè)方面：

1）飛行甲板上的工作人員會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤行為。這些行為是事故性火災(zāi)發(fā)生所必需的條件；

2）飛行甲板上的各類設(shè)施（包括艦載機(jī)、彈射裝置、止動(dòng)輪檔、噴氣偏流板、阻攔裝置、著艦引導(dǎo)系統(tǒng)、防護(hù)設(shè)備等）會(huì)發(fā)生隨機(jī)失效。這些失效事件是火災(zāi)發(fā)生所必需的條件；

3）工作人員的錯(cuò)誤行為和各類設(shè)施發(fā)生隨機(jī)失效的分布情況是可知的，但不精確；

4）工作人員錯(cuò)誤行為的出現(xiàn)概率可以降低，各類設(shè)施的安全性能可以得到改進(jìn)，但不可能達(dá)到完美程度；

5）火災(zāi)過程的實(shí)際特性是可以確定的。

3．2 航母飛行甲板火災(zāi)評(píng)價(jià)的基本框架

1）確定評(píng)估目標(biāo)。根據(jù)航母飛行甲板的具體特點(diǎn)，確立相應(yīng)的評(píng)估目標(biāo)和功能要求。

2）確立評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)評(píng)估目標(biāo)和功能要求，建立航母飛行甲板火災(zāi)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3）綜合評(píng)估防火安全性能。根據(jù)航母飛行甲板防火安全性能預(yù)測結(jié)果，參照評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，綜合評(píng)估防火安全性能。

3．3 航母飛行甲板火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖1 航母飛行甲板火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

科學(xué)、客觀全面地確定指標(biāo)體系是評(píng)價(jià)研究內(nèi)容的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，直接影響評(píng)價(jià)的精度和結(jié)果。在確定火災(zāi)指標(biāo)體系時(shí)主要考慮的因素有：能夠預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的因素；在火災(zāi)發(fā)生后，能夠發(fā)揮有效作用減少災(zāi)害造成的人員傷亡或財(cái)產(chǎn)損失的因素。建立航母飛行甲板火災(zāi)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

3．4 基于Petri網(wǎng)的航母飛行甲板火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

模型的建立

具體建模步驟如下：

1）確定火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）確定網(wǎng)模型。定義含義位置元素P、變遷元素T的含義，確定有關(guān)位置及變遷的相關(guān)參數(shù)等。

3）確定網(wǎng)絡(luò)的容量函數(shù)和各弧的權(quán)重。

4）各評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合，得到整個(gè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型。

按照上述建立Petri網(wǎng)模型的步驟，對(duì)飛行甲板的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立Petri網(wǎng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型如圖2所示。

該模型中各位置和變遷分別表示：

P1：飛行甲板的初始風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)；P2：新發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的基本情況；P3：甲板條件（包括甲板材料耐火性能、甲板結(jié)構(gòu)的防火構(gòu)造、甲板溫度、彈藥安全狀態(tài)、油料安全狀態(tài)）；P4：防火設(shè)施狀況（包括火災(zāi)探測與報(bào)警系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)等）；P5：設(shè)備特性（包括彈射器、止動(dòng)輪檔、阻攔裝置、著艦引導(dǎo)系統(tǒng)等，因?yàn)橄到y(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)，往往會(huì)造成艦載機(jī)失事，繼而引發(fā)火災(zāi)）；P6：人員特性（包括人員安全意識(shí)、人員安全行為等）；P7：安全管理狀況（包括安全職責(zé)劃分、安全教育宣傳、安全培訓(xùn)檢查等）；P8：由于甲板條件導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)損失；P9：對(duì)甲板條件采取火災(zāi)防范措施的效果；P10：由于防火設(shè)施狀況導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)損失；P11：對(duì)防火設(shè)施采取火災(zāi)防范措施的效果；P12：由于設(shè)備特性因素導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)損失；P13：對(duì)設(shè)備特性采取火災(zāi)防范措施的效果；P14：由于人員特性因素導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)損失；P15：對(duì)人員特性采取火災(zāi)防范措施的效果；P16：由于安全管理狀況導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)損失；P17：對(duì)安全管理狀況采取火災(zāi)防范措施的效果；P18：綜合評(píng)價(jià)飛行甲板火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖2 航母飛行甲板Petri網(wǎng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

t1：發(fā)現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；t2：確定該風(fēng)險(xiǎn)為已辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)；t3：判斷為甲板條件導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)；t4：判斷為防火設(shè)施狀況導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)；t5：判斷為設(shè)備特性導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)；t6：判斷為人員特性導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)；t7：判斷為安全管理狀況導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)；t8：確定甲板條件的致險(xiǎn)等級(jí)；t9：確定防火設(shè)施狀況的致險(xiǎn)等級(jí)；t10：確定設(shè)備特性的致險(xiǎn)等級(jí)；t11：確定人員特性的致險(xiǎn)等級(jí)；t12：確定安全管理狀況的致險(xiǎn)等級(jí)；t13：對(duì)甲板條件采取火災(zāi)防范措施；t14：對(duì)防火設(shè)施狀況采取火災(zāi)防范措施；t15：對(duì)設(shè)備特性采取火災(zāi)防范措施；t16：對(duì)人員特性采取火災(zāi)防范措施；t17：對(duì)安全管理采取火災(zāi)防范措施。

4 結(jié)語

航母飛行甲板火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一個(gè)非常復(fù)雜且十分重要的研究課題，Petri網(wǎng)的引入對(duì)該課題的研究開辟了一條新的途徑。文中對(duì)航母飛行甲板火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的Petri網(wǎng)模型進(jìn)行了研究，更深入的求解及分析工作將在后續(xù)的研究中繼續(xù)開展。

［1］孫笑奇，田振光．航母飛行甲板防爆炸滅火系統(tǒng)［J］．消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2009（10）：36-38．

［2］劉鵬翔，王兵．美國航母火災(zāi)歷史及啟示［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32（9）：133-139．

［3］吳向君，張光輝，陳曉洪．基于Marcov模型的艦艇艙室火災(zāi)蔓延風(fēng)險(xiǎn)［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21（5）：88-91．

［4］劉志軍，紀(jì)卓尚，林焰．基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的船舶機(jī)艙火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析［J］．中國造船，2010，51（3）：199-205．

［5］毛春艷，周宗放．基于多極物元分析的高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估［J］．建筑科學(xué)，2008，24（1）：24-26．

［6］伍愛友，施式亮，王從陸．基于事故樹方法與三角模糊理論耦合的城市火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，19（7）：31-36．

［7］褚燕燕，張輝，劉全義．建筑火災(zāi)多因素傷害風(fēng)險(xiǎn)分析［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，51（5）：617-621．

［8］杜紅兵．建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中定性指標(biāo)的模糊灰色評(píng)價(jià)方法研究［J］．太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，38（5）：441-444．

［9］袁崇義．Petri網(wǎng)原理與應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2005：21-22．

［10］張冬艷，陳紅松．基于隨機(jī)Petri網(wǎng)的容災(zāi)系統(tǒng)安全性分析［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，51（10）：1281-1286．