船舶火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230026；2.海軍研究院，北京 100161)

船舶工業(yè)作為國家實(shí)施海洋強(qiáng)國和制造強(qiáng)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(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施意義重大。

風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)評估及防控技術(shù)值得重點(diǎn)關(guān)注。

圖1 船舶風(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)

船舶火災(zāi)部分特點(diǎn)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(jī)械艙室，這類艙室內(nèi)普遍存在有大量危險(xiǎn)可燃物。機(jī)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(jī)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(jì)，機(jī)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(xiǎn)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(jì)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(xiǎn)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(xiǎn)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(jì)，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(xiǎn)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(xiǎn)問題逐漸被重視，風(fēng)險(xiǎn)評估的方法得到運(yùn)用。

2.1 基于不確定性的船舶火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(jī)艙環(huán)境的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(jī)艙中存在的潛在危險(xiǎn)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)對危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)的量化和排序，為機(jī)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(xiǎn)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(jī)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(xiǎn)進(jìn)行了評價(jià)，利用模糊層次分析法對機(jī)艙火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)開展了評估[7]。利用模糊綜合評價(jià)的方法從船員、設(shè)備和管理的角度對艦船機(jī)艙的消防安全管理進(jìn)行了評價(jià)[8]。

基于不確定性的船舶火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(jì)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(diǎn)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(xiǎn)的影響。

2.2 基于確定性的船舶火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)研究

火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展通常具有雙重性特點(diǎn)，即確定性和隨機(jī)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(shí)的船舶火災(zāi)實(shí)驗(yàn)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(xiǎn)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(jì)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(jì)算時(shí)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(diǎn)進(jìn)行能量、質(zhì)量和化學(xué)組分的交換，能較為真實(shí)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(jī)艙火災(zāi)事故進(jìn)行了重構(gòu)，得到了火災(zāi)發(fā)生時(shí)機(jī)艙內(nèi)的溫度和壓力場，對船舶的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)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(xiǎn)的量化與評價(jià)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(xiǎn)評估研究

火災(zāi)作為一種耦合了確定性和隨機(jī)性的事故，許多研究者也在研究中同時(shí)考慮了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)的船舶設(shè)計(jì)項(xiàng)目，在基于風(fēng)險(xiǎn)的船舶消防設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對不同場景下的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測[14]。另外還有部分研究者對火災(zāi)隨機(jī)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(jī)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(shí)間(ASET)進(jìn)行了分析[15]。在歐盟FIREPROOF項(xiàng)目中建立了一套旨在對客船的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估的框架，方法中也考慮了隨機(jī)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(yùn)動等確定性過程的基礎(chǔ)上，也考慮火災(zāi)演化中隨機(jī)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(diǎn)關(guān)注火災(zāi)場景的多樣性和火災(zāi)參數(shù)的隨機(jī)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(xiǎn)評估的理論對船舶火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，但目前廣泛運(yùn)用的一些風(fēng)險(xiǎn)評估的理念與方法并沒有與船舶火災(zāi)特點(diǎn)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(xiǎn)評估研究，應(yīng)該從船舶火災(zāi)的特點(diǎn)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(jià)

概率安全評價(jià)(probabilistic safety assessment, PSA)也稱為概率風(fēng)險(xiǎn)評估，是以數(shù)學(xué)中概率論等方法為基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)量化評價(jià)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(xiǎn)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(jià)。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(qiáng)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(gè)隨機(jī)事件影響的連續(xù)隨機(jī)過程，將PSA理論運(yùn)用于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(jī)組合的大型運(yùn)輸工具，具有高度的復(fù)雜性，人、機(jī)、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(gè)系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)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(yàn)開展基于證據(jù)的定量風(fēng)險(xiǎn)分析勢在必行[24]。PSA作為一種定量的風(fēng)險(xiǎn)評估手段，在船舶的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(jià)的經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)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(xiǎn)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(jī)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(shí)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(jī)的火災(zāi)參數(shù)對事故后果的影響，事實(shí)證明火災(zāi)參數(shù)并不可能是完全隨機(jī)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(xiǎn)評估發(fā)展的一個(gè)重要方向。近年來，核電領(lǐng)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(shí)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(shí)，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(jì)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(yùn)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(gè)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(xiàng)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(yùn)用火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(diǎn)，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(jià)以及建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估與性能化設(shè)計(jì)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(xiǎn)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(diǎn)，采取基于概率評價(jià)、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(yùn)載工具在面對災(zāi)害時(shí)存在的系統(tǒng)韌性，開展深入的船舶火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)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(jì)和權(quán)益保護(hù)方面的需要提供理論支持。