基于事故樹的彈藥方艙防護需求分析

宣兆龍，李天鵬，劉亞超

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)， 石家莊 050003； 2.陸軍炮兵防空兵學(xué)院， 鄭州 450000)

彈藥作為武器裝備重要的組成部分，具有特殊的社會屬性和技術(shù)屬性，使得彈藥保障相對于其他物資的保障具有更多的儲運要求，這些要求貫穿于彈藥保障的各個環(huán)節(jié)。彈藥方艙作為一種新型彈藥集裝單元，綜合運用了托盤、集裝箱和方艙技術(shù)[1]，是未來彈藥保障系統(tǒng)的重要形式。

事故樹分析是通過從結(jié)果到原因的邏輯樹推理及圖形演繹，對可能造成系統(tǒng)事故的各種因素進行層層分析的一種方法，用于揭示導(dǎo)致事故發(fā)生的直接、間接原因，并尋求防止結(jié)果發(fā)生的防范措施[2]。本文采用事故樹分析法，以彈藥保障任務(wù)失敗為彈藥保障系統(tǒng)事故樹的頂事件，研究彈藥保障系統(tǒng)中火災(zāi)、爆炸和彈藥技術(shù)損傷等3類事故事件，利用邏輯或門將頂事件與這3類事故事件相連接，通過對每個事故事件建立邏輯模型，研究分析整個彈藥保障系統(tǒng)的誘發(fā)因素，可以有效指導(dǎo)彈藥方艙的防護設(shè)計工作。

1 事故樹分析法

事故樹分析法是在20世紀60年代由美國貝爾實驗室基于圖論提出的一種安全評價方法，是一種表示導(dǎo)致災(zāi)害事故有關(guān)的各種因素之間因果關(guān)系和邏輯關(guān)系的分析法[3]。事故樹分析主要是針對既定系統(tǒng)可能出現(xiàn)的事故條件，以及可能導(dǎo)致的災(zāi)害后果，按流程的先后次序和事故發(fā)生原因的各種因果關(guān)系繪制成程序方框圖，也就是畫出表示導(dǎo)致災(zāi)害事故的各種因素之間的邏輯關(guān)系圖；根據(jù)這種邏輯關(guān)系圖分析系統(tǒng)的安全問題或系統(tǒng)的運行問題，進而針對各因素制定防范措施[4]。

事故樹是一種邏輯圖模型，不能夠采用數(shù)學(xué)方法進行分析，更不能有效說明基本事件之間的關(guān)系。而研究分析基本事件之間的關(guān)系，是改善系統(tǒng)，防止事故發(fā)生的關(guān)鍵。為了進一步研究基本事件之間的關(guān)系，必須把圖形模型轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)表達式，也就是所謂的數(shù)學(xué)模型。事故樹的數(shù)學(xué)模型基本組成單元為邏輯乘積與邏輯和。其中，邏輯乘積對應(yīng)的邏輯關(guān)系是與門；邏輯和對應(yīng)的邏輯關(guān)系是或門。下面將針對圖1所示的事故樹模型，對事故樹模型的轉(zhuǎn)化和化簡進行系統(tǒng)地闡述。

事故樹模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型的方法一般有自下而上法和自上而下法。這里主要介紹自上而下法。自上而下的轉(zhuǎn)化方法一般自頂事件開始，根據(jù)事件間的邏輯關(guān)系，層層向下推進，直至最后全部用基本事件表示頂事件為止，得到事故數(shù)模型的數(shù)學(xué)表達式。

首先，給事故樹模型中的事件進行編號，如圖1所示。

圖1 事故樹模型

由事故樹模型首先得到：

T=T1T2

其中，T1=T3X1X2，T2=T4+X3+X4。

然后得到

T=T3X1X2(T4+X3+X4)

又因

T3=X1+X3，T4=X2X4

最后得到

T=(X1+X3)X1X2(X2X4+X3+X4)

(1)

由此可見，將事故樹模型轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型后，數(shù)學(xué)關(guān)系式也很復(fù)雜，無法說明基本事件之間的關(guān)系。這就需要對事故樹的數(shù)學(xué)表達式進行整理，以便于在后續(xù)的分析工作中，獲得較理想的結(jié)果。

對事故樹的數(shù)學(xué)表達式進行整理的過程成為數(shù)學(xué)表達式的化簡?；喌姆椒ㄒ话悴捎貌紶柎鷶?shù)運算法則。以A、B、C、D分別表示四個集合，A′、B′、C′、D′分別表示對應(yīng)集合的補集，其化簡公式主要有：

AB+AB′=A，A+AB=A，A+A′B=A+B，

AB+A′CD+BCD=AB+A′CD

(AB+A′C)′=AB′+A′C′

因此，式(1)可化簡為

T=X1X2X4+X1X2X3

(2)

或者

T=X1X2(X4+X3)

(3)

采用事故樹分析方法研究彈藥保障系統(tǒng)事故的最終目的是分析如何避免事故事件的發(fā)生。顯然，若事故樹圖模型中所有的基本事件都不發(fā)生，則頂事件肯定不會發(fā)生，這些基本事件的集合稱為徑集。實際上，分析徑集沒有研究意義。在彈藥保障系統(tǒng)中，最關(guān)心的是分析、控制那些關(guān)鍵因素，事故就不會發(fā)生，所以只需要研究最小徑集。最小徑集為不發(fā)生頂事件時，至少需要那些基本事件不發(fā)生的集合。式(3)中{X1}，{X2}，{X3，X4}即為事故樹的3個最小徑集。

分析可知，只要控制基本事件X1，X2的發(fā)生，就可以有效避免頂事件的發(fā)生；同時控制X3與X4不發(fā)生，也可以控制頂事件不發(fā)生；控制基本事件X3或X4不發(fā)生則可以很大程度的減少頂事件發(fā)生的概率。

2 火災(zāi)事故分析

無論是平時還是戰(zhàn)時，火災(zāi)都是彈藥保障系統(tǒng)特別是彈藥儲存保管環(huán)節(jié)重點防范的事故事件之一。該事故事件的發(fā)生勢必會導(dǎo)致彈藥的技術(shù)損傷及斷供事件的發(fā)生，而且很可能會誘使爆炸事件的發(fā)生。不僅會嚴重影響彈藥保障工作的順利進行，還會給部隊和國家?guī)碇卮蟮慕?jīng)濟損失與人員傷亡。根據(jù)火災(zāi)事故分析，建立彈藥保障系統(tǒng)的火災(zāi)事故樹[5]，如圖2所示。

圖2 彈藥保障系統(tǒng)的火災(zāi)事故樹

圖2中，T1表示火災(zāi)，為該事故圖中的頂事件；T2，T3，T4，T5，T6，T7及T8分別依次表示庫內(nèi)火災(zāi)、庫外火災(zāi)、可燃物、火種、自燃、庫內(nèi)火花及機械應(yīng)力，為該事故樹的中間事件；X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8及X9分別依次表示木質(zhì)包裝、裝藥分解、庫內(nèi)明火、靜電、雷擊、高溫、摩擦、跌落與振動，為該事故樹的基本事件。

根據(jù)彈藥保障系統(tǒng)火災(zāi)事故樹圖，采用自上而下的方式，將該邏輯模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，其化簡結(jié)果為

T1=(X1+X2+X4+X5+X7+X8+X9)·

(X2+X3+X4+X5+X7+X8+X9)·

(X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9)

(4)

由式(4)可知，彈藥保障系統(tǒng)火災(zāi)事故樹的最小徑集為{X1，X2，X4，X5，X7，X8，X9}，{X2，X3，X4，X5，X7，X8，X9}，{X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9}。由最小徑集定義可知，只需控制3個事件集合中的其中一個集合內(nèi)的事件均不發(fā)生，即可有效防止彈藥保障系統(tǒng)火災(zāi)事故。

3 爆炸事故分析

爆炸事件往往會給部隊造成重大損失，嚴重影響部隊的作戰(zhàn)能力。因此爆炸也是彈藥保障系統(tǒng)，特別是在對彈藥進行裝卸、運輸?shù)茸鳂I(yè)時重點防范的事故事件之一。根據(jù)爆炸事故分析，建立彈藥保障系統(tǒng)的爆炸事故樹圖[6]，如圖3。

圖3 彈藥保障系統(tǒng)的爆炸事故樹

圖3中，T9表示爆炸事件，為該事故樹的頂事件；T10，T11，T12，T13，T14分別表示庫內(nèi)爆炸、庫外爆炸、包裝破損、運輸沖擊及腐蝕；其他編號與上述表示意義相同。

根據(jù)彈藥保障系統(tǒng)爆炸事故樹圖，采用自上而下的轉(zhuǎn)換方法，將事故樹模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，其化簡結(jié)果為

T9=(X4+X5+X8+X9+X10+X11+

X12+X13+X14+X15)·

(X4+X5+X7+X8+X9)

(5)

由式(5)可知，彈藥保障系統(tǒng)爆炸事故樹的最小徑集為{X4，X5，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15}，{X4，X5，X7，X8，X9}，即若防止彈藥保障系統(tǒng)爆炸事件的發(fā)生，只需控制其中任何一個最小徑集中的所有基本事件不發(fā)生。

4 彈藥技術(shù)損傷事故分析

彈藥的技術(shù)損傷是指影響彈藥作戰(zhàn)效能的結(jié)構(gòu)或者功能元件的變化，它也是彈藥保障系統(tǒng)重點防范的事故事件之一。根據(jù)彈藥技術(shù)損傷事故分析，建立彈藥保障系統(tǒng)的技術(shù)損傷事故樹圖[7]，如圖4。

圖4 彈藥保障系統(tǒng)的彈藥技術(shù)損傷事故樹

圖4中，T15表示彈藥的技術(shù)損傷事件，為該事故樹的頂事件；T16表示環(huán)境應(yīng)力；X10，X11，X12，X13，X14，X15分別表示高溫、低溫、高濕、鹽霧、沙塵及淋雨；其他編號與上述表示意義相同。

根據(jù)彈藥保障系統(tǒng)彈藥技術(shù)損傷事故樹圖，采用自上而下的轉(zhuǎn)換方法，將事故樹模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，其化簡結(jié)果如下。

T14=(X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15)

(6)

由式(6)可知，彈藥保障系統(tǒng)的彈藥技術(shù)損傷事故樹的最小徑集為{X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15}。

針對彈藥保障系統(tǒng)中火災(zāi)、爆炸和彈藥技術(shù)損傷3類事故事件，其基本事件有15種之多[8]。通過分析發(fā)現(xiàn)，這3類事故事件具有許多相同的誘發(fā)因素，為進一步明確彈藥保障系統(tǒng)事故事件的誘發(fā)因素之間的關(guān)系，將3類事件的數(shù)學(xué)表達式進行化簡，結(jié)果如下：

T=(X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15)

(7)

由式(7)可知，只要同時降低跌落、振動等8類基本事件的發(fā)生概率，就可有效降低彈藥保障系統(tǒng)火災(zāi)、爆炸和彈藥技術(shù)損傷等3類事故事件發(fā)生的概率，使部隊可以快速、準確、有效的完成彈藥保障任務(wù)。

上述8類基本事件中的高溫、低溫、高濕、鹽霧、沙塵、淋雨均是彈藥保障系統(tǒng)的氣候環(huán)境因素，是不可改變的基本事件。若要防止此類基本事件誘發(fā)彈藥保障系統(tǒng)的事故事件，只能通過截斷影響途徑的方式，即在彈藥方艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計中加入相關(guān)防護功能，為彈藥儲存提供一個穩(wěn)定的環(huán)境條件。跌落和振動是彈藥保障系統(tǒng)的力學(xué)環(huán)境因素，長時間的振動激勵會給彈藥造成損傷[9-10]。因為彈藥保障系統(tǒng)的運行離不開裝卸和運輸作業(yè)，所以這兩個力學(xué)環(huán)境因素也是彈藥保障系統(tǒng)不可避免的基本事件。為防止跌落和振動事件誘發(fā)彈藥保障系統(tǒng)事故事件的發(fā)生，只能通過增加彈藥方艙的結(jié)構(gòu)強度和衰減能量傳遞的方式，避免方艙結(jié)構(gòu)損傷，保證彈藥方艙內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定性。因此，為了避免彈藥保障系統(tǒng)事故事件的發(fā)生，彈藥方艙必須要針對高溫、低溫、高濕、淋雨、鹽霧、沙塵、跌落、振動等8類環(huán)境條件進行相應(yīng)的防護功能設(shè)計。其中高溫、低溫要求彈藥方艙具備良好的保溫和密封性能；高濕、淋雨要求彈藥方艙具備較好地密封條件；鹽霧、沙塵要求彈藥方艙具備較強的防腐蝕能力；跌落與振動要求彈藥方艙具備抗沖擊和減振的能力。

5 結(jié)論

彈藥方艙必須要具有保溫、密封、防腐蝕和抗沖擊減振等防護功能，保證其內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定性，為彈藥提供一個適于儲存的環(huán)境條件，才能有效降低彈藥保障系統(tǒng)事故事件的發(fā)生概率。