基于Petri网的航母飞行甲板火灾评价方法＊

胡容兵 訾书宇 谢 君

（1．海军工程大学科研部 武汉 430033）（2．海军工程大学装备经济管理系 武汉 430033）（3．海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

火灾是航母飞行甲板频发的事故之一［1］，据不完全统计，美国航母在1951年～2008年间就发生了大小火灾18次，平均每3年就会发生1次火灾。由于航母甲板上停放有作战飞机和武器弹药，所以甲板火灾还极易引起爆炸事故，轻则造成财产损失，重则导致人员伤亡。比如，2008年“华盛顿”号航母发生的火灾在历史上的航母火灾中尚属“轻微”，但它的直接经济损失却达7000 万美元；在1951年以来美国航母发生的火灾中，至少有376人死亡，30 架舰载机被毁，平均每次火灾死亡21人、毁坏舰载机117架以上［2］。因此，对航母飞行甲板进行火灾评价研究，可有效控制火灾的发生，减少由其带来的对生命和财产的威胁。

对航母飞行甲板火灾风险进行评价可以客观、准确地认识甲板火灾的危险性，为有针对地进行甲板火灾防范提供科学的依据。目前，火灾风险的随机性评价方法虽比较成熟［3～8］，但难以对甲板火灾风险进行定量和动态分析。因为定量火灾风险评估方法以系统发生事故的概率为基础，进而求出风险，以风险大小衡量系统的火灾安全程度。该方法需要依据数据资料和数学模型，通过统计计算进行科学评价。所以只有当火灾评估的数据量较充足时，才可采用定量评估方法进行火灾风险评估。

鉴于此，本文在综合当前火灾风险评价方法的基础上，针对航母飞行甲板的火灾安全特性，提出引入Petri网对航母飞行甲板火灾风险进行系统评价。

2 Petri网基本理论

Petri网的概念由Carl Adam Petri于1962年首次提出，经过数十年的发展，应用领域日益广泛。Petri网是一种集图形建模、数学分析和仿真为一体的工具。通过Petri网对系统进行描述，可以进一步分析变迁的活性（liveness）、状态及标识之间的可达性（reachability）、位置的有界性（boundness）、初始状态的可逆性（reversibility）、变迁之间的坚挺（persistence）、事件之间的同步距离（synchronic distance）和公平性（fairness）等行为特性［9～10］。

2．1 Petri网定义

定义1：位置／变迁系统（P／T系统）

一个六元组Σ＝（P，T；F，K，W，M0））是一个P／T系统当且仅当：

1）三元组是一个Petri网。其中P＝｛p1，p2，…，pn｝，n＞0，为位置的有限集；T＝｛t1，t2，…，tm｝，m＞0，为变迁的有限集；F表示弧集合，且满足P∪T≠Φ；P∩T＝Φ；F⊆（P×T）∪（T×P）。

2）K：P→N＋∪｛∞｝是位置容量函数。

3）W；F→N＋是弧权函数，用ω（p，t）或ω（t，p）表示p指向t或由指向的有向弧的权重。

4）M0：P→N是初始标识（marking），满足∀p∈P：M0（p）≤K（p）。

随机Petri网（Stochastic Petri Net，SPN）则通过对Petri网中的变迁引入时间参数，进行系统性能评价。SPN 有两种形式：Molloy形式和Florin-Natkin形式。

定义2：连续时间SPN＝（P，T；F，W，M0，λ），其中（P，T；F，W，M0）是一个P／T系统，λ＝｛λ1，λ2，…，λm｝是变迁平均触发速率集合。

2．2 SPN 应用于系统性能评价的理论基础

系统性能评价的传统方法是采用排队论来解决系统的描述问题。数学求解的基础是马尔可夫随机过程，Petri网的出现为系统性能分析提供了新的描述工具。用Petri网来描述一个系统通常基于两个概念：事件和条件。Petri网不仅仅是系统的一种图形表示，更重要地是同时获得了系统的数学描述。

为了描述系统的动态行为，处理任务的执行可以用相应的转换发射来表示。Petri网中令牌的移动表示了处理过程中的信息流程。Petri网在某一时刻的标记反映了系统的特定状态，向前标记决定了在给定初始状态下系统所有可能出现的状态的集合。在连续时间的随机Petri网中，一个转换从可发生到实施需要延时，即在一变迁变成可发生到它实施时刻之间即被看成是一个连续随机变量，且服从于指数分布。已经证明一个随机Petri网同构于一个连续时间的马尔可夫链（MC），SPN 应用于系统性能评价主要分为三步：

1）给出系统的一个SPN 模型。

2）按照触发延迟时间服从指数分布，构造出该SPN 所同构的马尔科夫链（若不完全服从指数分布，则调用SPNP软件包的仿真功能进行仿真。）

3）对基于马尔科夫链的稳定状态概率进行所要求的系统性能分析。

在求得其稳态概率的基础上，可进一步分析系统性能指标及时间特性，分析组织或各转换的忙闲程度、工作效率，找出影响系统性能的主要因素、分析系统在不同调度指挥方式下的资源分配优化方案。

3 基于Petri网的航母飞行甲板火灾风险评价模型

3．1 火灾评价基本假设

建立火灾评价方法的基本假定主要包括以下几个方面：

1）飞行甲板上的工作人员会出现错误行为。这些行为是事故性火灾发生所必需的条件；

2）飞行甲板上的各类设施（包括舰载机、弹射装置、止动轮档、喷气偏流板、阻拦装置、着舰引导系统、防护设备等）会发生随机失效。这些失效事件是火灾发生所必需的条件；

3）工作人员的错误行为和各类设施发生随机失效的分布情况是可知的，但不精确；

4）工作人员错误行为的出现概率可以降低，各类设施的安全性能可以得到改进，但不可能达到完美程度；

5）火灾过程的实际特性是可以确定的。

3．2 航母飞行甲板火灾评价的基本框架

1）确定评估目标。根据航母飞行甲板的具体特点，确立相应的评估目标和功能要求。

2）确立评估标准。根据评估目标和功能要求，建立航母飞行甲板火灾安全评价标准。

3）综合评估防火安全性能。根据航母飞行甲板防火安全性能预测结果，参照评估标准，综合评估防火安全性能。

3．3 航母飞行甲板火灾风险评价指标体系

图1 航母飞行甲板火灾风险评价指标体系

科学、客观全面地确定指标体系是评价研究内容的基础和关键，直接影响评价的精度和结果。在确定火灾指标体系时主要考虑的因素有：能够预防火灾发生的因素；在火灾发生后，能够发挥有效作用减少灾害造成的人员伤亡或财产损失的因素。建立航母飞行甲板火灾评价指标体系如图1所示。

3．4 基于Petri网的航母飞行甲板火灾风险评价

模型的建立

具体建模步骤如下：

1）确定火灾风险的评价指标。

2）确定网模型。定义含义位置元素P、变迁元素T的含义，确定有关位置及变迁的相关参数等。

3）确定网络的容量函数和各弧的权重。

4）各评价指标的综合，得到整个火灾风险评价系统的Petri网模型。

按照上述建立Petri网模型的步骤，对飞行甲板的火灾风险评价系统进行分析，建立Petri网火灾风险评价模型如图2所示。

该模型中各位置和变迁分别表示：

P1：飞行甲板的初始风险状态；P2：新发现风险的基本情况；P3：甲板条件（包括甲板材料耐火性能、甲板结构的防火构造、甲板温度、弹药安全状态、油料安全状态）；P4：防火设施状况（包括火灾探测与报警系统、消防灭火系统等）；P5：设备特性（包括弹射器、止动轮档、阻拦装置、着舰引导系统等，因为系统发生危险，往往会造成舰载机失事，继而引发火灾）；P6：人员特性（包括人员安全意识、人员安全行为等）；P7：安全管理状况（包括安全职责划分、安全教育宣传、安全培训检查等）；P8：由于甲板条件导致的风险损失；P9：对甲板条件采取火灾防范措施的效果；P10：由于防火设施状况导致的风险损失；P11：对防火设施采取火灾防范措施的效果；P12：由于设备特性因素导致的风险损失；P13：对设备特性采取火灾防范措施的效果；P14：由于人员特性因素导致的风险损失；P15：对人员特性采取火灾防范措施的效果；P16：由于安全管理状况导致的风险损失；P17：对安全管理状况采取火灾防范措施的效果；P18：综合评价飞行甲板火灾风险等级。

图2 航母飞行甲板Petri网火灾风险评价模型

t1：发现火灾风险；t2：确定该风险为已辨识风险；t3：判断为甲板条件导致的风险；t4：判断为防火设施状况导致的风险；t5：判断为设备特性导致的风险；t6：判断为人员特性导致的风险；t7：判断为安全管理状况导致的风险；t8：确定甲板条件的致险等级；t9：确定防火设施状况的致险等级；t10：确定设备特性的致险等级；t11：确定人员特性的致险等级；t12：确定安全管理状况的致险等级；t13：对甲板条件采取火灾防范措施；t14：对防火设施状况采取火灾防范措施；t15：对设备特性采取火灾防范措施；t16：对人员特性采取火灾防范措施；t17：对安全管理采取火灾防范措施。

4 结语

航母飞行甲板火灾风险评价是一个非常复杂且十分重要的研究课题，Petri网的引入对该课题的研究开辟了一条新的途径。文中对航母飞行甲板火灾风险评价的Petri网模型进行了研究，更深入的求解及分析工作将在后续的研究中继续开展。

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