船舶火灾风险评估研究现状及发展趋势

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(1.中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230026；2.海军研究院，北京 100161)

船舶工业作为国家实施海洋强国和制造强国战略的重要支撑，得到了广泛关注，船舶安全更是得到了前所未有的重视，特别是近年来多起重特大海难事故的发生，更加凸显了对提高船舶安全的迫切需求。因此，使用科学的方法提高船舶的整体安全性并降低海难事故的发生，对我国海洋强国战略的实施意义重大。

风险评估作为一种系统、科学的分析方法能更加客观、准确地认识灾害的危险性，为人们预防灾害、控制灾害提供依据和支撑。国际海事组织(IMO)在20世纪90年代提出了综合安全评估(formal safety assessment, FSA)，并呼吁成员国积极开展船舶安全方面的研究[1]。根据船舶风险研究在国际顶级期刊的发表情况(见图1)，发现更多的研究关注船舶搁浅、碰撞等驾驶类事故，较少关注船舶火灾。伴随着我国豪华邮轮、VLCC、LNG船等高附加值船舶的建设，船舶火灾的风险评估及防控技术值得重点关注。

图1 船舶风险研究在安全类和船舶类国际期刊上的发表情况(2010—2017年)

1 船舶火灾的特点

船舶火灾部分特点如下。

1)火灾发生可能性较高。船舶较陆地建筑通常具有更多的火灾隐患。船舶舱室除居住舱室外，还包含有机械舱室，这类舱室内普遍存在有大量危险可燃物。机械处所不仅可能存在人员操作不慎造成的火灾，还有可能存在设备老化引起的火灾。机器设备的高温表面、燃油管路接头的松动或断裂、油柜的滴漏或满溢、电气设备短路过热和电缆自身着火等都是引起船舶起火的重要原因[2]。据不完全统计，机舱火灾占船舶火灾总数的2/3[3]。

2)船舶火灾载荷大、耐火等级低，火灾蔓延迅速。船舶总体结构相对狭窄，大量可燃物集中在很小的空间里，导致单位面积的火灾载荷很大，一旦发生火灾舱室温度会急速上升，甚至发生轰燃。船舶由于载重和结构限制，内部舾装的耐火等级普遍低于建筑，火灾发生后容易烧穿甲板、隔墙等分隔物，加速火灾蔓延。

3)火灾扑救难度大，人员逃生方式与建筑存在差异。不同于建筑火灾，船舶发生火灾后通常无法得到外界支援，只能依靠自身配备的消防力量进行扑救。船舶所配备的消防器材和设备有限，给灭火工作带来极大限制。另外，在逃生过程中，船舶人员逃生既可以从下往上，也会从上向下，与建筑自上而下的模式存在较大差异。

4)船舶火灾损失严重，风险容忍度低。船舶在海上一旦发生火灾很容易造成巨大的经济损失和大量的人员伤亡，特别是大型客船，一旦在海上发生火灾，人员的生命安全将受到巨大的威胁。船舶能接受的火灾风险容忍度相比于陆地建筑更低。

2 研究现状

国内外关于火灾风险评估的研究主要从20世纪70年代开始，最初的目的主要为研究如何对超规格建筑进行性能化的防火设计，因此，研究的对象主要是城市建筑，涉及船舶的火灾风险评估相对较少。随着全球海洋工程领域的发展，船舶的火灾风险问题逐渐被重视，风险评估的方法得到运用。

2.1 基于不确定性的船舶火灾风险研究

火灾作为一种事故通常具有不确定性。火灾发生的原因、规模等因素受到多种因素的影响，部分研究者从火灾在船舶上发生发展过程中可能存在不确定性的角度对火灾风险开展了研究。针对各类船型火灾事故的综合安全评估，主要使用了事件树的分析方法。结合船舶的特性，从火灾的发展过程出发，建立了船舶火灾事故的事故树模型[4]。有学者对客船机舱环境的火灾风险问题进行了研究[5]，提出使用近似推理的不确定性分析方法对机舱中存在的潜在危险进行建模，实现对危险源风险的量化和排序，为机舱消防的决策提供依据。部分研究者还关注了人因可靠性对船舶火灾风险的影响。使用人因分析与分类系统(HFA CS)的人因可靠性分析方法对41起机舱火灾事故进行了分析，总结不同人为组织因素对火灾事故的影响[6]。国内研究者利用多种评估手段对船舶的火灾风险进行了评价，利用模糊层次分析法对机舱火灾风险开展了评估[7]。利用模糊综合评价的方法从船员、设备和管理的角度对舰船机舱的消防安全管理进行了评价[8]。

基于不确定性的船舶火灾风险研究，研究的思路主要是将船舶火灾视为一种事故，利用统计或不确定性分析方法对灾害发生的原因进行分析，找出火灾发生的规律，研究的重点主要为人因可靠性以及设备可靠性对船舶火灾风险的影响。

2.2 基于确定性的船舶火灾风险研究

火灾的发生发展通常具有双重性特点，即确定性和随机性[9]。火灾的确定性指在某一特定场合下发生的火灾会按基本确定的规律发展蔓延，很多学者从这一方面对船舶火灾进行了研究。由于真实的船舶火灾实验难度较大，且成本较高，针对船舶火灾确定性规律的风险评估研究多是基于数值模拟开展。现阶段常用的火灾数值模拟根据火灾与烟气场景特性的数值计算方法不同，主要可以分为区域模拟和场模拟。区域模拟是基于对空间上下层气体形态的假设建立起来的火灾模型，计算时将着火区域分为上下2层，上层为热烟气层，下层为冷空气层，每层内的物理参数如温度、烟气浓度等均匀分布，目前应用较为广泛的火灾区域模拟软件是CFAST[10]。在场模拟中，研究区域被划分为许多控制体单元，控制体之间通过边界上的节点进行能量、质量和化学组分的交换，能较为真实地得到区域内的瞬态流场与各种物理量的详细分布，精度较高，目前场模拟软件中应用最广泛的是美国NIST开发的FDS[11]。在这一研究领域，部分研究者利用FDS对一艘远洋货轮的机舱火灾事故进行了重构，得到了火灾发生时机舱内的温度和压力场，对船舶的火灾风险进行了分析[12]。利用FDS对豪华邮轮客舱的火灾发展过程进行分析，重点关注火灾事故中烟气流动、温度场分布和CO体积分数等参数的变化[13]。

火灾动力学模拟能作为一种有效的手段，对船舶火灾的后果进行预测和分析，对火灾风险的量化与评价具有重要意义。

2.3 耦合确定性和不确定性的船舶火灾风险评估研究

火灾作为一种耦合了确定性和随机性的事故，许多研究者也在研究中同时考虑了火灾风险的确定性和不确定性规律。部分研究者对不确定的火灾场景对火灾发展的影响进行了分析。2005年欧盟开展了代号为SAFEDOR的基于风险的船舶设计项目，在基于风险的船舶消防设计中提出一种针对散货船集装箱起火的火灾预测模型。该模型首先利用对特定场景的火灾动力学仿真获得评估可利用的基础数据，然后利用贝叶斯网络对火灾事故后果进行建模，最终实现对不同场景下的火灾风险的预测[14]。另外还有部分研究者对火灾随机性参数对火灾后果的影响进行了研究。利用Monte Carlo模拟对客船火灾参数的随机性问题进行研究，对不同火灾参数与火场人员可用逃生时间(ASET)进行了分析[15]。在欧盟FIREPROOF项目中建立了一套旨在对客船的设计方案进行评估的框架，方法中也考虑了随机的火灾参数对火灾发展确定性规律的影响[16]。在对舰船生命力易损性评估中利用CFAST结合Monte Carlo模拟对不同参数下的火灾后果进行了分析[17]。

火灾科学是一门确定性和不确定性相互交织的复杂科学，从火灾的双重性角度出发，在考虑船舶火灾蔓延和烟气运动等确定性过程的基础上，也考虑火灾演化中随机性规律对火灾后果的影响。研究普遍采用的火灾动力学数值模拟与不确定性分析方法相结合的思路，重点关注火灾场景的多样性和火灾参数的随机性等不确定性。

3 研究展望

尽管研究者从不同的角度利用风险评估的理论对船舶火灾风险进行研究，但目前广泛运用的一些风险评估的理念与方法并没有与船舶火灾特点相结合。船舶火灾的发生形式、演变过程和事故后果与水上交通事故或者普通建筑火灾不同，对于船舶火灾风险评估研究，应该从船舶火灾的特点出发，有针对性地引入一些新方法。

3.1 船舶火灾的概率安全评价

概率安全评价(probabilistic safety assessment, PSA)也称为概率风险评估，是以数学中概率论等方法为基础的风险量化评价技术[18]。该技术通过探究复杂系统中可能存在的危险事故，估算其发生概率以及可能导致的后果，对系统的安全程度进行综合的评价。常用的方法包括传统的故障树和事件树，以及近年来广泛关注的贝叶斯网络[19-20]、证据理论[21]等。由于这一类方法能够对事故过程及后果进行量化，使得PSA具有了强大的预测和推演能力，在航空航天以及核电等领域，PSA的方法都得到广泛地应用[22-23]。火灾作为一种灾害性的事故，其发生通常可以表现为多个随机事件影响的连续随机过程，将PSA理论运用于火灾风险的分析中，可以为分析火灾中的不确定性问题提供很好的解决途径。相比于建筑火灾，船舶火灾存在的不确定性更为突出。建筑系统由于系统组成固定，火灾发生的原因以及灾害的演化过程都较为简单，而船舶系统作为一种人机组合的大型运输工具，具有高度的复杂性，人、机、管理等因素都会对火灾的发生发展造成影响，很难通过1～2次具体事故的研究，就对整个系统的安全风险有清晰的认识。随着现代传感器技术的进步，数据收集方式的多样化，越来越多的数据能被有效收集，利用收集的数据结合专家经验开展基于证据的定量风险分析势在必行[24]。PSA作为一种定量的风险评估手段，在船舶的火灾风险评估中势必有着广阔的应用前景。

3.2 基于事故场景分析模拟的船舶火灾风险评估

船舶火灾虽是水上事故中的一种，但是从事故的演变过程上来看，船舶火灾相较于其他水上事故存在着较大的不同，简单套用水上交通系统安全评价的经验并不可取。从事故类型上看，船舶碰撞、搁浅和触碰等更多倾向于交通事故，这一类事故发生后灾害演化迅速，灾害一旦形成就意味着严重的后果，研究的重点多为探究事故产生的原因以及如何防止事故的发生。而船舶火灾则大为不同，船舶火灾存在明显渐进的灾害演化过程，不同的边界条件、火源参数和人为干预都可能造成不一样的火灾动力学演化，导致不同的后果，利用事故场景模拟的分析手段来分析火灾风险十分必要。

评估方法基本框架见图2。首先利用事件树进行火灾场景的筛选，然后针对不同火灾场景的火灾随机参数进行分析，最终利用这些参数开展数值模拟，更加真实准确地反映不用场景下的火灾后果。传统的研究关注随机的火灾参数对事故后果的影响，事实证明火灾参数并不可能是完全随机的，火灾参数在很大程度上取决于火灾场景，不同因素的干预都会间接导致不一样的火灾后果。利用事故场景分析模拟的手段，深入研究船舶事故不确定性与确定性之间的联系，是船舶火灾风险评估发展的一个重要方向。近年来，核电领域火灾风险评估研究，大量基于事故场景分析模拟的方法[25-26]，为船舶火灾风险评估提供了借鉴。

图2 基于事故场景分析模拟的船舶火灾风险评估框架

3.3 韧性理论在船舶火灾中的应用

韧性理论认为韧性是能够使系统对逆向事件所产生的负面影响进行抵御、吸收和恢复的能力。系统安全韧性的概念见图3。系统在遭受破坏后，系统性能下降，表现出一定的易损性，然后伴随着系统韧性的作用，系统依靠内外部条件进行自适应地调整，让系统性能水平得以恢复。对于船舶火灾，特别是大型客船的火灾风险融入韧性理论十分必要。

图3 系统安全韧性概念框架[27]

2010年IMO提出并实施的安全返港规则(Safety Return to Port，SRtP)，要求船舶在一定界限内发生火灾时，应能依靠自身的动力安全返港，而不是让乘客弃船逃生。“安全返港”是一种形成体系的高度冗余设计理念，船舶各系统在灾害发生过程中的动态响应以及复杂耦合对船舶的整体性能影响巨大，如何有效开展对船舶安全返港能力的评估一直是困扰航运界已久的问题。韧性理论认为在灾害发生后系统性能存在一个动态变化的过程，充分考虑系统在造成灾害以后具有的易损性以及可恢复性，为评估在火灾发生后船舶各项系统的承灾能力以及系统的恢复能力提供了思路。通过对韧性理论的研究，希望能为解决大型客船的安全返港评估问题提供可行的途径。

4 结论

运用火灾风险评估的方法能有效提高船舶整体的安全，减低火灾带来的损失。国内外学者在本领域的研究中充分借鉴交通和建筑安全评估方法，从不确定性、确定性以及耦合确定和不确定性等方面开展大量船舶风险评估研究，取得了丰富的成果。

船舶火灾由于具有非常鲜明的特点，不能简单等同于其他的水上交通事故，和城市建筑火灾存在较大差别，单一借鉴水上交通系统安全评价以及建筑火灾风险评估与性能化设计的方法并不科学。对于船舶火灾的研究应该充分吸收风险评估领域的新知识，根据船舶火灾的发生形式、演变过程和事故后果特点，采取基于概率评价、场景模拟的技术方法，挖掘船舶火灾中不确定性因素与火灾演化规律之间的关系，考虑船舶作为一种移动运载工具在面对灾害时存在的系统韧性，开展深入的船舶火灾风险定量评估工作，提升我国在本领域总体技术水平，为尽快满足我国在船舶设计和权益保护方面的需要提供理论支持。