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

(1.陸軍工程大學石家莊校區， 石家莊 050003； 2.陸軍炮兵防空兵學院， 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節。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[1]，是未來彈藥保障系統的重要形式。

事故樹分析是通過從結果到原因的邏輯樹推理及圖形演繹，對可能造成系統事故的各種因素進行層層分析的一種方法，用于揭示導致事故發生的直接、間接原因，并尋求防止結果發生的防范措施[2]。本文采用事故樹分析法，以彈藥保障任務失敗為彈藥保障系統事故樹的頂事件，研究彈藥保障系統中火災、爆炸和彈藥技術損傷等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的誘發因素，可以有效指導彈藥方艙的防護設計工作。

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，是一種表示導致災害事故有關的各種因素之間因果關系和邏輯關系的分析法[3]。事故樹分析主要是針對既定系統可能出現的事故條件，以及可能導致的災害后果，按流程的先后次序和事故發生原因的各種因果關系繪制成程序方框圖，也就是畫出表示導致災害事故的各種因素之間的邏輯關系圖；根據這種邏輯關系圖分析系統的安全問題或系統的運行問題，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，不能夠采用數學方法進行分析，更不能有效說明基本事件之間的關系。而研究分析基本事件之間的關系，是改善系統，防止事故發生的關鍵。為了進一步研究基本事件之間的關系，必須把圖形模型轉換成數學表達式，也就是所謂的數學模型。事故樹的數學模型基本組成單元為邏輯乘積與邏輯和。其中，邏輯乘積對應的邏輯關系是與門；邏輯和對應的邏輯關系是或門。下面將針對圖1所示的事故樹模型，對事故樹模型的轉化和化簡進行系統地闡述。

事故樹模型轉化為數學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。自上而下的轉化方法一般自頂事件開始，根據事件間的邏輯關系，層層向下推進，直至最后全部用基本事件表示頂事件為止，得到事故數模型的數學表達式。

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，將事故樹模型轉化成數學模型后，數學關系式也很復雜，無法說明基本事件之間的關系。這就需要對事故樹的數學表達式進行整理，以便于在后續的分析工作中，獲得較理想的結果。

對事故樹的數學表達式進行整理的過程成為數學表達式的化簡。化簡的方法一般采用布爾代數運算法則。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事故的最終目的是分析如何避免事故事件的發生。顯然，若事故樹圖模型中所有的基本事件都不發生，則頂事件肯定不會發生，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。在彈藥保障系統中，最關心的是分析、控制那些關鍵因素，事故就不會發生，所以只需要研究最小徑集。最小徑集為不發生頂事件時，至少需要那些基本事件不發生的集合。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的發生，就可以有效避免頂事件的發生；同時控制X3與X4不發生，也可以控制頂事件不發生；控制基本事件X3或X4不發生則可以很大程度的減少頂事件發生的概率。

2 火災事故分析

無論是平時還是戰時，火災都是彈藥保障系統特別是彈藥儲存保管環節重點防范的事故事件之一。該事故事件的發生勢必會導致彈藥的技術損傷及斷供事件的發生，而且很可能會誘使爆炸事件的發生。不僅會嚴重影響彈藥保障工作的順利進行，還會給部隊和國家帶來重大的經濟損失與人員傷亡。根據火災事故分析，建立彈藥保障系統的火災事故樹[5]，如圖2所示。

圖2 彈藥保障系統的火災事故樹

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

根據彈藥保障系統火災事故樹圖，采用自上而下的方式，將該邏輯模型轉化為數學模型，其化簡結果為

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，彈藥保障系統火災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的事件均不發生，即可有效防止彈藥保障系統火災事故。

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能力。因此爆炸也是彈藥保障系統，特別是在對彈藥進行裝卸、運輸等作業時重點防范的事故事件之一。根據爆炸事故分析，建立彈藥保障系統的爆炸事故樹圖[6]，如圖3。

圖3 彈藥保障系統的爆炸事故樹

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。

根據彈藥保障系統爆炸事故樹圖，采用自上而下的轉換方法，將事故樹模型轉化為數學模型，其化簡結果為

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爆炸事件的發生，只需控制其中任何一個最小徑集中的所有基本事件不發生。

4 彈藥技術損傷事故分析

彈藥的技術損傷是指影響彈藥作戰效能的結構或者功能元件的變化，它也是彈藥保障系統重點防范的事故事件之一。根據彈藥技術損傷事故分析，建立彈藥保障系統的技術損傷事故樹圖[7]，如圖4。

圖4 彈藥保障系統的彈藥技術損傷事故樹

圖4中，T15表示彈藥的技術損傷事件，為該事故樹的頂事件；T16表示環境應力；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。

根據彈藥保障系統彈藥技術損傷事故樹圖，采用自上而下的轉換方法，將事故樹模型轉化為數學模型，其化簡結果如下。

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

(6)

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

針對彈藥保障系統中火災、爆炸和彈藥技術損傷3類事故事件，其基本事件有15種之多[8]。通過分析發現，這3類事故事件具有許多相同的誘發因素，為進一步明確彈藥保障系統事故事件的誘發因素之間的關系，將3類事件的數學表達式進行化簡，結果如下：

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類基本事件的發生概率，就可有效降低彈藥保障系統火災、爆炸和彈藥技術損傷等3類事故事件發生的概率，使部隊可以快速、準確、有效的完成彈藥保障任務。

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的氣候環境因素，是不可改變的基本事件。若要防止此類基本事件誘發彈藥保障系統的事故事件，只能通過截斷影響途徑的方式，即在彈藥方艙的結構設計中加入相關防護功能，為彈藥儲存提供一個穩定的環境條件。跌落和振動是彈藥保障系統的力學環境因素，長時間的振動激勵會給彈藥造成損傷[9-10]。因為彈藥保障系統的運行離不開裝卸和運輸作業，所以這兩個力學環境因素也是彈藥保障系統不可避免的基本事件。為防止跌落和振動事件誘發彈藥保障系統事故事件的發生，只能通過增加彈藥方艙的結構強度和衰減能量傳遞的方式，避免方艙結構損傷，保證彈藥方艙內部環境的穩定性。因此，為了避免彈藥保障系統事故事件的發生，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類環境條件進行相應的防護功能設計。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，保證其內部環境的穩定性，為彈藥提供一個適于儲存的環境條件，才能有效降低彈藥保障系統事故事件的發生概率。