基于改進(jìn)的DHGF算法的轟燃危險性評價方法

張保印高晶陜峻巖張金剛

1河北省唐山市公安消防支隊0630002北京市消防總隊東城區(qū)第一公安消防支隊司令部

基于改進(jìn)的DHGF算法的轟燃危險性評價方法

張保印1高晶1陜峻巖1張金剛2

1河北省唐山市公安消防支隊0630002北京市消防總隊東城區(qū)第一公安消防支隊司令部

轟燃是火災(zāi)由局部向全面轉(zhuǎn)變的一類特殊火災(zāi)現(xiàn)象,危害極大,很多因素會影響轟燃。本文將現(xiàn)有的DHGF算法進(jìn)行了一定改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上提出了基于改進(jìn)的DHGF算法的轟燃危險性評價方法。結(jié)果表明:該方法能夠較真實全面的對室內(nèi)轟燃的危險性進(jìn)行評價，且可操作性強。

轟燃;DHGF 算法; 評價方法

1 引言

通風(fēng)良好時,若室內(nèi)著火,則火焰將由局部向周邊蔓延,且燃燒生成的熱在室內(nèi)積累;當(dāng)熱量積累到一定程度后,火勢急劇增長,溫度突然升高,室內(nèi)所有可燃外表面幾乎同時著火,導(dǎo)致室內(nèi)整體火災(zāi)。室內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過程中的這種轉(zhuǎn)變現(xiàn)象稱為轟燃,它標(biāo)志著室內(nèi)火災(zāi)充分發(fā)展階段的開始。由于轟燃發(fā)生后室內(nèi)可燃表面都開始劇烈燃燒,并伴隨有高溫火焰從房間開口竄出，如圖1,對室內(nèi)物品和建筑結(jié)構(gòu)本身可能造成嚴(yán)重?fù)p壞,也是火焰向鄰近房間或建筑擴展的前兆,因此研究室內(nèi)轟燃的危險性具有重要意義。大量實驗結(jié)果表明,影響轟燃的主要因素有:火源、開口通風(fēng)因子、內(nèi)襯材料熱慣性和房間內(nèi)部尺寸[1]。這些因素間的相互作用，決定了轟燃現(xiàn)象的發(fā)生及其強度。由于這些因素大多是灰色、模糊、難以量化的，于是, 轟燃危險性的評價工作變得異常復(fù)雜。

圖1 火災(zāi)中的轟燃現(xiàn)象

目前, 還少有專門針對轟燃危險性評價方法的研究。常用的危險性評價方法有德爾菲法(Delphi)、模糊評判法、層次分析法等[2]。每種方法都有其優(yōu)缺點。德爾菲法(Delphi) 需依據(jù)專家經(jīng)驗和專業(yè)知識,通過咨詢與統(tǒng)計收集信息、分析專家的意見,確定信息系統(tǒng)綜合評價的指標(biāo)集:沒有考慮定性、定量因素之間的相對重要性。模糊評判法是一種描述和加工模糊信息的數(shù)學(xué)方法,根據(jù)專家對指標(biāo)判斷存在的不確定性和模糊性,可用模糊評判法處理信息。層次分析法具有系統(tǒng)、靈活、簡便以及定性與定量相結(jié)合的特點，特別是能將決策者的經(jīng)驗判斷予以量化, 在評判目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)的情況下很實用, 但是它的具體應(yīng)用與特定的場合有很大關(guān)系,評價結(jié)果的時間和空間轉(zhuǎn)移性較差。轟燃危險性的評價是一個新課題, 具有隨機性、不確定性、模糊性、新穎性的特點。本文在常用評價方法的基礎(chǔ)上, 提出了一種新的綜合評價方法: 基于改進(jìn)的DHGF算法的轟燃危險性評價方法。該方法將一種先進(jìn)的集成算法DHGF算法進(jìn)一步改進(jìn)，運用到轟燃危險性評價中。根據(jù)不同的方法的適用性, 在該評價中的不同階段采用適用的方法, 以求對轟燃危險性做出客觀、全面、科學(xué)的評價。

2 基于改進(jìn)的DHGF算法的轟燃危險性評價模型

2.1 改進(jìn)的DHGF算法的理論基礎(chǔ)

DHGF 算法是將改進(jìn)的Delphi法、AHP、灰色關(guān)聯(lián)、模糊評判的成功之處集合而成的[2]。DHGF集成算法的理論基礎(chǔ)是灰色理論、模糊數(shù)學(xué)和從定性到定量的綜合集成方法，是目前較先進(jìn)的綜合算法之一。但是，該算法在確定指標(biāo)權(quán)重時使用的AHP法，在評定一些不確定性較強，決策者難以進(jìn)行精確判斷的因素時不能很好的解決問題。而在轟燃火災(zāi)中，由于環(huán)境的不確定性,常使決策者難以對各種因素進(jìn)行精確判斷和把握。本文在此基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的DHGF算法。該方法在原方法的基礎(chǔ)上，引入了一種不確定分析方法，區(qū)間層次分析法( Interval Analytic Hierarchy Process,IAHP)。

2.2 基于改進(jìn)的DHGF 算法的轟燃危險性評價流程

改進(jìn)的DHGF算法是將改進(jìn)的Delphi法、層次分析法(IAHP)、灰色關(guān)聯(lián)法(Grey)、模糊評判法(Fuzzy)的成功之處集合而成的算法。在這種算法中, 改進(jìn)的Delphi法用于建立智能運輸系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系,區(qū)間層次分析法用來確定各評價指標(biāo)間的權(quán)重,灰色關(guān)聯(lián)法用來對專家評分?jǐn)?shù)據(jù)的處理,最后用模糊評判法得出評價結(jié)論。這樣將不同的模型加以改造處理后,在轟然危險性評價的不同階段運用不同的方法,各種方法取長補短,來解決轟然危險性的評價問題。根據(jù)改進(jìn)的DHGF算法的思路,可以得到運用改進(jìn)的DHGF評價轟燃危險性的流程(見圖2)。

圖2改進(jìn)的DHGF算法的轟燃危險性評價流程圖

2.3 轟燃危險性評價模型

2.3.1 確定評價指標(biāo)集

根據(jù)科學(xué)性、可比性、可操作性等指標(biāo)設(shè)計原則,通過對轟燃危險性的分析,運用改進(jìn)的Delphi方法向多位有豐富實踐經(jīng)驗的專家進(jìn)行調(diào)查咨詢, 并查閱相關(guān)資料, 建立了一套較為系統(tǒng)、合理的評價指標(biāo)體系(見圖3)。

圖3 轟燃危險性評價指標(biāo)體系

其結(jié)構(gòu)為層次結(jié)構(gòu), 底層11個元素即為評價A 的指標(biāo)：

O = {O1, O2,..., O11}

2.3.2 確定指標(biāo)權(quán)重

由于在專家眼中各個指標(biāo)對轟燃危險性的影響程度不一樣,所以有必要對這些指標(biāo)加以權(quán)重。本文將采用區(qū)間層次分析法(IAHP )進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定。通過圖3示意,將轟燃危險性評價分為三層。首先將多位名專家填寫的對上下層之間元素關(guān)系抽象整理成判斷矩陣,建立的兩兩比較矩陣。在兩兩比較中,將專家的定性描述轉(zhuǎn)換為規(guī)范化數(shù)值的過程稱為標(biāo)量化,其依據(jù)是各種標(biāo)度體系常用的是以下的互反性1～ 9標(biāo)度表[3]。

表1 互反性1～ 9 標(biāo)度

傳統(tǒng)AHP 的判斷矩陣用點值表示,但由于信息的不完備和主觀判斷固有的含糊性,往往會出現(xiàn)不確定的判斷。例如,專家在判斷方案2 相對方案1的優(yōu)勢程度時可能認(rèn)為結(jié)果介于“明顯”、“強烈”到“極端”之間, 這時可用一個區(qū)間數(shù)[6, 9]來代替“點值”。或者是幾位專家對同一指標(biāo)的意見不一致，可以取幾位專家的評判的最小值和最大值分別作為區(qū)間的上下限。按這種方法建立的A～G判斷矩陣A 如表2所示。

表3 區(qū)間數(shù)判斷矩陣A

表2 中:矩陣元素均為區(qū)間數(shù)；對稱元素互為倒數(shù),例如:a21為[1/7,2/6],a12則為[6/2,7/1]。

對區(qū)間判斷矩陣A通過特征值法和歸一化處理后得到區(qū)間特征向量：=([0.251,0.376], [0.059,0.076],[0.372,0.434],[0.176,0.256])，

將其用中心區(qū)間形式表示:

即為區(qū)間矩陣A的權(quán)重向量[3]

W= ([0.3135-0.0625,0.3135+0.0625],[0.0675-0.0085,0.0675+0.0085],

[0.403-0.031,0.403+0.031],[0.216-0.04,0.216+0.04])。

通過同樣的方法，計算G～O的各個子判斷矩陣的特征向量和權(quán)重向量（限于篇幅限制，在此省略），最后得到O層對于A 的組合權(quán)重為:

W= (W1,W2,...,W11)= (0.209,0.042,0.044,0.015,0.0868,0.0651,0.1085, 0.08246,0.09114,0.085,0.171)。

2.3.3 確定評價量樣本矩陣

設(shè)有r 位專家參與評價:R=(R1, R2,..., Rr) ,將第i位專家對指標(biāo)Oi給出的評分記為dli,綜合r位專家對所有評價指標(biāo)的評價數(shù)據(jù),得到評價樣本矩陣D,為了便于專家評定，規(guī)定打分范圍為0～10 分。

2.3.4 確定評價等級

根據(jù)測度理論確定智能運輸系統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)集合:

V = (V1,V2,V3,V4)。

V1,V2,V3,V4分別表示指標(biāo)的評價為“強轟燃危險”、“弱轟燃危險”、“臨界危險”、“安全”四個等級。按10分制打分，故確定評價等級集合為V = (9, 7, 5, 2)。

2.3.5 確定評估灰類

確定評估灰類就是要確定評估灰類的等級數(shù)、灰類的灰數(shù)以及灰數(shù)據(jù)的白化權(quán)函數(shù)。根據(jù)評價等級集合V,確定評估灰類為4類:

各個灰數(shù)的白化權(quán)函數(shù)如下：

相應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)圖如圖4所示，

2.3.6 計算灰色統(tǒng)計數(shù)及模糊權(quán)矩陣

2.3.6.1 計算灰色統(tǒng)計數(shù)

用灰色統(tǒng)計法根據(jù)白化權(quán)函數(shù)求出dli屬于第j灰類評價等級的權(quán)fj(dli) ，據(jù)此求出評判矩陣的灰色統(tǒng)計數(shù)nij和總灰數(shù)統(tǒng)計數(shù)ni。

2.3.6.2 求灰色評估權(quán)值及模糊權(quán)矩陣

將所有r位專家對評價指標(biāo)Oi主張第j 灰類的灰色權(quán)向量記為rij，則有:，從而由rij構(gòu)成模糊權(quán)矩陣R：

2.3.7 計算模糊綜合評判矩陣及評價結(jié)果

由模糊權(quán)矩陣和單因素模糊評判矩陣復(fù)合運算，得模糊綜合評判矩陣：B=W· R=(b1, b2, b3, b4)。再對B進(jìn)行歸一化處理，使，令Z=B·VT，則Z 即為轟燃危險性的綜合評價值。綜合評價值分值越高，說明轟燃危險性越高。

3 應(yīng)用實例

為了更好的說明整個評價方法的思路， 下面應(yīng)用上述評價模型對某室內(nèi)進(jìn)行轟然危險性評價。評價過程如下：

3.1 取得評估矩陣

現(xiàn)假設(shè)請5位專家為該室內(nèi)的轟燃危險性進(jìn)行評分，根據(jù)專家的打分情況得到評價樣本矩陣D，如表4。

表4 評價樣本矩陣D

3.2 計算模糊權(quán)矩陣

首先，計算灰色統(tǒng)計數(shù)，根據(jù)上述白化權(quán)函數(shù)逐一計算dli屬于第j灰類評價等級的權(quán)fj(dli)，求出評判矩陣的灰色統(tǒng)計數(shù)nij和總灰數(shù)統(tǒng)計數(shù)ni,于是得到模糊權(quán)矩陣R。對指標(biāo)O1，該室內(nèi)轟燃危險性屬于第一灰類的統(tǒng)計數(shù)為：

n11= f1(d11)+f1(d22)+f1(d31)+f1(d41)+f1(d51) = f1(7)+f1(8)+f1(9)+f1(6)+f1(7)=4.11，

同理可得：n12=4.43，n13=2.6，n14= 0。對于指標(biāo)O1的總灰數(shù)統(tǒng)計數(shù)為:n1= n11+n12+n13+n14=11.14。

則有r11=n11/n1=4.11/11.14=0.37, r12=0.40, r13=0.23, r14=0。

同理逐一計算可得rij( i = 1, 2,..., 7; j = 1, 2,..., 4) ,于是得到模糊權(quán)矩陣：

3.3 計算模糊綜合評判矩陣及評價結(jié)果

根據(jù)前述公式得B=W·R=(b1, b2, b3, b4) =(0.3612, 0.3757, 0.2495, 0.0136)，歸一化處理后仍為B =(0.3612, 0.3757, 0.2495, 0.0136) 。

則Z= B·VT= (0.3612, 0.3757, 0.2495, 0.0136)·(9, 7, 5, 2)T= 7.1555。

因此，根據(jù)評價等級衡量, 該室轟然危險性的綜合評價屬于弱轟燃危險水平。

4 結(jié)論

本文采用由改進(jìn)的Delphi法以及層次分析法(IAHP)、灰色關(guān)聯(lián)法、模糊評判法的成功之處集合而成的改進(jìn)的DHGF算法對轟燃危險性評價。在轟燃危險性評價的不同階段中運用不同的方法，各種方法取長補短，來解決轟燃危險性的評價問題。這種方法具有以下優(yōu)點：

(1) 融合了多種方法，使定性指標(biāo)向定量轉(zhuǎn)化更具科學(xué)性，評價結(jié)果更為簡單直觀；

(2) 在對專家評分?jǐn)?shù)據(jù)的處理過程中，考慮了專家評分行為的模糊性，使評價結(jié)果更符合實際情況；

(3) 評價過程中對歷史數(shù)據(jù)無依賴，對轟然危險性評價有更好的適應(yīng)性。

通過應(yīng)用實例，證明這種評價方法是有效可行的，能有效地對室內(nèi)的轟燃危險性進(jìn)行全面評價。當(dāng)然，必須要指出的是這種方法也存在一定的缺陷，其主要原因是轟燃危險性的評價目前還處于初始階段，評價的數(shù)據(jù)得不到有效采集，同時專家的評分仍然有一定的主觀性。因此還有待于在以后的實際應(yīng)用中逐步建立善的運行數(shù)據(jù)庫，并對評價方法進(jìn)一步研究探討。

[1]陸時正,時穎倩,李璞.火源對標(biāo)準(zhǔn)房間轟燃影響的數(shù)值模擬[J].安全與環(huán)境工程學(xué)報.2010,17(2):98-102.

[2]徐維祥, 張全壽.一種基于灰色理論和模糊數(shù)學(xué)的綜合集成算法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐.2001,4:114-119.

[3]吳育華,諸為,李新全,等.區(qū)間層次分析法—IAHP[J].天津大學(xué)學(xué)報.1995 , 28(5) :700-705.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.051

張保?。?970—），男，河北省唐山市公安消防支隊，主要從事消防安全工作研究。