基于多級可拓評價法的地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險評估

宋仲仲，宋文波，林 立

（1.蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，蘭州 730070；2.北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

0 引言

多數(shù)地鐵車站環(huán)境密閉、人流集中，一旦發(fā)生事故，可能帶來重大的人身財產(chǎn)損失。相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，火災(zāi)事故在所有地鐵安全事故中所占比例最大[1]。因此，客觀合理地對地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行評估，有利于及時發(fā)現(xiàn)和控制火災(zāi)隱患，為車站安全管理部門提供決策依據(jù)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

針對地鐵火災(zāi)的安全性問題，國內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了一定的研究。其中，國外學(xué)者主要以空氣流動、隧道通風(fēng)、人員疏散等的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)為主[2～4]。如Kurioka等[2]在對三種隧道模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出了火焰傾斜度及高度、煙層最高溫度及位置的經(jīng)驗(yàn)公式，并通過對比實(shí)驗(yàn)證明了公式的適用性；Roh等[3]和Benkoussas等[4]利用流體動力學(xué)模型分別對地鐵車站火災(zāi)情況下人員疏散及煙霧通風(fēng)情況進(jìn)行了評估和數(shù)值模擬。隨著我國地鐵行業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者針對地鐵火災(zāi)的安全評價問題也進(jìn)行了一定程度的探討[1,5～14]，主要以模糊綜合評價為主流方法[1,5～7]。馬一太等[5]在模糊數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，對地鐵火災(zāi)的危險性進(jìn)行了一階和二階模糊評價，是我國較早對地鐵火災(zāi)使用模糊綜合評價的研究者之一；陳曼英[1,6]運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法并結(jié)合故障樹法對地鐵車站發(fā)生火災(zāi)的概率進(jìn)行研究，并給出了降低火災(zāi)風(fēng)險的具體措施；米紅甫等[7]將火災(zāi)發(fā)生的概率及火災(zāi)的危害性統(tǒng)籌考慮，結(jié)合概率論與模糊數(shù)學(xué)等相關(guān)理論建立概率模糊評價模型對地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行研究。馬劍等[8]通過函數(shù)對評價結(jié)果進(jìn)行量化，在證據(jù)理論的基礎(chǔ)上，提出了一種地鐵火災(zāi)安全評價的新方法；李炎鋒等[9]在地鐵車站火災(zāi)評價體系的構(gòu)建方面采用了按時序分階段的方法；李江華[10]和王建波等[11]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險的評價模型中。自可拓學(xué)[12]被提出以來，基于可拓理論的評價方法開始逐漸應(yīng)用于各領(lǐng)域[13～17]，包括評估地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險的問題[13,14]。安永林等[13]將可拓評估與文獻(xiàn)[5]的模糊綜合評價所得結(jié)果進(jìn)行對比分析，說明了該方法的可行性；陽富強(qiáng)等[14]在可拓理論的基礎(chǔ)上結(jié)合熵權(quán)法，對地鐵車站的火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行評估。對既有研究進(jìn)行分析可知，模糊綜合評價[1,5～7]容易出現(xiàn)丟失信息的問題；傳統(tǒng)的層次分析法[5,13,15,16]在確定權(quán)重時構(gòu)造的判斷矩陣多數(shù)情況下不滿足一致性檢驗(yàn)；一些評價指標(biāo)體系的構(gòu)建[9～11,14]未充分考慮我國關(guān)于地鐵設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定且?guī)в幸欢ǖ闹饔^性。

鑒于此，本文在構(gòu)建地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險評價體系的基礎(chǔ)上，開創(chuàng)性的以改進(jìn)的層次分析法計算相關(guān)指標(biāo)的權(quán)重并結(jié)合多級可拓評價法對地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行評估，以期為管理者提供新的科學(xué)的評價思路，為地鐵車站有效地預(yù)防火災(zāi)提供合理的建議。

1 地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險評價體系

1.1 評價指標(biāo)體系的建立

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2013）[18]中關(guān)于“火災(zāi)自動報警系統(tǒng)”、“運(yùn)營控制中心”、“防災(zāi)”等方面的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合國內(nèi)外地鐵火災(zāi)事故的特點(diǎn)，在既有研究成果[1,5,14]及實(shí)地考察地鐵車站的基礎(chǔ)上，采用事故分析和專家調(diào)查等方法，從管理水平、設(shè)備水平、消防設(shè)計水平、人員能力水平等四個方面建立地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

1.2 改進(jìn)的層次分析法確定評價指標(biāo)權(quán)重

由于地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險評價體系包含諸多指標(biāo)，每個指標(biāo)對待評目標(biāo)的重要程度都不同。為了使評價結(jié)果比較客觀準(zhǔn)確，必須對其賦予不同的權(quán)重系數(shù)。

在確定權(quán)重時，層次分析法是一種實(shí)用性強(qiáng)且較為科學(xué)的方法。但構(gòu)建的判斷矩陣往往不滿足一致性檢驗(yàn)，必須對其重新進(jìn)行調(diào)整。因此，本文在確定指標(biāo)權(quán)重時將對層次分析法加以改進(jìn)，使其無需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[7]，步驟如下：

1）將指標(biāo)兩兩對比，通過1～9的重要性標(biāo)度構(gòu)造比較判斷矩陣A=(aij)m×n。

2）通過下式將判斷矩陣A=(aij)m×n轉(zhuǎn)換為改進(jìn)的判斷矩陣B=(bij)m×n：

式中，k≥2且k為整數(shù)，β≥1，通常取β=1，此時判斷矩陣B=(bij)m×n均滿足一致性檢驗(yàn)。

3）求各指標(biāo)的權(quán)重。對B的各列進(jìn)行歸一化得到矩陣C，將C的各行加總求和即可得到特征向量W；對W進(jìn)行歸一化處理即可得到每個指標(biāo)的權(quán)重。

2 多級可拓評價模型

2.1 可拓評價基本理論

可拓評價可以將多因素的評價最終轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)的決策，并通過客觀的數(shù)字來表示評價結(jié)果。本文所構(gòu)建的地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險可拓評價模型即是在明確評價指標(biāo)域及火災(zāi)風(fēng)險域的基礎(chǔ)上，確定各評價指標(biāo)的經(jīng)典域和節(jié)域，通過計算各指標(biāo)對于不同火災(zāi)風(fēng)險的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而確定待評目標(biāo)對應(yīng)的風(fēng)險等級。

2.2 確定經(jīng)典域和節(jié)域

設(shè)風(fēng)險等級域U={Ui, i=1,2,…t}，t為風(fēng)險等級個數(shù)；一級指標(biāo)評價因素集M={mj, j=1,2,…l }，l為一級指標(biāo)個數(shù)。

則經(jīng)典域物元Ri可表示為：

圖1 地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險評價體系

式中，Vi為一個經(jīng)典域，表示評價因素集M關(guān)于風(fēng)險等級Ui的數(shù)值范圍，即相應(yīng)的一級評價指標(biāo)關(guān)于火災(zāi)風(fēng)險各等級的取值范圍。

節(jié)域物元RU可表示為：

式中，VU表示一個節(jié)域，即M關(guān)于風(fēng)險等級全體U的數(shù)值范圍。

2.3 確定待評物元

將收集到的信息數(shù)據(jù)以及分析結(jié)果或?qū)＜掖蚍智闆r用物元Rj表示為：

式中，p表示待評目標(biāo)；vjh表示待評目標(biāo)關(guān)于二級評價指標(biāo)mjh的取值，即通過對待評目標(biāo)進(jìn)行分析后得到的實(shí)際數(shù)值，r表示二級指標(biāo)的個數(shù)。

2.4 確定各風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度

根據(jù)上述分析中關(guān)于關(guān)聯(lián)函數(shù)和距的相關(guān)定義及說明，第j個一級指標(biāo)下的第h個二級指標(biāo)相對于火災(zāi)風(fēng)險等級Ui的關(guān)聯(lián)度Ki(mjh)表示為[15]：

由距的定義可知，式中：

2.5 多級可拓評價

風(fēng)險評價體系中二級評價指標(biāo)相對于各等級的關(guān)聯(lián)度矩陣可表示為：

各二級指標(biāo)的權(quán)重向量為：

則評價體系中一級評價指標(biāo)相對于各個風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度矩陣K(mj)為：

其中，運(yùn)算符號o表示矩陣的乘法。

同理，一級評價指標(biāo)的權(quán)重向量w與矩陣K(M)=(K(mj))相乘即可得到待評目標(biāo)相對于不同風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度矩陣K(P)：

其中：

3 實(shí)例分析

以多級可拓評價模型對某市地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行評估。在既有研究[1,5,14]的基礎(chǔ)上并根據(jù)實(shí)地調(diào)研情況，將火災(zāi)風(fēng)險等級域設(shè)為U={U1，U2，U3，U4，U5}={安全，較安全，一般，較危險，危險}，等級評價得分表如表1所示；根據(jù)圖1，一級指標(biāo)評價因素集M={m1，m2，m3，m4}。

表1 風(fēng)險等級綜合評價分?jǐn)?shù)

3.1 權(quán)重系數(shù)的確定

以一級指標(biāo)為例進(jìn)行計算說明。首先由安全專家小組成員及車站工作人員對指標(biāo)進(jìn)行兩兩對比，構(gòu)造比較判斷矩陣A同時根據(jù)式(1)將其轉(zhuǎn)化為改進(jìn)的判斷矩陣B：

對矩陣B的各列進(jìn)行歸一化處理即可得到矩陣C，進(jìn)而求得特征向量W={0.942，1.092，1.469，0.498}，對特征向量W歸一化處理即可求得所有一級指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)向量w={0.2354，0.2729，0.3673，0.1244}。同理可得每個一級評價指標(biāo)下的二級評價指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重，如表2所示。

3.2 經(jīng)典域和節(jié)域的確定

以“消防設(shè)計水平”及其二級指標(biāo)為例進(jìn)行計算說明。根據(jù)式(2)、式(3)中關(guān)于經(jīng)典域和節(jié)域的描述以及表1中各等級的評價分?jǐn)?shù)，可類比得出“消防設(shè)計水平”m3的經(jīng)典域和節(jié)域?yàn)椋?/p>

3.3 待評物元的確定

聘請消防專家以及車站管理人員根據(jù)車站實(shí)際情況，對每一個二級評價指標(biāo)進(jìn)行打分，確定待評物元，具體分值詳如表2所示。如“消防設(shè)計水平”的待評物元為：

3.4 二級指標(biāo)關(guān)聯(lián)度的計算

以二級評價指標(biāo)“車站火災(zāi)載荷”為例，根據(jù)式(6)計算可得：

則由式(5)得：

由此可得“消防設(shè)計水平”下的二級評價指標(biāo)“車站火災(zāi)載荷”相對于不同風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度，其他二級評價指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度參數(shù)計算結(jié)果如表2所示。

3.5 火災(zāi)風(fēng)險等級的確定

根據(jù)二級評價指標(biāo)的權(quán)重向量及關(guān)聯(lián)度矩陣，由式(9)可計算對應(yīng)的一級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，以“人員能力水平”為例：

其他一級指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果如表3所示。同理，根據(jù)一級評價指標(biāo)的權(quán)重向量及相對不同風(fēng)險等級的關(guān)聯(lián)度矩陣即可求得待評目標(biāo)相對于各等級的關(guān)聯(lián)度：

由max{K1(P), K2(P), K3(P), K4(P), K5(P)}=max{-0.19,0.06,-0.31,-0.54,-0.66}= K2(P)可得，該地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險屬于第二等級，即“較安全”。根據(jù)式(11)、式(12)所示，得i*=2.067，其他一級指標(biāo)的評價結(jié)果如表3所示。

3.6 結(jié)果分析

對表3進(jìn)行分析可知，該地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險處于較安全級別，其特征值為2.067，說明風(fēng)險等級介于較安全和一般之間，偏向于較安全，與該地鐵車站實(shí)際情況相吻合。

四項(xiàng)一級指標(biāo)均處于較安全的級別，其中設(shè)備水平介于安全和較安全之間，其他三項(xiàng)都介于較安全和一般之間。從管理水平和人員能力來看，特征值稍大，建議該地鐵車站將重點(diǎn)放在這兩方面，結(jié)合表2的評分情況，車站需定期開展消防安全教育培訓(xùn)，切實(shí)加強(qiáng)火災(zāi)風(fēng)險管理水平；提高車站人員的消防技能和消防安全意識，全面提升其應(yīng)對突發(fā)事件的能力。同時兼顧消防設(shè)計和消防設(shè)備的維護(hù)與穩(wěn)定，進(jìn)一步提高車站火災(zāi)風(fēng)險的安全等級。

表2 評價體系及相關(guān)取值

表3 地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險可拓評價結(jié)果

4 結(jié)論

在可拓學(xué)理論的基礎(chǔ)上，利用可拓評價模型從管理水平、設(shè)備水平、消防設(shè)計水平、人員能力等四個方面對地鐵車站的火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行評估，主要結(jié)論如下：

1）根據(jù)地鐵車站實(shí)際情況，建立了詳細(xì)的評價指標(biāo)體系，評價結(jié)果顯示該地鐵車站的火災(zāi)風(fēng)險處于較安全級別，與車站實(shí)際情況相符。

2）采用改進(jìn)的層次分析法確定評價指標(biāo)權(quán)重，避免了傳統(tǒng)的層次分析法確定權(quán)重時需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的缺點(diǎn)；將多級可拓評價法用于評估地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險，通過計算各等級的關(guān)聯(lián)度，能夠準(zhǔn)確確定風(fēng)險所屬級別并計算出所屬級別的特征值。此方法可以避免模糊綜合評價中選擇評價模型及構(gòu)造隸屬度函數(shù)的復(fù)雜性，能夠?yàn)榈罔F車站火災(zāi)風(fēng)險提供客觀的評價，根據(jù)薄弱環(huán)節(jié)有針對性地進(jìn)行管理。

3）地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險涉及因素眾多，本文主要針對管理、設(shè)備、消防設(shè)計以及人員等四個方面進(jìn)行探討，后續(xù)研究工作中可對地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險的評價體系進(jìn)行更詳盡的考慮。