基于FTA?AHP模型的動車組列車火災風險分析

劉志浩胡定煜

（中國人民武裝警察部隊學院，河北 廊坊 065000）

基于FTA?AHP模型的動車組列車火災風險分析

劉志浩，胡定煜

（中國人民武裝警察部隊學院，河北 廊坊 065000）

采用事故樹分析（FTA）與層次分析（AHP）相結合的方法對動車組列車火災風險進行分析，并求得各指標層對目標層的影響權重，同時還將單獨的FTA方法與FTA?AHP方法進行了比較，總結出FTA?AHP方法的優(yōu)點，解決了在動車組列車火災風險分析中的什么是重點的問題。結果表明：對動車組列車火災風險影響較大的因素依次為，列車材料耐火等級、火災報警系統(tǒng)、防火巡查、電氣系統(tǒng)的安全狀況、消防設施的維護等，必須首先從這些因素入手來控制動車組列車火災風險。

事故樹分析；層次分析；動車組；火災風險

0 引言

隨著鐵路交通技術的不斷發(fā)展，動車組列車作為即經濟快捷又安全舒適的出行方式為社會公眾所喜愛，2017年1月5日我國鐵路總公司發(fā)布了全國鐵路最新列車運行圖，數(shù)據顯示全國鐵路開行旅客列車總數(shù)達3570.5對，其中動車組列車2332.5對，比例已經超過了65%。據國務院新聞辦公室于2016年12月29日發(fā)表的《中國交通運輸發(fā)展》白皮書顯示，到2020年，高速鐵路營業(yè)里程達到3萬公里，將覆蓋80%以上的大城市［1］。動車已經進入加密時代，動車組的數(shù)量將不斷增加，然而隨著動車組數(shù)量的增加，其火災事故風險發(fā)生的幾率也會隨之提升，雖然到目前為止國內尚未發(fā)現(xiàn)關于動車組列車火災事故的報道，但作為高速運行（時速200km及以上）的列車一旦發(fā)生火災事故，不僅會造成大量的人員傷亡和財產損失，同時還會導致我國鐵路交通的局部癱瘓。為了保證人員、財產的安全以及交通要線的暢通，本文通過將事故樹分析（FTA）與層次分析（AHP）相結合的方法來研究動車組列車的火災危險性，并最終提出相應的防范建議。

1 國內外對動車組列車火災研究動態(tài)

目前國際上動車組列車有多種型號，如中國的CHR、日本的新干線、法國的 TGV、比利時的HSL－1以及連接英法兩國的歐洲之星等，因此國外相應領域的專家學者也在進行著積極地研究，如英國專家保羅·曼先生采用故障樹和事件樹相結合的方法建立模型，并用于預測高速列車上的火災頻率［2］。

2007年我國鐵道部頒布了《動車組消防安全管理暫行規(guī)定》，標志著我國在動車組列車消防管理方面有了行業(yè)的標準。國內學者也從多個方面對動車組列車火災進行了研究，如張山虎利用FDS軟件模擬建立動車組列車存車場火災三維實體模型，對4種不同火災場景下動車組列車火災時的煙氣蔓延、熱輻射通量變化進行研究［3］；梁君海等利用PyroSim火災模擬軟件對我國CRH2型動車組列車進行了火災情況下車廂內部各處的煙霧濃度、溫度及熱釋放速率等的數(shù)值分析研究［4］；宋悅菡等利用 BuildingEXODUS軟件模擬了不同火災條件下CRH1型動車組列車的人員疏散過程，并進行分析提出了優(yōu)化方案［5］；丁江沨通過對國外高速列車防火標準、火災起火原因、火災危害識別三個方面的對比分析，提出了有效降低高速列車運行中火災風險的控制措施［6］；孫少婧等針對高速動車組設計了智能化的火災報警系統(tǒng)［7］。從這些文獻中可以看出，我國學者對動車組列車火災的研究多致力于火災煙氣、熱釋放、人員疏散以及火災報警系統(tǒng)方面，缺乏較為體系的火災風險分析。

2 動車組列車運行系統(tǒng)特點

目前我國運行的動車組列車主要有四種，且均為電力性動車組，分別是 CRH1、CRH2、CRH3和CRH5，在這些型號的動車組的裝備大致相同，如配電系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、蓄電池與充電機、照明系統(tǒng)、火災探測系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、動車組常見電器、空調及電氣設備等。在這些系統(tǒng)均依靠電力驅動，外加動車組列車的動力系統(tǒng)也來源于外部的高壓、大電流電力供應，這就使得動車組車廂內聚集了大量的通電線路、設備，這些通電線路、設備的存在既是動車組列車引發(fā)火的重要風險因素之一。同時，高速行駛的動車組列車要求車廂要與外界保持良好的密封效果，這就使得車廂內一旦發(fā)生火災事故，那么產生的熱量、煙氣很難向外釋放從而加大了火勢的擴展。同樣，高速運行中的動車組列車車廂內外存在大氣壓差，如果車體密封性能不良，發(fā)生火災后不僅不能起到排煙散熱的作用，反而會因車廂內氣流的形成助長火勢的蔓延，這種現(xiàn)象會隨著列車運行速度的提高而越加顯著。

3 動車組列車火災FTA分析

事故樹分析FTA應用較為廣泛，例如胡玉娟等通過FTA法定性分析了電動車火災事故［8］，包麗雅通過FTA法對石油儲罐區(qū)火災風險進行了定量評估［9］。FTA分析的核心內容是定性分析，因該分析方法簡便易算，結果可靠，所以能夠滿足本研究的研究需求，同時由于國內動車組列車火災事故資料有限，因此本文僅對事故樹做定性分析。

3.1 動車組列車火災FTA模型構建

在動車組列車運行過程中容易引發(fā)火災的首要內部因素就是電，包括供電系統(tǒng)、線路以及各種設備儀器，而一些外部因素主要包括雷擊、吸煙、防火等。在火災形成及發(fā)展階段包括火災的報警不及時和撲救不力原因，主要從人、物、環(huán)境三方面分析。例如人的因素包括乘客的警覺性差、工作人員巡查不到位以及火災撲救能力不足，物的因素主要包括火災報警器以及滅火器的質量差、數(shù)量不足和部署不合理，環(huán)境因素包括列車所處的位置環(huán)境以及火災負荷。將動車組列車火災作為事故樹的頂事件，將以上基本原因作為事故樹最底層的基本事件，結合不同因素交叉事故形態(tài)關系的統(tǒng)計分析結果進行分類分析，構建如圖1所示的動車組列車火災事故樹模型。

3.2 動車組列車火災FTA模型定性分析

（1）最小割集的求解和分析

由布爾代數(shù)化簡法可求得最小割集，如表1所示。經計算動車組列車火災事故樹共有336個最小割集，最小割集的數(shù)目較多，因此，從模型看來火災發(fā)生的途徑有336種。

（2）最小徑集的求解和分析

使頂端事件不發(fā)生的基本事件的集合成為徑集，事故樹的最小徑集是指使頂上時間不發(fā)生的最低限度的基本事件的集合，最小徑集越多，火災可控的方法也就越多。車組列車火災事故樹的最小徑集如表2所示。

由表2所示控制火災發(fā)生的途徑有五種：一是控制所有的引火源（X1、X2、X3、X8、X9、X10、X11、X12）；二是控制起火物（X4、X5、X6）；三是在工作人員巡查到位的前題下（控制X7）保證有撲救火災的能力（控制 X18、X19、X20、X21、X22、X23、X24、X25）；四是在火災報警器正常工作在前題下（控制X7、X18、X19）保證有撲救火災的能力（控制 X18、X19、X20、X21、X22、X23、X24、X25）；五是在保證旅客安全警惕意識下（控制X16、X17）保證有撲救火災的能力（控制 X18、X19、X20、X21、X22、X23、X24、X25）。

（3）結構重要度求解和分析

本文的基本事件較多，有25個，如果求結構重要系數(shù)則會產生225（即33554432）個狀態(tài)值，數(shù)量過于龐大，因此本文根據已求得的最小割集來判斷結構重要度順序。動車組列車火災事故樹各基本事件結構重要度排序（表3）。

圖1 動車組列車火災事故樹模型Fig．1 Fault tree model of the EMU train fire

表1 最小割集Tab．1 Minimal cut set

由表3可知，動車組列車火災事故樹各基本事件結構重要度共分為6個等級。第一等級是車廂內易燃起火物，有裝修材料、旅客行李以及列車內各項設備線路，當動車組列車發(fā)生火災時就是靠這些起火物不斷蔓延發(fā)展的，因此對于火災事故而言其危險性最大；第二等級是造成火災的引火源，包括失火、放火、自燃、雷擊，由于我國鐵路營運管理的嚴格，放火、自燃、雷擊等因素相對較小，因此火災主要由失火造成，包括吸煙、電氣設備的過載、線路老化以及短路；第三等級是撲救不利因素，主要有人為因素即滅火人員不足及不會使用滅火器，環(huán)境因素即列車遠離市區(qū)撲救困難、通風對流好火勢發(fā)展快以及火災負荷大；物的因素及滅火器的數(shù)量、質量和配備；第四等級是工作人員巡查不到位；第五等級是旅客的警覺性問題，主要由列車消防宣傳不足及旅客疲勞所致；第六等級是火災報警器失效，作為防火功能設計的重要一部分，火災報警器的數(shù)量、質量以及布置對火災的發(fā)現(xiàn)都起著重要作用。

作為火災發(fā)生的三個條件之中的起火物和引火源位于風險等級的前兩名，這說明該事故樹的模型與實際是相符合的，是比較成功的。但是從動車組列車火災事故樹各基本事件結構重要度排序表中我們可以看出，風險等級只是近似的判斷，大多數(shù)等級中包含多個同等重要度的基本事件，因此為了更精確地判斷，分析動車組列車火災風險，本文又引入了層次分析法進行進一步分析。

對于FTA?AHP模型的分析方法，有些學者已經運用到了相應領域，并取得了較好的效果，如張村峰等人利用FTA?AHP模型對高校學生宿舍火災風險進行了分析［10］，李小菊等人通過模糊FTA與區(qū)間AHP相結合的方法研究了高層建筑火災風險［11］，耿利紅等人通過 FTA?AHP模型分析了高爐波紋補償器失效的主要原因［12］。

表2 最小徑集Tab．2 Minimal path set

表3 結構重要度Tab．3 Structure important degree

4 動車組列車火災事故的AHP分析

層次分析（AHP）由美國運籌學家 T．L．Saaty教授首次提出，近年一些學者熱衷于對改進的模糊AHP進行研究，但Saaty認為模糊邏輯不適用于AHP，因為在AHP中用來比較同類元素的1－9標度本身已經是模糊的了，再度模糊化沒有意義［13］，此外模糊在改進判斷不一致性的同時，不一定能改進結果的有效性，只會增加操作的復雜性［14］，往往會導致不可取的，而不是更理想的結果。因此本文將繼續(xù)采用Saaty教授經典的AHP方法對動車組列車火災事故的危險性進行評價。

4.1 構造層析分析模型

為了使FTA模型中各基本事件能與AHP模型很好地結合起來，首先將FTA模型中對各基本事件的描述中性化后轉為AHP模型的指標層因素，然后歸納分類，確定為準則層各因素（如消防管理、防火設計、滅火能力、列車安全行駛狀況和安全疏散能力），目標層即為動車組列車火災風險，以此構造的AHP模型（表4）。

表4 火災風險指標體系Tab．4 Fire risk index system

4.2 構造判斷矩陣

通過對AHP模型中同一層次各因素之間進行重要度的兩兩比較，可以構造AHP的判斷矩陣，其表示符號為A＝（aij）。如本文中影響動車組列車火災危險性有的準則有5個，則可以構造判斷矩陣：

每層指標的層次分析法判斷矩陣是通過專家評分而獲得的，在評分過程中采用1－9的比例評分標度方法。

4.3 確定單一準則下的指標權重

本文通過幾何平均法（根法）對權重ωi進行計算。

然后計算判斷矩陣的最大特征根λmax：

每層指標的層次分析法判斷矩陣及計算結果如下（表5～10）：

4.4 一致性檢驗

（1）計算一致性指標CI

表5 動車組列車火災風險Tab．5 Tire risk of EMU train

表6 消防管理Tab．6 Fire management

表7 防火設計Tab．7 Fire protection design

表8 滅火能力Tab．8 Extinguishing ability

表9 列車安全行駛狀況Tab．9 Safe running condition of train

表10 安全疏散能力Tab．10 Safe evacuation capacity

（2）查找相應的平均隨機一致性指標RI。對n＝1，…，9，Saaty給出了通過隨機方法構造500個樣本矩陣而計算得到的RI值。

（3）計算一致性比例CR

當CR＜0.10時，可以接受的該判斷矩陣的一致性，否則應對該判斷矩陣作出適當?shù)恼{整及修正。 經計算判斷矩陣 A、B1、B2、B3、B4、B5 的CR 值分別為 0.0357、0.0437、0.0605、0.0433、0.0414、0.0379 且均小于 0.1，因而各判斷矩陣的一致性是可以接受的。

4.5 層次總排序及一致性檢

若上一層次A包含n個因素B1，B2……Bn，其層次權重值分別為 b1，b2……bn，如果C層次某些因素對于Bi單排序的一致性指標為CIi（i＝1，2……n），相應的平均隨機一致性指標為RIi，則C層次的總排序隨機一致性比率［15］為：

當CR＜0.10時，可認為層次總排序結果具有較滿意的一致性，分析結果可以接受。

求得：CR ＝ 0.0568，小于 0.1，所以層次總排序結果合理可接受。

5 綜合分析

由表11可知，是動車組列車火災高風險的因素（前6位）主要有：列車材料耐火等級、火災報警系統(tǒng)、防火巡查、電氣系統(tǒng)的安全狀況、消防設施的維護和火災荷載。從消防工作階段來看，這些因素屬于防火工作的主要內容，這與消防部門“預防為主，防消結合”的工作原則相吻合。這些主要因素中列車材料耐火等級與火災荷載屬于動車組列車在生產時的防火設計，是運營前期的消防投入，而火災報警系統(tǒng)、防火巡查、電氣系統(tǒng)的安全狀況和消防設施的維護工作屬于動車組列車在運營期間定期進行的消防安全管理工作，因此這些因素隨人員素質的影響較大。

表11 層次總排序Tab．11 Hierarchical total ordering

火災一旦發(fā)生，影響動車組列車火災高風險的因素則主要是火災撲救工作，然而從層次總排序中我們可以看出，列車消防人員的滅火能力僅處在第11位，這與排在第9位的滅火器因素有直接關系，由《動車組消防安全管理暫行規(guī)定》可知，動車組列車的消防器材配備為：車廂配備手提式2kgABC干粉滅火器和2L水型滅火器各2具，駕駛室配備5Kg二氧化碳或5KgABC干粉滅火器1具［16］。這些滅火劑量只能用于火災的初期撲救，而很難對充分發(fā)展階段的火災起到撲滅的效果。對于火車之外消防組織的滅火能力，其權重排位則更低，處于第21位。這與第15位列車所處位置及第17位列車與消防組織的距離有較大的關聯(lián)，由于火車很大程度上會遠離城市，會經過隧道、高架橋梁、山脈、河流湖泊等特殊區(qū)域，受距離和地勢的影響消防組織很難及時到達，因此其發(fā)揮的能力有限?；馂陌l(fā)生時人員疏散能力同樣重要，如排在第7位的旅客數(shù)量及逃生能力，主要從人員傷亡方面影響動車組列車火災風險。

環(huán)境因素對動車組列車火災風險影響較小，如處于第22位的天氣狀況因素，但是從往年的新聞報道來看，高速行駛的動車遭受雷擊的事故時有發(fā)生，而雷擊會使列車配電、供電系統(tǒng)的高壓電路發(fā)生故障會大大提高火災發(fā)生的幾率。

6 結論

對比表11與表3可知：利用FTA?AHP法可以彌補事故樹因缺乏基本事件發(fā)生概率數(shù)據而很難進行定量分析的不足，同時可以避免在FTA分析階段因部分基本事件結構重要度相同而無法進行針對性預防的弊端，對制定動車組列車火災的防范措施具有一定的指導意義。

綜合表11與表3分析，動車組列車火災風險較高，火災引發(fā)及蔓延的途徑高達336種，要想降低動車組列車的火災風險則要從以下幾點入手：在設計生產階段，首要任務是要確定合理的耐火等級、器材配置，優(yōu)化動車組列車消防系統(tǒng)及應急疏散設計，加強動車組列車自身的防火性能，因此必須嚴格按照我國相關標準，TB／T 3237《動車組用內裝材料阻燃技術條件》、TB／T 2640《鐵道客車防火保護的結構設計》并參考德國標準DIN5510《鐵路車輛預防性防火》進行嚴格的防火設計；在運營階段，嚴格落實消防管理制度，及時排除存在的隱患，同時優(yōu)化火災撲救方案為消防組織火災撲救提供便利條件，發(fā)揮出消防組織在動車組列車火災撲救中的應有的重要作用。

［1］ 國務院新聞辦公室．《中國交通運輸發(fā)展》白皮書［ EB／OL］． http：／／www．scio．gov．cn／zxbd／wz／Document／1537339／1537339．htm， 2016 －12 －29．

［2］ Paul Mann．Fire Risk Assessment Study For a High Speed Train ［J］．PMSC， 2011，1 －23．

［3］ 張山虎．動車組列車火災安全分析與評估研究［D］．成都：西南交通大學，2011．

［4］ 梁君海．基于PyroSim的高速動車火災分析［J］．重慶理工大學學報（自然科學），2014，28（10）：35－37．

［5］ 宋悅菡，朱杰．高速列車二等車不同火源位置人員疏散分析及優(yōu)化［J］．消防科學與技術，2016，3（1）：55 －58．

［6］ 丁江沨．高速列車火災風險分析［J］．保險職業(yè)學院學報（雙月刊），2015，29 （1）：74 －77．

［7］ 孫少蜻，苑豐彪，張凱榮，等．高速動車組智能火災報警系統(tǒng)設計［J］．中國鐵路，2013，4（1）：60 －63．

［8］ 胡玉娟，錢偉．基于FTA法的電動車火災事故的分析［J］．防災科技學院學報，2011，13（1）：23 －26．

［9］ 包麗雅．基于事件樹的石油儲罐區(qū)火災風險的定量評估［J］．防災科技學院學報，2013，15（1）：82－87．

［10］ 張村峰，卞奇侃，蔣軍成．基于“事故樹—層次分析法”的高校學生宿舍火災風險分析［J］．中國安全生產科學技術，2011，7（10）：100 －105．

［11］ 李小菊，程奉梅，宋云龍．基于模糊事故樹與區(qū)間層次分析法耦合的高層建筑火災風險研究［J］．消防技術與產品信息，2013（3）：7 －11．

［12］ 耿利紅，孟祥春，魏新利．基于“事故樹—層次分析法”的高爐波紋補償器失效分析［J］．冶金設備，2013（3）：25 －29．

［13］ Saaty T L， Tran L T．On the invalidity of fuzzifying numerical judgments in the analytic hierarchy process［J］．Mathematical and Computer Modelling， 2007，46（7－8）：962－975．

［14］ Saaty T L，Tran L T．Fhzzy judgments and fuzzy sets［J］．International Journal of Strategic Decision Sciences，2010， 1（1）： 23 －40．

［15］ 鄧雪，李家銘，曾浩健，等．層次分析法權重計算方法分析及其應用研究［J］．數(shù)學的實踐與認識，2012，42（7）：93 －100．

［16］ 中華人民共和國鐵道部．《動車組消防安全管理暫行規(guī)定》［S］．北京：中國標準出版社，2007．

Train Based on FTA?AHP Model Analysis on Fire Risk of Electric Multiple Unit

Liu Zhihao，Hu Dingyu
（The Chinese People’s Armed Police Academy，Langfang065000，China）

The fire risk of electric multiple unit（EMU） train is analyzed by using the methods of fault tree analysis（FTA） and analytic hierarchy process（AHP）， and the influence weight of each index layer on target layer is obtained．Further， the paper， through a comparison between the FTA method and the FTA?AHP method， summarizes the advantages of the latter and identifies the key problem of the train fire risk analysis in EMU train．The results show that the factors influencing the fire risk of EMU train are fire?protection rating of train material， fire alarm system， fire prevention patrol， safety status of electrical systems， and maintenance of fire fighting facilities etc．Therefore， those above?mentioned factors should be given priority in controlling the risk of EMU train fire．

fault tree analysis； analytic hierarchy process； electric multiple unit； fire risk

X932 文獻標識碼：A 文章編號：1673－8047（2017）03－0057－09

2017－04－21

公安部技術研究計劃項目（2016JSYJC55）．

劉志浩（1990—），男，碩士研究生，主要從事火災風險評估、火災調查方面研究。

胡定煜（1969—），男，博士，教授，主要從事消防功能材料、災害事故應急救援方面研究。