地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險模糊層次綜合評估模型與應(yīng)用分析

彭 磊1 徐學(xué)軍2 楊 磊

(1.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043；2.廣西公安消防總隊(duì)，南寧 530000；3.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,南寧 530029)

1 引言

地鐵是目前世界上能夠解決大中型城市人們出行較為便捷、經(jīng)濟(jì)、高效的交通工具之一，是城市交通系統(tǒng)的骨干，城市的生命線。作為現(xiàn)代化程度的重要指標(biāo)，地鐵對促進(jìn)城市繁榮、實(shí)現(xiàn)城市經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的作用。但由于地鐵深埋地下，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、出入口少、疏散路線長、通風(fēng)照明條件差、電氣設(shè)備種類多、人員高度集中等原因，一旦發(fā)生火災(zāi)，撲救任務(wù)將非常艱巨，往往會造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失?？v觀國內(nèi)外，地鐵車站一直是恐怖襲擊和破壞事件的高發(fā)地，也是安全防范的高風(fēng)險地。近年來，世界上一些國家、地區(qū)地鐵相繼發(fā)生火災(zāi)，造成了群死群傷的嚴(yán)重傷害[1-5]。2003年2月，韓國大邱地鐵一號線人為縱火，死亡140人、傷289人、失蹤318人。2004年，俄羅斯莫斯科一列地鐵列車發(fā)生爆炸，造成40人死亡。2016年1月26日，日本東京地鐵站內(nèi)失火，煙霧彌漫整個車站， 100多名乘客因呼吸系統(tǒng)受傷被送進(jìn)醫(yī)院。不難發(fā)現(xiàn)在所有地鐵站事故中，人為因素?zé)o疑是很重要的因素，科學(xué)建立評估地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險評估模型和評估指標(biāo)對地鐵的安全運(yùn)營具有十分重要的意義[6-9]。

為了分析這種多目標(biāo)決策問題，美國學(xué)者T.L.Saaty[10]和查德教授[11]分別提出了層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論。這兩種方法被組合成模糊層次綜合分析法處理一些難以量化的事物或現(xiàn)象的模糊評價上。因其具有簡便性、合理性等優(yōu)點(diǎn)，模糊綜合評價法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在生活、經(jīng)濟(jì)和土木等領(lǐng)域中[12-14]。本文針對廣西南寧地鐵危險源和隱患的辨識，對發(fā)生概率較大的火災(zāi)事故危險源進(jìn)行分析和控制，采用模糊層次分析理論建立能夠評估地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險預(yù)測模型和評價指標(biāo)，保證及早地排查出地鐵火災(zāi)的危險源和風(fēng)險隱患，為發(fā)生火災(zāi)后有效疏散旅客提供必要的理論依據(jù)。

2 火災(zāi)風(fēng)險模糊綜合層次評判模型

2.1 評價指標(biāo)體系

圖1 地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險等級遞階層次評判體系

考慮到模糊綜合層次評判指標(biāo)的可操作性、層次性以及系統(tǒng)性的原則，根據(jù)地鐵的實(shí)際運(yùn)營情況，地鐵火災(zāi)風(fēng)險發(fā)生的概率和程度可由層次分析法建立的階層次指標(biāo)體系預(yù)估。在閱讀已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上[5-16]，綜合考慮各方面影響因素，假定有教育、技術(shù)以及管理三個3個一級指標(biāo)因素。根據(jù)這3個一級指標(biāo)因素代表的不同內(nèi)容，可以分成許多二級指標(biāo)。其中，B1對應(yīng)的二級指標(biāo)因素為：C1政府安全教育、C2地鐵營運(yùn)部門對乘客的安全教育、C3學(xué)校和家庭的教育；B2的二級指標(biāo)為：C4建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、C5地鐵列車設(shè)計、C6電氣設(shè)備設(shè)計、C7消防系統(tǒng)設(shè)計、C8附屬設(shè)施的安全化處理、C9火災(zāi)自動報警監(jiān)控系統(tǒng)；B3的二級指標(biāo)為：C10健全火災(zāi)防治立法、C11建立突發(fā)火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)、C12營造安定的社會環(huán)境、C13成立指揮機(jī)構(gòu)、C14加強(qiáng)地鐵系統(tǒng)安全管理?；馂?zāi)風(fēng)險遞階層次指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2.2 火災(zāi)風(fēng)險等級判斷矩陣

模糊綜合層次評價法中把隸屬于同一個一級指標(biāo)的所有二級指標(biāo)因子之間的相對優(yōu)越程度用判斷矩陣來表示。假定有n個二級指標(biāo)因子，用1-9的比例標(biāo)度來反應(yīng)他們相對于上一級級別即其所屬一級指標(biāo)因子的重要程度(標(biāo)度含義見表1)，依據(jù)所得結(jié)果可建立判斷矩陣D=(dij)n×n，矩陣中的dij表示相對于上一級別的指標(biāo)因子，比較Di與Dj后，因子Di的相對重要程度。

整理地鐵有關(guān)資料以及評價表，請各位專家以及相關(guān)分析人員依據(jù)相關(guān)資料結(jié)合表1對圖1中各級指標(biāo)的相對重要程度打分。對專家所給意見進(jìn)行處理，可得到以下4個判斷矩陣：表2為B中的一級指標(biāo)對目標(biāo)層A所構(gòu)成的判斷矩陣，表3為C中的二級指標(biāo)相對應(yīng)與B中所屬一級指標(biāo)的判斷矩陣。

表1 標(biāo)度值與指標(biāo)重要性等級

標(biāo)度值重要性等級1Di與Dj相比,Di與Dj同等重要3Di與Dj相比,Di與Dj稍微重要5Di與Dj相比,Di與Dj明顯重要7Di與Dj相比,Di與Dj強(qiáng)烈重要9Di與Dj相比,Di與Dj極端重要 注:1.判斷矩陣應(yīng)滿足:dij>0; dii=1; dij=1/dji;2.dij=(2, 4, 6, 8)是表中相鄰判斷的中值。

表2 一級指標(biāo)判斷矩陣值

AB1B2B3B11.001.141.58B20.791.001.26B32.050.751.00

表3 二級指標(biāo)判斷矩陣值

B1C1C2C3———C11.002.584.22———C20.181.001.67———C31.260.441.00———B2C4C5C6C7C8C9C41.000.570.951.050.146.18C51.431.000.680.930.241.04C62.652.061.000.790.860.95C73.251.590.981.003.070.71C81.850.731.251.131.000.18C93.233.254.221.564.441.00B3C10C11C12C13C14—C101.000.760.220.134.28—C111.311.000.290.175.33—C124.543.431.000.354.56—C137.865.822.841.003.10—C141.221.340.571.831.00—

2.3 單一準(zhǔn)則下因子相對權(quán)重

依據(jù)模糊綜合層次評判法，需要依據(jù)判斷矩陣的合成權(quán)重向量來評價。針對判斷矩陣D，具體計算步驟為：首先計算最大特征值λmax； 然后，計算特征向量W，也就是說DW=λmaxW，最后，對W進(jìn)行歸一化處理，使得∑Wi=1成立，那么，所得到的Wi就是這些因子的權(quán)重。

一般來說，主要采用根法計算λmax和W，具體流程如下：

(1)求出判斷矩陣Di中各行的所有要素的幾何平均值：

(1)

(2)求出權(quán)重向量Wi：

(2)

(3)求出最大特征值λmax：

(3)

(4)判斷矩陣的一致性：

如果所考慮因素過多，可能會使所得判斷矩陣難以符合一致性，為了避免這種情況就會采用一致性檢驗(yàn)：

CR=CI/RI

隨著人們對畜產(chǎn)品質(zhì)量要求和需求量的日漸提高，畜牧養(yǎng)殖業(yè)從業(yè)者開始提高對動物疫病監(jiān)測工作的重視程度，并且監(jiān)測質(zhì)量在逐漸提高。進(jìn)行動物疫病監(jiān)測在動物疫病防治控制中的作用的全面探索，實(shí)現(xiàn)動物疫病監(jiān)測工作開展的科學(xué)性的有效提升，進(jìn)一步推動我國動物疫病防治工作的順利開展，使我國的畜牧養(yǎng)殖業(yè)的整體發(fā)展獲得更加廣闊的發(fā)展空間和更加理想的發(fā)展前景。

(4)

式中，CI為一致性指標(biāo)，按式(4)計算，RI是平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可依據(jù)表5-3查得。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

如果判斷一致，就會有CR=0。一般情況下，只要求CR<0.1。

由以上資料，可計算出南寧地鐵車站的模糊綜合層次分析法中的各因子權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，所得結(jié)果見表5。表中所得判斷矩陣都符合CR<0.1，符合一致性檢驗(yàn)的要求。

表4 平均一致性指標(biāo)

矩陣階數(shù)RI30.5240.8951.1261.2671.36

表5 相對權(quán)重計算結(jié)果

矩陣WiλimaxCRA(0.179, 0.225, 0.596)3.7570.0332B1(0.1777, 0.3391, 0.4832)2.2500.0105B2(0.384, 0.106, 0.110, 0117, 0.0 48, 0.235)2.8960.0173B3(0.136, 0.027, 0.136, 0.210, 0.609)3.5410.1023

2.4 抉擇評判集

根據(jù)地鐵車站的現(xiàn)實(shí)條件以及資料整理情況，可將依據(jù)模糊綜合層次分析法考慮的地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險等級中的所有因子界定為5個等級，設(shè)立抉擇評判集V={V1，V2，V3，V4，V5}={Ⅰ， Ⅱ， Ⅲ， Ⅳ， Ⅴ}，并對其進(jìn)行量化處理，即可得到量化的評價等級，見表3所示：

表6 評價等級量化表

等級ⅠⅡⅢⅣⅤ描述輕微較輕微中度較危險危險量化值54321

2.5 評價指標(biāo)隸屬函數(shù)(度)的確定

各個因子和各對象之間的關(guān)系由隸屬函數(shù)(度)fij展現(xiàn)。依據(jù)各因子所去隸屬函數(shù)的不同，可分為二次下降拋物形，尖形分布等等，如圖2所示。

圖2 隸屬度函數(shù)分布曲線

其中，

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2.6 火災(zāi)風(fēng)險等級模糊層次綜合評判

本文依據(jù)模糊綜合評判法建立了有關(guān)地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險等級評估的二級評判模型，具體評判流程如下：

(11)

其中，i=1， 2， 3， 4； 與i相對應(yīng)，n分別取5， 3， 4， 4。

(2)再確定權(quán)重向量WBi，進(jìn)行一級模糊綜合評判：

Bi=WBiRi=(b1,b2,b3,b4,b5)

(12)

表7 評價指標(biāo)量化表

車站指 標(biāo)C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C1413.74.13.63.43.72.93.43.82.42.93.24.64.33.7

式中，i=1， 2， 3， 4； 為盡可能考慮全部因素的影響，選定模糊算子為M(·，+)。

(3)組合所得單因子綜合評判結(jié)果Bi，得到二級評判矩陣R：

R=(B1,B2,B3,B4)T

(13)

(4)通過加權(quán)平均型模糊運(yùn)算處理所得二級評判矩陣R以及權(quán)重向量WA：

A=WAR=(a1,a2,a3,a4,a5)

(14)

(5)集化處理所得二級綜合模糊評估向量A可得綜合評估值A(chǔ)*:

(15)

式中，VT為抉擇評價集評分向量V={5， 4， 3， 2， 1}的轉(zhuǎn)置矩陣。

3 算例分析

3.1 背景介紹

南寧軌道交通1號線于2016年12月正式運(yùn)營，運(yùn)營開通時間短，尤其是朝陽廣場站等人流集中、地面交通狀況差，站內(nèi)設(shè)有物業(yè)層，且站內(nèi)的實(shí)施設(shè)備較多。地下站臺與展廳僅靠2個樓梯和一個扶梯。根據(jù)廣西市政府規(guī)劃，到2020年，南寧市區(qū)軌道交通占公共交通的比例將達(dá)30%； 為確保地鐵火災(zāi)疏散及救援，可根據(jù)本文所提車站火災(zāi)等級評價模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行火災(zāi)預(yù)測研究，讓車站消防和主管消防部門建立各車站火災(zāi)疏散及救援差異化處置預(yù)案。

3.2 模糊綜合評價

表8 地鐵車站一級模糊綜合評判結(jié)果向量

一級評估向量車 站B1(0.269, 0.658, 0.474, 0.177, 0.236)B2(0.486, 0.835, 0.461, 0.186, 0.128)B4(0.535, 0.859, 0.365, 0.139, 0.0139)

4 結(jié)論

本文是對廣西地鐵車站火災(zāi)風(fēng)險等級評價建立的采用模糊層次綜合模型進(jìn)行評估并對層次分析法和模糊評判法在實(shí)際工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析討論，得到結(jié)論如下：

(1)通過層次分析法以及模糊綜合評價法建立的評價體系能夠?qū)囌緷撛诘幕馂?zāi)危險進(jìn)行評估并盡可能考慮所有因子對車站火災(zāi)的影響。

(2)各因子和其所屬對象的關(guān)系，可通過隸屬函數(shù)來刻畫。這種方法科學(xué)、合理，并且極可能較少評判中主觀因素的影響，因此所得評價結(jié)果具備較高的可信度。

(3)模糊層次綜合評判法有固定的計算步驟，易程序化實(shí)現(xiàn)?？蔀榈罔F車站消防和主管消防部門建立各車站火災(zāi)疏散及救援差異化處置預(yù)案、提高地鐵車站的運(yùn)營管理水平、科學(xué)進(jìn)行火災(zāi)疏散及救援研究具有一定指導(dǎo)意義。