基于直覺(jué)模糊集的高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

王 萍，朱 杰，程友鵬

(1.四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川 成都 610101；2.四川省高校公共火災(zāi)防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610101)

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路迅猛發(fā)展，取得了舉世矚目的成就。截止2017年底，我國(guó)建成通車的高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到2.5萬(wàn)km以上，居世界首位。然而，高速列車空間較狹小、氣密性良好且人員密集，如果高速列車乘客車廂內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，將會(huì)造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行科學(xué)的分析和評(píng)估，進(jìn)而提出有效的預(yù)防措施，對(duì)減小和避免高速列車乘客車廂火災(zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失具有重要的意義。

高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估存在多種不確定性和模糊性，可考慮通過(guò)模糊信息對(duì)專家的主觀經(jīng)驗(yàn)與列車客觀實(shí)際情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。Zadeh[1]于1965年提出了模糊集理論，指出在不確定性環(huán)境評(píng)價(jià)中，可采用隸屬度指標(biāo)來(lái)衡量對(duì)事物的贊成程度；Kaufmann[2-3]基于模糊集理論，提出采用隸屬度和非隸屬度的集合對(duì)事物進(jìn)行更精確的評(píng)價(jià)，并定義了直覺(jué)模糊集的概念。目前，直覺(jué)模糊集的方法在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛，如李淑娟等[4]基于直覺(jué)模糊集理論對(duì)薩北油田調(diào)剖劑性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出的結(jié)論對(duì)我國(guó)油田制定調(diào)剖方案具有重要的意義；米紅甫等[5]采用模糊理論對(duì)建筑物火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，得出某建筑物的風(fēng)險(xiǎn)水平為“中”；陳曼英[6]基于模糊理論對(duì)地鐵火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了評(píng)估，得出地鐵火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度為“較安全”，并在此基礎(chǔ)上研究了地鐵火災(zāi)的控制方法。直覺(jué)模糊集對(duì)人們?cè)陲L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程中出現(xiàn)的猶豫度[7]給出了充分的理論依據(jù)，因此采用直覺(jué)模糊集的方法來(lái)評(píng)價(jià)高速列車乘客車廂火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)較為可靠。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)高速列車火災(zāi)的燃燒特性、煙氣蔓延規(guī)律以及人員疏散等進(jìn)行了大量的研究，但直覺(jué)模糊集方法在高速列車火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少，采用該方法對(duì)高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估的研究更是鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，本文采用直覺(jué)模糊集方法，以CRH380A高速列車為例，對(duì)其乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。首先構(gòu)建高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；然后利用直覺(jué)模糊熵公式計(jì)算各指標(biāo)因素的權(quán)重；最后根據(jù)直覺(jué)模糊加權(quán)幾何算子將各指標(biāo)因素的權(quán)重與專家的評(píng)估結(jié)果矩陣進(jìn)行信息融合，得出該列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的等級(jí)。

1 理論基礎(chǔ)

火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是對(duì)目標(biāo)對(duì)象可能面臨的火災(zāi)危險(xiǎn)、被保護(hù)對(duì)象的脆弱性、控制措施的有效性、后果的嚴(yán)重度以及上述各因素綜合作用下的消防安全狀況進(jìn)行評(píng)估的過(guò)程[7]。為了克服火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中的不確定性，本文采用直覺(jué)模糊集的方法對(duì)CRH380A列車乘客車廂的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。

1.1 直覺(jué)模糊集的定義

定義1：設(shè)X是一個(gè)給定的論域，直覺(jué)模糊集定義[2]如下：

A={μA(x),vA(x)|x∈X}

(1)

在上式中，μA(x):X→[0,1]為A的隸屬度函數(shù)，vA(x):X→[0,1]為A的非隸屬度函數(shù)，且對(duì)?x∈X,0≤μA(x)≤1,0≤vA(x)≤1,0≤μA(x)+vA(x)≤1。其中，猶豫隸屬度πA(x)=1-μA(x)-vA(x),且πA(x)∈[0,1]。為方便起見(jiàn)，稱a=(μ,v)為一個(gè)直覺(jué)模糊數(shù)。

1.2 直覺(jué)模糊加權(quán)幾何算子

定義2:設(shè)aj=(μj,vj)(j=1,2,…,n)為一組直覺(jué)模糊數(shù)，那么直覺(jué)模糊加權(quán)幾何(Intuitionistic Fuzzy Weighted Geometric,IFWG)算子[8]定義如下：

IFWG(a1,a2,…,an)

(2)

1.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

定義3：基于直覺(jué)模糊數(shù)中隸屬度與非隸屬度的差異|μA(xi)-vA(xi)|以及本身存在的猶豫隸屬度πA(xi)，薛琦等[9]提出了一種新的直覺(jué)模糊熵計(jì)算公式，定義如下：

(3)

利用公式(3)可計(jì)算評(píng)價(jià)矩陣中直覺(jué)模糊數(shù)的熵值Eij，再通過(guò)下式計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重[10]：

(4)

2 高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 構(gòu)建高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文在對(duì)高速鐵路管理公司充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，分別從人員、設(shè)備、環(huán)境和管理四個(gè)方面出發(fā)，通過(guò)對(duì)高速列車火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析，并依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建原則，在陳曼英等[6]建立的地鐵火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，初步建立了高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該指標(biāo)體系由4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)、15個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成，詳見(jiàn)表1。

2.2 高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

基于構(gòu)建的高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，本文邀請(qǐng)列車運(yùn)行管理部人員、列車駕駛?cè)藛T、消防技術(shù)人員和兩名乘客共5名評(píng)價(jià)人員(D1，D2，D3，D4，D5)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)標(biāo)度為“1、2、3、4、5、6、7”，分別代表安全等級(jí)為“非常危險(xiǎn)(ED)、很危險(xiǎn)(VD)、危險(xiǎn)(D)、一般安全(GS)、安全(S)、很安全(VS)、非常安全(ES)”，每一安全等級(jí)對(duì)應(yīng)的直覺(jué)模糊數(shù)a=(μ,v,π)見(jiàn)表2[2，11]。

表1 高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 評(píng)價(jià)標(biāo)度矩陣[2，11]

將專家評(píng)價(jià)標(biāo)度矩陣轉(zhuǎn)換為二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的直覺(jué)模糊數(shù)評(píng)價(jià)矩陣，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的直覺(jué)模糊數(shù)評(píng)價(jià)矩陣

高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的具體步驟如下：

(1) 根據(jù)公式(3)計(jì)算直覺(jué)模糊熵，并利用公式(4)計(jì)算出各二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重：

wU1=(0.288 4,0.313 0,0.398 6)；

wU2=(0.212 1,0.161 4,0.212 1,0.223 8,0.190 6)；

wU3=(0.246 5,0.305 4,0.232 5,0.215 6)；

wU4=(0.331 0,0.317 6,0.351 4)

由計(jì)算得出的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重可以看出：人員因素中，工作人員的消防技能指標(biāo)u13的權(quán)重較大；設(shè)備因素中，防排煙系統(tǒng)指標(biāo)u24的權(quán)重較大；環(huán)境因素中，車用材料燃燒性能指標(biāo)u32的權(quán)重較大；管理因素中，定期消防安全檢查指標(biāo)u43的權(quán)重較大。

(2) 利用直覺(jué)模糊加權(quán)幾何算子，通過(guò)公式(2)對(duì)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的直覺(jué)模糊數(shù)評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行信息融合，從而得到一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的直覺(jué)模糊數(shù)評(píng)價(jià)矩陣，見(jiàn)表4。

表4 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的直覺(jué)模糊數(shù)評(píng)價(jià)矩陣

(3) 根據(jù)公式(3)計(jì)算直覺(jué)模糊熵，并利用公式(4)計(jì)算出各一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為wA=(0.204 5,0.284 7,0.240 5,0.270 3)。由計(jì)算得出的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重可以看出：在4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)中設(shè)備因素指標(biāo)所占的權(quán)重較大。

(4) 利用直覺(jué)模糊加權(quán)幾何算子，通過(guò)公式(2)對(duì)一級(jí)指標(biāo)的直覺(jué)模糊數(shù)評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行信息融合，得到目標(biāo)層的直覺(jué)模糊數(shù)評(píng)價(jià)矩陣，見(jiàn)表5。

表5 目標(biāo)層的直覺(jué)模糊數(shù)評(píng)價(jià)矩陣

(5) 根據(jù)公式(3)計(jì)算直覺(jué)模糊熵，并利用公式(4)計(jì)算出評(píng)價(jià)人員的權(quán)重為wD=(0.198 8,0.199 4,0.204 8,0.190 7)；然后，利用直覺(jué)模糊加權(quán)幾何算子，通過(guò)公式(2)對(duì)目標(biāo)層的直覺(jué)模糊數(shù)評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行信息融合，從而得到目標(biāo)層最終的直覺(jué)模糊數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果為a=(0.579 3,0.295 2,0.125 5)。

(6) 通過(guò)直覺(jué)模糊數(shù)的距離測(cè)度公式[12]，計(jì)算最終評(píng)價(jià)結(jié)果與最初的評(píng)價(jià)標(biāo)度之間的距離d，得到：d1=0.449 3,d2=0.339 3,d3=0.229 3,d4=0.204 8,d5=0.069 3,d6=0.055 2,d7=0.165 2。根據(jù)計(jì)算出的距離，可以得出最終評(píng)價(jià)結(jié)果與專家評(píng)估值中的“6” 最接近，其安全等級(jí)為“很安全”(見(jiàn)表2)。

綜上可見(jiàn)，在直覺(jué)模糊集[13]環(huán)境下，利用直覺(jué)模糊熵公式[14-15]計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和評(píng)價(jià)人員權(quán)重，將各評(píng)價(jià)人員的評(píng)價(jià)信息融合成一個(gè)直覺(jué)模糊數(shù)，并通過(guò)直覺(jué)模糊數(shù)的距離測(cè)度公式，計(jì)算融合信息與各評(píng)價(jià)標(biāo)度之間的距離，最終得出CRH380A高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)等級(jí)為“很安全”。

根據(jù)上述火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過(guò)程可知：預(yù)防和控制高速列車乘客車廂火災(zāi)的關(guān)鍵必須從人員、設(shè)備、環(huán)境、管理四個(gè)方面著手，以減少火災(zāi)事故所帶來(lái)的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。首先，要提高工作人員的消防技能和避難自救能力，以便能在火災(zāi)發(fā)生時(shí)引導(dǎo)乘客及時(shí)避開(kāi)危險(xiǎn)；其次，過(guò)安檢時(shí)，要嚴(yán)格檢查乘客的行李，避免乘客攜帶打火機(jī)、酒精性飲料等危險(xiǎn)物品，并且嚴(yán)格限制乘客和乘務(wù)人員的行李重量，減少火災(zāi)荷載，降低火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)性；最后，工作人員要定期對(duì)高速列車的消防安全進(jìn)行檢查，以減少安全隱患。

4 結(jié)論與建議

本文采用直覺(jué)模糊集的方法對(duì)高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，得到如下結(jié)論：

(1) 從人員、設(shè)備、環(huán)境和管理四個(gè)方面構(gòu)建高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，并通過(guò)信息融合得到CRH380A高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)等級(jí)為“很安全”，這與實(shí)際情況相符合，從而驗(yàn)證了直覺(jué)模糊集方法運(yùn)用于高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可行性和可靠性。

(2) 通過(guò)計(jì)算得出的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重可以看出：在4個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所占的權(quán)重差距不大，而二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)中各指標(biāo)所占的權(quán)重有明顯的差別。因此，綜合一級(jí)、二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重和高速列車的實(shí)際情況，控制高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵須從消防技能、乘客行李和防排煙系統(tǒng)著手。在消防技能和避難自救能力方面，應(yīng)對(duì)工作人員進(jìn)行定期消防培訓(xùn)和演練，并在每節(jié)車廂貼上防火逃生知識(shí)宣傳圖；在乘客行李[16]方面，工作人員應(yīng)對(duì)乘客的行李進(jìn)行嚴(yán)格檢查和限制，以減少高速列車乘客車廂火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)性；在防排煙系統(tǒng)方面，可通過(guò)煙氣和人員疏散[17-18]模擬，分析得出排煙口的最佳位置、大小、數(shù)量和排煙風(fēng)機(jī)功率。

(3) 本文僅提出了防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)略方案，在后續(xù)的研究過(guò)程中，可考慮對(duì)高速列車單車廂和多車廂不同運(yùn)行狀態(tài)、不同火源位置、不同通風(fēng)條件等多場(chǎng)耦合條件下車廂內(nèi)煙氣羽流蔓延過(guò)程和人員疏散情況進(jìn)行仿真模擬與分析，以便得出防排煙系統(tǒng)設(shè)置的最佳方案。另外，本文僅對(duì)高速列車乘客車廂火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，后續(xù)亦可考慮對(duì)餐車、動(dòng)力車廂等的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。然而，由于不同的車廂，致災(zāi)因素也會(huì)有所不同，因此評(píng)價(jià)指標(biāo)體系也需做相應(yīng)的調(diào)整。