基于層次分析法的軌道交通消防系統(tǒng)安全研究

魏茜茜

(1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；2.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 城市軌道交通消防系統(tǒng)安全的現(xiàn)狀綜述

從全世界范圍來(lái)看，自從城市軌道交通產(chǎn)生以來(lái)，軌道交通事故中發(fā)生頻率最高、帶來(lái)?yè)p失最大的事故類型是火災(zāi)事故。城市軌道交通系統(tǒng)在建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中可能存在諸多的危險(xiǎn)因素。但是，如果按危險(xiǎn)系數(shù)來(lái)排序的話，在眾多危險(xiǎn)因素中，火災(zāi)的危險(xiǎn)程度最高，一旦發(fā)生，可能會(huì)帶來(lái)不可預(yù)測(cè)的后果和損失，尤其對(duì)于大多數(shù)處于地下的城市地鐵來(lái)說(shuō)是如此。所以，對(duì)于以地鐵為主的軌道交通來(lái)說(shuō)，消防安全的價(jià)值凸顯出來(lái)了。

從工程學(xué)意義上而言，城市軌道交通的建筑特別是地鐵極其附屬工程，屬于地下工程范疇。同時(shí)，地鐵的諸多建筑工程之間在空間上連續(xù)性強(qiáng)，防火分隔困難，由于其特有的原因，出入口相對(duì)較少。地下建筑被厚厚的鋼筋混凝土和巖土包圍，出入口較少，造成排煙困難，散熱慢。在這種情況下，一旦發(fā)生火災(zāi)，又會(huì)造成高溫高熱全面燃燒，人員疏散困難，撲救困難，容易造成較大范圍的群死群傷，經(jīng)濟(jì)損失巨大，社會(huì)影響嚴(yán)重。因此，預(yù)先研判發(fā)生火災(zāi)的主要因素，對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效防控，做好消防安全管理是預(yù)防火災(zāi)的有效路徑，也是城市軌道交通運(yùn)營(yíng)單位消防安全管理的重要工作。

目前，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)單位消防安全管理工作所采取的措施多停留在對(duì)之前工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以及簡(jiǎn)單的消防設(shè)施檢查等層面上，部分管理方式已經(jīng)不能達(dá)到預(yù)期效果。與此同時(shí)，軌道交通中部分管理人員和乘客的消防安全意識(shí)薄弱，也是影響城市軌道交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程中火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的因素之一。這些都需要進(jìn)一步采取科學(xué)合理的措施進(jìn)行改進(jìn)，基于此，本文運(yùn)用層次分析法對(duì)北京某線地鐵消防安全進(jìn)行深入分析和研究，通過(guò)對(duì)各影響因素之間的權(quán)重進(jìn)行比較，從而科學(xué)推導(dǎo)出影響消防安全風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，為制定有可靠性和針對(duì)性的安全管理措施提供參考。

2 層次分析法的內(nèi)涵和模型構(gòu)建

層次分析法是美國(guó)匹茲堡大學(xué)數(shù)學(xué)系教授薩迪為了解決運(yùn)籌學(xué)領(lǐng)域的計(jì)算和分析問(wèn)題，在20世紀(jì)70年代中期提出的一種基于定性和定量相結(jié)合的，系統(tǒng)化、層次化的分析方法。它把一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題的各項(xiàng)指標(biāo)因素在基于各個(gè)指標(biāo)因素之間的關(guān)系基礎(chǔ)上，分解為若干有序次級(jí)層次，每個(gè)層次中的元素具有大致相等的地位，層次之間按隸屬關(guān)系在具有內(nèi)在邏輯一致性基礎(chǔ)上建立起一個(gè)有序的遞階層次模型。在遞階層次模型中，按照對(duì)一定客觀事實(shí)的判斷，對(duì)每層中元素的相對(duì)重要性以定量的形式加以反映。然后，利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算每一層次的判斷矩陣中各指標(biāo)的相對(duì)重要性權(quán)數(shù)，最后，通過(guò)遞階層次結(jié)構(gòu)內(nèi)各層次相對(duì)重要性權(quán)數(shù)的組合，得到全部指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)的重要程度權(quán)數(shù)。其基本步驟如下：建立遞階層次結(jié)構(gòu)—兩兩比較—構(gòu)造判斷矩陣—確定權(quán)重集—進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

2.1 構(gòu)建層次模型

所謂層次模型的構(gòu)建過(guò)程就是找出模型與所要研究對(duì)象之間所具有的共同特征，在建立模型的時(shí)候盡可能多地以研究對(duì)象的實(shí)際特征作為參考依據(jù)，因而出的研究結(jié)論更符合研究對(duì)象的實(shí)際情況，更加科學(xué)合理更具有說(shuō)服力。層次模型構(gòu)建的第一步就是對(duì)模型的研究對(duì)象做出總體的分析判斷，將具有某些特征的因素進(jìn)行歸類分析。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣(成對(duì)比較)

在層次模型之中，各個(gè)層次和各個(gè)因素之間，不可能都一致，這就需要將各個(gè)層次和因素劃分等級(jí)，確定權(quán)重比。不同的學(xué)者可能會(huì)提出基于其視角的方法，目前比較受大多數(shù)學(xué)者認(rèn)可和接受的是Saaty等人提出一致矩陣法。這一方法的關(guān)鍵就是不把所有因素放在一起比較，這樣就避免了混亂和復(fù)雜化，而是兩兩相互比較，采用相對(duì)尺度進(jìn)行衡量，以盡可能減少性質(zhì)不同，差異比較大的諸因素相互比較過(guò)程中帶來(lái)的困難，以提高準(zhǔn)確度。

表1列出Saaty給出的9個(gè)重要性等級(jí)及其賦值。按兩兩比較結(jié)果構(gòu)成的矩陣稱作判斷矩陣。判斷矩陣具有如下性質(zhì)：

表1 比例標(biāo)度表

判斷矩陣元素的標(biāo)度方法如下：

2.3 影響因素的層次單排序及其一致性檢驗(yàn)

影響因素的層次單排序需要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，在得出比較精確的計(jì)算結(jié)果之后，再進(jìn)行一致性的檢驗(yàn)，只有如此，才能夠保證結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。對(duì)應(yīng)于判斷矩陣最大特征根λmax的特征向量，經(jīng)歸一化(使向量中各元素之和等于1)后記為W。W的元素為同一層次因素對(duì)上一層次因素某因素相對(duì)重要性的排序權(quán)值，這一過(guò)程稱為層次單排序。能否確認(rèn)層次單排序，則需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其中，n階一致陣的唯一非零特征根為n；n 階正互反陣A的最大特征根λ≥n。當(dāng)且僅當(dāng)λ=n時(shí)，A為一致矩陣。由于λ連續(xù)的依賴于aji，則λ比n大得越多，A的不一致性越嚴(yán)重。一致性指標(biāo)用CI計(jì)算，CI越小，說(shuō)明一致性越大。用最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量作為被比較因素對(duì)上層某因素影響程度的權(quán)向量，其不一致程度越大，引起的判斷誤差越大。因而可以用λ-n數(shù)值的大小來(lái)衡量A 的不一致程度。定義一致性指標(biāo)為：

CI=0，有完全的一致性；CI 接近于0，有滿意的一致性；CI 越大，不一致越嚴(yán)重。

在上述計(jì)算過(guò)程中，CI的大小就需要衡量，為衡量CI 的大小，引入隨機(jī)一致性指標(biāo) RI：其中，隨機(jī)一致性指標(biāo)RI和判斷矩陣的階數(shù)有關(guān)，一般情況下，矩陣階數(shù)越大，則出現(xiàn)一致性隨機(jī)偏離的可能性也越大，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2：

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI標(biāo)準(zhǔn)值(不同的標(biāo)準(zhǔn)不同，RI的值也會(huì)有微小的差異)

考慮到一致性的偏離可能是由于隨機(jī)原因造成的，因此在檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有滿意的一致性時(shí)，還需將CI和隨機(jī)一致性指標(biāo)RI進(jìn)行比較，得出檢驗(yàn)系數(shù)CR，公式如下：

一般地，如果CR<0.1 ，則認(rèn)為該判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，否則就不具有滿意一致性。

2.4 影響因素的層次總排序

層次總排序是指某一層次所有因素對(duì)于最高層(總目標(biāo))相對(duì)重要性的權(quán)值，該權(quán)值可以反映出某一因素在總體中的位階。這一過(guò)程是從最高層次到最低層次依次進(jìn)行的層次總排序及一致性檢驗(yàn)，大量的實(shí)踐證明，這種方式是可以得到比較穩(wěn)定和可靠的結(jié)論的。

表3 層次總排序表

說(shuō)明：

(1)A為上一層次(高的層次)，B為當(dāng)前層次。

(2)a1,a2,a3……am為A層次的總排序權(quán)重。

(3)b1j……bnj是B層對(duì)Aj的單排序權(quán)重。

(4)從最高層到最底層。

現(xiàn)求B層中各因素關(guān)于總目標(biāo)的權(quán)重，即求B層各因素的層次總排序權(quán)重b1,b2……bn。就按照上圖中的方法進(jìn)行計(jì)算。

然后對(duì)于層次總排序也要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。設(shè)B層中與相關(guān)的因素的成對(duì)比較判斷矩陣在單排序中經(jīng)一致性檢驗(yàn)，求得單排序的一致性檢驗(yàn)指標(biāo)為CI(j),(j=1, …,m)，相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性檢驗(yàn)指標(biāo)為RI(j)(CI(j)。RI(j)已在層次單排序時(shí)求得，則B層總排序隨機(jī)一致性檢驗(yàn)指標(biāo)比例為：

當(dāng)CR<0.10，認(rèn)為層次總排序結(jié)果具有較滿意的一致性并接受該分析結(jié)果。

可以將上述步驟進(jìn)行如下總結(jié)：

(1)在做好相關(guān)準(zhǔn)備工作之后，設(shè)計(jì)可行的方案，進(jìn)行構(gòu)造方案層矩陣、準(zhǔn)則層矩陣。

(2)在方案層矩陣、準(zhǔn)則層矩陣構(gòu)造完畢之后，就可以進(jìn)入到具體的計(jì)算步驟之中，計(jì)算準(zhǔn)則層矩陣特征向量、特征值，計(jì)算出結(jié)果之后，應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄。

(3)在前一步驟計(jì)算的準(zhǔn)則層矩陣特征向量、特征值當(dāng)中，選取最大特征值，將對(duì)應(yīng)特征向量歸一化作為權(quán)重W0，然后對(duì)其進(jìn)行分析，計(jì)算進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，將檢驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確記錄。

(4)按照前面三個(gè)步驟，計(jì)算每一個(gè)方案層矩陣的特征向量、特征值，并進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄和數(shù)據(jù)保存。

(5)將上述計(jì)算并保存的每一個(gè)特征向量、特征值進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，計(jì)算每一個(gè)方案層矩陣的權(quán)值、一致性指標(biāo)，合起來(lái)作為W1，cr1進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(6)進(jìn)行矩陣與列向量的矩陣乘法運(yùn)算，運(yùn)算之后得到的結(jié)果即為權(quán)值，將這些權(quán)值按大小排序即為選擇優(yōu)先度，權(quán)值和優(yōu)先度成正相關(guān)的關(guān)系。

2.5 影響因素的重要度評(píng)判

對(duì)通過(guò)一致性檢驗(yàn)的權(quán)重結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，采取專家評(píng)審法對(duì)各個(gè)因素的權(quán)重的重要程度進(jìn)行確定，排序。然后根據(jù)各個(gè)因素的重要程度和排序進(jìn)行逐一分析，并作出妥善的安排。最后對(duì)準(zhǔn)則層的所有影響因素提出相應(yīng)的措施辦法，將這些影響因素進(jìn)行有效控制，降低事故發(fā)生的概率，爭(zhēng)取避免事故的發(fā)生；如果事故發(fā)生了，必須在最短的時(shí)間采取積極有效的措施，盡可能減少事故帶來(lái)的損失，從而將事故可能造成的損失及影響降到最低程度。

3 實(shí)例的研究評(píng)價(jià)

3.1 地鐵消防的安全指標(biāo)體系

2020年3月北京地鐵官網(wǎng)顯示，北京地鐵1號(hào)線全長(zhǎng)31.04千米，共設(shè)23座車站和2座車輛段。截至2018年11月，北京地鐵1號(hào)線日均客流量超過(guò)120萬(wàn)人次。

以北京市某線地鐵運(yùn)營(yíng)做為研究對(duì)象，建立消防安全的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。在該模型中地鐵的消防系統(tǒng)的安全是目標(biāo)層，它是由準(zhǔn)則層人員、設(shè)備、環(huán)境和管理四大要素所決定的。其中人員的指標(biāo)層包括工作人員由于疏忽大意的違章操作、用火時(shí)注意度不夠、乘客攜帶易燃易爆等危險(xiǎn)品在安檢時(shí)沒(méi)有檢查出來(lái)而上車、在城市軌道交通車站吸煙、人為縱火等因素；設(shè)備的指標(biāo)層主要有電氣設(shè)備故障、電氣線路短路、過(guò)熱、超負(fù)荷等。

圖1 北京市某線地鐵消防安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

環(huán)境的指標(biāo)層包括城市軌道交通內(nèi)部通風(fēng)不暢、隧道散熱不良、隧道內(nèi)漏水、地上濕氣不易排出而導(dǎo)致的空間濕度大等；管理的指標(biāo)層主要由軌道交通的從業(yè)管理人員對(duì)火災(zāi)事故應(yīng)急處置措施掌握不熟練、不全面、整體協(xié)作能力不強(qiáng)、安全操作規(guī)程沒(méi)有得到熟練細(xì)致的實(shí)施、用火用電制度不健全，不能保證對(duì)已配備的消防設(shè)施定期檢測(cè)等因素。

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

采用多位資深專家打分方法對(duì)所構(gòu)建的層次模型進(jìn)行比較打分，根據(jù)專家自身豐富經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)對(duì)城市軌道交通地鐵消防安全指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),將各因素重要程度兩兩比較得出結(jié)果，從而將該結(jié)果作為構(gòu)造判斷矩陣的依據(jù)。

O-AA1A2A3A4A111/31/21/3A2313/21A322/313/2A4312/31

用相同的方法可以將其他幾個(gè)準(zhǔn)則層與指標(biāo)層A-B之間的判斷矩陣列出來(lái)，這里就不一一列舉了。

3.3 各因素相對(duì)權(quán)重的計(jì)算

判斷矩陣最大特征根及其對(duì)應(yīng)特征向量的求法和積法

根據(jù)上述原理和步驟現(xiàn)將矩陣

2)計(jì)算特征根λmax=4.02

3)一致性檢驗(yàn)與權(quán)重排序

4)對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

因此該矩陣通過(guò)了一致性檢驗(yàn)，具有科學(xué)性和合理性。同理，可以將用于城市軌道交通消防安全評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用相同的方法與原理進(jìn)行一致性檢驗(yàn)和計(jì)算。

通過(guò)對(duì)所求結(jié)果的一致性檢驗(yàn)可知，本次采用的層次分析法對(duì)北京市某線地鐵的消防安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行構(gòu)造和分析的判斷矩陣符合一致性要求，由此可見(jiàn)此次通過(guò)專家打分的方法構(gòu)造的判斷矩陣也是可以接受的，具有一定的科學(xué)性和合理性。所以由此得出的地鐵消防安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各因素之間的相對(duì)權(quán)重值也是客觀公正合理的。下面將對(duì)消防安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各個(gè)指標(biāo)所占的權(quán)重列表進(jìn)行總排序如表4所示。

表4 消防安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各因素權(quán)重值

3.4 結(jié)果分析

由表4可以看出各個(gè)指標(biāo)權(quán)重大小及排序，總結(jié)出人的不安全行為是造成消防安全隱患的主要因素，其次是系統(tǒng)里的各種電氣設(shè)備和電氣線路過(guò)載、故障、短路是造成消防安全隱患的重要因素。其他因素則是次要因素。

4 城市軌道交通消防系統(tǒng)安全完善路徑

根據(jù)基于層次分析法對(duì)北京市某線地鐵消防系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的原因分析和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，城市軌道交通消防系統(tǒng)安全的完善可以從以下幾個(gè)具有針對(duì)性的對(duì)策著手和努力。

首先，人是關(guān)鍵因素。人在城市軌道交通消防系統(tǒng)安全完善過(guò)程中起著關(guān)鍵因素。任何設(shè)備以及相關(guān)的系統(tǒng)，都需要人來(lái)進(jìn)行操作，因此，可以說(shuō)，人是第一位的因素。人員的不安全行為是造成消防安全事故的主要因素，主要表現(xiàn)在員工自身的安全意識(shí)不強(qiáng)，安全知識(shí)缺乏。所以，加強(qiáng)消防系統(tǒng)安全必須首先著眼于人，樹立從業(yè)人員的消防安全意識(shí)，加強(qiáng)安全教育和安全業(yè)務(wù)技能培訓(xùn)提高。

其次，物是主要因素。城市軌道交通系統(tǒng)中消防系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備我們稱之為物，物的不安全狀態(tài)是引發(fā)消防安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，造成消防安全事故的重要因素，主要是由各種電氣設(shè)備、電氣線路的老化、過(guò)載、短路、故障引起的相關(guān)事故。從安全的角度考慮，相關(guān)部門必須提高設(shè)備的安全性能和報(bào)警功能及時(shí)發(fā)出警示提示，定期對(duì)物進(jìn)行巡檢巡查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不安全狀態(tài)，將危險(xiǎn)消滅在萌芽狀態(tài)，減少火災(zāi)事故的發(fā)生概率。

再次，長(zhǎng)效機(jī)制的構(gòu)建是保障因素。從管理學(xué)視角而言，只有合理的制度和長(zhǎng)效的機(jī)制方能有效規(guī)范人的行為和物效用的發(fā)揮，從而達(dá)到預(yù)期之目的。城市軌道交通消防系統(tǒng)安全的完善亦是如此，城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)單位必須建立消防安系統(tǒng)安全治理的科學(xué)合理的制度，建構(gòu)符合其發(fā)揮作用的機(jī)制，并保證制度實(shí)施，機(jī)制運(yùn)行，如此，方能達(dá)到有效長(zhǎng)久完善城市軌道交通消防系統(tǒng)。