基于AHP-熵權法的高層建筑電氣火災風險評價

鄭天芳，曲 娜，張 帥，冮 震

(沈陽航空航天大學 安全工程學院，沈陽 110136)

由于高層建筑人員眾多，用電量大，電氣系統(tǒng)相對復雜，使得高層建筑電氣火災的發(fā)生率逐年遞增，給人們的生命和財產(chǎn)安全造成了嚴重的威脅[1-2]。因此，深入研究高層建筑電氣火災風險具有重要意義。目前，已有不少學者對該領域進行研究。郭天成等[3]通過分析我國建筑電氣火災近況，找出電氣火災發(fā)生的主要原因，提出合理設計電氣設備系統(tǒng)和強化用電安全教育等解決方法。李峰[4]通過全面分析電氣火災發(fā)生原因，從預防控制、安全使用以及條文約束等方面闡述了如何預防建筑電氣火災發(fā)生。陳平樂[5]探究建筑電氣火災的特點和原因，提出提高電氣設計和電氣驗收的質(zhì)量。耿曉帥[6]揭示建筑電氣火災事故發(fā)生的原因和規(guī)律，并建立了事故預防系統(tǒng)。吳濤[7]分析高層建筑消防設計問題，提出從消防配電、火災自動報警系統(tǒng)、火災應急照明系統(tǒng)這3方面提高高層綜合建筑電氣消防設計的可靠性。王建榮[8]通過分析高層民用建筑電氣火災發(fā)生原因，提出了一系列的預防措施。季建平等[9]分析了超高層建筑施工期存在的電氣火災隱患，指出引發(fā)施工期電氣火災最重要的因素是裝修階段的電氣線路故障。

通過以上分析可知，對于高層建筑電氣火災風險評價方法的研究較少，且大多采用定性分析，很少采用定量研究。因此，本文提出了基于AHP-熵權法和模糊理論的高層建筑電氣火災風險評價模型，可以利用該模型對高層建筑電氣火災進行定量評價。

1 評價指標體系

風險評價指標的選取不但關系到整個評價體系構建的合理性，更關系到最終評價結果的準確性[10]。高層建筑電氣火災事故的發(fā)生主要是由潛在隱患受外界刺激轉化導致[11]。高層建筑自生電氣系統(tǒng)的復雜性導致電氣火災事故原因的多元化。借鑒彭雙紅[12]、陳圍良等[13]對火災要素的劃分方法并結合德爾菲法，將20位多年從事電氣及火災安全工作、具有豐富電氣知識與實踐經(jīng)驗專家的調(diào)查問卷進行整理分析，得出目前造成高層建筑電氣火災的主要原因有：接地故障、電氣設備和電線等老化、配電設備設計不當、違規(guī)用電、過負荷用電、消防設施不齊全、疏散通道不暢通、管理疏松、消防安全知識欠缺等。將其與風險評價知識相結合，遵循“人-機-環(huán)”安全系統(tǒng)工程學原理，建立了高層建筑電氣火災風險評價指標體系，如表1所示。

表1 高層建筑電氣火災風險評價指標體系

2 權重確定

2.1 AHP求權重

AHP是一種通過專家打分來量化信息、通過對比作出決策的分析方法，用以解決復雜的決策問題，目前已廣泛用于企業(yè)管理、能源分配、軍事指揮和風險評價等領域[14]。采用AHP確定權重的主要步驟如下：

(1)構造判斷矩陣

邀請相關專家對同級指標的重要性進行兩兩對比，運用1到9量化標準(如表2所示)進行量化，根據(jù)量化結果構造判斷矩陣A=(aij)m×n，其中aij表示因素i與因素j的重要性之比。

表2 1-9標度法含義

(2)計算最大特征值

(3)進行一致性檢驗

計算一致性指標CI，見式(1)

(1)

CI的值越大，則矩陣越偏離完全一致性；CI的值越趨近于0，則矩陣越接近完全一致性。

計算一致性比例CR見式(2)

(2)

規(guī)定CR<0.1時，則矩陣的一致性可接受；反之，則表明加權系數(shù)分配不當，需進行適當調(diào)整；RI為隨機一致性指標，如表3所示。

表3 RI值

(4)計算指標權重

2.2 熵權法求權重

熵權法是一種客觀賦權法，具有客觀性強、準確度高、適用性強等特點。系統(tǒng)熵值隨著外部環(huán)境的變化而變化，當熵值為狀態(tài)函數(shù)時，系統(tǒng)的不確定性隨熵值的增大而增大；反之，熵值越小，系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定[15]。應用熵權法確定權重的具體步驟如下：

(2)計算各評估指標的信息熵，第j個指標的信息熵見式(3)

(3)

其中k=1/lnn,且可知0≤Ej≤1。

(3)計算各評估指標的熵權，第j個指標的熵權見式(4)

(4)

2.3 指標綜合權重

單一求權重的方法易存在偏差，導致評價結果不準確。因此，本文根據(jù)所求指標的特性，將AHP和熵權法所求權重采用集成的方法加以組合，提高指標權重的客觀性，使得評價結果更加準確。計算第j個指標的綜合權重見式(5)

(5)

3 高層建筑電氣火災風險模糊綜合評價

模糊評價法依據(jù)模糊數(shù)學的隸屬度理論將定性評價轉化為定量評價，具有結果清晰、系統(tǒng)性強等特點，可以較好地解決模糊的、難以量化的問題，適用于各種非確定性問題的解決[16]。模糊評價步驟如下：

(1)構建評價因素集

根據(jù)評價指標體系，設立評判因素集U。U={U1,U2,U3},U1={U11,U12,…，U19}，U2={U21,U22,…，U26},U3={U31,U32,U33，U34}，其中U表示高層建筑電氣火災風險等級，為一級指標，其他均為二級指標。

(2)構建評價集

高層建筑電氣火災風險評價采用的是定性和定量相結合的方法，評價的結果存在一定的模糊性，將高層建筑電氣火災風險劃分為5個級別，以10分為評分范圍，得分越高，表明電氣火災風險越小，如表4所示。

(3)確定權重集

利用AHP法和熵權法分別求出AHP權重和熵權，通過式(5)求出綜合權重，最終構造指標綜合權重向量Wj(j=0,1,2,3)，W0為一級指標綜合權重向量，W1,W2,W3為二級指標綜合權重向量。

(4)構建模糊隸屬度矩陣

由于高層建筑電氣火災指標具有一定的模糊性和不連續(xù)性，無法用確切的數(shù)據(jù)表示，所以邀請業(yè)內(nèi)的專家人士根據(jù)具體情況打分，專家組對評價因素集中的每個指標進行評判，隸屬度公式見式(6)

(6)

其中vi={v1,v2,v3,v4,v5}={危險，較危險，一般安全，較安全，安全},計算各指標隸屬度，通過隸屬度可以得到一級指標的模糊評價矩陣Ri=(i=1,2,3),通過計算可得到綜合模糊評價矩陣R0，即R0={B1,B2,B3}T。

(5)建立評價模型

評價模型見式(7)

Bi=WjRi

(7)

Bi=(i=1,2,3)為模糊評價向量，其中B0為一級指標模糊評價向量。

(6)指標量化與結果分析

量化模型見式(8)

Pi=BjC

(8)

Pi(i=1,2,3)為高層建筑電氣火災風險值，其中P0為高層建筑電氣火災風險評價總值，P1,P2,P3為一級指標評價風險值，C為風險等級值，根據(jù)構建的評價集和專家建議，令

C={c1=3,c2=6.5,c3=7.5,c4=8.5,c5=9.5}。

4 實例應用

選取沈陽市某高層建筑為例，對其電氣火災風險進行評價。

4.1 權重確定

首先，邀請多位資深用電管理人員、消防人員、風險評估師和該建筑工作人員對評價體系中的一級、二級指標根據(jù)表2進行兩兩比較打分，通過打分結果構造判斷矩陣。由于AHP計算權重過程復雜，容易出錯，故在AHP求權重時借助層次分析軟件yaahp進行相關計算，該軟件能夠高效準確計算出各指標權重，結果如表5～8所示。其次，將判斷矩陣歸一化，得到標準矩陣，并依照式(3)計算得到信息熵，將信息熵依照式(4)計算得到各指標的熵權。最后，將AHP法得到的權重與熵權法得到的權重依照式(5)計算得到綜合權重，如表9所示。

表5 U1～U3判斷矩陣及權重

表6 U11～U19表判斷矩陣及權重

表7 U21～U26判斷矩陣及權重

表8 U11～U34判斷矩陣及權重

表9 權重表

4.2 確定模糊評價矩陣

上述人員對18個二級指標進行vi屬性打分，并通過式(6)計算得到對應指標的隸屬度，即得到電氣系統(tǒng)因素模糊評價矩陣R1，環(huán)境因素模糊評價矩陣R2，人為因素模糊評價矩陣R3。

模糊評價矩陣結合表9中的綜合權重，運用式(7)計算得到各級指標模糊評價向量

B1=(0.121,0.160 9,0.250 6,0.182,0.285 4)

B2=(0,0,0.049 9,0.305 3,0.640 4)

B3=(0,0.070 2,0.511 6,0.198 4,0.219 8)

B0=(0.056 6,0.108 5,0.362 3,0.197 0,0.260 0)

4.3 指標量化與結果分析

模糊評價向量結合風險等級值，運用式(8)計算得到該高層建筑電氣火災風險評價值，如表10所示。

表10 電氣火災風險評價值

對應評價集表4可知，沈陽該高層建筑的電氣火災風險等級為Ⅲ級，處于一般安全水平，需采取適當措施，降低電氣火災危險，使其達到可接受水平。從表10可以看出，該小區(qū)的電氣火災風險評價值中，電氣系統(tǒng)因素得分最低，環(huán)境因素和人為因素得分較高，隱患相對較小，在很大程度上保證了該小區(qū)的電氣火災安全水平。因此，針對分析結果，需要在電氣系統(tǒng)因素方面進一步加強。

結合指標綜合權重和專家意見，可得到短路、漏電、過負荷和絕緣破損是影響該高層建筑電氣系統(tǒng)因素得分低的主要因素，尤其是漏電和過負荷。故需從這幾方面進行電氣檢查、維修和監(jiān)管，提高電氣系統(tǒng)安全性，以使該高層建筑電氣火災風險處于較安全或安全水平。

5 結論

針對高層建筑電氣火災頻繁且損失嚴重的問題，提出了基于層次分析(AHP)-熵權法的高層建筑電氣火災風險評價方法，主要結論如下：

(1)通過查閱資料以及專家調(diào)查問卷，得出高層建筑電氣火災發(fā)生的主要原因，遵循“人-機-環(huán)”安全系統(tǒng)工程原理，從電氣系統(tǒng)因素、環(huán)境因素和人為因素3方面建立高層建筑電氣火災風險評價指標體系；

(2)由于權重是評價模型的主要影響因素，文章結合AHP法和熵權法求得的綜合權重更加客觀有效，建立了高層建筑電氣火災風險模糊綜合評價模型；

(3)對沈陽某高層建筑的電氣火災風險進行評價，結果顯示該建筑的電氣火災風險等級為Ⅲ級，處于一般安全水平，評價結果基本符合該建筑電氣火災風險狀況，主要需在電氣系統(tǒng)因素方面采取適當措施加以改進。