消防救援虛擬演練風(fēng)控數(shù)值溯源分析仿真

高德君，戚張豪

(華東理工大學(xué)，上海 200237)

1 引言

消防人員主要職責(zé)是搶救災(zāi)害、救護(hù)工作以及為民服務(wù)等，同時也是這個世界上和人民關(guān)系最為緊密的高危職業(yè)之一。消防人員是政府成立的救火救人團(tuán)體，負(fù)責(zé)消除火災(zāi)以及救護(hù)的服務(wù)，并參與其它救援任務(wù)。一旦出現(xiàn)救援任務(wù)，消防救援人員往往存在極大的危險，甚至是有可能失去生命。所以平時需要不斷的鍛煉特殊體能、心理素質(zhì)以及技能等自身條件，來適應(yīng)各種危險、多變和復(fù)雜的場景，以最短的時間、最快的速度來實行救援活動。為了測試平時的訓(xùn)練成果，需要通過虛擬演練的方式來進(jìn)行考核[1]。

虛擬演練的系統(tǒng)，包含兩種訓(xùn)練方式：預(yù)案訓(xùn)練模式以及突發(fā)事件的訓(xùn)練模式。其中預(yù)案訓(xùn)練模式是指對受訓(xùn)者按照一定的預(yù)案規(guī)定內(nèi)容，來各司其職，按照整個方案完整地執(zhí)行救援活動；突發(fā)事件的訓(xùn)練，是指在訓(xùn)練的過程內(nèi)，通過系統(tǒng)操作人員進(jìn)行干預(yù)的操作，例如：突然改變風(fēng)向、設(shè)計一次爆炸等，來觀察救援人員對突發(fā)事件反應(yīng)以及指揮能力的表現(xiàn)[2]。虛擬演練的子系統(tǒng)主要包含6個模塊：場景任務(wù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、角色訓(xùn)練模塊、訓(xùn)練控制模塊、記錄/編輯模塊以及考核模塊，每個模塊都有其自身的作用，但主要目的都是為了增強消防救援人員自身的技能，來降低消防救援時的風(fēng)險。對風(fēng)險把控得當(dāng)，就能夠使危險降至最低，追溯風(fēng)險的本源，是風(fēng)險把控的最有效辦法[3]。為此本文提出一種消防救援虛擬演練風(fēng)控數(shù)值溯源分析仿真，通過模擬消防救援時所產(chǎn)生的火災(zāi)，分析所產(chǎn)生的煙塵，來對風(fēng)險數(shù)值控制進(jìn)行調(diào)整降低，最大程度分析各類因素，保證消防人員在救援的過程中的安全狀態(tài)。

2 消防救援虛擬演練

2.1 煙塵模擬

為了真實有效地對現(xiàn)場火災(zāi)內(nèi)的煙塵模擬，把三維渲染與FDS數(shù)據(jù)結(jié)合，這兩者就能夠精確地對真實煙塵進(jìn)行模擬[4]。

其中FDS數(shù)據(jù)把單位空間劃分成熱物性質(zhì)的小體積網(wǎng)絡(luò)，然后劃分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)時間，使其變成多個時間段，隨時可以得到時間段內(nèi)的每個網(wǎng)格煙塵密度。在對煙塵進(jìn)行模擬時，三維網(wǎng)格作為渲染元素，主要功能是在VR平臺內(nèi)，遵循FDS數(shù)據(jù)網(wǎng)格的創(chuàng)建，而體素中不透明度的數(shù)值，能夠在歸一化網(wǎng)格內(nèi)獲取煙灰密度，可以代表煙塵所引起的低能見度。具體歸一化的公式如下

(1)

式(1)中：a表示歸一化單位區(qū)域內(nèi)煙灰密度值，具體范圍是0～1之間，而值越大透明狀態(tài)就越低，因此能見度就越低。Ds表示對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)煙灰密度，Dsmax表示煙灰密度的最大值。在三維渲染的過程內(nèi)，每個時間段內(nèi)不透明的網(wǎng)格值，都通過煙灰密度來完成動態(tài)調(diào)整。利用此方法，能夠準(zhǔn)確地對動態(tài)煙塵模擬，所演變的過程，可以在消防模擬演練的系統(tǒng)內(nèi)完成可視化[5]。

2.2 煙塵危害分析

煙塵的危害主要包含熱量以及毒性，毒性是許多氣體進(jìn)行綜合所用所導(dǎo)致的結(jié)果，在30min的暴露期間，能夠利用FED完成評估，評估結(jié)果通常會出現(xiàn)6種綜合毒性的氣體。

假設(shè)[Ci]表示30min時間內(nèi)暴露期間平均的空氣濃度值(%)，則表達(dá)式為

(2)

式(2)中：(x，y，z，t)表示第i種氣體空氣濃度的函數(shù)。其中變量c和d分別表示路經(jīng)開始點以及結(jié)束點，全部空氣濃度都能夠利用FDS數(shù)據(jù)獲取。dt表示CO與CO2聯(lián)合毒性的效應(yīng)因子。而在暴露30min以后，能夠引起單位區(qū)域內(nèi)50%生物死亡氣體，其中[Ci]值越高，煙塵的毒性就會越強，而在[Ci]是1時，煙塵的毒性死亡率就會非常高[6]。

煙塵的熱危害含有輻射與對流，在暴露期間中，F(xiàn)ED熱量分?jǐn)?shù)的劑量能夠采用對流與輻射分?jǐn)?shù)和計算得到，具體公式為

(3)

式(3)中：Δt表示時間段間固定的時間間隔。tr表示輻射熱量所引起的失能時間(min)，tc表示對流熱量所引起失能時間(min)，而溫度T能夠從FDS的仿真內(nèi)獲取，具體公式為：

(4)

輻射熱量所引起的失能時間tr(min)，具體輻射q能夠從FDS內(nèi)獲取，具體公式為

(5)

而Fh越高，則熱危害就越嚴(yán)重，在Fh是1時，那么煙塵的熱量能夠致命[7]。

煙塵的熱量以及毒性造成的傷害機制是不相同的，不過暴露的時間都能夠致命，所以取[Ci]與Fh二者最大值作為煙塵危害的最終評估結(jié)果[8]。

3 消防風(fēng)控溯源分析

3.1 確定指標(biāo)權(quán)重

3.1.1 主要成分指標(biāo)的客觀權(quán)重

1)基本原理

主要成分分析內(nèi)，把隨機向量X=(x1，x2，…，xm)T經(jīng)過正交變換來轉(zhuǎn)換成新的隨機變量U=(u1，u2，…，um)T，致使指向m個正交的方向，而主要成分yi方差λi完整刻畫yi的反映目標(biāo)X能力，這說明方差越大，則指標(biāo)的貢獻(xiàn)就越大[9]。

2)權(quán)重模型構(gòu)建

如果指標(biāo)數(shù)量是m個，那么現(xiàn)在依據(jù)資料獲取k個指標(biāo)n組數(shù)據(jù)，就是n個樣本。具體初級權(quán)重的模型公式為

(6)

式(6)中：F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n表示分析之后獲取的m個主要指標(biāo)，umn表示樣本矩陣內(nèi)系數(shù)。

以此作為基礎(chǔ)，所構(gòu)建的綜合評價函數(shù)公式為

κ=λ1+λ2+…+λm

(7)

式(7)中：a1，a2，…，am，就是指標(biāo)w1，w2，…，wm經(jīng)過主要成分所分析的重要程度。

U=(u1，u2，…，um)T

(8)

3)步驟計算

第一步：選取n個樣本，來對樣本m個指標(biāo)完成分析，即可得出樣本矩陣，具體如下所示

(9)

式(9)中：xnm表示第n組的樣本數(shù)據(jù)內(nèi)第m個指標(biāo)值。

第三步：將Y完成標(biāo)準(zhǔn)變換，獲取標(biāo)準(zhǔn)化的矩陣，具體公式為

(10)

4)對矩陣Z相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計算，即

(11)

5)將|R-λIm|=0特征值進(jìn)行求取，即能夠得出m個特指值λ1≥λ2≥…≥λm≥0。

3.1.2 確定群體層次的指標(biāo)主觀權(quán)重

經(jīng)過群體層次的分析方法，來確認(rèn)風(fēng)險指標(biāo)主觀的權(quán)重，而所謂群體的層次分析方法，就是許多專家依據(jù)給定權(quán)重標(biāo)度來對風(fēng)險指標(biāo)完成重要度的標(biāo)識，能夠得出專家對于風(fēng)險矩陣的判斷。具體AHP(Analytic Hierarchy Process，層次分析法)法指標(biāo)權(quán)重[11]，如表1所示。

表1 指標(biāo)權(quán)重的標(biāo)度

經(jīng)過對數(shù)回歸來確認(rèn)風(fēng)險的指標(biāo)權(quán)重，其主要的思想就是來判斷矩陣對數(shù)的誤差平方和最小。即公式為

(12)

(13)

(14)

(15)

通過對這些風(fēng)險溯源分析，來追尋風(fēng)控總源頭，從根本上分析火災(zāi)救援中所面臨危害的根源，可降低甚至清除可能出現(xiàn)危險事故[12]。

3.2 風(fēng)控溯源指標(biāo)體系

風(fēng)控溯源指標(biāo)，可以全面反映虛擬煙塵模擬的特點，構(gòu)建指標(biāo)要從全局的角度進(jìn)行出發(fā)，系統(tǒng)分析風(fēng)險根本因素，以此構(gòu)建健全的完整體系指標(biāo)。構(gòu)建的體系指標(biāo)要以服務(wù)消防風(fēng)險來作為評估目地，溯源指標(biāo)就是消防工作以及風(fēng)險提煉和總結(jié)，而指標(biāo)的合理性，也決定消防風(fēng)險的評精確性，假如指標(biāo)的敘述出現(xiàn)歧義或者是不精確，那么就會造成風(fēng)控管理人員意見出現(xiàn)不一致情況，致使風(fēng)控的評估出現(xiàn)偏移甚至是違背實際情況，由此說明，精確簡單的風(fēng)控指標(biāo)，能夠使風(fēng)控管理人員便于操作以及把握，使其意見統(tǒng)一，集中對關(guān)鍵風(fēng)險進(jìn)行把控。

4 仿真分析

構(gòu)建三維虛擬空間時，要支持網(wǎng)絡(luò)化虛擬協(xié)同消防救援和多模式演練消防救援平臺，通過以上標(biāo)準(zhǔn)評論模型，來評價虛擬消防演練，以此獲取客觀、精準(zhǔn)以及較為全面的結(jié)果。

4.1 權(quán)重向量計算結(jié)果

經(jīng)過對企事業(yè)單位、消防安全的專家以及消防管理用戶的調(diào)研，在對實驗數(shù)據(jù)以及實際演練進(jìn)行分析，利用溯源分析法，精確了評價指標(biāo)的取值，構(gòu)建判斷矩陣，具體矩陣公式如下所示

(16)

當(dāng)獲得評價指標(biāo)第一層的判斷矩陣以后，因求權(quán)重的特征向量和，所計算出的最大特征根值以及近似特征向量，經(jīng)過一致的檢驗以后，主觀的估計權(quán)重是

W0=(0.106，0260，0634)

(17)

4.2 標(biāo)準(zhǔn)評價

虛擬消防救援的演練標(biāo)準(zhǔn)評價，可以分成3個層次，20多個評價標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成評價指標(biāo)集。通常為較差、差、一般、良好、優(yōu)秀，5個等級標(biāo)準(zhǔn)。而評價指標(biāo)集為U={C1i，C2j，C3j}(i=1，2，3，4；j=1，…，8)，等級集V={優(yōu)秀，良好，好，一般，差，較差}。根據(jù)現(xiàn)實情況，同時考慮未來發(fā)展的情況，與專家的評分指標(biāo)進(jìn)行結(jié)合，來確認(rèn)定量和定性的評價隸屬度。

在經(jīng)過公司、醫(yī)院以及學(xué)校等許多不同的單位，完成100次虛擬消防救援的演練。通過收集演練所獲得的數(shù)據(jù)，來分析指標(biāo)的評價結(jié)果。

根據(jù)加權(quán)算法均勻規(guī)則，來對標(biāo)準(zhǔn)評價的向量進(jìn)行歸一化，并且依據(jù)評價等級表(如表2所示)進(jìn)行對比。

表2 等級分?jǐn)?shù)表

通過表2來觀察虛擬演練的情況，演練結(jié)果具體如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)評價演練結(jié)果

經(jīng)過上述實驗計算證明：根據(jù)演練平臺B1的角度進(jìn)行觀察，該次模擬的火災(zāi)模型以及演練場景都非常合理。而從消防部門來評價B2進(jìn)行觀察時，這一次實際演練水平一般，在某些方面有所欠缺，要加強實際指導(dǎo)以及現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)督，當(dāng)從企事業(yè)的單位演練結(jié)果B3觀察，這次演練的成績一般，以此說明日常的訓(xùn)練有所不足，所以平時要加強鍛煉。最后從評價A進(jìn)行觀察時，該次演練評價結(jié)果是一般等級，所以消防救援的演練平臺，還需要繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，同時消防管理部門還要加強監(jiān)督，演練單位還要加強對于薄弱環(huán)節(jié)的鍛煉，考慮到有可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，在源頭就避免出現(xiàn)可能造成危害的狀況。

5 結(jié)束語

本文方法通過模擬演練，能夠很好地對消防救援人員風(fēng)控數(shù)值進(jìn)行觀察，以此來追尋風(fēng)控的本源。通過源頭分析風(fēng)險，降低火災(zāi)現(xiàn)場有可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，以此保證救援人員安全。未來發(fā)展的方向在于需要模擬更多的災(zāi)害、場景以及突發(fā)事件，從平時的虛擬演練中，發(fā)現(xiàn)危險的本源，進(jìn)行清除。