森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)與作戰(zhàn)方案的綜合模糊評(píng)估

蔡志勇，呂 惠，周 睿，裴 沛

(1.中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519000；2.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035；3.清華大學(xué) 工程物理系公共安全研究院,北京 100084；4.清華大學(xué) 城市綜合應(yīng)急科學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)的巨大威脅，通常對(duì)全球的生態(tài)環(huán)境、空氣質(zhì)量、社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成惡劣的影響[1-3]。隨著全球氣候持續(xù)變暖，長(zhǎng)期干旱少雨，在全球范圍內(nèi)林火發(fā)生頻率愈加頻繁，全球范圍內(nèi)林火平均發(fā)生達(dá)到2.2×105次/a及以上，森林航空消防具有地形受限度低、運(yùn)載容量大、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是林火撲救中不可替代的重要部分[4]。然而，森林航空消防中安全問(wèn)題頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)1名航空消防的飛行員在其30 a的職業(yè)生涯內(nèi)有近50%的概率遭遇致命的事故[5]，故對(duì)森林航空消防作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究具有重要意義。

林火環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)要素眾多，森林航空消防的安全性往往受到多方面的影響，是安全科學(xué)與航空、林業(yè)、消防等領(lǐng)域多學(xué)科交叉的研究方向。當(dāng)前有諸多學(xué)者在航空安全及林火安全方面各自開(kāi)展了風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)和評(píng)估工作。Oban[6]使用層次分析法結(jié)合GIS數(shù)據(jù)計(jì)算導(dǎo)致林火發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重。Satir[7]基于物理、人為、氣候和火災(zāi)發(fā)生數(shù)據(jù)集，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法使用多數(shù)據(jù)評(píng)估技術(shù)繪制地中海林地林火概率圖。駱相宇等[8]從氣象、地形、可燃物等維度建立了林火評(píng)估的指標(biāo)體系，通過(guò)模糊語(yǔ)言混合加權(quán)算子確定某區(qū)域發(fā)生林火風(fēng)險(xiǎn)的可能性。邵豹偉等[9]利用二次熵權(quán)法對(duì)全國(guó)各個(gè)省份林火進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并通過(guò)離差平方和方法進(jìn)行林火風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域可視化。石英等[10]根據(jù)國(guó)內(nèi)通用航空不安全事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，基于層次分析-熵權(quán)法構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，提出保障航空安全的相關(guān)建議。趙嶷飛等[11]應(yīng)用SHEL模型結(jié)合民航對(duì)于航空安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定了航空風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)超標(biāo)倍數(shù)法確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，為航空風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論支持。

森林航空消防涉及林火和航空的交叉領(lǐng)域，安全問(wèn)題突出且復(fù)雜，當(dāng)前還鮮有學(xué)者對(duì)森林航空消防的綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估開(kāi)展相關(guān)研究。本文結(jié)合危險(xiǎn)性分析法、德?tīng)柗品ā哟畏治龇?、模糊綜合評(píng)價(jià)法共同構(gòu)建森林航空消防綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空消防作戰(zhàn)方案進(jìn)行綜合評(píng)估，以定量方式識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)，并有針對(duì)性地提出優(yōu)化措施。

1 方法與模型

首先，本文通過(guò)危險(xiǎn)性分析法對(duì)森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中涉及到的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行梳理，建立完整的森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)集合。其次，利用德?tīng)柗品?，邀?qǐng)多位相關(guān)領(lǐng)域的專家對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行篩選，確定科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)框架。進(jìn)一步邀請(qǐng)森林航空消防領(lǐng)域的權(quán)威專家通過(guò)層次分析法對(duì)上述指標(biāo)的重要程度作出權(quán)衡和確定，建立風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重框架。森林航空消防的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)框架及各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重是確定性的不變的結(jié)論，而對(duì)于不同的森林航空消防任務(wù)，存在著差異化的林火工況及作戰(zhàn)方案。當(dāng)確定一定的林火工況和作戰(zhàn)方案后，通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法就可以確定此次森林航空消防作戰(zhàn)方案的風(fēng)險(xiǎn)程度。根據(jù)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果，可以確定此次作戰(zhàn)方案的薄弱環(huán)節(jié)并提出優(yōu)化措施。森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法框架如圖1所示。

圖1 森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法框架

2 森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)及權(quán)重

通過(guò)調(diào)研林火多發(fā)、航空消防技術(shù)及應(yīng)用水平較高的美國(guó)、加拿大、俄羅斯等國(guó)近50年來(lái)的森林航空消防案例等相關(guān)資料，重點(diǎn)梳理林火撲救任務(wù)場(chǎng)景與作戰(zhàn)模式，結(jié)合飛機(jī)事故的一般性風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系[12-14]。按照“人-機(jī)-環(huán)-管”模型，將森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)劃分為固有環(huán)境因素、火場(chǎng)因素、飛機(jī)因素、飛行員因素、管理因素5個(gè)1級(jí)指標(biāo)及相對(duì)應(yīng)的2級(jí)指標(biāo)。

進(jìn)一步運(yùn)用德?tīng)柗品ǎ瑥纳鲜鲋笜?biāo)集中按照重要度篩選出關(guān)鍵要素。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的定義，將其分解為可能性×后果2個(gè)維度，按5個(gè)等級(jí)綜合評(píng)價(jià)重要度：

1)可以忽略：任意可能性×飛行員可以處理而不影響正常作業(yè)

2)不重要：較小可能性×影響正常作業(yè)但不會(huì)導(dǎo)致傷亡或損毀

3)一般重要：較大可能性×影響正常作業(yè)但不會(huì)導(dǎo)致傷亡或損毀

4)很重要：較小可能性×導(dǎo)致傷亡或損毀

5)非常重要：較大可能性×導(dǎo)致傷亡或損毀

其中，考慮到森林航空消防是極低頻行為，概率的穩(wěn)定性不顯著，本文認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)的后果評(píng)價(jià)具有相對(duì)更大的權(quán)重，因此導(dǎo)致傷亡或損毀但發(fā)生可能性較小的事件，其重要度大于僅僅影響正常作業(yè)而發(fā)生可能性較大的事件。

本文涉及跨領(lǐng)域多學(xué)科交叉，為了最大程度保證專家咨詢的科學(xué)性、有效性和統(tǒng)計(jì)客觀性，邀請(qǐng)來(lái)自清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西南林業(yè)大學(xué)、中國(guó)特種飛行器研究所、中航通飛研究院、南方航空護(hù)林總站等單位的科學(xué)研究、工程技術(shù)專家及經(jīng)驗(yàn)豐富的消防飛機(jī)飛行員共20人參與評(píng)估，專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域覆蓋公共安全、林業(yè)、消防及航空相關(guān)細(xì)分專業(yè)(總體、氣動(dòng)、強(qiáng)度、航電、動(dòng)力、控制、任務(wù)系統(tǒng))，各專業(yè)人數(shù)分布大致平衡。

本文嚴(yán)格按照德?tīng)柗品ú僮髁鞒?，發(fā)放問(wèn)卷20份，回收20份，其中有效問(wèn)卷20份，經(jīng)分析克朗巴哈系數(shù)為0.948(>0.8)。按照同時(shí)滿足下列條件篩選關(guān)鍵性指標(biāo)：重要性賦值>4、變異系數(shù)≤0.25、滿分比>20%，剔除可燃物類型、地形破碎程度、特殊火行為、火場(chǎng)氧氣濃度、火場(chǎng)一氧化碳濃度。

進(jìn)一步運(yùn)用層次分析法，邀請(qǐng)從事森林航空消防頂層研究的跨領(lǐng)域?qū)＜?，?duì)上述篩選后的關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值，通過(guò)一致性檢驗(yàn)(CR=0.045)。

以上構(gòu)建的森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系、重要度評(píng)價(jià)結(jié)果及指標(biāo)權(quán)重匯總?cè)绫?所示。

表1 森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系、重要度評(píng)價(jià)結(jié)果及指標(biāo)權(quán)重

3 森林航空消防作戰(zhàn)方案的模糊綜合評(píng)估

在森林航空消防實(shí)戰(zhàn)中，制定安全合理的作戰(zhàn)方案至關(guān)重要。本文建立森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)估的框架并確定相應(yīng)權(quán)重，結(jié)合模糊綜合評(píng)估方法，可為森林航空消防作戰(zhàn)方案的評(píng)估提供輔助決策支持。根據(jù)林火的惡劣程度及典型性，選取2006年云南省安寧“3·29”重大森林火災(zāi)作為評(píng)估案例(提取固有環(huán)境因素、火場(chǎng)因素)，以執(zhí)行林火撲救任務(wù)的相關(guān)單位初步擬定的某作戰(zhàn)方案為評(píng)估對(duì)象(提取飛機(jī)因素、飛行員因素、管理因素)，對(duì)給定案例下執(zhí)行該作戰(zhàn)方案的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行模糊綜合評(píng)估，重點(diǎn)通過(guò)分析薄弱環(huán)節(jié)，提出作戰(zhàn)方案的改進(jìn)優(yōu)化建議，實(shí)現(xiàn)輔助決策支持。

作戰(zhàn)方案中包括飛機(jī)因素、飛行員因素、管理因素下共計(jì)15個(gè)2級(jí)指標(biāo)的具體情況。以投水使用模式指標(biāo)為例。常見(jiàn)的投水使用模式分為連投、齊投、并投等方式，本次作戰(zhàn)方案基于火場(chǎng)環(huán)境選擇“連投”。專家將對(duì)此投水使用模式的安全性作出模糊評(píng)價(jià)。其他指標(biāo)同理，可建立專家對(duì)此作戰(zhàn)方案的評(píng)價(jià)矩陣。

模糊綜合評(píng)價(jià)法基于模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論，可將定性的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)為定量評(píng)價(jià)。對(duì)于森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，引入模糊評(píng)語(yǔ)集“差，較差，一般，較好，好”，對(duì)應(yīng)的分值區(qū)間劃分如表2所示。并對(duì)評(píng)語(yǔ)賦值矩陣進(jìn)行賦值為：P1=20，P2=40，P3=60，P4=80，P5=100。

表2 模糊綜合評(píng)估方法評(píng)語(yǔ)集

本次咨詢共發(fā)放20份問(wèn)卷，回收18份，有效回收利用率為90%，專家對(duì)此次作戰(zhàn)方案的隸屬度打分如表3所示。

表3 森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估專家打分隸屬度

基于各指標(biāo)的隸屬度及各指標(biāo)的權(quán)重，可計(jì)算相對(duì)于1級(jí)指標(biāo)的綜合評(píng)定矩陣為B1=(0.485,0.544,0.371,0.313,0.333)；B2=(0.384,0.344,0.348,0.438,0.387)；B3=(0.119,0.089,0.135,0.159,0.249)；B4=(0.012,0.018,0.121,0.090,0.031)；B5=(0.000,0.006,0.025,0.000,0.000)。由此可得隸屬度矩陣如式(1)所示。

(1)

聯(lián)合層次分析法及模糊綜合評(píng)價(jià)法，綜合量化評(píng)估如式(2)所示：

L=B·P=W·R·P

(2)

式中：B即綜合評(píng)定向量；P即評(píng)語(yǔ)集矩陣；W即指標(biāo)權(quán)重集；R即模糊關(guān)系矩陣。

根據(jù)式(2)可得此次作戰(zhàn)方案的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值L=84.69，結(jié)合表2中的評(píng)語(yǔ)區(qū)間，由此可以判定此森林航空消防作戰(zhàn)方案的評(píng)語(yǔ)級(jí)別為好。

對(duì)此次森林航空消防作戰(zhàn)方案中的2級(jí)指標(biāo)對(duì)1級(jí)指標(biāo)的加權(quán)分?jǐn)?shù)及加權(quán)扣分、1級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)急能力總分的相對(duì)權(quán)重分?jǐn)?shù)和相對(duì)權(quán)重扣分進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

表4 森林航空消防作戰(zhàn)方案風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)

基于計(jì)算結(jié)果，對(duì)上述作戰(zhàn)方案中1級(jí)指標(biāo)的優(yōu)化改進(jìn)順序依次為：飛機(jī)因素、飛行員因素、管理因素。其中，飛機(jī)因素中的失速速度和零件耐溫極限、飛行員因素中的生理狀態(tài)、管理因素中的凈空條件應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

4 結(jié)論

1)以德?tīng)柗品?、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法共同構(gòu)建森林航空消防綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，該研究框架建立了森林航空消防風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笜?biāo)權(quán)重體系，結(jié)合林火案例及作戰(zhàn)方案，可對(duì)真實(shí)林火場(chǎng)景下的航空消防作戰(zhàn)方案進(jìn)行綜合評(píng)估，以定量方式識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地提出優(yōu)化措施。

2)以真實(shí)火災(zāi)為例，模糊綜合評(píng)估結(jié)果表明：該作戰(zhàn)方案整體得分為84.69分，認(rèn)為此次作戰(zhàn)方案的評(píng)語(yǔ)級(jí)別為好，風(fēng)險(xiǎn)程度為低，待改進(jìn)優(yōu)化的1級(jí)指標(biāo)依次為飛機(jī)因素、飛行員因素、管理因素。其中，飛機(jī)因素中的飛機(jī)失速速度和零件耐溫極限、飛行員因素中的生理狀態(tài)、管理因素中的凈空條件需要著重審查并改進(jìn)和加強(qiáng)相關(guān)措施。案例研究表明該方法可為森林航空消防的安全評(píng)估和作戰(zhàn)方案的決策支持提供科學(xué)依據(jù)，可有效降低森林航空消防滅火任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)程度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。