基于AHP-模糊綜合評價法的消防服環(huán)境適應(yīng)性評價

操 凱,劉小勇,王 祥,蘭明強(qiáng),李亞運(yùn),郭 賢,宋輿涵

(1.安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.清華大學(xué)合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601)

個體防護(hù)服裝的功能、性能發(fā)揮和環(huán)境條件有較大關(guān)系。同樣用途的防護(hù)服裝,會因?yàn)槭褂铆h(huán)境的差異出現(xiàn)不同的功能要求[1]。南方高溫潮濕、北方極端寒冷、高原空氣稀薄,許多情況下,防護(hù)服裝都受使用的溫度范圍、濕度范圍等條件限制[2]。在復(fù)雜的災(zāi)害環(huán)境下使用防護(hù)服裝,很可能會出現(xiàn)不能使用或者服裝性能下降的情況。消防部隊是發(fā)生森林火災(zāi)、燃?xì)庑孤?、爆炸等事故時應(yīng)急救援的主力軍[3]。消防服作為保護(hù)災(zāi)害救援人員生命安全的最后一道防線,其各項防護(hù)性能的可靠性是十分重要的。宗藝晶[4]提出了對消防服多層織物系統(tǒng)熱濕舒適性的評價方法。馬春杰[5]研究了相關(guān)環(huán)境因素對消防服織物性能的影響。劉林玉[6]研究了對于消防服多層織物熱防護(hù)性與舒適性的綜合評價。前人對于消防服單一環(huán)境下的研究較多,而在實(shí)際救援活動中,消防人員所在的救援環(huán)境通常并不是單一的極端惡劣環(huán)境,往往面臨的是高低溫條件、強(qiáng)風(fēng)暴雨等多種復(fù)合災(zāi)害環(huán)境[7]。同時,前人對于消防服的環(huán)境適應(yīng)性評價研究較少。因此,對消防服進(jìn)行災(zāi)害環(huán)境下的環(huán)境適應(yīng)性評價是非常有必要的。筆者運(yùn)用層次分析法(AHP)和模糊理論相結(jié)合的方法,構(gòu)建高低溫環(huán)境下的消防服環(huán)境適應(yīng)性評價指標(biāo)體系模型,通過AHP由專家確定指標(biāo)權(quán)重,再使用模糊綜合理論來完成消防服環(huán)境適應(yīng)性綜合評價[8-9],并將該模型運(yùn)用到評價某一品牌消防服的高低溫環(huán)境適應(yīng)性上,以期為消防服的性能改良提供依據(jù)。

1 評價方法和指標(biāo)體系

1.1 評價方法和流程

評價方法和流程為:①提煉消防服環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵性能指標(biāo),構(gòu)建評價指標(biāo)體系;②利用層次分析法對評價指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重分析和確定;③利用模糊綜合評價,從上到下依次進(jìn)行逐層評價;④獲得評價目標(biāo)的綜合性風(fēng)險等級,評價其環(huán)境適應(yīng)性。

1.2 構(gòu)建評價指標(biāo)體系

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GA 10-2014 消防員滅火防護(hù)服》、《GA 770-2008消防員化學(xué)防護(hù)服裝》和《GA 634-2015消防員隔熱防護(hù)服》中防護(hù)服檢測指標(biāo)[10],結(jié)合大量防護(hù)服高低溫環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果篩選出受高低溫環(huán)境影響較為嚴(yán)重的參數(shù)進(jìn)行分類,保證防護(hù)服環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)具有客觀性、公正性、科學(xué)性,最終形成消防服高低溫環(huán)境適應(yīng)性評價指標(biāo)體系,如圖1所示。

圖1 消防服環(huán)境適應(yīng)性評價指標(biāo)體系

(1)完備性。外觀作為服裝的一項基本屬性,是服裝完備性不可或缺的一項重要指標(biāo)。不同尺寸滿足不同體型個體可穿度和舒適性的要求。戰(zhàn)時消防員多處于惡劣的意外災(zāi)害環(huán)境下,消防服難免會受到一定程度的拉扯作用,因此抗拉性能也應(yīng)作為消防服完備性的一項重要指標(biāo),以保障消防服滿足其功能性的要求。紡織品撕破強(qiáng)力是常見的物理性能之一,也是生產(chǎn)生活中各種紡織品的必要檢測性能,反映消防服材料在戰(zhàn)時特殊環(huán)境下抗撕耐破的程度和水平。斷裂強(qiáng)力反映在惡劣環(huán)境下消防服的抗斷耐裂的程度和水平,也是消防服完備性的重要指標(biāo)。

(2)功能性。熱性能是反映消防服功能性的關(guān)鍵因素,包括隔熱性能、耐熱性能和阻燃性能。熱性能作為保衛(wèi)消防員生命安全最后防線的重要功能指標(biāo),是區(qū)分普通服裝和功能性消防服的重要因素之一。消防服作為消防員戰(zhàn)時功能性服裝還需要滿足防水透氣性能、防靜電性能、耐靜水壓性能和耐腐蝕性能。

(3)保障性。結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性能反映消防服手臂、腰部、大腿等各部分結(jié)構(gòu)的靈活與協(xié)調(diào)程度,判斷是否適于消防員戰(zhàn)時特殊活動需求。消防員常工作于光線較暗的火場等惡劣救援環(huán)境當(dāng)中,消防服的反光可見性能的好壞反映消防員活動蹤跡的可快速追蹤效率,成為消防服保障性的一項重要指標(biāo)。

2 AHP-模糊綜合評價法

2.1 確定評價因素集

將消防服環(huán)境適應(yīng)性評價指標(biāo)作為模糊綜合評價的因素集,建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型,其中U={U1,U2,U3},分別表示一級指標(biāo)完備性、功能性和保障性,其中U1={U11,U12,U13,U14,U15},U2={U21,U22}={U211,U212,U213,U221,U222,U223,U224},U3={U31,U32}。

2.2 基于AHP確定權(quán)重

按照已建立的評價指標(biāo)體系,依據(jù)各指標(biāo)的重要性,采用1～9標(biāo)度表(如表1所示)比較各指標(biāo)的重要程度,形成判斷矩陣,再用方根法計算各元素的相應(yīng)權(quán)重,經(jīng)計算每個判斷矩陣隨機(jī)一致性比率CR均小于0.1,表明通過隨機(jī)一致性檢驗(yàn),最終得到各指標(biāo)權(quán)重。

表1 1～9標(biāo)度表

2.3 確定綜合評價的評語集

對于某個問題,根據(jù)其評價情況和評價需求將其劃分等級。將評價結(jié)論劃分為4個等級,即V={V1,V2,V3,V4}={優(yōu),良,中,差}={90,70,50,30}。

2.4 單因素評價

通過專家調(diào)查法或者其他方法列出隸屬度,設(shè)有y個專家參與評價,對因素集Ui={Ui1,Ui2,…,Uin}按照評語集V={V1,V2,V3,V4}進(jìn)行評價,統(tǒng)計得到各個因素評語為vk的專家人數(shù)占所有專家總?cè)藬?shù)的比例,即可得各個因素對評語等級vk的隸屬度rjk[11],從而得到模糊綜合評價矩陣Ri。

(1)

2.5 建立綜合評價模型

模糊綜合評價分為單層次評價和多層次評價,本文的指標(biāo)體系有3層指標(biāo),因此需要使用多層次模糊綜合評價。

(1)一級模糊綜合評價。在上述基礎(chǔ)上,可以得到指標(biāo)集中每個Ui的權(quán)重Ai和模糊評價矩陣Ri,將兩者相乘得到一級模糊綜合評價結(jié)果Bi(i=1,2,…,N),進(jìn)而得到U的一級模糊評價矩陣R=(B1,B2,…,BN)T。

Bi=Ai·Ri=(a1,a2,…,an)·

(2)

(2)多級模糊綜合評價。將得到的一級指標(biāo)權(quán)重A和一級模糊評價矩陣R相乘可得到U的模糊綜合評價結(jié)果B。

B=A·R=A·(B1,B2,…,BN)T=

(b1,b2,…,bm)

(3)

(3)計算綜合評價值?；谀：C合評價結(jié)果B,并結(jié)合評語集V對應(yīng)的數(shù)值,由式(4)算出綜合評價分值P。根據(jù)綜合評價分值確定對象所屬的評價等級,給出評價結(jié)論。

P=V×B

(4)

3 案例分析

為驗(yàn)證所提評價體系的合理性,選取某一品牌型號的10套消防服進(jìn)行試驗(yàn)(如圖2所示),為了排除個例的影響,選取4套未作任何預(yù)處理作為空白對照組,3套進(jìn)行高溫70℃存放2 h處理,3套進(jìn)行低溫-20℃存放2 h處理,然后分別進(jìn)行功能性驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)預(yù)處理情況如圖3所示。

圖2 消防服樣品

圖3 環(huán)境艙中溫度處理

以驗(yàn)證高溫環(huán)境對消防服的整體熱防護(hù)性能的影響為例開展實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)利用燃燒假人測試系統(tǒng),通過皮膚燒傷模型評估熱消防服在高溫預(yù)處理前后的整體阻燃熱防護(hù)性能變化來研究高溫對防護(hù)服的整體熱防護(hù)性能的影響。設(shè)置環(huán)境溫度為24.2℃,環(huán)境濕度為61%RH,火焰平均熱流密度為81 kW/m2,火焰平均熱流密度熱流標(biāo)準(zhǔn)差為17.21 kW/m2,數(shù)據(jù)采集持續(xù)時間為120 s,轟燃時間為2 s,假人除頭盔未覆蓋,其余均覆蓋。實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)如表2所示,可知高溫預(yù)處理前后消防服經(jīng)過2 s火焰測試后服裝燒毀情況基本一致。經(jīng)假人皮膚燒傷預(yù)測結(jié)果可知,高溫預(yù)處理后服裝產(chǎn)生的燒傷區(qū)域及燒傷程度略大于未經(jīng)過高溫預(yù)處理的服裝產(chǎn)生的燒傷區(qū)域及燒傷程度。由此可見,此款消防服在70℃高溫環(huán)境下處理2 h后,經(jīng)2 s火焰測試,服裝熱防護(hù)性能略微有所衰減。

表2 高溫預(yù)處理前后消防服性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

最后,依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對該消防服高低溫環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評價。采用層次分析法對消防服各指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行權(quán)重計算形成權(quán)重矩陣,然后采用模糊綜合評價法對該品牌型號的10套消防服試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分級評價形成評價矩陣,從而計算得到該防護(hù)服高低溫環(huán)境適應(yīng)性評價結(jié)果。

3.1 指標(biāo)體系權(quán)重計算

綜合專家意見,基于層次分析法得出各個指標(biāo)權(quán)重,如表3所示。

表3 消防防護(hù)服環(huán)境適應(yīng)性評價指標(biāo)權(quán)重

3.2 建立單因素評價矩陣

通過對各評價因素的分析,選取某品牌消防員滅火防護(hù)服10個樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并對各樣本的參數(shù)進(jìn)行評價,采用表格的形式對10個樣本的評分情況進(jìn)行統(tǒng)計,得到各個因素的各個評分的頻數(shù),即為各評價因素對重要等級的隸屬度[12-13],如表4和表5所示。

表4 各二級指標(biāo)的隸屬度

表5 各三級指標(biāo)的隸屬度

3.3 模糊綜合評價

將得到的權(quán)重向量和評價矩陣相乘,計算得到熱性能、其他性能的評價結(jié)果。利用式(2)計算出各一級模糊評價結(jié)果:

B21=[0.421 1 0.318 3 0.118 3 0.142 4]

B22=[0.237 4 0.293 0 0.316 1 0.153 5]

進(jìn)而,依次計算出各二級模糊評價結(jié)果Bi和三級模糊評價結(jié)果B:

B1=[0.300 2 0.291 1 0.243 5 0.119 7]

B2=[0.366 2 0.310 7 0.177 4 0.145 7]

B3=[0.4 0.4 0.1 0.1]

B=[0.356 3 0.314 8 0.183 5 0.136 6]

再利用式(4)得到消防服環(huán)境適應(yīng)性評價的評價分值為:

P=B·VT=

[0.356 3 0.314 8 0.183 5 0.136 6]·

結(jié)果表明,該型號消防服的高低溫環(huán)境適應(yīng)性評價得分為67.664分,屬于“良”等級。

3.4 消防服改良建議

消防員在救援時不僅要身著消防服,還需要背負(fù)特種救援裝備,這均增加了消防員戰(zhàn)時身體負(fù)擔(dān)。在保證消防服整體防護(hù)性能的條件下,消防服整體質(zhì)量的輕量化以及提高其舒適性都是消防服的重要改良方向,以期達(dá)到減輕消防員戰(zhàn)時身體負(fù)擔(dān)、增加其作業(yè)靈活度的目的。與此同時,為消防服增加更多的現(xiàn)代技術(shù)功能也是一個重要的改良方向,比如消防員戰(zhàn)時定位功能、人體生理指標(biāo)監(jiān)測功能和有害氣體的監(jiān)測等,為消防員提供全面的實(shí)時信息提醒和指引,提高救援效率等。

對于該型號消防服的高低溫環(huán)境適應(yīng)性中較薄弱性能,分別從完備性、功能性和保障性3個方面提出建議?；趯哟畏治龇ǖ玫酵陚湫詸?quán)重為0.194 7,功能性權(quán)重為0.717 2,保障性權(quán)重為0.088 1。因此,在改善消防服性能時應(yīng)將改善其功能性作為工作重點(diǎn),適當(dāng)改善其完備性和保障性。

(1)完備性。完備性包含外觀、性能、抗拉性能、撕破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力5個二級指標(biāo),其權(quán)重分別為0.035 9、0.056 1、0.161 3、0.291 2、0.455 5,故建議在改善消防服完備性時應(yīng)重點(diǎn)改善撕破強(qiáng)力和斷裂強(qiáng)力。由模糊綜合評價的隸屬度得分結(jié)果可知,抗拉性能得分較低,可將其作為該型號消防服性能改善的一個方向。

(2)功能性。功能性包含熱能性和其他性能2個二級指標(biāo),其權(quán)重分別為0.701 0和0.299 0,故在改善消防服功能性時應(yīng)特別注意重點(diǎn)改善其熱能性,平衡適當(dāng)改善其他性能。消防服作為防護(hù)性功能服裝,熱能性要求始終是設(shè)計開發(fā)防護(hù)服時最主要的最基本的要求。熱能性包含3個三級指標(biāo),即隔熱性能、耐熱性能和阻燃性能,其權(quán)重分別為0.182 7、0.423 7、0.393 6,后續(xù)可利用燃燒假人開展轟然條件下消防服功能性阻燃性能整裝測試等研究。同時,由模糊綜合評價的隸屬度得分結(jié)果可知,防靜電性能和耐靜水壓得分較低,可將這兩方面作為該型號消防服功能性改善的方向。

(3)保障性。保障性包含結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性能和反光可見性能2個二級指標(biāo),其權(quán)重均為0.500 0,故建議在改善消防服保障性時應(yīng)同時平衡改善其結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性能和反光可見性能。

4 結(jié)論

(1)提出了針對復(fù)合環(huán)境下消防服環(huán)境適應(yīng)性評價方法,構(gòu)建了消防服風(fēng)險評估指標(biāo)體系,包括完備性、功能性和保障性3項一級指標(biāo)及其9項二級指標(biāo)和7項三級指標(biāo),較全面地反映了消防服環(huán)境適應(yīng)性能。根據(jù)每個評價指標(biāo)的等級確定環(huán)境行為狀況,共同提高了評價的可靠性與有效性。

(2)采用AHP-模糊綜合評價法對消防服環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評價分析,運(yùn)用建立的防護(hù)服環(huán)境適應(yīng)性評價模型對某品牌消防服進(jìn)行高低溫環(huán)境適應(yīng)性綜合評價。并選取某一品牌型號的10套消防服進(jìn)行試驗(yàn),得出該型號消防服高低溫環(huán)境適應(yīng)性評價為“良”。

(3)根據(jù)指標(biāo)權(quán)重和模糊綜合評價得分,為消防服提出改良建議。為改善消防服的性能提供更加精確和全面的依據(jù),為需要進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性評價和可靠性測試的個體防護(hù)裝備等提供了一種重要思路和借鑒,具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。