集成DEMATEL-ISM的古建筑火災(zāi)致因因素評價

張嬿妮,楊 丹,黃羅鑫,凌詩月

(1.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院,西安,710054;2.西安市城市安全與消防救援重點實驗室,西安,710054)

0 引言

中國屬于世界四大文明古國,在其千年的發(fā)展中,許多稀有的古建筑被留存下來,是中國重要的文化遺產(chǎn)。目前,我國現(xiàn)存的大部分古建筑由于建筑自身特性或過度的商業(yè)開發(fā)等原因?qū)е鹿沤ㄖ嬖谳^大的消防隱患,一旦發(fā)生火災(zāi)事故,極易引發(fā)區(qū)域連鎖反應(yīng),造成巨大損失[1-4]。

為有效管控古建筑火災(zāi)致因因素,提升古建筑安全水平,眾多國內(nèi)外學(xué)者對古建筑的火災(zāi)危險性展開了相關(guān)研究。張曉錦等[5]針對木結(jié)構(gòu)古建筑群,進行實地調(diào)研,通過Gustav方法建立了古建筑群火災(zāi)風(fēng)險評估模型,并提出相應(yīng)古建筑火災(zāi)防護措施;劉晗等[6]將集隊理論引入到古建筑火災(zāi)風(fēng)險評估中,并基于集隊分析構(gòu)建了五元聯(lián)系數(shù)火災(zāi)風(fēng)險評價模型;徐志勝等[7]通過指標體系評估了張谷英村、鳳凰古城和南岳大廟的火災(zāi)安全,該評估指標體系由風(fēng)險指數(shù)法定量構(gòu)造,并通過AHP進一步確定指標權(quán)重,最終發(fā)現(xiàn)建筑成片、消防工作人員安全意識薄弱、消防設(shè)施存在缺陷以及建筑耐火等級具有較大差異性等是古建筑火災(zāi)的主要致災(zāi)因素;官鈺希等[8]利用消防安全管理、消防設(shè)施配備情況、古建筑消防安全特性三大因素構(gòu)建火災(zāi)風(fēng)險評估指標體系,并將其深化細分為45個子要素,采用層次分析法對湖北省3類古建筑群進行火災(zāi)風(fēng)險分析,得出3類不同建筑的火災(zāi)風(fēng)險等級,并根據(jù)分析結(jié)果提出相關(guān)整改建議;殷杰等[9]基于熵權(quán)可拓決策模型,使用Matlab7.0軟件評估西安市回民街的火災(zāi)風(fēng)險;馬礪等[10]同樣以西安市回民街為對象,采取熵權(quán)法和AHP對指標權(quán)重進行線性加權(quán)求解其綜合權(quán)重,最后建立模糊綜合評價模型進行火災(zāi)風(fēng)險評估。目前古建筑火災(zāi)科學(xué)領(lǐng)域不斷完善,安全管理水平逐漸提升,但是從以上內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)所采用的火災(zāi)風(fēng)險評估方法大多基于層次分析法及模糊層次分析法,評價方法復(fù)雜單一,缺少致災(zāi)因素間交互與耦合關(guān)系的分析。

因此,本文采用了適用于復(fù)雜系統(tǒng)的實驗室決策分析法(DEMATEL)和解釋結(jié)構(gòu)模型法(ISM),通過兩種方法的互補綜合考慮古建筑火災(zāi)事故致因因素,對其進行定性定量分析[11,12],確定古建筑火災(zāi)事故評價系統(tǒng)中各指標因素的權(quán)重,獲得古建筑火災(zāi)事故致因因素體系模型。在前人權(quán)重分析的基礎(chǔ)上,對各致因因素進一步進行原因-結(jié)果屬性分析及邏輯分級。采用DEMATEL-ISM評估方法可以大幅簡化計算步驟,降低評估難度。為避免僅依靠DEMATEL-ISM法計算致因因素屬性而造成與常規(guī)認知有所出入的情況,采用模糊層次分析法進行結(jié)果參照,為古建筑的消防安全管理提供理論基礎(chǔ)。

1 DEMATEL-ISM方法

DEMATEL方法的首次提出者是美國學(xué)者Gabus和Fontela,而ISM方法被大量運用于現(xiàn)代系統(tǒng)工程分析中,屬于結(jié)構(gòu)模型化技術(shù)[13,14]。DEMATEL和ISM兩種方法存在一定程度的共性,即都需要專家確立各個致災(zāi)因素之間的關(guān)系,構(gòu)建關(guān)系矩陣,而區(qū)別在于DEMATEL方法可以分析致因因素的重要度,ISM方法則能夠更好地分析致因因素的邏輯分層結(jié)構(gòu)。目前,DEMATEL-ISM方法在事故調(diào)查及企業(yè)管理等方面取得了良好的應(yīng)用,但在古建筑火災(zāi)事故體系中尚未使用。古建筑系統(tǒng)火災(zāi)事故的成因復(fù)雜,致災(zāi)因素多樣。集成DEMATEL和ISM兩種方法的特點可以有效減少重復(fù)矩陣的計算,確定致因因素間的耦合關(guān)系,找出導(dǎo)致古建筑火災(zāi)事故的深層因素。DEMATEL-ISM方法基于DEMATEL計算得到綜合影響矩陣,并客觀引入閾值λ,運用ISM方法得到可達矩陣,最終分析事故系統(tǒng)各因素間的邏輯關(guān)系。

2 古建筑火災(zāi)評價指標體系

在事故致因理論分析中,綜合致因因素可大致分為人、機、物、管理、環(huán)境五個方面[15]。依據(jù)2020年國家文物局對75處重點文物、博物館單位火災(zāi)隱患抽查結(jié)果,引發(fā)火災(zāi)原因如圖1所示,可以發(fā)現(xiàn)文物保護單位火災(zāi)安全隱患主要表現(xiàn)為：電氣隱患、安全管理不當、消防設(shè)施不完善、消防值守不當及用火不慎。結(jié)合文獻調(diào)研與評價方法特點,從人員、古建筑消防系統(tǒng)、古建筑防火能力、安全管理與環(huán)境五方面確立23個古建筑火災(zāi)事故致因因素,為保證指標因素的可靠有效,共邀請5名專家采用德爾菲法對致因因素指標進行修正。經(jīng)專家多次討論(考慮由火災(zāi)應(yīng)急救援資源保障及消防檔案管理情況導(dǎo)致古建筑火災(zāi)的可能性較低;配電線路敷設(shè)情況和消防安全投資兩因素可劃分到消防規(guī)劃與設(shè)施的下一級因素指標;墻體導(dǎo)熱及防火能力可劃分到建筑構(gòu)件耐火等級)最終確定為18個古建筑火災(zāi)事故致因因素,如表1所示。

表1 古建筑火災(zāi)事故致因因素指標體系Table 1 Index system of ancient building fire accident cause factors

圖1 古建筑火災(zāi)事故致因因素Fig.1 Causes of fire accidents in ancient buildings

3 古建筑火災(zāi)致因因素分析

3.1 DEMATEL模型建立

1)針對選取修正后的18個古建筑火災(zāi)事故致因因素,記?=(?1,?2,?3…?18)為古建筑火災(zāi)事故致因因素的集合,γ(表示因素?i對?j的影響程度)為因素之間的影響關(guān)系。

基于大量文獻的查詢閱讀,同時邀請5名火災(zāi)事故專家對各致因因素相互之間的影響程度進行評價打分,影響程度等級標度如表2所示。

表2 影響程度等級標度表Table 2 Influence degree scale table

2)構(gòu)建直接影響矩陣：采用德爾菲法得到18個致因因素間的直接影響矩陣A,見表3。

表3 直接影響矩陣ATable 3 Direct influence matrix A

3)綜合影響矩陣：規(guī)范化處理直接影響矩陣A,將矩陣A代入公式(1)得矩陣B[12]：

(1)

T=B(E-B)-1=tij

(2)

其中,E為單位矩陣。

4)影響度Ci、被影響度Di、中心度Mi、原因度Ni。

影響度可將任一因素對指標體系中其他因素的影響程度定量表示,被影響度為其他因素綜合影響該因素的分析指標;中心度可表明事故致因因素的重要程度;原因度包括原因因素和結(jié)果因素,可將事故致因因素進行邏輯分級,計算公式如式(3)～式(6)所示[13]：

(3)

(4)

Ni=Ci-Di,(i=1,2,…,n)

(5)

Mi=Ci+Di,(i=1,2,…,n)

(6)

按照DEMATEL法計算結(jié)果,繪制原因-結(jié)果圖,如圖2所示。當縱坐標原因度>0時,致因因素為原因?qū)傩?否則為結(jié)果屬性。橫坐標為中心度,圖2中所劃陰影部分即為中心度較大因素,表明陰影內(nèi)因素重要程度較高。

圖2 原因-結(jié)果圖Fig.2 Cause-effect diagram

為保證評估結(jié)果的準確性,結(jié)合文獻調(diào)研,邀請專家對指標因素的屬性進行調(diào)整。并通過層次分析法,建立互補判斷矩陣、一致矩陣,計算得到指標權(quán)重,以對指標因素間的因果關(guān)系進行參考。計算結(jié)果如表4所示。

表4 致因因素DEMATEL法計算結(jié)果表Table 4 Calculation results of DEMATEL method for cause factors

3.2 ISM模型建立

整體影響矩陣計算如公式(7)所示[13]。其中,I為單位矩陣,為了確定古建筑火災(zāi)事故致因因素的層級結(jié)構(gòu),需通過確立閾值λ計算可達矩陣,λ的不同取值會形成不同的層次遞階模型。目前大多通過專家判斷進行λ取值選取,由于主觀性強,很容易使分析結(jié)果偏離實際。因此,基于綜合影響矩陣分布的數(shù)學(xué)期望值與標準差之和確立λ的賦值,可使致因因素邏輯分級更具有客觀性[13]。

H=T+I=hij

(7)

λ=α+β

(8)

其中,α和β分別為綜合影響矩陣的期望值和標準差。通過統(tǒng)計分析,可得λ=0.1429+0.0338=0.1767,按照公式(9)得可達矩陣M[13]：

(9)

對可達集合進行層級分析,根據(jù)公式(10)和公式(11)可分別求得可達集合和先行集合[13],按照公式(12)對所求可達集合和先行集合進行驗證[13]?？梢园l(fā)現(xiàn),當i=2,5,6,7,14,18時,Fi為Ri的子集,說明上述因素為首層因素,即首層致因因素指標集合為{?2,?5,?6,?7,?14,?18},排除首層因素指標,同理可計算得到第二層致因因素指標集合為{?3,?12,?13,?15},第三層致因因素指標集合為{?10,?11},第四層致因因素指標集合為{?4,?9,?16},第五層致因因素指標集合為{?1,?8,?17}。另外,根據(jù)層次分析法的指標權(quán)重計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),安全教育薄弱、安全監(jiān)察失效及消防規(guī)劃與設(shè)施3個指標的權(quán)重明顯較高。因此也將其歸于第一層級中,層次解釋結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。將致因因素層次解釋結(jié)構(gòu)模型進行劃分,其中層級1為近鄰原因,層級5為本質(zhì)原因,層級2～4為過渡原因。

圖3 古建筑火災(zāi)事故致因因素層次解釋結(jié)構(gòu)模型Fig.3 ISM model of ancient building fire accident cause factors

Fi={?j|?j∈?,mij≠0}i=1,2,…,n

(10)

Ri={?j|?j∈?,mji≠0}i=1,2,…,n

(11)

Fi=Fi∩Rii=1,2,…,n

(12)

由于近鄰原因是影響古建筑火災(zāi)發(fā)生的直接因素,一旦風(fēng)險形成容易互相迅速傳遞,所以可將第一層級作為評價古建筑消防安全狀態(tài)的指標。對古建筑火災(zāi)致因因素各指標分級完成后,通過公式(13)計算第一層評價指標的權(quán)重[14]：

(13)

其中,τi為各指標因素的權(quán)重。權(quán)重計算結(jié)果如表5所示。

表5 指標因素權(quán)重Table 5 Weight of index factors

3.3 模型分析

1)中心度、原因度分析

在古建筑火災(zāi)事故致因因素指標體系中,中心度的取值越大,表明該致因因素在指標體系中的重要性比重越大。由原因-結(jié)果圖可以得知,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脆性、內(nèi)飾材料、建筑構(gòu)件耐火等級、消防控制室管理、火災(zāi)巡查制度、安全監(jiān)察失效以及消防安全意識在指標體系中非常重要,而人為失誤、報警系統(tǒng)可靠性、滅火設(shè)施可靠性、火災(zāi)探測系統(tǒng)可靠性的重要程度偏低,其余因素處于中間水平。

當致因因素的原因度取值大于0時,表明該因素在指標體系中屬于原因因素?？梢园l(fā)現(xiàn),阻燃及耐火結(jié)構(gòu)、安全知識更新慢以及消防規(guī)劃與設(shè)施是導(dǎo)致古建筑火災(zāi)事故的主要因素,是古建筑火災(zāi)消防風(fēng)險的主要來源。反之,當致因因素的原因度取值小于0時,則該因素為結(jié)果因素,由圖2及表4可知影響程度較大的結(jié)果因素為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脆性、火災(zāi)巡查制度、消防控制室管理。

2)因素邏輯關(guān)系分析

從古建筑火災(zāi)事故致因因素層級邏輯關(guān)系分析可知,各個事故致因因素之間存在著復(fù)雜的聯(lián)系,由圖3可知,第一層級中因素與建筑內(nèi)設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施、自然基礎(chǔ)條件及安全教育等有關(guān),是解釋結(jié)構(gòu)模型中的近鄰原因,這類因素也是導(dǎo)致古建筑發(fā)生火災(zāi)的直接致災(zāi)因素。通過對較低層級中的致因因素加強管理和控制,可有效避免系統(tǒng)全面崩潰。消防安全意識、消防控制室管理、火災(zāi)巡查制度位于第2層級,火災(zāi)荷載位于第3層級,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脆性、交通情況及內(nèi)飾材料位于第4層級,以上因素均是導(dǎo)致古建筑火災(zāi)事故的過渡原因,主要通過安全管理制度、系統(tǒng)潛在隱患及自身火災(zāi)荷載等因素影響事故預(yù)防和控制。安全知識更新慢、建筑構(gòu)件耐火等級位于結(jié)構(gòu)模型中第5層級,是造成古建筑火災(zāi)事故的本質(zhì)原因。

3.4 案例分析

本文以西安市的某古建筑為例,對其消防安全水平進行系統(tǒng)的量化評價。將影響因素的評價指標劃分為良好、及格、較差、極差4個等級,對應(yīng)區(qū)間分別為(100,80]、(80,60]、(60,40]、(40,0]。

根據(jù)古建筑火災(zāi)致因因素各單項指標的數(shù)據(jù)資料,共邀請5名專家進行打分,通過權(quán)重計算得出該古建筑火災(zāi)安全的最終評價結(jié)果,打分結(jié)果及最終評價結(jié)果如表6所示。由表6可以看出,該古建筑評價分數(shù)為70.88分,整體表現(xiàn)為及格,說明該古建筑暫時處于較安全水平。由評價結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在防滅火設(shè)施的配備方面,該古建筑得分評價普遍較好,對于防滅火設(shè)備上的成本投入力度較高。但是,同時也暴露出消防設(shè)備日常維護及人的安全行為存在較大缺陷,因此,該古建筑日常消防安全管理中,在保證安全投入的前提下,應(yīng)有效規(guī)避自然因素所造成的火災(zāi)致災(zāi)因素,同時定期委派專人對消防設(shè)施設(shè)備進行維護管理,加大安全培養(yǎng)力度,減少人為失誤次數(shù)。

表6 古建筑專家打分及評價結(jié)果Table 6 Evaluation results of ancient architecture experts

此外通過該古建筑中心度分析,應(yīng)重點注意內(nèi)飾材料及人員消防安全意識,查明裝修是否違規(guī)采用聚氨酯、海綿、聚苯乙烯等易燃可燃材料,同時加大安全培訓(xùn)力度,培養(yǎng)人員消防安全意識、安全知識及安全技能。另外不能完全忽視對古建筑火災(zāi)事故影響程度較低的指標因素。明確古建筑在各防火分區(qū)內(nèi)的隱患,同時基于古建筑現(xiàn)有交通、氣候、環(huán)境等自然因素的基礎(chǔ)上,完善區(qū)域內(nèi)消防規(guī)劃,加強消防設(shè)施的布控和管理,提高古建筑火災(zāi)預(yù)防與控制能力。

4 結(jié)論

1)在文獻調(diào)研以及典型事故分析的基礎(chǔ)上,采用德爾菲法從人員、古建筑消防系統(tǒng)、古建筑防火能力、安全管理與環(huán)境五方面共確立18個古建筑火災(zāi)事故致因因素。

2)通過DEMATEL模型對致因因素進行原因度及中心度分析;通過ISM模型將古建筑火災(zāi)致因因素指標體系分為5個層級,為明確各致因因素間邏輯關(guān)系,進一步劃分為近鄰原因、過渡原因和本質(zhì)原因。

3)分析西安市某古建筑的評價結(jié)果發(fā)現(xiàn),該古建筑消防設(shè)施配備情況較好,在器材維護及人員安全素質(zhì)方面表現(xiàn)總體較差,該古建筑應(yīng)進一步完善消防安全管理體系,重塑人員消防安全觀念。