基于灰色關聯度分析的東北林區貯木場火險評價

耿志偉，薛 偉，萬 雷

(東北林業大學 工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

東北地區森林資源豐富，木材生產量很大，各林區的貯木場中存有大量原木、板材和枝條。此外，貯木場內進行的選材、造材，木材保管和木材調運的工作產生了大量的木材加工剩余物。這些可燃物給貯木場發生火災提供了物質基礎，而木材生產人員工作的流動性、機械設備因長時間使用而產熱以及貯木場內房屋的明火取暖設施等因素則成為貯木場發生火災的外部原因。

貯木場一旦發生火災，火焰將在楞堆間迅速蔓延并且難以控制，造成經濟和人身安全雙重損失。針對東北林區貯木場，火險隱患主要有以下幾方面。

(1)春季降雨偏少，空氣相對濕度小，風速大，而冬季生產的木材大量存放，一旦發生火災將迅速蔓延。

(2)貯木場生產加工人員的防火意識和防火人員的預警力度有待加強。

(3)木材加工剩余物堆放零亂使得設備長時間連續作業產生高溫而引發陰燃。

(4)生產和運輸人員的流動性大。

對東北林區貯木場進行火險評價將有助于提高防范意識，認清安全狀況，也為防火部門建立安全評價體系提供理論依據。

東北林區貯木場火險預警方面的研究狀況，王悅等應用BP神經網絡系統分析了影響東北林區貯木場火災危險情況的因素，建立了火險等級評價的評價模型[1]；羅曉春等從消防安全的內容、分類和原理上研究了貯木場火險評估的工作和意義[2]；王蓉蓉等做了貯木場火災危險評價與相應的保險費率研究[3]。

1 評價方法的選擇與簡介

1.1 評價方法的選擇

系統綜合評價的方法有很多，如層次分析法、模糊綜合評判法等，每種方法都有各自的優缺點。層次分析法(AHP)是將傳統的定性思維轉化為定量分析計算的過程，這個過程中判斷矩陣和相對權重的構建很依賴人的經驗；模糊綜合評價法依據模糊數學的隸屬度問題，對影響事物的多個因素加以綜合評價，這種評價方法的關鍵是評價指標隸屬度的確定，如果隸屬函數選擇的不合適，則容易引起較大的誤差。

貯木場的火險評價方面，目前并沒有統一的等級評定指標來遵循，相關的等級評價研究大多是人為界定評價等級后，再根據不同計算方法得到結果然后進行評定。貯木場火險情況涉及的因素眾多，應選擇合適的評價法進行評價。引發事故的因素相互關聯，在時間、空間上相互影響，是典型的灰色系統，故可以運用灰色關聯分析進行評價[4-6]。

1.2 灰色關聯度分析法簡介

灰色系統是20世紀80年代由華中科技大學的鄧聚龍教授創立的新型橫斷學科，在預測、決策、規劃、控制，系統分析和評估等領域有著廣泛的應用。它特別適合時間序列短、統計數據和信息不完全情況下的建模與分析。

灰色關聯度分析屬于灰色系統綜合評價法的一個分支，是基于灰色系統理論和方法，對系統和某個所屬因子的狀態進行分析，做出一種半定性半定量的評價與描述的方法[7-8]。

1.3 灰色關聯度分析的基本步驟

(1)參考序列和比較序列的確定

根據各個指標的意義，選擇最優值作為參考序列中的各項。最優值可以是某一指標的最大或最小值，也可以是評估者公認的最優值。

參考序列記為X0(k)={X0(1)，X0(2)，...X0(n)}，其中k=1，2...n

比較序列記為X1(k)，X2(k)，...Xm(k)(其中k=1，2...n)。比較序列可以是待評價的方案和目標，也可以是待處理的實驗數據。

以此得到數據序列矩陣X=(X0(k)，X1(k)，X2(k)，...Xm(k))T

(2)指標值的規范化處理

不同評價指標的量綱和數量級通常是不相同的，不能直接進行相互比較和運算，需要對原始的指標數據進行規范化處理，這里采用區間變換法。

(1)

(3)計算指標間的關聯系數和關聯度

對指標進行了規范化處理后，計算參考序列和比較序列的絕對差序列矩陣：

Δi(k)=|Y0(k)-Yi(k)|。

(2)

關聯度系數ξi的計算按照下面的公式：

ξi(k)=

(3)

其中ρ表示分辨悉數，通常取0.5。根據公式(3)可算出各個子集的關聯系數，并建立關聯系數矩陣E。關聯度由關聯系數的加權平均值求出：

(4)

(4)方案和指標的評價

根據比較序列與參考序列的關聯度大小來衡量不同待評價目標的優劣程度，當待評價目標的影響因素具有層次性時，要分別為不同層次的因素設定權重值，在計算完不同子集的關聯度之后，再計算綜合關聯度。

2 貯木場火險情況的灰色關聯度分析

2.1 火險評價體系的建立

根據對東北林區貯木場的實地考場和歷年火災統計，引起貯木場火災的主要因素包括天氣原因、生產作業影響、消防基礎設施與防火意識，這三大因素構成了火險評價體系的第一層次。第二層次由第一層次因素的子因素構成：天氣原因分為降雨情況、空氣濕度和風速，生產作業影響分為木材貯存量、木材剩余物散放情況、生產作業人數和設備連續工作時間，基礎設施與防火意識分為消防設施、檢查力度和防火預警人數。層次關系如圖1所示。

圖1 火險評價指標體系

2.2 比較序列和各指標權重值的確定

表1 天氣原因評價表

其中：降雨情況是指距離上次10 mm以上降雨的時間，其決定了木材的干濕程度(單位：d)。

表2 生產作業影響評價表

其中：木材貯存量是指單位面積上的木材堆積量(單位：m3/m2)。

木質剩余物散放情況是指單位面積上的木質剩余物散放體積(單位：m3/m2)。

生產作業人數是指單位生產體積木材需要的作業人數(單位：人/(萬·m3))。

設備連續工作時間單位：h。

表3 基礎設施與防火意識評價表

其中：消防設施是指深水井、普通水井、貯水罐以及干粉滅火器的總數，每個分別按1、2、0.5、0.1求和計算(單位：個)。

檢查力度是指對楞區、檢查站、場區進行輪流巡視的周期(單位：h)。

2.3 最優指標和數據序列矩陣的確定

根據最優指標的確定原則，可確定參考序列：

X0= {3，0.85，2，1.2，0.15，33，2.5，27，1，22}

貯木場火險情況評價指標分3大類，根據表1～表3中4個貯木場的各個指標和參考序列構造3個子集的數據序列矩陣：

2.4 指標值的規范化處理

根據公式(1)對指標序列進行規范化處理，得到3個分類子集的數據序列矩陣：

2.5 計算評價序列和參考序列的絕對差序列矩陣

根據公式(2)計算得到差序列各個值得到Δ1，Δ2，Δ3，(其中i=1，2...m；k=1，2...n)。

由此可得各差序列矩陣中的最大值與最小值

2.6 火險情況評價

2.6.1 初級分類評價

取分辨率ρ=0.5，根據公式(3)分別算出第二層次中3個子集的關聯系數，并建立關聯系數矩陣E。

由表1可知，對于“天氣因素”的子因素，權重值ω1=[0.42，0.22，0.36]，根據公式(4)求出第一類指標的關聯度：

由第一類指標可以看出，Ⅰ﹥Ⅱ﹥Ⅳ﹥Ⅲ，即從天氣原因方面考慮，4個貯木場的火險安全狀況最好的是Ⅰ貯木場，Ⅱ貯木場次之，Ⅳ貯木場再次，Ⅲ貯木場最差。Ⅲ和Ⅳ兩貯木場需要特別注意天氣原因對火險情況的影響。

同理，第二類指標“生產作業影響”的子因素權重ω2=[0.25，0.42，0.15，0.18]，計算第二類指標的關聯度：

由第二類指標可以看出，Ⅲ﹥Ⅱ﹥Ⅰ﹥Ⅳ，即從生產作業影響方面考慮，四個貯木場的火險安全狀況最好的是Ⅲ貯木場，Ⅱ貯木場次之，Ⅰ貯木場再次，Ⅳ貯木場最差。Ⅳ貯木場在生產作業時存在隱患，需要在追求木材生產量的同時平衡好安全工作。

第三類指標“消防基礎設施與防火意識”的子因素權重ω3=[0.4，0.35，0.25]，計算第三類指標的關聯度：

由第三類指標可以看出，Ⅳ﹥Ⅰ﹥Ⅲ﹥Ⅱ，即從基礎設施與防火意識方面考慮，四個貯木場的火險安全狀況最好的是Ⅳ貯木場，Ⅰ貯木場次之，Ⅲ貯木場再次，Ⅱ貯木場最差。Ⅱ貯木場在消防設施和預警方面存在不足，需要完善這方面。

2.6.2 綜合評價

由初級評價可以看出，同一貯木場在不同指標下的評價，既有可能安全狀況最優，又有可能有安全狀況最差，難以全面反映貯木場總體的火險狀況。因此，要根據全部指標類別，對火險系統進行二級綜合評價。

一級指標的權重值ω=[0.2，0.35，0.45]，綜合關聯度R=ω(R1，R2，R3)T

R=(0.2，0.35，0.45)·

由關聯度大小排序 Ⅰ﹥Ⅳ﹥Ⅲ﹥Ⅱ可以看到，在綜合因素作用下，火險情況的優劣：Ⅰ貯木場最好，Ⅳ貯木場次之，Ⅲ貯木場再次，Ⅱ貯木場最差。

3 結 論

(1)本文依據多目標決策的原理和方法，從東北林區貯木場實際出發，考慮影響貯木場火險情況的復雜因素，分兩個層次構建了貯木場的火險評價體系并做出了3類指標的初級評價和整體上的綜合評價。

(2)從3類初級評價指標上來看，不同指標下的貯木場火險情況各不相。

①貯木場Ⅰ受生產作業的影響最大：平均每天4.5 h的設備連續工作時間是主要原因，需要加以控制。

②貯木場Ⅱ在基礎設施與防火意識上存在隱患，主要體現在消防設備上的缺乏。

③貯木場Ⅲ的隱患來自天氣和基礎設施與防火意識兩方面，主要表現在3個子因素上：距離上次降雨已經10 d、4 h一個周期的檢查力度偏低、10人的火災預警隊伍偏小。

④貯木場Ⅳ需要在生產作業時控制設備連續工作的時間，防止設備過熱引燃木質剩余物。

(3)Ⅰ，Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ4個貯木場的火險安全狀況排名是從總體上綜合評價的結果。在評價和比較其他貯木場時，可以先調查表1～表3中的相關數據，然后由專家評議出權重值計算出灰色關聯度，進而分析評價。

【參 考 文 獻】

[1]王 悅，薛 偉.基于BP神經網絡的東北林區貯木場火災危險等級評定[J].中國安全生產科學技術，2013，29(2)：173-176.

[2]羅曉春，張光俊，薛 偉.森工貯木場消防安全評估的內涵和方法[J].林業勞動安全，2006，19(3)：26-31.

[3]王蓉蓉.基于東北林區貯木場火災危險等級的保險費率的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2011.

[4]李玉輝，張 建.灰色關聯度分析法在系統綜合評價中的應用[J].山東交通科技，2005，(4)：11-13.

[5]萬 雷，薛 偉.基于模糊綜合評價法的東北林區貯木場火險等級評價[J].森林工程，2013，29(6)：28-32.

[6]熊國平，何文雄.建立我國森林保險運行體系問題初探[J].江西林業科技，2010(3)：47-50.

[7]薛 偉，王蓉蓉.基于層次分析法的東北林區貯木場火災危險等級的評定[J].西部林業科學，2010，39(3)：5-9.

[8]卞 偉，薛 偉.森工貯木場火災事故樹分析及防范措施[J].林業科技，2006，31(2)：66-68.