基于優(yōu)化定權與灰色聚類的人流密集場所應急疏散能力評價*

張儉讓，王江艷，董丁穩(wěn)，鄭海霞

(西安科技大學 能源學院，陜西 西安710054)

0 引 言

近年來，隨著城市化建設進程的加快，城市人口密度加大，城市人流密集場所的突發(fā)事件也在逐年上升。當突發(fā)事件發(fā)生時，首要任務是保證人員安全。研究應急疏散能力是為了提高預防和處置突發(fā)事件的能力。通過評價特定區(qū)域的應急疏散能力，可以促進應急管理工作的持續(xù)改進，確保應急預案的有效性，提高組織應急救援的水平，以及審查應急準備工作的進展情況［1］。因此對特定區(qū)域內應急疏散能力的分析與評價方面的研究很有必要。

目前國內外對于人員安全疏散的研究主要集中在3 個方面，一是對人員疏散行為的研究，二是對疏散時間的研究，三是對安全疏散的影響因素的研究。對于應急疏散行為的研究開始于美國馬里蘭大學的Bryan J.L，他在1956 年首次對某火災事故幸存者的行為進行了咨詢調查。隨后，結合人員行為和仿真模擬方法的研究逐漸成為了該領域的熱點問題。對于應急疏散時間的計算方法主要分為2 類:一類是以前蘇聯(lián)Perdtechenski 和Milinski，日本的Togawa 等人為代表，根據(jù)疏散設施的本身屬性和通過能力來計算疏散時間。另一類是以美國的Chalmet，Gunnar，F(xiàn)rancis，MacGregor 等人為代表的網(wǎng)絡優(yōu)化計算方法，該方法是在較少的考慮單個人員疏散特征的情況下，將建筑物各個單元劃分為一個個網(wǎng)絡節(jié)點，運用網(wǎng)絡模型設計疏散路徑，然后采用流量限制的原理計算總體疏散時間［2-3］。國內相關方面的研究主要體現(xiàn)在影響應急能力指標體系的構建［4］以及出入口條件對人員疏散的影響［5-6］，而對疏散模型的建立［7］以及疏散時間的計算［8］是研究的重點。目前國內外對于應急疏散能力綜合評價方面的研究，其問題主要集中在評價指標體系的合理性和評價方法的有效性［9］。文中是在對影響因素分析的基礎上建立應急疏散能力評價指標體系，通過基于優(yōu)化權重與灰色聚類模型評價人流密集區(qū)的應急疏散能力。

1 應急疏散能力評價指標體系

人流密集場所應急疏散能力的評價指標，應覆蓋影響疏散能力的關鍵因素。通過評價，能客觀反映應急疏散能力現(xiàn)狀，以便及時調整和采取對策措施，力求最大程序減輕突發(fā)事件造成的損失。文中將影響人流密集場所應急疏散能力的因素歸結為5 個方面:人員因素、建筑因素、環(huán)境因素、交通因素和管理因素。

1)人員因素。突發(fā)事件發(fā)生時，最重要的問題是如何將該區(qū)域的人員安全、快速、有序的疏散，因此待疏散人群的身體素質，遇到災害時的應激反應及行為，還有對發(fā)生災害區(qū)域的環(huán)境熟悉程度以及是否接受過專業(yè)的相關培訓即是否具備安全疏散意識等都直接影響到疏散的效果。人員的差異性造成疏散對象的復雜性，同時也可能增加應急疏散工作的難度，因此人員因素是影響應急疏散能力的一個重要因素。

2)建筑因素。就應急疏散的而言，建筑內部應該具備良好的疏散條件，比如應急出口數(shù)目及寬度、疏散通道的寬度必須達到相應的標準，應急照明設施的覆蓋度，以及防止火災迅速蔓延的防火分隔，排煙系統(tǒng)等應急設備是實施有效應急疏散的基礎，建筑內部的火災荷載也是影響應急疏散的一個關鍵因素。

3)環(huán)境因素。建筑物內外部環(huán)境對應急疏散有直接影響，建筑內部危險易燃易爆品的數(shù)量影響疏散的難易程度，建筑物外部合理布置指示標志能夠引導人員選擇正確的逃生路線，到達避難場所。車站附近的治安狀況，如火車站附近的監(jiān)控設備及巡查人員也是應急疏散的重要影響因素。

4)交通因素。當突發(fā)事件發(fā)生時，足夠的救援車輛可以第一時間將人員從危險區(qū)域疏散出去，暢通的交通狀況無疑是應急疏散的保證，事發(fā)地點到避難場所的距離長短也是安全疏散的決定因素。

5)管理因素。影響應急疏散能力的管理因素主要表現(xiàn)為應急預案的完善性以及組織指揮系統(tǒng)的合理性。突發(fā)事件應急的快速響應及處置很大程度上取決于事前的充分準備和詳細的應急預案的制定。因此應急預案系統(tǒng)是否完善，預案是否周密靈活，是否具有針對性以及預案是否及時更新等，都對應急疏散能力產(chǎn)生重要的影響。此外，應急組織的合理設置，組織人員的職責劃分，應急資源的合理分配，人員之間的溝通協(xié)調，安全知識的廣泛宣傳等，為突發(fā)集群事件的應急能力提供堅實的基礎。

由以上分析，建立人流密集場所應急疏散能力評價指標體系如圖1 所示。

圖1 應急疏散能力評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of emergency evacuation ability

2 應急疏散能力評價模型

2.1 基于優(yōu)化定權的評價指標權重確定

指標權重的確定是綜合評價中的關鍵步驟，目前的指標定權方法可歸為3 大類:客觀賦權法主觀賦權法及組合賦權法［10］。文中采用最小二乘法模型，對熵值法和層次分析法［11-13］得出的結果進行優(yōu)化組合，使得出的權重更具合理性。

2.1.1 熵值法確定客觀權重

設有m 項評價對象，n 項評價指標，根據(jù)采集到的評價指標量化值形成標準化的數(shù)據(jù)矩陣Xij，則第j 項指標的信息熵為

2.1.2 層次分析法確定主觀權重

依據(jù)已建立的評價指標體系形成該方法應用的層次結構模型。構造判斷矩陣，判斷矩陣表示層次結構模型中，針對上一層次某元素來說，本層次有關元素之間相對重要性的比較，可表示為

對矩陣的每一行元素進行行乘積，并對行向量做歸一化處理

計算得到權重

對于

2.1.3 加權最小二乘法進行權重優(yōu)化

為了兼顧層次分析法在應用過程中由于評價專家的主觀不確定性及認識的模糊性可能導致權重確定的不合理，以及熵值法這種客觀評價方法得到的權重可能與決策者的主觀愿望相反，而使決策者感到迷惑的弊病，為達到主客觀的統(tǒng)一，且使決策的結果偏差越小［14］，文中決定采用改進的加權最小二乘法決策模型，修正層次分析法與熵值法確定的權重。為確定uj，求解以uj= 1 為約束條件的最優(yōu)化方程

其中 uj＞0，j = 1，2，3，…，n.通過解此方程得到各指標的權重uj.

2.2 應急疏散能力的灰色聚類評估模型

灰色白化權函數(shù)聚類法是根據(jù)各個灰類的白化權函數(shù)將一些觀測指標聚集成若干個可以定義的類別，從而將系統(tǒng)歸入某灰類的過程，用于檢測對象是否屬于事先設定的不同類別［15］。通過對已知部分信息的收集、處理、定性描述和定量計算，在灰色白化權函數(shù)生成的基礎上，把收集到的各項參數(shù)指標進行歸納總結，最后通過灰色聚類評價的方法，實現(xiàn)待評估系統(tǒng)等級的評價，具體步驟如下

2.2.1 應急疏散能力評價等級的劃分

將評價等級劃分為5 個灰類等級:很差、較差、一般、較好、很好。用k = 1，2，3，4，5 來表示這5 個灰類。

2.2.2 風險量化評估矩陣的確定

灰色定權聚類評估要根據(jù)因子的評估方法得出各因子風險量化評估表，得出評價矩陣。文中選擇專家打分法確定各因子的風險量化評估值采用1 ～5 分制，代表風險程度分別為低，較低，中，較高，高。為了綜合專家打分無參考可循以及問卷調查的被普遍化的弊端，用評估矩陣數(shù)據(jù)dij表示專家i 對第j 項指標的評分值。

2.2.3 白化權函數(shù)的確定

白化權函數(shù)用來定量描述某項指標屬于某灰類的程度［16］。在灰色聚類評估過程中，各灰類白化權函數(shù)的確定［17］是最為關鍵的環(huán)節(jié)之一，是充分體現(xiàn)由定性分析到定量建模的關鍵環(huán)節(jié)。白化權函數(shù)fkj(dij)指的是第j 個聚類指標對于第k 灰類的白化函數(shù)值，安全評價等級分為5 類，k=1，2，3，4，5.因此相應的建立5 個灰類白化權函數(shù)如下

2.2.4 計算灰色聚類系數(shù)

2.2.5 得出評價結果

3 實例分析

應用以上模型對西安火車站地下商場區(qū)的應急疏散能力進行評價，應用分析過程如下

3.1 指標權重計算

將由17 個影響因子近5 年的現(xiàn)狀按照很差，較差，一般，較好，很好的等級賦值，分值為1 ～5 組成的調查問卷發(fā)放給應急疏散研究領域的專家及火車站管委會成員，再將回收的問卷的分值做平均得到的數(shù)據(jù)作為計算權重的原始數(shù)據(jù)。再依據(jù)2.1 中的方法，由公式(1)～(7)得出各二級指標權重向量如下

一級指標權重向量如下

3.2 灰色聚類系數(shù)求解

1)專家打分法得出的各因子風險量化評估值見表1.

2)根據(jù)上表計算各位專家對于各因子的聚類評級

表1 各因子風險量化評估值Tab.1 Quantitative risk evaluation value of each factor

3)計算聚類系數(shù)

由式(9)得出專家聚類向量如下

3.3 求得評價結果

由以上計算結果，二級指標1，2，3 屬于第二灰類，4，5 屬于第三灰類，根據(jù)最大隸屬度原則，判定該區(qū)域應急疏散能力評價結果屬于第二灰類，即安全等級為中下。

3.4 評價結果分析

根據(jù)以上評價計算過程，得出人員因素、建筑因素、環(huán)境因素的安全等級為較差，交通因素以及管理因素的安全等級為中，該結論符合此區(qū)域的實際情況。因此，為了提高火車站地下商場人流密集區(qū)的應急疏散能力，從而確保相關人員的生命及財產(chǎn)安全，具體需要從以下幾方面進行改進。

從人員因素來看，人員素質的提高是強化應急疏散能力需要重點考慮的方向。因此在易發(fā)生突發(fā)事件的人流密集區(qū)域開展安全教育及培訓，培養(yǎng)人們的應激意識及心理素質，提高安全疏散能力顯得十分重要。

從建筑與環(huán)境因素來看，由于火車站地下商場區(qū)域建成距現(xiàn)在有二三十年之久，當時的建筑標準已經(jīng)不符合目前的應急要求，因此不論是從應急出口，還是應急設施的落實等方面，火車站地下商場建筑因素都沒有達到應急疏散的要求，所以完善建筑內部的應急疏散輔助設備是搞好應急疏散的基礎。

從交通因素來看，保障一定的救援車輛以及暢通的道路是發(fā)生突發(fā)事件后人員能安全疏散的保證。

從管理因素來看，應具備詳細、完善、靈活的應急預案以提高應急疏散的效率。

4 結 論

1)綜合分析人員、建筑、交通、環(huán)境、管理5 方面影響因素，建立的人流密集場所應急疏散能力評價指標體系，通過實例分析表明其評價結果反映出了火車站地下商場區(qū)域應急疏散能力的綜合情況，具有較好的實用性;

2)采用優(yōu)化最小二乘法確定指標權重的方法，將其應用于人流密集場所應急疏散能力評價指標定權，克服了評價過程中主觀定權與客觀定權的弊端，將主客、觀定權結果優(yōu)化處理，保證了評價指標定權的合理性，能夠提高評價結果的可信度;

3)在評價指標優(yōu)化定權的基礎上，采用灰色聚類法通過構建白化權函數(shù)對人流密集場所應急疏散能力進行綜合評價，可通過評價結果分析得出人流密集區(qū)域應急疏散能力方面的不足，為其持續(xù)改進提供決策依據(jù)。

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