基于情景演變和突變級數的海底隧道火災應急資源評價

陳明仙, 沈斐敏

(1. 福州大學土木工程學院， 福建 福州 350116；2. 福建船政交通職業學院安全技術與環境工程系, 福建 福州 350007)

基于情景演變和突變級數的海底隧道火災應急資源評價

陳明仙1, 2, 沈斐敏1

(1. 福州大學土木工程學院， 福建 福州 350116；2. 福建船政交通職業學院安全技術與環境工程系, 福建 福州 350007)

為了研究海底隧道火災情景應急資源評價問題， 以翔安海底隧道為例， 基于隧道火災情景演變機理與流程分析， 建立火災事故情景演變分析模型. 選擇特征情景演變路徑并抽取關鍵情景, 構建關鍵情景應急資源評價指標體系， 確立模型方法與步驟， 建立基于突變級數的海底隧道火災情景應急資源評價模型. 最后， 以客車火災事故為例， 對模型進行驗證應用， 為海底隧道火災應急資源評價提供一種新方法.

海底隧道； 火災； 情景演變； 突變級數； 應急資源; 評價模型

0 引言

海底隧道的建設解決了跨越海峽的運輸問題， 為社會生產生活提供了極大的便利. 火災是海底隧道運營的主要風險之一， 具有突發性且演變過程復雜多變， 可能造成大量的人員傷亡和財產損失. 由于海底隧道具有地下工程的屬性、 跨海的地理特性， 承災能力較一般山嶺隧道更弱， 對火災事故應急提出了更高的要求. 如1996年、 2008年英法海底隧道都發生了造成運營中斷時間超過6個月的火災事故， 1979年日本大阪隧道發生造成7人死亡、 174輛車焚毀的重大事故. 在此類事故中， 應急資源的有效性、 滿足性對于降低事故后果有著重要作用， 而傳統的“預測-應對”范式下應急工作主要基于確定的靜態事故， 難以對火災演變過程中的應急資源狀態進行動態評價. 如何針對火災事故不同情景進行合理的評價， 進而進行應急資源滿足度分級與優化已成為各界關注的課題.

針對海底隧道應急資源及評價相關問題， 國內外學者進行了探索性的研究， 并取得了一些成果. 王少飛等[1]在運營期水下隧道事故分析基礎上， 進行應急事件分類及等級的確定， 并確立隧道突發事件預警等級；白云等[2]在對公路隧道應急能力影響因素分析的基礎上, 構建評價指標體系， 綜合運用層次分析法與模糊綜合評價方法進行應急資源與能力的評價； 舒其林[3]研究了非常規突發事件應急決策的“情景-應對”決策模式及決策方案生成方法、 應急物資需求分級和區域應急物資儲備體系及調度決策方法； 張玲等[4]在分析災害發生的不確定因素基礎上， 建立基于情景的應急資源布局兩階段數學規劃模型， 解決針對自然災害的應急資源布局問題.

分析當前的研究成果， 主要針對災害應急資源布局、 能力評價和調度決策等方面， 而對于海底隧道情景演變過程情景鏈上關鍵情景的動態應急資源評價較少. 本文在現有研究的基礎上， 以廈門翔安海底隧道為例， 針對海底隧道火災事故應急特點， 分析基于情景演變過程關鍵情景的應急動態， 結合突變理論的方法對情景應急資源的需求與滿足度進行評價分級.

1 海底隧道火災情景演變及動態應急資源評價

廈門翔安海底隧道是中國大陸第一條海底隧道， 工程全長8.695 km， 其中海底隧道長6.05 km， 設計行車速度80 km·h-1， 雙向6車道， 采用三孔隧道形式穿越海域， 裝備先進的火災預警與應急系統， 設置17個應急通道[5].

1.1 海底隧道火災情景演變

情景是對事件發展途徑及態勢的描述， 包括發展態勢確認、 特性及可能性描述和發展路徑的描述. 海底隧道火災事故發生后， 在事故規律和外部干擾內外因素作用下向前演進， 存在著轉化、 蔓延和耦合等多種演化途徑和方式[6]. 以廈門翔安海底隧道為例， 在火災事故的演變過程中， 在確定的火災初始情景下， 中間情景和結束情景因突發事件的演變會受到多種影響因素的干擾而存在多種演變路徑. 中間情景在演變過程中， 在火災事故自身發展機制作用和外部應急干擾下， 情景可往好(樂觀)和壞(悲觀)兩個方向發展， 經過若干關鍵中間情景的演變， 直至到達結束情景而完成演變. 以合理確定各情景的演變態勢為基本原則， 結合火災事故發生發展的機理和規律， 考慮、 分析其已有的應急資源、 應急預案和演練情況， 運用已有情景案例的分析、 安全系統分析和規則推理， 建立情景演變分析模型， 詳見圖1所示[7-11].

圖1 海底隧道火災事故情景演變模型

通過演變模型可以看出， 海底隧道火災事故情景演變有多種路徑， 其中： 虛橫線表示所有處置目標都按決策主體的預期實現， 代表了情景演變中最樂觀情景演變線路， 其時間最短； 而縱向折線則表示所有處置目標都未能按照決策主體的預期實現， 代表了情景演變中的最悲觀情景演變線路， 其時間最長[6].

1.2 海底隧道火災情景應急資源評價

海底隧道火災通過各情景鏈的方式構成了事故演變過程， 其不同情景對于應急資源的需求程度是不一致的. 在火災情景演變過程中， 關鍵情景應急需求與應急資源的矛盾會促使火災往悲觀趨勢演變. 因此， 可通過對關鍵情景應急資源需求的滿足度評價， 找出該關鍵情景往樂觀趨勢演變所需應急資源的不足， 提升應急能力， 從而降低災害損失后果. 如圖1中的海底隧道火災最悲觀情景演變路線中， 以情景13(火災初期未撲滅)、情景19(繼續燃燒)、情景21(延燒)、情景23(控制火情)為關鍵情景， 在應急資源評價時可選擇情景13、 19、 21、 23應急需求滿足度進行評價， 并提出對應的應急優化策略， 降低災害損失， 其過程如圖2所示.

圖2 海底隧道火災情景應急資源評價與優化過程

2 資源評價模型的構建

突變級數法是一種基于突變理論和模糊數學理論的綜合評價方法， 基于落在分叉集內控制變量的取值會使系統狀態發生突變的性質來建立評價模型. 其優點是考慮了指標間的相對重要度， 但指標無須賦權， 減少主觀性又保證了科學合理[12].

在海底隧道應急資源評價模型構建時， 根據海底隧道火災事故情景演變模型， 可得出情景演變路徑， 針對情景演變過程中火災應急系統的相關因素， 確定目標層、 準則層和底層指標層次結構， 選擇合理的各分級指標， 構建海底隧道火災事故情景應急資源評價的指標體系. 根據選定的演變路徑， 建立情景鏈， 抽取關鍵情景， 考慮選擇隧道的應急資源狀況， 綜合運用德爾菲法和客觀賦值法建立數據矩陣. 基于量綱標準化和離散化的指標數據， 構造區分矩陣， 運用突變系統的數學模型進行歸一化計算， 采用“非互補”或“互補”的原則， 計算各層次的突變隸屬函數值， 確定突變級數值， 對照區分矩陣， 得出演變路徑中的各情景的應急資源評價分級[13].

2.1 指標體系構建

海底隧道火災應急資源的指標體系在火災應急資源需求分析的基礎上， 構建情景演變狀態下的火災情景應急資源的指標體系是分級評價的前提， 既要體現海底隧道火災情景演變對資源的全面需求， 同時又要避免過多弱相關因素造成指標體系繁雜的影響. 由于目前對于如何構建尚無確定的方法與觀點， 本文結合《中華人民共和國突發事件應對法》[14]、 《國家突發公共事件應急預案》[15]和《公路隧道設計規范》[16]等法律法規的要求， 遵循綜合、 層次、 科學和現實等基本原則， 考慮海底隧道火災情景演變的特性和突變級數評價對指標的要求， 在參考前人研究成果的基礎上， 確立三級指標體系, 如表1所示.

表1 海底隧道火災情景應急資源評價指標體系

2.2 指標數據獲取與量綱標準化處理

根據選取的火災演變路徑關鍵情景， 對照應急資源的實際狀況對部分指標進行專家打分， 獲取原始數據. 原始數據存在量綱及數量級大小的不同， 為排除由于量綱及數量級不同造成的影響， 采用極差量綱標準化法進行量綱標準化處理.

2.3 構造區分矩陣

根據應急資源評價決策區分需求， 采用等距離劃分法將連續型數據化為4 個等級， 構造各準則層信息系統的區分矩陣， 即約簡決策表， 如表2所示[17].

表2 簡約決策表

2.4 確定突變系統模型[12-14]

突變理論的研究對象是系統的勢函數. 勢函數通過系統的控制變量u與狀態變量x描述系統行為， 即V=V(x,u) . 突變理論把狀態曲面的奇點集映射到控制空間， 得到狀態變量在控制空間的軌跡—分叉集. 處于分叉集中的控制變量值會使勢函數發生突變， 即從一種質態跳躍到另一種質態. 突變系統類型一共有7個， 最常見的有4個， 即折疊突變系統、 尖點突變系統、 燕尾突變系統和蝴蝶突變系統， 如表3所示.

表3 常用突變模型及歸一公式

根據已確定的評價指標體系， 結合表3所列的突變系統， 以評價指標為控制變量選擇突變系統. 當上層指標由2、 3、 4個下層指標構成時， 分別視為尖點、 燕尾和蝴蝶突變系統， 依據指標的重要程度由大到小排列指標.

2.5 運用突變模型計算隸屬函數值

結合對應的突變模型及歸一公式， 進行綜合量化運算. 根據突變級數法的“互補”和“非互補”原則確定隸屬函數值， 如果評價因子能形成明顯的相互關聯作用， 應取各控制因子的平均值來表征系統的突變狀態， 否則取各控制因子的最小值， 從而最終確定評價目標的突變狀態值， 即總隸屬函數值[13].

2.6 評價分級

根據計算的總隸屬函數值， 對照前述所構造的區分矩陣， 確立每個火災情景下的應急資源所在區間， 得出評價結果， 制定對應的應急資源決策措施.

3 應用案例

翔安海底隧道島內往翔安方向3.5km處12m長大型客車剎車盤部位摩擦起火， 車上乘客16人， 配備滅火器2個. 針對該事故， 運用基于情景演變和突變級數的海底隧道應急資源評價模型進行評價.

1)數據獲取與標準化. 根據翔安海底隧道的自身硬件和軟件現狀[5]， 分析隧道周邊聯動消防力量及可用資源， 對指標體系進行賦值，C4-C9等動態數據取值參考翔安隧道火災應急演練監測參數， 對于綜合指標進行專家評分. 數據如表4所示.

表4 指標數據匯總表

2)運用突變級數模型評價. 對數據進行極差標準化， 并運用歸一公式行綜合量化運算， 運用突變級數“互補”和“非互補”原則確定隸屬函數值， 得到隸屬函數值及評價區間, 如表5所示.

3)評價結果分析. 通過表5可以得到， 對于情景13評價為“基本滿足”， 情景19、 21、 23評價均為“滿足”. 對評價對象的特性及應急資源進行分析可知， 翔安海底隧道硬件條件配置充足， 且與周邊消防及其他應急機構的計劃與演練比較到位， 所以對于火災初期的應急資源略為薄弱， 而火災事故演變中后期的外部資源投入可以得到保證， 能夠滿足火災事故的需求.

對于海底隧道火災事故應急資源保障方面， 應該充分保證火災初期的專業人員投入， 縮短人員到達現場時間， 加大人員演練與投入， 將火災撲滅在萌芽狀態， 降低人員傷亡， 保證海底隧道安全.

表5評價結果

4 結語

以火災情景演變應急資源評價需求為切入點， 分析了海底隧道火災情景演變過程并構建了演變模型， 選取特征路徑的關鍵情景， 建立評價指標體系， 基于突變級數基礎理論構建海底隧道應急資源評價突變評價模型， 實現對關鍵情景應急資源分級， 為應急資源保障提供決策參考. 以廈門翔安海底隧道客車火災為例， 進行了實例應用分析， 為海底隧道火災應急資源評價提供了一種簡要、 實用的模型， 為優化應急決策提供參考.

應急資源評價指標受各種動態因素影響， 在后續的研究中， 將對指標及其內涵進行細化和修正， 進一步完善模型， 使其能夠更加精確反映應急資源保障狀況.

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(編輯： 蔣培玉)

Emergency resource evaluation of subsea tunnel fire based on scenario evolvement and catastrophe progression

CHEN Mingxian1, 2, SHEN Feimin1

(1.College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China; 2. Department of Safety and Environmental Engineering, Fujian Chuanzheng Communications College, Fuzhou, Fujian 350007, China)

To study subsea tunnel scenario emergency resource evaluation, taking Xiang’an subsea tunnel for example, the fire scenario evolvement net model for subsea tunnel was built based on scenario evolvement mechanism and procedure analysis. The key scenario of evolvement was chosen. Meanwhile, evaluation index system was constructed. The model method and step was established. The evaluation model based on catastrophe progression was built. Finally, the model was used in bus fire to be a case study which provide a new method for subsea tunnel fire emergency resource evaluation.

subsea tunnel； fire； scenario evolvement； catastrophe progression； emergency resource; evaluation model

2015-05-09

陳明仙(1983-)， 講師， 博士研究生， 主要從事隧道安全與監控方面的研究. cmxfzu@163.com

福建交通運輸科技發展項目[201441]

10.7631/issn.1000-2243.2015.06.0869

1000-2243(2015)06-0869-06

X92

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