基于模糊規則推理的商業綜合體火災情景構建方法研究*

夏正霖,夏登友

(1.中國人民武裝警察部隊學院 研究生部，河北 廊坊065000； 2.中國人民武裝警察部隊學院 消防指揮系，河北 廊坊065000)

0　引言

在我國，隨著城鎮一體化模式的推廣和生態文明建設的提出，在本世紀初，商業綜合體呈爆發式增長。然而，隨著商業綜合體的發展，商業綜合體的面積不斷擴大，數量不斷增多，以重慶市區為例就有16個[1]，其消防安全隱患也逐漸顯現。由于經驗的缺乏，給消防工作帶來了巨大的挑戰。近年來，發生了多起大型商業綜合體火災，造成了大量人員傷亡和財產損失。2012年6月30日，天津薊縣萊德商廈由于短路發生火災，性能化設計[2]使商業綜合體火災發生概率有所減小，人類傷亡率降低，但是火災一旦發生，情況依然嚴峻。這使得傳統的“預測-應對”模式應對效果不佳，要求引入“情景-應對”模式進行改善，用定性和定量相結合的方法對商業綜合體火災進行情景構建，使指揮員明確火災狀態，把握關鍵節點。情景法的本質就是不知道未來，而是為它做準備[3-4]，在情景構建與推演的基礎上做出決策，增加事件向期望的方向發展的概率，減少未來可能發生的損失。

在情景研究方面，國內近幾年剛起步。王顏新[5]對突發事件情景與情境進行了界定，構建了情景重構集成體系框架，通過綜合情境關聯規則和情景邏輯演算算法建立情景重構模型；劉鐵民[6-7]論述了突發事件情景規劃是制定應急預案重要依據，并基于“情景”對預案進行了分類，介紹了重大突發事件情景策劃與構建的基本技術方法和突發事件情景的結構與內容,強調了任務設置與應急響應能力建設的重要性。國外對情景研究在上世紀七八十年代就已經開始，到目前其理論研究達到了一個成熟的時期；JoanicjuseNazarko和Anna Kononiuk[8]認為情景構建案例提出情景構建可分為優化建模、基于關鍵因素的行為描述的場景構建、基于德爾菲法的結果構建和基于情景研討結果的情景構建等4種形式，而本文正是基于關鍵因素的行為描述的情景構建。在美國，于2001年遭受“9.11”事件后，在2003年成立了國家情景規劃小組編制出《國家應急規劃情景》[9]，為各州地方政府提供思路部署災害事故情景構建以應對突發災害事故。

對于商業綜合體火災情景構建的研究我國還沒有，主要是研究災害事故這方面的情景構建技術，但也有如張振海[10]對鐵路突發事故的情景構建進行了具體的研究。情景構建方面主要研究了突發災害事故情景構建和推演技術。他們的研究并沒有具體到某一項災害事故進行情景研究，唯一比較成功的實踐研究是北京開展的“北京市重大突發事件情景構建工作方案”[10]。本文將主要研究商業綜合體火災情景構建方法，從定量的方面構建商業綜合體火災情景。

1　商業綜合體火災情景結構描述及網絡模型設計

1.1　情景結構描述

情景的要素根據不同的災害事故特點、獲得難易等情況分為不同類型組成。由于商業綜合體火災中，消防部隊根據不同的火災實時情況采取相應的處置，對火災進行了介入，影響火災的發生。因此，對于火災的決策處置行為跟火災在客觀因素影響下發展一樣，是在情景構建中必須考慮的因素之一，稱之為火災介入驅變因素，與火源與火因、火場環境、受災主體、火災客觀驅變因素一起構成商業綜合體火災情景組成要素集。綜合體火災情景(CBS)結構可以用這5種要素在時間和情景變遷規則連接下表示為如下集合：

CBS={T,SF,FE,DS,DF}

(1)

1.2　商業綜合體火災情景分層網絡模型設計

商業綜合體火災是由商業綜合體內外部因素造成在綜合體某一部位起火發生燃燒，可能因為火災荷載的聚集、自然或社會環境因素等等原因，促使火災在某一時間點上蔓延擴大到某一種火災狀態，并且火災的發展路徑可能是多個方向的，那么火災情景鏈路又分成了多路線并列發展。因此，商業綜合體火災情景可以分為火災狀態、影響因素、火災連接鏈等3個層次，它們構成了多路線多層次火災發展變化的網絡。由于商業綜合體火災發生發展時間節點有對應的火災狀態和影響因素等，本文設計了基于火災影響因素層-火災狀態層-火災連接鏈層的3層情景網絡模型，如圖1所示，并結合天津薊縣“6.30”萊德商廈火災進行說明。

圖1　商業綜合體火災情景分層網絡模型Fig.1　The hierarchical network model of scenario of commercial complex fire

1.2.1火災連接鏈層

火災每一個情景相互之間在時間節點上有先后關系，在影響因素下相互之間又有因果關系，它們之間這種連接關系網絡為火災連接鏈層，是火災情景狀態內部變遷的形式存在。比如天津萊德商廈火災中起火、一層庫房燃燒、濃煙彌漫一層等狀態之間的連接關系鏈構成火災連接鏈層。

1.2.2火災狀態層

火災在不同時間節點上所表現出來不同的狀態及它們之間可能存在一定的關系網絡等組成的集合為火災狀態層。如天津萊德商廈火災中消防第一出動力量到達現場時火災所處的發展階段、火災燃燒面積五百多平方米、煙霧將3個疏散樓梯全部被煙火封堵、人員受困分布和第一增援力量火災1～3層火勢突破外殼、毗鄰建筑受到威脅等等事件狀態構成此情景網絡層。

1.2.3影響因素層

引發、助長和控制、消滅火災的眾多主觀客觀因素為火災情景網絡的影響因素層，是火災變遷的關鍵因子。例如天津萊德商廈火災的起因(據民眾反映)是空調外機超負荷起火、消防部隊到場出水(控制或消滅火災)、停電單位人員錯誤鎖門(使之出現人員受困的情況)等等構成影響因素層。

2　基于模糊規則推理的情景構建方法

2.1　模糊規則推理概述

商業綜合體火災情景構建中的模糊規則推理是指分析商業綜合體火災的情景要素和構成，并根據已知信息確立情景要素狀態值，再構建情景驅動要素效用矩陣，通過確定模糊概率值，在情景對的基礎上構建火災情景序列。目前在商業綜合體火災領域并沒有情景構建的相關方法研究，但對于其他災害事故有采用貝葉斯理論[11]、社會系統理論[12]、隨機網絡模型[13]、要素組合方法[14]等進行情景構建。其中貝葉斯理論和隨機網絡模型主要針對于災害事故的推演，對于推演的情景具有一定的概率并且對后續方法使用具有一定的限制；社會系統理論和要素組合方法雖然也是依靠要素對歷史案例進行情景構建，但是對于相關情景的聯系的研究相對缺乏，并且對于要素的獲取可能存在遺漏，造成情景構建不全面。相較于其他情景構建方法與理論，用模糊規則推理理論來構建情景有以下優點：

1)可以將復雜的商業綜合體火災系統中的復雜關系模糊化。用模糊化的變量來表達系統，并通過驅動要素演變矩陣來體現商業綜合體火災系統全過程存在很多的不確定性的特征。將難以刻畫的、影響不大的情景模糊化，有助于保留整個火災情景的整體性與可修正性。

2)用模糊規則將復雜的火災系統簡單化體現出來，使整個系統的變化更加清晰地體現出來，有助于在后續研究中將情景描述和情景推演分離，這樣保證了一旦情景中比如有需要相近的致災因子來描述不同的災害情景，只需再加上該類災害獨特的情景描述規則即可。

3)支持多種后續推演方法和算法。模糊規則有助于對后續推演過程的把控，不是限制于一種方法，通過模型和算法的選擇靈活掌握推理的復雜程度。

2.2　情景構建流程

商業綜合體火災情景構建流程如圖2所示，主要包括5個環節。

圖2　商業綜合體火災情景構建流程Fig.2　The procedure of scenario construction of commercial complex fire

2.2.1情景要素的收集與處理

情景要素是情景構建的必要元素，而情景要素的來源主要是源自于對以往大量商業綜合體火災案例，也有部分來自于火災現場的各種渠道的收集。因此，情景構建的首要任務就是對商業綜合體火災的情景要素進行提取，并且需要篩選出其中存在的影響火災進程主要方面的情景要素。

2.2.2作用關系的分析與確定

在情景要素提取篩選出來后，因為情景要素存在前因后果的關系或共同作用的關系，因此需要對情景要素之間的作用關系和相互之間的作用規則進行分析確定，構建它們之間的作用關系框架，為情景構建打下基礎。

2.2.3情景網絡的構建與描述

根據情景要素和它們之間的關系構造不同火災狀態下的情景層次網絡結構，并且為了使指揮員了解該層次的火災情景狀態，把握火災的關鍵，需要對火災狀態有一個直觀的表示和描述，以利于整個情景鏈的構建。

2.2.4情景規則的推理與建立

在商業綜合體火災中，由于其結構復雜、火災荷載大、不確定性因素多，因此消防部隊很難了解火災內部詳細的情況，基礎信息、偵查信息、歷史經驗信息等會給指揮員對火災當場的部分狀態有一些模糊的判斷，對火災狀態的演變方式也是模糊的概念。因此，需要對這些模糊的情景狀態及情景間變化規則進行推理，得到情景變遷的模糊規則，建立模糊規則矩陣。

2.2.5情景序列的生成與構建

根據模糊規則矩陣，建立火災情景模糊規則鏈，分析情景關鍵節點，在此基礎之上通過模糊概率計算生成火災情景狀態序列，實現商業綜合體火災已發生的情景的構建，為后續情景推演和指揮員決策打下基礎。并且，在模糊情景規則生成后，將其添加進數據庫，進一步完善情景庫，使以后構建情景序列精讀更高，情景推演更準確。

3　商業綜合體火災情景構建

3.1　商業綜合體火災模糊情景規則建立

根據Zadeh[15]提出的合成推理規則方法(Compositional Rule Inference,CRI)，有知識規則：IFxis A THENyis B。設商業綜合體火災情景為CBS={CBS1，CBS2，…,CBSn}，n∈Z。如果在情景集庫中能找到與情景A，B對應的，其中一個，就可以根據Zadeh提出的構造模糊關系的方法：

(2)

或

(3)

式中：U,V均為論域，A∈F(U),B∈F(V),其表示為：

(4)

如果已知xisA′，則由式(1)根據模糊假言推理計算方法求B′：

(5)

或

(6)

如果已知yisB′，則可以采用模糊拒取式推理計算公式得出A′。

通過計算，如果計算得出的情景B′或A′與情景庫的A′或B′的下一個情景或上一個情景有較高的相似度，那么可以認為情景A發展到情景B是通過的模糊關系R。并且所得到的情景和模糊關系進一步輸入情景庫，增大情景庫數據量。火災案例會逐漸增加，輸入情景庫的數據也會越來越多，也許就會出現一個情景對之間的有多個相似的歷史案例，那么就要通過模糊規則的相似度來進行選取，相似度越高，其可靠性就越高。

由于火災的發展多方向形成多層次，因此火災存在多條火災鏈路。那么該知識規則擴展為多重模糊推理邏輯知識：

IFx1isA1THENyisB1ELSE；

IFx1isA2THENyisB2ELSE；

IFx1isAnTHENyisBn。

設整個商業綜合體火災發展鏈路R條，R={R1,R2,…,Ri}，每一條發展鏈路中的模糊規則R={Ri×j}，其中i∈Z，j∈Z。已知前因情景CBISi和結果情景CBOSj，它們之間通過匹配與計算得出的模糊規則Rsi×j串聯起來。可以用如下模糊規則矩陣表示整個火災情景：

(7)

由于火災情景通過規則在驅動要素影響下進行演變，并且模糊規則和驅動要素是一一對應的，那么，可以將模糊規則替換為驅動要素，通過驅動要素效用矩陣表示前因情景和結果情景二者間的變遷關系：

(8)

Tsi×j表示前因情景CBISi向結果情景CBOSj轉化的驅動要素，有模糊概率值，取值區間為[-1,1]。當0

在火災發展中，有時也會出現多個前因情景在驅動要素作用下生成一個結果情景，其轉化過程可能是一個模糊規則也可能是多個模糊規則。在矩陣中每一個驅動要素Tsi×j對應著一條情景演變的模糊規則Rsi×j，將這些模糊規則都用“IFxisATHENyisB”來表示。

Rule[ξ]: IFCBS1isCBIS1andCBS2isCBIS2and …andCBSxisCBISxTHENCBSyisCBOSy

Fact:CBSx→ Consequence:CBOSy

其中CBISx和CBOSy均為在模糊規則連接下的含有模糊值的前因情景和結果情景集合，x∈i，y∈j；其中產生的模糊規則的數量ξ=y，而驅動要素的模糊概率值可以通過式(1)，(2)的計算和專家打分得到。

通過以上規則的情況，可以得到CBOSy的模糊概率值：

(9)

公式(9)適合于忽略專家對于知識的偏好程度，便于快捷進行運算，以利于后續工作進行。

在商業綜合體火災發生過程中，根據所獲得的實時情景要素、實時狀態及情景庫，利用模糊情景規則結合專家的決策經驗，不斷生成出火災情景變遷規則，并與專家經驗知識進行驗證、修正。

3.2　情景網絡鏈路的生成

在對商業綜合體火災情景變遷規則進行建立之后，根據時間節點，將整個已經發生的關鍵火災情景在相應的規則下進行連接，以此形成已經發生的火災情景鏈路，如圖3所示。形成的整個火災情景鏈路可以有助于指揮員清楚整個火災的發展進程，把握火災情景變遷關鍵節點。

在圖3中，以二重多維為例展示了可視化火災情景發展網絡線路。其中，某一火災情景可以在影響因素下向下一個火災情景轉化(S3→S7)，可以在某一影響因素下發展成2種或以上火災情景(S2→S4和S5)，也可以在某一影響因素下與另外一個或者幾個火災情景共同生成下一個或幾個火災情景(S4和S5→S6)。通過以上變化規則，形成了復雜的火災發展鏈路。

圖3　商業綜合體火災情景網絡鏈路Fig.3　The scenario network path of chain of commercial complex fire

4　結論

1)確定并分析了商業綜合體火災情景的組成結構，并在時間圈的范圍內根據時間節點設計了此類火災情景分層網絡模型。該模型清楚地展示了該類火災的復雜性、多層次性、多維性等特點，為情景構建提供了框架支持。

2)引入了模糊推理理論，分析了該理論應用的優點，根據商業綜合體的特點確定了情景構建的流程。該情景構建流程是根據計算機編程模式設計的，使該方法可以應用于火災現場輔助指揮決策系統，指揮員可以更加快速做出合理的決策。

3)將模糊推理理論的多維多重合成推理規則方法應用于商業綜合體火災的情景構建，實現了商業綜合體已發生火災情景的鏈路的生成。該方法為寫入輔助決策系統提供了算法，為進行情景推演并實現可視化打下了基礎，為商業綜合體火災“情景-應對”模式決策提供了理論上的支持。

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