地鐵車站火災風險模糊層次綜合評估模型與應用分析

彭 磊1 徐學軍2 楊 磊

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043；2.廣西公安消防總隊，南寧 530000；3.南寧軌道交通集團有限責任公司,南寧 530029)

1 引言

地鐵是目前世界上能夠解決大中型城市人們出行較為便捷、經濟、高效的交通工具之一，是城市交通系統的骨干，城市的生命線。作為現代化程度的重要指標，地鐵對促進城市繁榮、實現城市經濟和社會可持續發展起著舉足輕重的作用。但由于地鐵深埋地下，建筑結構復雜、出入口少、疏散路線長、通風照明條件差、電氣設備種類多、人員高度集中等原因，一旦發生火災，撲救任務將非常艱巨，往往會造成重大的人員傷亡和財產損失。縱觀國內外，地鐵車站一直是恐怖襲擊和破壞事件的高發地，也是安全防范的高風險地。近年來，世界上一些國家、地區地鐵相繼發生火災，造成了群死群傷的嚴重傷害[1-5]。2003年2月，韓國大邱地鐵一號線人為縱火，死亡140人、傷289人、失蹤318人。2004年，俄羅斯莫斯科一列地鐵列車發生爆炸，造成40人死亡。2016年1月26日，日本東京地鐵站內失火，煙霧彌漫整個車站， 100多名乘客因呼吸系統受傷被送進醫院。不難發現在所有地鐵站事故中，人為因素無疑是很重要的因素，科學建立評估地鐵車站火災風險評估模型和評估指標對地鐵的安全運營具有十分重要的意義[6-9]。

為了分析這種多目標決策問題，美國學者T.L.Saaty[10]和查德教授[11]分別提出了層次分析法和模糊數學理論。這兩種方法被組合成模糊層次綜合分析法處理一些難以量化的事物或現象的模糊評價上。因其具有簡便性、合理性等優點，模糊綜合評價法已經被廣泛應用在生活、經濟和土木等領域中[12-14]。本文針對廣西南寧地鐵危險源和隱患的辨識，對發生概率較大的火災事故危險源進行分析和控制，采用模糊層次分析理論建立能夠評估地鐵車站火災風險預測模型和評價指標，保證及早地排查出地鐵火災的危險源和風險隱患，為發生火災后有效疏散旅客提供必要的理論依據。

2 火災風險模糊綜合層次評判模型

2.1 評價指標體系

圖1 地鐵車站火災風險等級遞階層次評判體系

考慮到模糊綜合層次評判指標的可操作性、層次性以及系統性的原則，根據地鐵的實際運營情況，地鐵火災風險發生的概率和程度可由層次分析法建立的階層次指標體系預估。在閱讀已有文獻的基礎上[5-16]，綜合考慮各方面影響因素，假定有教育、技術以及管理三個3個一級指標因素。根據這3個一級指標因素代表的不同內容，可以分成許多二級指標。其中，B1對應的二級指標因素為：C1政府安全教育、C2地鐵營運部門對乘客的安全教育、C3學校和家庭的教育；B2的二級指標為：C4建筑結構設計、C5地鐵列車設計、C6電氣設備設計、C7消防系統設計、C8附屬設施的安全化處理、C9火災自動報警監控系統；B3的二級指標為：C10健全火災防治立法、C11建立突發火災預警系統、C12營造安定的社會環境、C13成立指揮機構、C14加強地鐵系統安全管理。火災風險遞階層次指標體系結構如圖1所示：

2.2 火災風險等級判斷矩陣

模糊綜合層次評價法中把隸屬于同一個一級指標的所有二級指標因子之間的相對優越程度用判斷矩陣來表示。假定有n個二級指標因子，用1-9的比例標度來反應他們相對于上一級級別即其所屬一級指標因子的重要程度(標度含義見表1)，依據所得結果可建立判斷矩陣D=(dij)n×n，矩陣中的dij表示相對于上一級別的指標因子，比較Di與Dj后，因子Di的相對重要程度。

整理地鐵有關資料以及評價表，請各位專家以及相關分析人員依據相關資料結合表1對圖1中各級指標的相對重要程度打分。對專家所給意見進行處理，可得到以下4個判斷矩陣：表2為B中的一級指標對目標層A所構成的判斷矩陣，表3為C中的二級指標相對應與B中所屬一級指標的判斷矩陣。

表1 標度值與指標重要性等級

標度值重要性等級1Di與Dj相比,Di與Dj同等重要3Di與Dj相比,Di與Dj稍微重要5Di與Dj相比,Di與Dj明顯重要7Di與Dj相比,Di與Dj強烈重要9Di與Dj相比,Di與Dj極端重要 注:1.判斷矩陣應滿足:dij>0; dii=1; dij=1/dji;2.dij=(2, 4, 6, 8)是表中相鄰判斷的中值。

表2 一級指標判斷矩陣值

AB1B2B3B11.001.141.58B20.791.001.26B32.050.751.00

表3 二級指標判斷矩陣值

B1C1C2C3———C11.002.584.22———C20.181.001.67———C31.260.441.00———B2C4C5C6C7C8C9C41.000.570.951.050.146.18C51.431.000.680.930.241.04C62.652.061.000.790.860.95C73.251.590.981.003.070.71C81.850.731.251.131.000.18C93.233.254.221.564.441.00B3C10C11C12C13C14—C101.000.760.220.134.28—C111.311.000.290.175.33—C124.543.431.000.354.56—C137.865.822.841.003.10—C141.221.340.571.831.00—

2.3 單一準則下因子相對權重

依據模糊綜合層次評判法，需要依據判斷矩陣的合成權重向量來評價。針對判斷矩陣D，具體計算步驟為：首先計算最大特征值λmax； 然后，計算特征向量W，也就是說DW=λmaxW，最后，對W進行歸一化處理，使得∑Wi=1成立，那么，所得到的Wi就是這些因子的權重。

一般來說，主要采用根法計算λmax和W，具體流程如下：

(1)求出判斷矩陣Di中各行的所有要素的幾何平均值：

(1)

(2)求出權重向量Wi：

(2)

(3)求出最大特征值λmax：

(3)

(4)判斷矩陣的一致性：

如果所考慮因素過多，可能會使所得判斷矩陣難以符合一致性，為了避免這種情況就會采用一致性檢驗：

CR=CI/RI

隨著人們對畜產品質量要求和需求量的日漸提高，畜牧養殖業從業者開始提高對動物疫病監測工作的重視程度，并且監測質量在逐漸提高。進行動物疫病監測在動物疫病防治控制中的作用的全面探索，實現動物疫病監測工作開展的科學性的有效提升，進一步推動我國動物疫病防治工作的順利開展，使我國的畜牧養殖業的整體發展獲得更加廣闊的發展空間和更加理想的發展前景。

(4)

式中，CI為一致性指標，按式(4)計算，RI是平均隨機一致性指標，可依據表5-3查得。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

如果判斷一致，就會有CR=0。一般情況下，只要求CR<0.1。

由以上資料，可計算出南寧地鐵車站的模糊綜合層次分析法中的各因子權重，并進行一致性檢驗，所得結果見表5。表中所得判斷矩陣都符合CR<0.1，符合一致性檢驗的要求。

表4 平均一致性指標

矩陣階數RI30.5240.8951.1261.2671.36

表5 相對權重計算結果

矩陣WiλimaxCRA(0.179, 0.225, 0.596)3.7570.0332B1(0.1777, 0.3391, 0.4832)2.2500.0105B2(0.384, 0.106, 0.110, 0117, 0.0 48, 0.235)2.8960.0173B3(0.136, 0.027, 0.136, 0.210, 0.609)3.5410.1023

2.4 抉擇評判集

根據地鐵車站的現實條件以及資料整理情況，可將依據模糊綜合層次分析法考慮的地鐵車站火災風險等級中的所有因子界定為5個等級，設立抉擇評判集V={V1，V2，V3，V4，V5}={Ⅰ， Ⅱ， Ⅲ， Ⅳ， Ⅴ}，并對其進行量化處理，即可得到量化的評價等級，見表3所示：

表6 評價等級量化表

等級ⅠⅡⅢⅣⅤ描述輕微較輕微中度較危險危險量化值54321

2.5 評價指標隸屬函數(度)的確定

各個因子和各對象之間的關系由隸屬函數(度)fij展現。依據各因子所去隸屬函數的不同，可分為二次下降拋物形，尖形分布等等，如圖2所示。

圖2 隸屬度函數分布曲線

其中，

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2.6 火災風險等級模糊層次綜合評判

本文依據模糊綜合評判法建立了有關地鐵車站火災風險等級評估的二級評判模型，具體評判流程如下：

(11)

其中，i=1， 2， 3， 4； 與i相對應，n分別取5， 3， 4， 4。

(2)再確定權重向量WBi，進行一級模糊綜合評判：

Bi=WBiRi=(b1,b2,b3,b4,b5)

(12)

表7 評價指標量化表

車站指 標C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C1413.74.13.63.43.72.93.43.82.42.93.24.64.33.7

式中，i=1， 2， 3， 4； 為盡可能考慮全部因素的影響，選定模糊算子為M(·，+)。

(3)組合所得單因子綜合評判結果Bi，得到二級評判矩陣R：

R=(B1,B2,B3,B4)T

(13)

(4)通過加權平均型模糊運算處理所得二級評判矩陣R以及權重向量WA：

A=WAR=(a1,a2,a3,a4,a5)

(14)

(5)集化處理所得二級綜合模糊評估向量A可得綜合評估值A*:

(15)

式中，VT為抉擇評價集評分向量V={5， 4， 3， 2， 1}的轉置矩陣。

3 算例分析

3.1 背景介紹

南寧軌道交通1號線于2016年12月正式運營，運營開通時間短，尤其是朝陽廣場站等人流集中、地面交通狀況差，站內設有物業層，且站內的實施設備較多。地下站臺與展廳僅靠2個樓梯和一個扶梯。根據廣西市政府規劃，到2020年，南寧市區軌道交通占公共交通的比例將達30%； 為確保地鐵火災疏散及救援，可根據本文所提車站火災等級評價模型的基礎上進行火災預測研究，讓車站消防和主管消防部門建立各車站火災疏散及救援差異化處置預案。

3.2 模糊綜合評價

表8 地鐵車站一級模糊綜合評判結果向量

一級評估向量車 站B1(0.269, 0.658, 0.474, 0.177, 0.236)B2(0.486, 0.835, 0.461, 0.186, 0.128)B4(0.535, 0.859, 0.365, 0.139, 0.0139)

4 結論

本文是對廣西地鐵車站火災風險等級評價建立的采用模糊層次綜合模型進行評估并對層次分析法和模糊評判法在實際工程中的應用進行分析討論，得到結論如下：

(1)通過層次分析法以及模糊綜合評價法建立的評價體系能夠對車站潛在的火災危險進行評估并盡可能考慮所有因子對車站火災的影響。

(2)各因子和其所屬對象的關系，可通過隸屬函數來刻畫。這種方法科學、合理，并且極可能較少評判中主觀因素的影響，因此所得評價結果具備較高的可信度。

(3)模糊層次綜合評判法有固定的計算步驟，易程序化實現。可為地鐵車站消防和主管消防部門建立各車站火災疏散及救援差異化處置預案、提高地鐵車站的運營管理水平、科學進行火災疏散及救援研究具有一定指導意義。