基于直覺模糊集的高速列車乘客車廂火災風險評估

王 萍，朱 杰，程友鵬

(1.四川師范大學工學院，四川 成都 610101；2.四川省高校公共火災防治技術重點實驗室，四川 成都 610101)

近年來，我國高速鐵路迅猛發展，取得了舉世矚目的成就。截止2017年底，我國建成通車的高速鐵路運營里程已達到2.5萬km以上，居世界首位。然而，高速列車空間較狹小、氣密性良好且人員密集，如果高速列車乘客車廂內發生火災，將會造成巨大的人員傷亡和財產損失。因此，對高速列車乘客車廂火災風險進行科學的分析和評估，進而提出有效的預防措施，對減小和避免高速列車乘客車廂火災造成的人員傷亡和財產損失具有重要的意義。

高速列車乘客車廂火災風險評估存在多種不確定性和模糊性，可考慮通過模糊信息對專家的主觀經驗與列車客觀實際情況進行綜合評價。Zadeh[1]于1965年提出了模糊集理論，指出在不確定性環境評價中，可采用隸屬度指標來衡量對事物的贊成程度；Kaufmann[2-3]基于模糊集理論，提出采用隸屬度和非隸屬度的集合對事物進行更精確的評價，并定義了直覺模糊集的概念。目前，直覺模糊集的方法在風險評估領域的應用比較廣泛，如李淑娟等[4]基于直覺模糊集理論對薩北油田調剖劑性能進行了評價，得出的結論對我國油田制定調剖方案具有重要的意義；米紅甫等[5]采用模糊理論對建筑物火災風險進行了評估，得出某建筑物的風險水平為“中”；陳曼英[6]基于模糊理論對地鐵火災風險等級進行了評估，得出地鐵火災風險程度為“較安全”，并在此基礎上研究了地鐵火災的控制方法。直覺模糊集對人們在風險評價過程中出現的猶豫度[7]給出了充分的理論依據，因此采用直覺模糊集的方法來評價高速列車乘客車廂火災的風險較為可靠。

目前國內外學者已對高速列車火災的燃燒特性、煙氣蔓延規律以及人員疏散等進行了大量的研究，但直覺模糊集方法在高速列車火災風險評價領域的應用研究較少，采用該方法對高速列車乘客車廂火災風險進行評估的研究更是鮮見報道。為此，本文采用直覺模糊集方法，以CRH380A高速列車為例，對其乘客車廂火災風險進行了評估。首先構建高速列車乘客車廂火災風險評價指標體系；然后利用直覺模糊熵公式計算各指標因素的權重；最后根據直覺模糊加權幾何算子將各指標因素的權重與專家的評估結果矩陣進行信息融合，得出該列車乘客車廂火災風險評價的等級。

1 理論基礎

火災風險評估是對目標對象可能面臨的火災危險、被保護對象的脆弱性、控制措施的有效性、后果的嚴重度以及上述各因素綜合作用下的消防安全狀況進行評估的過程[7]。為了克服火災風險評估過程中的不確定性，本文采用直覺模糊集的方法對CRH380A列車乘客車廂的火災風險進行了評估。

1.1 直覺模糊集的定義

定義1：設X是一個給定的論域，直覺模糊集定義[2]如下：

A={μA(x),vA(x)|x∈X}

(1)

在上式中，μA(x):X→[0,1]為A的隸屬度函數，vA(x):X→[0,1]為A的非隸屬度函數，且對?x∈X,0≤μA(x)≤1,0≤vA(x)≤1,0≤μA(x)+vA(x)≤1。其中，猶豫隸屬度πA(x)=1-μA(x)-vA(x),且πA(x)∈[0,1]。為方便起見，稱a=(μ,v)為一個直覺模糊數。

1.2 直覺模糊加權幾何算子

定義2:設aj=(μj,vj)(j=1,2,…,n)為一組直覺模糊數，那么直覺模糊加權幾何(Intuitionistic Fuzzy Weighted Geometric,IFWG)算子[8]定義如下：

IFWG(a1,a2,…,an)

(2)

1.3 指標權重的確定

定義3：基于直覺模糊數中隸屬度與非隸屬度的差異|μA(xi)-vA(xi)|以及本身存在的猶豫隸屬度πA(xi)，薛琦等[9]提出了一種新的直覺模糊熵計算公式，定義如下：

(3)

利用公式(3)可計算評價矩陣中直覺模糊數的熵值Eij，再通過下式計算指標的權重[10]：

(4)

2 高速列車乘客車廂火災風險評估

2.1 構建高速列車乘客車廂火災風險評價指標體系

本文在對高速鐵路管理公司充分調研的基礎上，分別從人員、設備、環境和管理四個方面出發，通過對高速列車火災風險的影響因素進行詳細分析，并依據評價指標體系的構建原則，在陳曼英等[6]建立的地鐵火災風險評價指標體系的基礎上，初步建立了高速列車乘客車廂火災風險評價指標體系，該指標體系由4個一級評價指標、15個二級評價指標組成，詳見表1。

2.2 高速列車乘客車廂火災風險評價

基于構建的高速列車乘客車廂火災風險評價指標體系，本文邀請列車運行管理部人員、列車駕駛人員、消防技術人員和兩名乘客共5名評價人員(D1，D2，D3，D4，D5)對評價指標體系中各指標因素進行評價，評價標度為“1、2、3、4、5、6、7”，分別代表安全等級為“非常危險(ED)、很危險(VD)、危險(D)、一般安全(GS)、安全(S)、很安全(VS)、非常安全(ES)”，每一安全等級對應的直覺模糊數a=(μ,v,π)見表2[2，11]。

表1 高速列車乘客車廂火災風險評價指標體系

表2 評價標度矩陣[2，11]

將專家評價標度矩陣轉換為二級評價指標的直覺模糊數評價矩陣，其結果見表3。

表3 二級評價指標的直覺模糊數評價矩陣

高速列車乘客車廂火災風險評價的具體步驟如下：

(1) 根據公式(3)計算直覺模糊熵，并利用公式(4)計算出各二級評價指標的權重：

wU1=(0.288 4,0.313 0,0.398 6)；

wU2=(0.212 1,0.161 4,0.212 1,0.223 8,0.190 6)；

wU3=(0.246 5,0.305 4,0.232 5,0.215 6)；

wU4=(0.331 0,0.317 6,0.351 4)

由計算得出的二級評價指標權重可以看出：人員因素中，工作人員的消防技能指標u13的權重較大；設備因素中，防排煙系統指標u24的權重較大；環境因素中，車用材料燃燒性能指標u32的權重較大；管理因素中，定期消防安全檢查指標u43的權重較大。

(2) 利用直覺模糊加權幾何算子，通過公式(2)對二級評價指標的直覺模糊數評價矩陣進行信息融合，從而得到一級評價指標的直覺模糊數評價矩陣，見表4。

表4 一級評價指標的直覺模糊數評價矩陣

(3) 根據公式(3)計算直覺模糊熵，并利用公式(4)計算出各一級評價指標的權重為wA=(0.204 5,0.284 7,0.240 5,0.270 3)。由計算得出的一級評價指標權重可以看出：在4個一級評價指標中設備因素指標所占的權重較大。

(4) 利用直覺模糊加權幾何算子，通過公式(2)對一級指標的直覺模糊數評價矩陣進行信息融合，得到目標層的直覺模糊數評價矩陣，見表5。

表5 目標層的直覺模糊數評價矩陣

(5) 根據公式(3)計算直覺模糊熵，并利用公式(4)計算出評價人員的權重為wD=(0.198 8,0.199 4,0.204 8,0.190 7)；然后，利用直覺模糊加權幾何算子，通過公式(2)對目標層的直覺模糊數評價矩陣進行信息融合，從而得到目標層最終的直覺模糊數評價結果為a=(0.579 3,0.295 2,0.125 5)。

(6) 通過直覺模糊數的距離測度公式[12]，計算最終評價結果與最初的評價標度之間的距離d，得到：d1=0.449 3,d2=0.339 3,d3=0.229 3,d4=0.204 8,d5=0.069 3,d6=0.055 2,d7=0.165 2。根據計算出的距離，可以得出最終評價結果與專家評估值中的“6” 最接近，其安全等級為“很安全”(見表2)。

綜上可見，在直覺模糊集[13]環境下，利用直覺模糊熵公式[14-15]計算各評價指標權重和評價人員權重，將各評價人員的評價信息融合成一個直覺模糊數，并通過直覺模糊數的距離測度公式，計算融合信息與各評價標度之間的距離，最終得出CRH380A高速列車乘客車廂火災風險的評價等級為“很安全”。

根據上述火災風險評價過程可知：預防和控制高速列車乘客車廂火災的關鍵必須從人員、設備、環境、管理四個方面著手，以減少火災事故所帶來的人員傷亡和經濟損失。首先，要提高工作人員的消防技能和避難自救能力，以便能在火災發生時引導乘客及時避開危險；其次，過安檢時，要嚴格檢查乘客的行李，避免乘客攜帶打火機、酒精性飲料等危險物品，并且嚴格限制乘客和乘務人員的行李重量，減少火災荷載，降低火災發生的危險性；最后，工作人員要定期對高速列車的消防安全進行檢查，以減少安全隱患。

4 結論與建議

本文采用直覺模糊集的方法對高速列車乘客車廂火災風險進行評估，得到如下結論：

(1) 從人員、設備、環境和管理四個方面構建高速列車乘客車廂火災風險評價指標體系，確定各評價指標權重，并通過信息融合得到CRH380A高速列車乘客車廂火災風險的評價等級為“很安全”，這與實際情況相符合，從而驗證了直覺模糊集方法運用于高速列車乘客車廂火災風險評估的可行性和可靠性。

(2) 通過計算得出的評價指標權重可以看出：在4個一級評價指標中，4個評價指標所占的權重差距不大，而二級評價指標中各指標所占的權重有明顯的差別。因此，綜合一級、二級評價指標的權重和高速列車的實際情況，控制高速列車乘客車廂火災風險的關鍵須從消防技能、乘客行李和防排煙系統著手。在消防技能和避難自救能力方面，應對工作人員進行定期消防培訓和演練，并在每節車廂貼上防火逃生知識宣傳圖；在乘客行李[16]方面，工作人員應對乘客的行李進行嚴格檢查和限制，以減少高速列車乘客車廂火災的風險性；在防排煙系統方面，可通過煙氣和人員疏散[17-18]模擬，分析得出排煙口的最佳位置、大小、數量和排煙風機功率。

(3) 本文僅提出了防排煙系統設計的簡略方案，在后續的研究過程中，可考慮對高速列車單車廂和多車廂不同運行狀態、不同火源位置、不同通風條件等多場耦合條件下車廂內煙氣羽流蔓延過程和人員疏散情況進行仿真模擬與分析，以便得出防排煙系統設置的最佳方案。另外，本文僅對高速列車乘客車廂火災風險進行了評價，后續亦可考慮對餐車、動力車廂等的火災風險進行評價。然而，由于不同的車廂，致災因素也會有所不同，因此評價指標體系也需做相應的調整。