基于層次分析法的軌道交通消防系統安全研究

魏茜茜

(1.安徽理工大學，安徽 淮南 232001；2.淮南職業技術學院，安徽 淮南 232001)

1 城市軌道交通消防系統安全的現狀綜述

從全世界范圍來看，自從城市軌道交通產生以來，軌道交通事故中發生頻率最高、帶來損失最大的事故類型是火災事故。城市軌道交通系統在建設和運行過程中可能存在諸多的危險因素。但是，如果按危險系數來排序的話，在眾多危險因素中，火災的危險程度最高，一旦發生，可能會帶來不可預測的后果和損失，尤其對于大多數處于地下的城市地鐵來說是如此。所以，對于以地鐵為主的軌道交通來說，消防安全的價值凸顯出來了。

從工程學意義上而言，城市軌道交通的建筑特別是地鐵極其附屬工程，屬于地下工程范疇。同時，地鐵的諸多建筑工程之間在空間上連續性強，防火分隔困難，由于其特有的原因，出入口相對較少。地下建筑被厚厚的鋼筋混凝土和巖土包圍，出入口較少，造成排煙困難，散熱慢。在這種情況下，一旦發生火災，又會造成高溫高熱全面燃燒，人員疏散困難，撲救困難，容易造成較大范圍的群死群傷，經濟損失巨大，社會影響嚴重。因此，預先研判發生火災的主要因素，對火災風險進行有效防控，做好消防安全管理是預防火災的有效路徑，也是城市軌道交通運營單位消防安全管理的重要工作。

目前，城市軌道交通運營單位消防安全管理工作所采取的措施多停留在對之前工作經驗總結，以及簡單的消防設施檢查等層面上，部分管理方式已經不能達到預期效果。與此同時，軌道交通中部分管理人員和乘客的消防安全意識薄弱，也是影響城市軌道交通運營過程中火災風險的因素之一。這些都需要進一步采取科學合理的措施進行改進，基于此，本文運用層次分析法對北京某線地鐵消防安全進行深入分析和研究，通過對各影響因素之間的權重進行比較，從而科學推導出影響消防安全風險的主要因素，為制定有可靠性和針對性的安全管理措施提供參考。

2 層次分析法的內涵和模型構建

層次分析法是美國匹茲堡大學數學系教授薩迪為了解決運籌學領域的計算和分析問題，在20世紀70年代中期提出的一種基于定性和定量相結合的，系統化、層次化的分析方法。它把一個復雜問題的各項指標因素在基于各個指標因素之間的關系基礎上，分解為若干有序次級層次，每個層次中的元素具有大致相等的地位，層次之間按隸屬關系在具有內在邏輯一致性基礎上建立起一個有序的遞階層次模型。在遞階層次模型中，按照對一定客觀事實的判斷，對每層中元素的相對重要性以定量的形式加以反映。然后，利用數學方法計算每一層次的判斷矩陣中各指標的相對重要性權數，最后，通過遞階層次結構內各層次相對重要性權數的組合，得到全部指標相對于目標的重要程度權數。其基本步驟如下：建立遞階層次結構—兩兩比較—構造判斷矩陣—確定權重集—進行一致性檢驗。

2.1 構建層次模型

所謂層次模型的構建過程就是找出模型與所要研究對象之間所具有的共同特征，在建立模型的時候盡可能多地以研究對象的實際特征作為參考依據，因而出的研究結論更符合研究對象的實際情況，更加科學合理更具有說服力。層次模型構建的第一步就是對模型的研究對象做出總體的分析判斷，將具有某些特征的因素進行歸類分析。

2.2 構造判斷矩陣(成對比較)

在層次模型之中，各個層次和各個因素之間，不可能都一致，這就需要將各個層次和因素劃分等級，確定權重比。不同的學者可能會提出基于其視角的方法，目前比較受大多數學者認可和接受的是Saaty等人提出一致矩陣法。這一方法的關鍵就是不把所有因素放在一起比較，這樣就避免了混亂和復雜化，而是兩兩相互比較，采用相對尺度進行衡量，以盡可能減少性質不同，差異比較大的諸因素相互比較過程中帶來的困難，以提高準確度。

表1列出Saaty給出的9個重要性等級及其賦值。按兩兩比較結果構成的矩陣稱作判斷矩陣。判斷矩陣具有如下性質：

表1 比例標度表

判斷矩陣元素的標度方法如下：

2.3 影響因素的層次單排序及其一致性檢驗

影響因素的層次單排序需要進行嚴格的計算，在得出比較精確的計算結果之后，再進行一致性的檢驗，只有如此，才能夠保證結果的可靠性和準確性。對應于判斷矩陣最大特征根λmax的特征向量，經歸一化(使向量中各元素之和等于1)后記為W。W的元素為同一層次因素對上一層次因素某因素相對重要性的排序權值，這一過程稱為層次單排序。能否確認層次單排序，則需要進行一致性檢驗。其中，n階一致陣的唯一非零特征根為n；n 階正互反陣A的最大特征根λ≥n。當且僅當λ=n時，A為一致矩陣。由于λ連續的依賴于aji，則λ比n大得越多，A的不一致性越嚴重。一致性指標用CI計算，CI越小，說明一致性越大。用最大特征值對應的特征向量作為被比較因素對上層某因素影響程度的權向量，其不一致程度越大，引起的判斷誤差越大。因而可以用λ-n數值的大小來衡量A 的不一致程度。定義一致性指標為：

CI=0，有完全的一致性；CI 接近于0，有滿意的一致性；CI 越大，不一致越嚴重。

在上述計算過程中，CI的大小就需要衡量，為衡量CI 的大小，引入隨機一致性指標 RI：其中，隨機一致性指標RI和判斷矩陣的階數有關，一般情況下，矩陣階數越大，則出現一致性隨機偏離的可能性也越大，其對應關系如表2：

表2 平均隨機一致性指標RI標準值(不同的標準不同，RI的值也會有微小的差異)

考慮到一致性的偏離可能是由于隨機原因造成的，因此在檢驗判斷矩陣是否具有滿意的一致性時，還需將CI和隨機一致性指標RI進行比較，得出檢驗系數CR，公式如下：

一般地，如果CR<0.1 ，則認為該判斷矩陣通過一致性檢驗，否則就不具有滿意一致性。

2.4 影響因素的層次總排序

層次總排序是指某一層次所有因素對于最高層(總目標)相對重要性的權值，該權值可以反映出某一因素在總體中的位階。這一過程是從最高層次到最低層次依次進行的層次總排序及一致性檢驗，大量的實踐證明，這種方式是可以得到比較穩定和可靠的結論的。

表3 層次總排序表

說明：

(1)A為上一層次(高的層次)，B為當前層次。

(2)a1,a2,a3……am為A層次的總排序權重。

(3)b1j……bnj是B層對Aj的單排序權重。

(4)從最高層到最底層。

現求B層中各因素關于總目標的權重，即求B層各因素的層次總排序權重b1,b2……bn。就按照上圖中的方法進行計算。

然后對于層次總排序也要進行一致性檢驗。設B層中與相關的因素的成對比較判斷矩陣在單排序中經一致性檢驗，求得單排序的一致性檢驗指標為CI(j),(j=1, …,m)，相應的平均隨機一致性檢驗指標為RI(j)(CI(j)。RI(j)已在層次單排序時求得，則B層總排序隨機一致性檢驗指標比例為：

當CR<0.10，認為層次總排序結果具有較滿意的一致性并接受該分析結果。

可以將上述步驟進行如下總結：

(1)在做好相關準備工作之后，設計可行的方案，進行構造方案層矩陣、準則層矩陣。

(2)在方案層矩陣、準則層矩陣構造完畢之后，就可以進入到具體的計算步驟之中，計算準則層矩陣特征向量、特征值，計算出結果之后，應進行準確的記錄。

(3)在前一步驟計算的準則層矩陣特征向量、特征值當中，選取最大特征值，將對應特征向量歸一化作為權重W0，然后對其進行分析，計算進行一致性檢驗，將檢驗結果準確記錄。

(4)按照前面三個步驟，計算每一個方案層矩陣的特征向量、特征值，并進行準確的記錄和數據保存。

(5)將上述計算并保存的每一個特征向量、特征值進行進一步計算，計算每一個方案層矩陣的權值、一致性指標，合起來作為W1，cr1進行一致性檢驗。

(6)進行矩陣與列向量的矩陣乘法運算，運算之后得到的結果即為權值，將這些權值按大小排序即為選擇優先度，權值和優先度成正相關的關系。

2.5 影響因素的重要度評判

對通過一致性檢驗的權重結構進行深入分析，采取專家評審法對各個因素的權重的重要程度進行確定，排序。然后根據各個因素的重要程度和排序進行逐一分析，并作出妥善的安排。最后對準則層的所有影響因素提出相應的措施辦法，將這些影響因素進行有效控制，降低事故發生的概率，爭取避免事故的發生；如果事故發生了，必須在最短的時間采取積極有效的措施，盡可能減少事故帶來的損失，從而將事故可能造成的損失及影響降到最低程度。

3 實例的研究評價

3.1 地鐵消防的安全指標體系

2020年3月北京地鐵官網顯示，北京地鐵1號線全長31.04千米，共設23座車站和2座車輛段。截至2018年11月，北京地鐵1號線日均客流量超過120萬人次。

以北京市某線地鐵運營做為研究對象，建立消防安全的層次結構模型如圖1所示。在該模型中地鐵的消防系統的安全是目標層，它是由準則層人員、設備、環境和管理四大要素所決定的。其中人員的指標層包括工作人員由于疏忽大意的違章操作、用火時注意度不夠、乘客攜帶易燃易爆等危險品在安檢時沒有檢查出來而上車、在城市軌道交通車站吸煙、人為縱火等因素；設備的指標層主要有電氣設備故障、電氣線路短路、過熱、超負荷等。

圖1 北京市某線地鐵消防安全評價指標體系

環境的指標層包括城市軌道交通內部通風不暢、隧道散熱不良、隧道內漏水、地上濕氣不易排出而導致的空間濕度大等；管理的指標層主要由軌道交通的從業管理人員對火災事故應急處置措施掌握不熟練、不全面、整體協作能力不強、安全操作規程沒有得到熟練細致的實施、用火用電制度不健全，不能保證對已配備的消防設施定期檢測等因素。

3.2 構造判斷矩陣

采用多位資深專家打分方法對所構建的層次模型進行比較打分，根據專家自身豐富經驗和專業知識對城市軌道交通地鐵消防安全指標進行綜合評價,將各因素重要程度兩兩比較得出結果，從而將該結果作為構造判斷矩陣的依據。

O-AA1A2A3A4A111/31/21/3A2313/21A322/313/2A4312/31

用相同的方法可以將其他幾個準則層與指標層A-B之間的判斷矩陣列出來，這里就不一一列舉了。

3.3 各因素相對權重的計算

判斷矩陣最大特征根及其對應特征向量的求法和積法

根據上述原理和步驟現將矩陣

2)計算特征根λmax=4.02

3)一致性檢驗與權重排序

4)對所得結果進行一致性檢驗

因此該矩陣通過了一致性檢驗，具有科學性和合理性。同理，可以將用于城市軌道交通消防安全評價指標應用相同的方法與原理進行一致性檢驗和計算。

通過對所求結果的一致性檢驗可知，本次采用的層次分析法對北京市某線地鐵的消防安全評價指標體系進行構造和分析的判斷矩陣符合一致性要求，由此可見此次通過專家打分的方法構造的判斷矩陣也是可以接受的，具有一定的科學性和合理性。所以由此得出的地鐵消防安全評價指標體系中各因素之間的相對權重值也是客觀公正合理的。下面將對消防安全評價指標體系中的各個指標所占的權重列表進行總排序如表4所示。

表4 消防安全評價指標體系中各因素權重值

3.4 結果分析

由表4可以看出各個指標權重大小及排序，總結出人的不安全行為是造成消防安全隱患的主要因素，其次是系統里的各種電氣設備和電氣線路過載、故障、短路是造成消防安全隱患的重要因素。其他因素則是次要因素。

4 城市軌道交通消防系統安全完善路徑

根據基于層次分析法對北京市某線地鐵消防系統安全評價指標體系的原因分析和相關經驗總結，城市軌道交通消防系統安全的完善可以從以下幾個具有針對性的對策著手和努力。

首先，人是關鍵因素。人在城市軌道交通消防系統安全完善過程中起著關鍵因素。任何設備以及相關的系統，都需要人來進行操作，因此，可以說，人是第一位的因素。人員的不安全行為是造成消防安全事故的主要因素，主要表現在員工自身的安全意識不強，安全知識缺乏。所以，加強消防系統安全必須首先著眼于人，樹立從業人員的消防安全意識，加強安全教育和安全業務技能培訓提高。

其次，物是主要因素。城市軌道交通系統中消防系統相關設備我們稱之為物，物的不安全狀態是引發消防安全風險發生，造成消防安全事故的重要因素，主要是由各種電氣設備、電氣線路的老化、過載、短路、故障引起的相關事故。從安全的角度考慮，相關部門必須提高設備的安全性能和報警功能及時發出警示提示，定期對物進行巡檢巡查，及時發現不安全狀態，將危險消滅在萌芽狀態，減少火災事故的發生概率。

再次，長效機制的構建是保障因素。從管理學視角而言，只有合理的制度和長效的機制方能有效規范人的行為和物效用的發揮，從而達到預期之目的。城市軌道交通消防系統安全的完善亦是如此，城市軌道交通的運營單位必須建立消防安系統安全治理的科學合理的制度，建構符合其發揮作用的機制，并保證制度實施，機制運行，如此，方能達到有效長久完善城市軌道交通消防系統。