基于ISM與N-K模型的高?；馂亩嘁蛩伛詈巷L險分析與解耦管控

胡南燕， 李雪雪， 李玉飛， 葉義成

（1.武漢科技大學資源與環境工程學院，武漢 430081；2.湖北省工業安全工程技術研究中心，武漢 430081）

0 引言

高校作為人才培養、知識傳播和社會服務的重要且特殊的組成部分，也是引導社會變革發展經由“育人”而事關“國家隆盛”，因此，保護其免受火災事故的侵襲意義重大［1］。隨著社會和經濟的發展，高校校園的規模在不斷擴大，但高校校園安全管理能力以及對在校學生的安全教育沒有隨之發展，火災事故時有發生，威脅到在校師生的生命和財產安全，從而對社會穩定造成負面影響，這也給安全管理帶來了新的挑戰［2］。近年來，發生多起高?；馂氖鹿剩?000年1月，美國塞頓豪爾大學發生火災，造成3 人死亡，62 人受傷；2008年11月，上海商學院發生火災，造成4 人死亡；2019年7月，美國內華達大學發生火災，造成8 人受傷。為預防高?；馂氖鹿实陌l生，對高校校園進行火災風險耦合機理的探究與風險管控是非常必要的。

國內外學者針對高校校園火災事故進行了一些研究。Meng等［3］對高校校園火災事故的客觀原因進行分析，通過對大學生進行問卷調查。了解到高校安全消防工作的薄弱環節為：消防硬件建設與管理不力、消防安全意識薄弱、應急處理規范不夠完善；陳磊［4］對高校校園火災安全管理的現狀進行了研究，發現部分高校校園出現一些缺陷與不足，比如基礎設施建設水平低、制度落實程度參差不齊、存在違規操作等問題；補利軍等［5］從消防組織機構及制度、高校人員、消防安全管理過程、消防安全環境和消防安全疏散5 個方面構建了高校校園火災安全管理體系，用集成決策試驗、評價實驗室和解釋結構模型（Interpretive Structural Model，ISM）法得出高校消防安全管理影響因素間的關系。通過分析國內外學者對高校火災的研究，可以發現以往對高校火災事故的研究大多是對單個的風險因素進行分析并獨立量化其風險值。然而，火災事故實際發生時，火災系統中存在多種風險因素，它們不僅單獨作用，而且在火災的不同階段相互作用、耦合，從而擴大初始風險，甚至產生新的風險。因此，考慮單個風險因素的同時，還要對風險因素之間的耦合效應進行分析，并量化耦合效應產生的耦合效用。

現有學者對各類系統風險因素耦合機理的研究中：文艷芳等［6］基于耦合理論分析地鐵隧道施工坍塌事故發生的致因因子、風險主體所處的狀態、風險管理響應三者間的動態變化和作用機理，構建了地鐵隧道事故坍塌風險耦合體系；黃文成等［7］在分析鐵路危險品運輸系統耦合風險的形成機理時引入觸發器概念。將風險耦合分為單、雙、多因素風險耦合3 類，并采用N-K模型定量描述系統的內部耦合關系；潘紅偉等［8］在隧道事故風險分析中引入風險耦合理論，討論了隧道事故多風險因素的耦合機制、分類和解耦原理，并采用N-K模型構建隧道風險耦合模型，展示了隧道事故多風險耦合因素之間的耦合效應；莫俊文等［9］利用系統動力學模型和耦合理論對N-K 模型進行改進，建立了鐵路工程質量風險動態耦合分析模型；Guo 等［10］基于耦合理論對隧道施工安全中多因素風險的作用機理進行分析，將耦合度概念和N-K 模型引入隧道施工風險中，分析了隧道施工風險值與各風險分量之間的關聯機制；Xue等［11］認為高鐵項目由于其自身的特點和目標的多重性，相關性和傳導性較高，因此引入系統動力學方法建立了高鐵項目風險評估的風險耦合模型可以識別和減輕風險。

現有文獻中大多將耦合理論用來分析隧道施工、鐵路工程等領域的系統風險，對高?；馂氖鹿曙L險因素耦合的相關研究幾乎沒有，且絕大部分沒有考慮風險因素的耦合值與各子風險因素之間的關聯機制。因此，以1998 ～2021年國內外發生的高?；馂氖鹿蕯祿榛A，采用N-K模型計算單、二、三和四風險因素耦合的風險值和排序，得到各類高?；馂氖鹿曙L險因素耦合類型的排序并確定風險因素的耦合值與各子風險因素之間的關聯機制；依據上述得到的耦合風險值和排序，提出一種將解耦理論和ISM模型協同的方法對子風險因素之間的關聯和層次關系進行劃分，對各類高校火災事故風險因素耦合方式提出有科學地、有針對性地解耦措施，具體步驟見圖1。

圖1 高?；馂娘L險因素耦合與解耦分析步驟圖

1 高校火災事故風險耦合情景構建

1.1 基于魚刺圖的風險因素識別

從文獻中選取高校校園火災風險因素［12-15］，并基于已有的研究成果［16-18］，結合高校校園安全實際所需要考慮的目標和內容，根據2021年發布的《中國應急教育與校園安全發展報告》［19］，對風險因素加以歸并、補充和篩選，構建包括人員因素、消防設施、管理因素和環境因素4 個維度的風險評價指標體系，并利用魚刺圖加以描述其因果關系，如圖2 所示。

圖2 高?；馂氖鹿实娘L險因素

1.2 基于TSS（情景構建理論）的高?；馂氖鹿识嗑S度風險耦合情景構建

基于構建的魚刺圖對高校火災事故風險因素的全面描述，利用TSS理論構建雙風險因素耦合情景就是從人員因素、消防設施、管理因素和環境因素4 個維度中選擇2 個進行耦合成1 個雙風險情景，如圖3（a）所示。在二風險因素耦合情景下，例如，選擇人員因素（P）和消防設施（F）這2個維度的風險因素進行耦合，由于安全管理人員工作經驗不足（P22），在日常的安全檢查中未及時發現火災自動報警系統（F12）失效等問題很可能導致火災事故錯過最佳的撲滅時間，造成事故的發生和擴大，這比單一因素的風險要高。三風險因素耦合情景就是從人員因素（P）、消防設施（F）、管理因素（M）和環境因素（E）4 個維度中選擇3個耦合成1 個三風險情景，如圖3（b）所示。在三風險因素耦合情景下，例如，由于管理人員的專業水平（P21）不高和工作經驗（P22）不足，在消防巡檢（M15）時未及時發現消防設施損壞、失效等問題，則很容易造成事故。四風險因素耦合情景就是將人員因素（P）、消防設施（F）、管理因素（M）和環境因素（E）4 個維度耦合成1 個四風險情景，如圖3（c）所示。在四風險因素耦合情景下，例如由于管理人員的專業水平（P21）不高和工作經驗（P22）不足，用電線路未按規定檢查，在消防巡檢（M15）時未及時發現消防設施損壞、失效等問題，線路老化而導致火災發生甚至擴大。

圖3 高校火災事故多維度風險耦合情景示意圖

在構建高校火災事故風險情景時，單風險因素耦合情景表示為P／F／M／E，二風險因素耦合情景表示為PΘF／PΘM／PΘE／FΘM／FΘE／MΘE，三風險因素耦合情景表示為PΘFΘM／PΘFΘE／PΘMΘE／FΘMΘE，四風險因素耦合情景表示為PΘFΘMΘE。

2 基于N-K模型的高校火災事故風險耦合效用度量

2.1 N-K模型

N-K函數是由進化生物學中研究基因系統的方法演變而來的一種結構化方法，該方法可以量化得出各風險因素之間耦合效應的測度值，包括了2 個重要的參數：N表示組成系統的因素數目，K表示系統中因素之間相互依存、耦合作用的數目。假設系統有N個風險因素，每個風險因素有n種不同的狀態（交互方式），則總的交互組合方式（風險耦合方式）有nN種。根據風險因素能否沖破預期風險閾值并導致事故，用0-1 變量來表示這兩種狀態。若n＝1，則表示風險因素沖破風險閾值導致事故；若n＝0，則表示風險因素沒有沖破風險閾值未導致事故。可以通過計算高?；馂娘L險系統中4 個維度的風險因素之間的交互信息來直接評價不同風險因素之間的相互作用、耦合形成的耦合值大小，用來衡量不同風險因素耦合的大小，耦合值越大表示該種耦合作用形式下造成的風險越大，導致事故的概率越大。交互信息的計算公式為

式中：phijk表示人在h狀態下、設施i狀態下、管理在j狀態下、環境在k狀態下，4 個維度的風險因素耦合發生的概率。ph···、p·i··、p··j·、p···k分別表示各風險因素在各種狀態下的風險概率?！啊ぁ北硎撅L險發生的狀態不確定，以人員因素為例：

根據上文基于TSS法構建的高?；馂氖鹿曙L險耦合情景可以確定：單風險因素耦合情景表示為P／F／M／E，二風險因素耦合情景表示為PΘF／PΘM／PΘE／FΘM／FΘE／MΘE，三風險因素耦合情景表示為PΘFΘM／PΘFΘE／PΘMΘE／FΘMΘE，四風險因素耦合情景表示為PΘFΘMΘE。

二風險因素耦合交互信息計算公式為：

2.2 案例分析

收集近年來75 例高校校園火災事故，并統計其發生原因和頻次，并計算相應的事故發生概率，結果見表1。將人員、設施、管理和環境因素的狀態用0 和1 來表示，1 表示未沖破該系統預期的風險閾值沒有導致事故，0 表示沖破該系統預期的風險閾值導致事故。通過公式（2）計算，單、二、三、四風險因素耦合風險概率見表2。通過式（1）和式（3）、（4）計算二、三、四因素的風險耦合值及排序見表3。

表1 高?；馂氖鹿暑l次和發生概率

表2 單、二、三、四變化耦合風險概率

表3 二、三、四因素的風險耦合值及排序

經過N-K 模型的計算可知風險因素耦合值與子風險因素的關聯機制：火災事故的發生取決于風險耦合值的大小，耦合值的大小與參與耦合風險因素的數量成正比；得到的高?；馂娘L險耦合種類的排序為：

PΘFΘMΘE＞PΘFΘM＞PΘMΘE＞FΘMΘE＞PΘFΘE

＞PΘM＞FΘE＞FΘM＞MΘE＞PΘF＞PΘE。人員-設施-管理-環境因素耦合風險值最大為PΘFΘMΘE＝0.147 8，三因素耦合值最小的是人員-設施-環境因素耦合PΘFΘE＝0.081 7，二因素耦合風險值最小的是人員-環境因素耦合為PΘE＝0.028 9。

3 基于ISM 模型的高?；馂氖鹿蜀詈巷L險解耦

3.1 高校火災事故耦合風險的解耦原理

由上文可知高?；馂氖鹿曙L險因素耦合值與子風險因素的關聯機制，因此，引入解耦的思想來減少風險因素之間的耦合。通過解耦，減少或降低風險因素之間的耦合程度，將存在相互耦合作用的二風險因素或多風險因素拆分或者獨立開來考慮，通過技術、管理上的措施降低風險因素的風險值。解耦原理如圖4所示。

圖4 高?；馂氖鹿蜀詈巷L險因素解耦原理圖

由圖可知，當α和β風險因素的波峰之間相互耦合作用時，耦合風險值T 最大，則越危險。因此，采取技術、管理上的措施降低α和β風險因素耦合的風險值，盡量使α風險因素的波峰與β風險因素的波谷同步，起到控制或削弱高校火災子風險因素之間的相互作用，進而實現對風險因素耦合的解耦。

3.2 基于ISM模型的高校火災事故子風險因素分析

（1）風險因素鄰接矩陣構建。為厘清基于魚刺圖得到的高?；馂氖鹿曙L險因素間的相互作用和聯系，邀請了4 位相關專業的高校教授，遵循德爾菲法的操作程序對人員因素（P）、消防設施（F）和管理因素（M）之間的相互作用進行打分。并運用二元關系來表示風險因素間的相互關系，對因素自身按無影響處理，則可以得到各風險因素的鄰接矩陣A，令A ＝［aij］n×n，鄰接矩陣用來表征風險因素間有無直接影響關系，則風險因素間的關系可表示為

通過上述方法確定了25 個高校火災事故風險因素間的影響關系，得出了25 ×25 的風險因素鄰接矩陣，見表4。

表4 風險因素的鄰接矩陣

（2）子風險因素可達矩陣的計算與處理?？蛇_鄰接是用矩陣的形式來描述有向連接圖各節點之間經過一定的通路可以達到的程度［21］。因此，可以引入可達矩陣來研究因素間的間接影響關系［20］。引入單位矩陣I，并將鄰接矩陣A 與單位矩陣I 相加通過證明驗證，可得可達矩陣H運算規則如下：

式中：g表示可達矩陣H 的路徑，即因素si可由單位矩陣I 的距離經過g次運算到達因素sj。經過計算，當g＝4 時，滿足（A+I）4+1＝（A+I）4。

（3）ISM 模型的構建與子風險因素的層級劃分。根據可達矩陣分析各因素之間是否存在“可達”關系，再通過層級劃分得到區域層級矩陣從而確定各風險因素的分區［22］。各因素的可達性集合L（si）表示可以從因素si到達因素sj的集合，即是指第i行中出現1 對應風險因素的集合；前因集K（si）表示從si出發的因素，即是指第i列中出現1 對應風險因素的集合。共同集N（si）表示可以得到該系統的可達矩陣區域，即是指二者的交集，可表示為

確定第1 級的風險因素后，將原來可達矩陣H中刪去對應N（si）中風險因素的行和列，得到矩陣H'，并對矩陣H'進行同樣的處理，確定屬于第2 級的風險因素。繼續重復其步驟，直到得出最后一級風險因素為止。

經過計算可得出高?；馂娘L險處于第1 級的因素集合Q1＝｛M12｝；第2 級風險因素集合Q2＝｛M11、M14、P11｝；第3 級風險因素集合Q3＝｛P13、P21、P22｝；第4 級風險因素集合Q4＝｛P12、M15｝；第5 級風險因素集合Q5＝｛F11、F12、F13、F21、F22、F23、F24、F31、F32、F33、F34、M13、E11、E12、E13、E14｝。依據得到的高校火災風險因素的層級關系建立ISM模型，如圖5 所示。

圖5 高?；馂娘L險因素的ISM

由圖5 可知，表層直接原因包括：火災探測器、火災自動報警器、防火門或防火卷簾、滅火器、防排煙系統、自動噴淋系統、消防栓給水系統、疏散指示標志、應急照明系統、疏散通道、安全出口、消防安全教育培訓，主要涵蓋消防設施和環境因素兩大維度；中層間接原因包括：文化水平、防范意識、專業水平、工作經驗、消防設施巡檢主要涵蓋人員因素；深層根本原因包括：文化水平、消防演習、應急疏散預案、安全責任制主要涵蓋管理因素。

3.3 解耦措施

若風險因素耦合后仍然可以沖破消防安全綜合防御系統，就會形成強耦合形式，因此，盡量避免風險因素之間耦合，可人為采取技術、管理解耦措施：

（1）人員風險因素的控制策略。①重視消防安全教育培訓，強化人員的防范意識，提升行為能力。運用ISM模型對高校火災風險因素進行了層級劃分，得出消防安全教育培訓是表層直接原因。因此，高校務必結合自身實際情況構建消防教育培訓體系。尤其應對高校新生、有科研需求的老師和同學等進行強制性安全教育培訓。②對管理人員的相關經驗和從業資格進行嚴格審查，以確保管理人員具有相關的技術、文化水平。高校具有內部結構復雜、建筑體量大、功能多元化等特點。隨著社會的發展，校內的消防設施越來越完備和規范，因此，對管理人員的文化水平、技術水平和個人能力有較高的要求。因此，需要構建更加專業的消防安全部門，并設置消防安全管理部門，定期安排消防巡查人員、設備維護及保養人員等人員完成高校日常消防安全任務，進一步提高高校的消防管理能力。

（2）消防設施風險因素的控制策略。①做好消防設施設備的安裝工作。根據《消防設施通用規范》（GB 55036—2022）、《建筑設計防火規范》（GB 50016—2018）、《火災自動報警系統設計規范》（GB 50116—2013）、《火災自動報警系統施工及驗收標準》（GB 50166—2019）《防火監控警報插座與開關》（GB 31252—2014）等相關標準要求，并結合校內的實際情況，科學、合理地配置各類消防設施設備，在消防設施設備安裝完畢后經試運行正常和驗收檢查通過后才能投入使用。②定期檢查、維修消防設施設備。高校內各類設施種類和數量多，且大多為大功率電器，且線路復雜，因此，有必要聘請有資質的專業人員對設施設備定期進行統一的檢修和安裝。管理人員還要進一步規范明火使用，并詳細制定檢查制度，對檢查情況進行詳細記錄。消防設施設備的完整和正常運轉是消防硬性條件的基礎和保障。因此，保障高校內消防設施設備的完好率非常重要，一是要加強對高校內消防設施的日常維護和保養，要聘請有資質的單位定期對建筑消防設施進行檢測，確保消防設備正常運轉。二是對消防設施使用人員、消防控制室操作人員加強業務指導和能力培訓，確保一旦發生火災，會使用設施器材、能撲救初期火災、能疏散人員。三是加大對消防設施保養的經費投入，對無消防設施的建筑要及時補充安裝，對年久失修的消防設備設施及時更換和維護保養，確保消防設施完好和有效。

（3）環境風險因素的控制策略。綜合考慮高校建筑周圍環境的危險性、防火間距等火災風險因素，并對建筑的面積、層數、功能和體量進行合理的布局規劃。對建筑內外裝修嚴格把關，不僅應符合國家的相關標準，還需要符合有關特殊消防設計及相關技術措施的標準。對達不到相關防火設計的地方應依據有關標準設置或改造消防設備設施。

（4）消防管理風險因素的控制策略。①建立消防安全責任制，健全消防安全管理組織。針對高?；馂娘L險因素中的“人員-設施-管理-環境”4 類風險因素，基于“人員-設施-管理-環境”4 類風險因素之間的耦合風險關系，規范每一類風險因素的管理措施，并將責任落實到相應的人身上。當發現高校的消防管理中出現未進行消防演習、應急疏散預案操作性不強、消防安全教育培訓效果不佳、安全責任制不明確、未按規定進行消防設施巡檢等管理缺陷，應立即找出消防安全管理漏洞并找出合適的對策，加強對各類風險因素的管控。②定期消防設施巡檢，有效控制各類風險因素。高校專業的管理人員定期對消防設施設備進行檢查，建立維修臺賬，將損壞、磨損的實施設備部位詳細記錄下來，并請消防設施設備維護人員進行維修和保養，以防發生火災事故消防設施設備不能正常使用。③建立、完善應急方案，并定期開展消防演習，提高應急反應和應急救援能力。學校不僅要確保做好日常的消防設備維護以及日常的防火巡查檢查等管理工作，還應提高滅火及救援能力。相關單位應該根據自身情況制定和完善的應急方案，當突發事故的應急預案制訂后，學校應當定期組織全校的模擬演練，，以防事故發生后由于人員逃生混亂導致更嚴重的后果。

4 結論

運用風險耦合理論分析高校火災事故風險因素之間的作用，探討了高?；馂氖鹿识囡L險因素的機制；基于TSS理論構建了多因素風險耦合情景，能夠全面多視角地分析高?；馂氖鹿曙L險；而后利用N-K 模型量化高?；馂氖鹿曙L險因素之間的耦合效應，確定風險因素的耦合值與子風險因素之間的關聯機制；利用ISM法進一步對子風險因素進行定性分析，確定了風險因素的層級關系?；谏鲜鲅芯?，考慮風險因素的耦合值與各子風險因素之間的關聯機制，提出解耦措施，得出了以下結論：

（1）利用TSS理論考慮了耦合風險發生的情景?；赥SS理論對各風險因素進行耦合，構建了二、三、四因素風險耦合情景11 種。其中，高?；馂氖鹿孰p因素風險耦合情景6 類：PΘF／PΘM／PΘE／FΘM／FΘE／MΘE；三風險因素耦合情景4 類：PΘFΘM／PΘFΘE／PΘMΘE／FΘMΘE；四風險因素耦合情景1 類：PΘFΘMΘE。能夠全面多視角地分析高?；馂氖鹿曙L險。

（2）運用N-K 模型計算高校校園火災事故的多因素耦合值，結果表明：人員-設施-管理-環境的耦合值最大為0.127 1，三風險因素耦合情景下人員-設施-管理的耦合值最大為0.127 1，二風險因素耦合情景下人員-管理的耦合值最大為0.068 5，風險因素的耦合值與各子風險因素之間的關聯機制為：高?；馂氖鹿曙L險耦合值與參與的耦合因素數量成正比，各耦合風險類型的耦合值排序：PΘFΘMΘE＞PΘFΘM＞PΘMΘE＞FΘMΘE＞PΘFΘE＞PΘM＞FΘE＞FΘM＞MΘE＞PΘF＞PΘE。

（3）根據ISM表征高?；馂淖语L險因素之間的層次關系和關聯情況，繪制出高?；馂氖鹿首语L險因素層級關系圖，將子風險因素劃分為5 個層級關系和深層根本原因、中層間接原因和表層直接原因三個維度。其中，屬于深層根本原因風險因素有｛M11、M12、M14、P11｝，屬于中層間接原因的風險因素有｛P13、P21、P22｝，屬于表層直接原因的風險因素有｛F11、F12、F13、F21、F22、F23、F24、F31、F32、F33、F34、M13、E11、E12、E13、E14｝。（4）考慮風險因素的耦合值與子風險因素之間的關聯機制，采用解耦思想進行管控。基于提出的管控措施可以得出中層間接原因和表層直接原因依賴于深層根本原因的解決，深層根本原因主要涵蓋管理因素，說明管理因素是首要控制的風險因素，可以通過控制管理因素直接或間接的控制人員、設施和環境因素，降低風險因素間的耦合作用。

·名人名言·

懶于思索，不愿意鉆研和深入理解，自滿或滿足于微不足道的知識，都是智力貧乏的原因。這種貧乏通常用一個字來稱呼，這就是“愚蠢”。

——高爾基