基于层次分析法的电缆燃烧性能综合指标评价体系

付 强，王 超，郭 亮

（湖北省消防总队武汉市消防支队，湖北 武汉，430000）

0 引言

随着电线电缆在人们生产生活中的广泛应用，电线电缆的安全可靠性越来越受到关注。据国外统计在已经发生的火灾事故中，由电线电缆引发的火灾几乎占一半以上［1］。传统的电线电缆无论是护套材料，还是绝缘材料，大多使用聚氯乙烯材料，这类含卤材料组成的电缆在燃烧过程中会产生大量的腐蚀气体和有毒烟雾，这些有毒有害气体会使人窒息死亡，严重妨碍救火工作的进行和人员疏散。并且电缆燃烧时产生的腐蚀性气体，尤其是氯化氢气体还会造成精密仪器和电脑、通信设备的腐蚀损坏［2］，含卤材料燃烧造成的二次灾害的损失，往往大于火灾本身造成的损失。因此，研究和开发低烟低卤或无卤、低酸、低毒的电线电缆迫在眉睫。我国在诸如高层建筑、地铁、石油、计算机中心、核电站、购物中心和地下街道等场所要求使用阻燃电缆。一般来说提高电缆燃烧性能，就要损失一部分其他性能。如材料的物理性能和工艺性能有所下降，操作困难，同时又使材料成本提高。同时低卤阻燃电缆与无卤阻燃电缆相比，燃烧产物的毒性和腐蚀性要大，但是阻燃性能较好，部分材料即使增加了大量的无机阻燃剂，可能很难达到含卤电缆的阻燃效果。因此，对于不同类型的阻燃电缆的燃烧性能评价应该是一个综合、全面的评价，而不能片面的单纯从一两项参数指标来对电缆的燃烧性能作出评价。本文采用层次分析法通过指标评价体系对电缆燃烧性能进行评价，对影响燃烧性能的参数进行综合研究，使得电缆燃烧性能评价更加全面合理。

1 电缆燃烧性能综合指标评价体系的构建

为得到正确的评价指标，必须全面表述电缆燃烧因素的各项指标。并遵循评价指标体系建立的5个基本原则：科学性原则，系统性原则，综合性原则，协调性原则和实用性原则，所选指标应最大限度并客观地体现各种因素的影响。

电缆燃烧性能包括燃烧性、生烟性、毒性和腐蚀性四个重要方面，测试方法根据试样的大小又可分为实验室试验、中型试验及大型试验3类，相同试验类型下测试方法也是多种多样，为了达到评估试验重复性好，试验次数少，费用低的目的，燃烧性能的测试主要建立在锥形量热计的基础之上。锥形量热计（Cone Calorimeter）是1982年美国建筑与火灾研究所Barbrauskas等人开发的专门用于测量材料热释放速率的仪器。该装置是当前能够表征材料燃烧特性最为理想的试验仪器，它的测试环境比一般的小尺寸实验更接近于真实的火灾环境，所得的试验结果与全尺寸燃烧试验结果之间存在很好的相关性［3–4］。在锥形量热计上面增设气体探测系统后，在同一次试验中可以测定热释放速率峰值、平均热释放速率、火灾性能指数、点燃时间、烟密度峰值、总释烟量以及CO2、CO 、HCl、NO、NOX等有毒有害气体浓度。通过美国ASTM D5485法和中国的管式石英炉的测试方法可以测得燃烧产物金属损耗、PH值以及导电性能。电缆燃烧性能综合指标评价体系结构和打分标准见表1。

表1 电缆燃烧性能综合指标体系和打分标准Table 1 Index system and marking standard of the fire fighting and rescue capacity of the cable

2 系统层次分析法计算

评价指标权重的确定直接影响评价的科学性及合理性。本文主要运用层次分析法确定各指标的权重。

2.1 层次分析法

层次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）是由美国运筹学家T L Saaty最早提出的一种实用的多准则决策方法，即把一个复杂问题的结构分成有序的递阶层次，通过逐层分析判断决策方案并进行优劣排序。该方法能够统一解决决策中的定性和定量问题，具有实用性、系统性、简捷性等优点，广泛应用于各领域。AHP的基本步骤［5］为：将复杂问题分成若干层次，以上一层要素为准则将同一层次的各要素进行两两比较，判断各指标的相对重要度性；构造判断矩阵；求解矩阵的特征向量以确定各指标的权重。

（1）将评价体系的各个指标按其属性分为若干组，建立递阶层次结构模型并体现各层次之间的关系。

（2）将上一层次的某一元素作为判断准则，由专家根据该准则对下一层次相应元素按9标度法两两比较，建立判断矩阵A。

（3）求解判断矩阵的最大特征根λmax。将最大特征根对应的特征向量W 采用方根法进行归一化处理，得到同一层次相应元素对上一层次某一元素相对重要性的排序值。

2.2 层次分析结果

按照上述步骤，采用9标度法得到各级指标的相对重要度值，再用层次分析法计算出各级指标权重。电缆燃烧性能的各层次比较矩阵及权重见表2～表8，（为判断矩阵每一行元素的乘积的n次方根，Wi为权重值，BW ＝λmaxB，λmax为B矩阵的最大特征根）.

表2 集结后的判断矩阵——电缆燃烧性能综合指标评价体系Table 2 Judgment matrix A–Bi（i＝1，2，…，5）

表3 集结后的判断矩阵——燃烧性能Table 3 Judgment matrix B1–Ci（i＝1，2，…，7）

表4 集结后的判断矩阵——生烟性Table 4 Judgment matrix B2–Ci（i＝8，9，…，13）

表5 集结后的判断矩阵——毒性Table 5 Judgment matrix B3–Ci（i＝14，15，…，17）

表6 集结后的判断矩阵——腐蚀性Table 6 Judgment matrix B4–Ci（i＝18，19，…，26）

表7 单层排序和一致性检验Table 7 Index ranks in one hierarchy and the consistency test

通过一致性检验，各判断矩阵均具有满意一致性（表7）。

根据每个指标相对上一层次对应要素的权重值，通过层次总排序计算其相对于总目标的权重值。各层次指标对总目标重要性的排序权值，总排序结果见表8。

表8 层次总排序Table 8 Taxis of total target

2.3 层次总排序的检验

为保证层次总排序计算结果的一致性，利用CR＝CI／RI进行一致性检验。研究中

式中（ai为上一层次指标的组合权）因0.0446＜0.1，所以层次总排序具有满意一致性。

3 讨论

为了检查电缆燃烧性能综合指标评价体系建立的准确性和合理性，本文选择了三种典型电缆，分别为A（普通PVC电缆）、B（低卤低烟阻燃电缆）、C（核电站用K3类低烟无卤阻燃电缆）对其进行评价，试验数据来自参考文献［7］。锥形量热计试验平台辐射热通量设定为50kW，每种电缆燃烧性能如表9所示：

表9 电缆基本数据Table 9 Basic data of electrical cable

通过指标评价体系计算得到A电缆1.685分、B电缆4.931分、C电缆8.07分。分值越高表示综合电缆阻燃效果越好。通过比较我们得到A电缆得分最低，因为该电缆属于普通PVC电缆，在高辐射通量下容易分解燃烧，燃烧产物中含有大量的HCl有毒腐蚀性气体，并产生大量的烟雾，因此燃烧性能四项一级指标得分都较低，A电缆有效燃烧热在三种电缆中最低，意味着相同质量下热释放总量最低，但是PVC电缆燃烧速率较快，在起始300s内平均热释放速率依然较高。B电缆属于低烟低卤电缆，里面添加了部分无机阻燃剂，具有一定的阻燃效果，燃烧性能指标普遍好于A电缆。C电缆属于核电站用L3型电缆，主要成分为高分子聚合物并添加无机阻燃剂；该电缆在高辐射通量下材料分解速率较慢，故点燃时间较长，热释放速率较低，同时因不含卤系阻燃剂和磷系阻燃剂，故其毒性、腐蚀性均处于较低水平。上述评价结果全面合理地对三种典型的电缆进行了评价，真实全面地反应了不同材料电缆燃烧性能。

4 结论

1.本文建立了一种全新的电缆燃烧性能综合评价体系，包含了14个独立的二级指标。采用层次分析法对各个指标的权重进行了确定，通过计算可以对每种电缆综合燃烧性能进行量化评价。

2.基于层次分析法计算指标权重，建立多指标体系的评价方法能够有效评价不同种类电缆燃烧的综合性能。相比传统的电缆燃烧评价方法，评价结果更为合理、全面。

［1］司戈.我国建筑电气火灾的现状、问题和防控对策［J］.建筑电气，2008，27（10）：28－31.

［2］桂祖桐.聚氯乙烯材料在电线电缆中的地位［J］.电线电缆，2006（3）：4－8.

［3］ASTM E1354－04－2004，Standard test method for heat and visible smoke release rates for materials and products using an oxygen consumption calorimeter［S］.

［4］ISO 5660－1－1993，Fire tests－reaction to fire－rate of hear release from building products［S］.

［5］许树柏.层次分析法原理［M］.天津大学出版社，1988.

［6］Aupetita B，Genest C.On some useful properties of the perron eigenvalue of a positive reciprocal matrix in the context of the Analytical Hierarchy Process［J］.European Journal of Operational Research，1993，70（2）：263－268.

［7］付强，张和平，龚伦伦，黄冬梅.基于CONE和MCC的典型电缆燃烧性能研究［J］.火灾科学，2012，21（1）：13－20.