重大危险源火灾风险评估

■ 赵相连 邵 伟

近年来，随着一些新兴的包含重大危险源的工业园区的不断兴建，一些规模较大破坏性较强的火灾不断出现，使得这种重大危险源区域的消防工作面临的问题也越来越多，因此重大危险源区域消防规划逐渐成为人们关注的焦点。本文应用系统安全工程理论以及相关的数学方法，对重大危险源区域火灾风险进行评估，建立了进行区域火灾风险评估的基本理论，给出了建立火灾风险评估指标体系的原则，利用模糊理论开发了基于模糊均值的多指标综合评估合成技术，为研究重大危险源区域火灾风险提供了新的更加合适的方法。

在现代社会中，生产及生活电气化、城市的立体化、人口和物资的高度集中和各类石油化工企业的迅速发展，使各个城市区域火灾的危险性日益增加，不仅造成火灾次数的递增，而且控制和扑救的难度也在不断增加。从我国情况来看，火灾频率与火灾损失和社会的现代化程度成正比关系，因此为了更好地了解控制火灾风险，对火灾风险的评估已经引起越来越多的重视。然而，在区域火灾风险评估过程中，由于对火灾风险致因理论缺乏足够的认识，不能够对火灾控制与消防规划起到一定的指导作用，更重要的是随着社会的不断发展，出现了一些新型的复合型的区域，在这种区域内包含了多种不同等级的危险源，这样就给该地区的消防系统提出了新的挑战。本文主要是探讨包含一些重大危险源火灾风险特征的区域，建立其火灾风险评估基本理论框架，为进行此类区域的消防规划研究奠定基础。

一、火灾风险基本理论

（一）火灾风险概念。

火灾风险的核心内容是“火灾危害事件发生的可能性”。风险重要性在于其损失的严重性及事件发生的不确定性。不利事件的发生是造成风险的主要原因。而系统安全理论认为，系统中存在危险源是事故发生的根本原因。系统中不可避免地会存在着某种类型的危险源。系统安全的基本内容就是辨识系统中的危险源，采取措施消除和控制系统中的危险源。

按照事故致因理论，风险能被定义为事故频率和可能造成的后果。风险评估相应的能被划分为两个主要部分：引起事故发生的频率预测和导致事故发生的结果估计。Hall 和 Swkizawa 用公式1概括了火灾风险评估的基本框架。

g（s'）是在火灾风险评估中权衡转化函数。p（s=s'）是最大危险值s'发生的概率。为了使其上面的表达式更加明确，本文用下面的定义来表示。由于能量或危险物质在事故致因中占有非常重要的位置，可以把g（s'）定义为危险品的聚集函数；把导致危险品的约束、限制措施失效或破坏的发生的概率表示为p（s=s'）。根据事故致因理论以及上面的定义，可以把火灾危险源作为导致火灾发生的潜在的不安全因素。于是，可以按照火灾危险源在火灾发生、发展过程中的作用来研究火灾危险源，为此，将火灾危险源分为两部分。

第一部分是能量或危险品的过分聚集，如液化石油气罐、原油储罐等。第二部分是能量或危险品约束失效，把导致各种危险物质和能量约束或限制措施破坏、失效的各种因素称为安全失效诱因，安全失效诱因包括人、物、环境三个方面的问题。

火灾事故的发生是上面两部分共同起作用的结果。在两类火灾危险源中，危险品的过分聚集是火灾发生的前提，是导致火灾事故发生的能量主体，安全失效的出现是导致事故的必要条件。在火灾的发生、发展过程中，能量聚集和安全失效是相互依存的，但起着不同的作用。能量聚集决定事故后果的严重程度；安全失效的概率决定事故发生可能性的大小。对火灾进行风险评估及建立指标体系时，可以以此为基础开展研究工作。

（二）火灾风险分析及其必要性。

重大危险源就是能量和危险品的聚集比通常的要大，因此这些重大危险源一旦发生火灾，势必造成巨大的损失（包括经济破坏、人员伤亡、财产损失等）。而且包含重大危险源的区域火灾具有突发、连锁、复杂多样、处置困难等特点。因此对于包含重大危险源的区域进行火灾风险评估，也就是对这些重大危险源和周围的环境进行评估分析。大量的资料分析表明，火灾风险评估可以为有效地、合理地防治火灾提供重要的决策依据，在火灾防治方面己显示出巨大的作用。它可以为有效的区域消防管理，消防规划，部署消防设施建设提供十分有益的参考。

不少学者用科学、系统的观点对火灾风险评估的本质可以作如下的描述：火灾风险评估是运用系统科学的理论和方法，对系统的火灾状况进行预测和评估，并寻找最佳对策控制火灾的发生和发展。在现代化各种城市区域中，对火灾的控制不仅受消防系统本身的规划、装备和战斗力等因素制约，而且受到区域通讯系统、交通系统、整体规划布局等多方面因素的影响和制约。要提高抗御火灾的能力，就需要从外部输入物质、能量和信息，改进区域消防系统的结构，提高系统的稳定度和自组织能力。因此，要减轻火灾危害必须根据自身的社会环境、自然环境特点，通过有效的管理规划、消防措施，控制火灾灾害系统，增强防御火灾的能力，从而减少可能的火灾损失。一般认为，区域灾害系统是由致灾因子、孕灾环境、承灾体共同组成的系统，灾情是这个系统中各个子系统共同作用的产物。对于工业区等区域火灾来说，它是危险品聚集和管理安全失效作用于受灾对象而形成了火灾。可见，区域火灾的形成应该具备三个条件：危险源的聚集，危险源管理的失效以及受灾对象，三者缺一则不能形成火灾。关系如图1所示。

图1 区域火灾及其消防系统之间的关系

图1中的关系为：危险品的聚集管理措施失效后形成火灾危险源，在控制区域火灾发生时，区域减灾系统会对危险品的聚集进行合理的规划、对安全管理失效进行有效监控，从而可以减轻火灾发生后的损失；受灾对象中存在危险品的聚集是其发生火灾的根源，通过火灾危险源辨识后，危险品的聚集又可以影响受灾对象的布局。在发生火灾时，危险品的聚集和其管理安全的失效是根源，而火灾减轻是输出，根据对火灾的输出以及消防现状的评估，又可以调整消防措施，从而加强对形成火灾条件的控制，组成闭环的系统。

（三）火灾风险评估的基本方法。

为了预防和控制火灾事故的发生，减少火灾伤亡事故，国际上对火灾风险评估的方法进行了广泛的研究，具体归纳可以分为以下几种形式：

1．主要以现行的消防规范为依据，逐项检查消防设计方案是否符合规范要求属于对照规范评定。目前我国消防监督管理部门在对建筑防火设计进行审查和对已有建筑防火设施进行检查时，基本采用这种方法。另外，城市规划部门在按照《城市消防规划建设管理规定》进行城市消防规划设计时也属于此类。但很多实际工程并不能照搬规范，缺乏评估依据。

2．通过事件树分析（ETA）等逻辑分析法进行研究。这类方法运用运筹学原理等方法对火灾的原因和结果进行逻辑分析，揭示了导致火灾的各基本事件之间的逻辑关系，并进行定性的描述，通过把系统的火灾事故与各子系统有机地联系在一起，指出了预防火灾应采取的控制措施。但逻辑分析法建树复杂，需要考虑的因素较多，数据收集工作往往难以实现，而且有时一些数据是模糊的不可确定的，因此不能实现定量分析。

3．通过综合评估方法进行分析。这是一种系统工程的方法，它考察各系统组成要素的相互作用以及对建筑物火灾发生发展的影响，作出对整个建筑物的消防安全性能评估。但是这种方法在实际操作中存在过多地依赖专家意见，因此主观性较强。

综合以上内容，图2列出了火灾风险评估的主要过程。其中，火灾危险源的辨识是采用系统安全分析方法，从安全的角度对系统进行分析，通过揭示可能导致系统火灾的因素及其相互关联来查明系统中的火灾危险源；火灾危险源的辨识是火灾风险评估的前提，而火灾风险评估又为火灾风险控制提供依据。

图2 区域火灾风险评估基本框架

本文根据火灾风险的特征及危险品的聚集和安全管理失效两方面特征，在充分辨识城市火灾风险因素的基础上，分析了重大危险源的火灾特性，通过构造合理的指标体系，试图量化一些包含重大危险源区域的火灾风险评估方法。

二、量化火灾风险评估分析

对于包含重大危险源区域的复杂系统，为了对其火灾风险状态进行客观的评估，最简单、最实用的方法是首先将系统合理地划分成以重大危险源为中心的若干个评估单元，并根据每个各单元中指标之间的关系构造各评估单元的评估指标体系。试图将区域火灾风险评估指标进行了量化处理，并在重大危险源的指标的基础上对评估单元内的评估指标再进行综合分析，在完成对各个评估单元的状态评估之后，再将各个评估单元状态合并累积，最终达到对系统状态进行评估的目的。

目前，在火灾风险评估方面已经开发了一些方法，模糊数学作为处理这种不确定性因素组合的工具在风险评估方面得到了广泛的应用。因此在模糊综合评估理论的基础上，本文提出了一种综合评估方法——多目标模糊评估方法，并将其应用于区域火灾风险评估之中。为了处理火灾风险评估指标的权重问题，本文采用了基于模糊隶属函数的层级分析法，最后对区域火灾风险评估指标进行无量纲的处理。

（一）评估指标及其权值的确定。

在区域火灾评估指标体系中，不同的评估指标对系统的贡献不同，所以评估指标的权值问题是进行系统风险评估所涉及的重要问题之一，它直接影响评估结果的合理性。指标的权值为指标在系统中相对重要程度的主观和客观反映的综合度量，它表示该指标在指标体系中的相对重要程度，即在其它指标不变的情况下该指标的变化对结果的影响。

近几年来，层次分析法 AHP（Analytic Hierachy Process） 获得了广泛的应用，该法将人的判断用数量形式表示出来，是一种定性与定量相结合的系统分析方法，它改变了长期以来人们对复杂的社会系统主要靠主观判断、缺乏逻辑思维方式进行决策的状况。该方法对于量化评估指标，选择最优方案提供了依据。然而，AHP 存在着一些缺陷：如检验判断矩阵是否一致非常困难，且检验判断矩阵是否具有一致性的标准 CR < 0.1缺乏科学依据；判断矩阵的一致性与人类思维的一致性有显著差异。

针对上述缺陷，本文采用模糊层次分析法 FAHP（Fuzzy—AHP）对包含重大危险源的火灾风险评估指标体系的多项权重进行了处理。

若模糊矩阵B=（bij）mn满足bij+bji=1，i=1，2，…，k，…，m；j=1，2，…，k，…，n；则称模糊矩阵 B 为模糊互补矩阵。若B进一步满足：bij=bikbjk+0.5 , 则称模糊矩阵B为模糊一致矩阵。

模糊一致矩阵B表示针对上一层某元素，本层次与之有关元素之间相对重要性的比较，假定上一层元素T同下一层次元素a1，a2…an有关系，则模糊一致矩阵可表示为：

bij的实际意义是：ai元素aj和元素 相对于元素T进行比较时，ai和aj具有模糊关系“…比…重要的得多”的隶属度。从而可以得到如下的模糊一致矩阵：

设元素a1，a2…an进行之间重要性比较后得到模糊一致矩阵:B=（bij）mn，其权重值r1，r2…rn有如下关系成立：bij=0.5+a（ri-rj），i，j=1，2，…，n，其中0 < a ≤0.5，且a是人们所感知对象的差异程度的一种标准，同评估对象个数的差异程度有关，当评估的个数或差异程度较大时，a可以取较大值；另外，决策者还可以通过调整a的大小，求出若干个不同的权值向量，再从中选择一个比较满意的权值向量。

对区域的火灾风险进行评估，首先要对各指标进行量化处理。具体地说，就是把影响火灾风险的主要因素归纳总结成一系列概念明确、边界清晰、便于把握的指标，并把这些指标按照其内在的联系及隶属关系组织起来。对于定量指标，如五分钟消防相应时间达标率、专业消防人员数量等，可以采用统计的方法确定具体的数值；对于建筑物的火灾风险等级则利用主成分方法进行确定。构造出评价的指标体系是否科学合理，直接关系到评价的作用和功能是否能正常发挥，进而影响是否达到消防安全水平的目的。

针对包含重大危险源区域的经济特点，在广泛收集和分析国内外资料的基础上，通过火灾统计分析确定了影响区域火灾风险主要因素及其相互关系，并利用模糊层次分析法给出了各个指标的权重系数。

系统风险指标，其特征值一般具有具有很强的模糊性，因此，设某一单元系统，其评估指标有 m 个，它所构成的集合R=（r1，r2，…，rm），参与确定指标特征值的有关负责人有 q 个，其集合为P=（p1，p2，…，pq）。对于指标r1，负责人pj依据起评估标准和对该指标有关情况的了解给出一个特征区间（aij，bij），由此构成一集值统计序列。则评估指标ri的特征值可以用公式2计算：

（二）基于模糊均值的评价模型。

一般来说，为了对火灾风险状况加以评估，需要用一个指标来衡量评估的火灾所造成的后果，同时还要给出依据该指标进行风险等级划分的标准，两者缺一不可。然而，评估方法不同，系统风险评估的最终指标，即系统风险等级也不相同，那么评估标准自然就存在差异。

在火灾风险评估体系中，对于定性指标最简单的方法是将相关的指标与有关的标准或消防规范对比，以判断城市火灾的危险程度，也可以根据同类系统或类似系统以往的事故经验指定风险分类等级。定量危险性指标常被分为概率危险性评估和相对危险性评估。

表1 火灾风险指标参数

由于系统的安全状态是具有模糊性的，因此在描述区域火灾风险时，应该充分考虑其模糊性，其等级划分可以采用习惯上的等级制，可将系统风险划分为奇数个等级。这主要是从系统论的角度出发，考虑到安全与风险具有互补性，即系统的安全性用危险性来表达与危险性用安全性来描述是等价的。

假定风险分成 m 个等级，则系统风险状况的为评估空间为V=（v1，v2，…，vm），其相关的因素集为E=（e1，e2，…，em）。它们之间具有一定的模糊关系，vk通常是ek上的模糊子集。设描述系统风险等级的模糊集合为Ã则有如下映射：

该映射即为空间 E 中元素 e 对模糊集Ã的隶属函数。

从上面的分析可知，影响区域火灾风险状态的因素繁多，但各因素之间存在着相互关联性，这种关联特征影响着整个评估系统的风险状况。因此，要揭示评估系统组成因素之间的关联特征除了应该掌握因素之间的相互制约状况，更重要的是掌握其关联状况对整个评估系统所呈现状态的影响程度。为了解决这个问题，本文借助于模糊理论中的模糊测度，基于多目标概念，结合模糊积分方法将逻辑加权发展成为了一种积分合成方法一多目标模糊均值法。本方法即考虑了重大危险源单元内评估系统各因素状态特征的重要程度，而且强调因素之间相互关联、相互制约对整个评估结果的影响，同时借鉴了模糊均值的概念，突出了火灾评估过程中所关心因素的权重，并且简化了其数学模型。

在区域火灾风险评估中，多目标模糊均值的基本思想是，设区域火灾风险的各重大危险源单元的评估值η，评估指标的集合为X=（x1，x2，…，xn），xi为第i个评估指标，用A（xi）表示区间各个单元指标的隶属函数，且A（xi）∈[0,1]，B（xi）表示指标xi的权度系数。则各单元的评估值可以用公式3计算：

三、结论

本文提出了利用模糊均值的方法对包含重大危险源区域的风险评估进行分析研究，以确定整个消防规划系统开展的可参考依据，而且能够通过合理的布局调整，再结合量化后的评估方案来降低区域各功能区块发生火灾的概率，同时还可以降低整个消防系统设施的投入。