地铁车站火灾风险模糊层次综合评估模型与应用分析

彭 磊1 徐学军2 杨 磊

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043；2.广西公安消防总队，南宁 530000；3.南宁轨道交通集团有限责任公司,南宁 530029)

1 引言

地铁是目前世界上能够解决大中型城市人们出行较为便捷、经济、高效的交通工具之一，是城市交通系统的骨干，城市的生命线。作为现代化程度的重要指标，地铁对促进城市繁荣、实现城市经济和社会可持续发展起着举足轻重的作用。但由于地铁深埋地下，建筑结构复杂、出入口少、疏散路线长、通风照明条件差、电气设备种类多、人员高度集中等原因，一旦发生火灾，扑救任务将非常艰巨，往往会造成重大的人员伤亡和财产损失。纵观国内外，地铁车站一直是恐怖袭击和破坏事件的高发地，也是安全防范的高风险地。近年来，世界上一些国家、地区地铁相继发生火灾，造成了群死群伤的严重伤害[1-5]。2003年2月，韩国大邱地铁一号线人为纵火，死亡140人、伤289人、失踪318人。2004年，俄罗斯莫斯科一列地铁列车发生爆炸，造成40人死亡。2016年1月26日，日本东京地铁站内失火，烟雾弥漫整个车站， 100多名乘客因呼吸系统受伤被送进医院。不难发现在所有地铁站事故中，人为因素无疑是很重要的因素，科学建立评估地铁车站火灾风险评估模型和评估指标对地铁的安全运营具有十分重要的意义[6-9]。

为了分析这种多目标决策问题，美国学者T.L.Saaty[10]和查德教授[11]分别提出了层次分析法和模糊数学理论。这两种方法被组合成模糊层次综合分析法处理一些难以量化的事物或现象的模糊评价上。因其具有简便性、合理性等优点，模糊综合评价法已经被广泛应用在生活、经济和土木等领域中[12-14]。本文针对广西南宁地铁危险源和隐患的辨识，对发生概率较大的火灾事故危险源进行分析和控制，采用模糊层次分析理论建立能够评估地铁车站火灾风险预测模型和评价指标，保证及早地排查出地铁火灾的危险源和风险隐患，为发生火灾后有效疏散旅客提供必要的理论依据。

2 火灾风险模糊综合层次评判模型

2.1 评价指标体系

图1 地铁车站火灾风险等级递阶层次评判体系

考虑到模糊综合层次评判指标的可操作性、层次性以及系统性的原则，根据地铁的实际运营情况，地铁火灾风险发生的概率和程度可由层次分析法建立的阶层次指标体系预估。在阅读已有文献的基础上[5-16]，综合考虑各方面影响因素，假定有教育、技术以及管理三个3个一级指标因素。根据这3个一级指标因素代表的不同内容，可以分成许多二级指标。其中，B1对应的二级指标因素为：C1政府安全教育、C2地铁营运部门对乘客的安全教育、C3学校和家庭的教育；B2的二级指标为：C4建筑结构设计、C5地铁列车设计、C6电气设备设计、C7消防系统设计、C8附属设施的安全化处理、C9火灾自动报警监控系统；B3的二级指标为：C10健全火灾防治立法、C11建立突发火灾预警系统、C12营造安定的社会环境、C13成立指挥机构、C14加强地铁系统安全管理。火灾风险递阶层次指标体系结构如图1所示：

2.2 火灾风险等级判断矩阵

模糊综合层次评价法中把隶属于同一个一级指标的所有二级指标因子之间的相对优越程度用判断矩阵来表示。假定有n个二级指标因子，用1-9的比例标度来反应他们相对于上一级级别即其所属一级指标因子的重要程度(标度含义见表1)，依据所得结果可建立判断矩阵D=(dij)n×n，矩阵中的dij表示相对于上一级别的指标因子，比较Di与Dj后，因子Di的相对重要程度。

整理地铁有关资料以及评价表，请各位专家以及相关分析人员依据相关资料结合表1对图1中各级指标的相对重要程度打分。对专家所给意见进行处理，可得到以下4个判断矩阵：表2为B中的一级指标对目标层A所构成的判断矩阵，表3为C中的二级指标相对应与B中所属一级指标的判断矩阵。

表1 标度值与指标重要性等级

标度值重要性等级1Di与Dj相比,Di与Dj同等重要3Di与Dj相比,Di与Dj稍微重要5Di与Dj相比,Di与Dj明显重要7Di与Dj相比,Di与Dj强烈重要9Di与Dj相比,Di与Dj极端重要 注:1.判断矩阵应满足:dij>0; dii=1; dij=1/dji;2.dij=(2, 4, 6, 8)是表中相邻判断的中值。

表2 一级指标判断矩阵值

AB1B2B3B11.001.141.58B20.791.001.26B32.050.751.00

表3 二级指标判断矩阵值

B1C1C2C3———C11.002.584.22———C20.181.001.67———C31.260.441.00———B2C4C5C6C7C8C9C41.000.570.951.050.146.18C51.431.000.680.930.241.04C62.652.061.000.790.860.95C73.251.590.981.003.070.71C81.850.731.251.131.000.18C93.233.254.221.564.441.00B3C10C11C12C13C14—C101.000.760.220.134.28—C111.311.000.290.175.33—C124.543.431.000.354.56—C137.865.822.841.003.10—C141.221.340.571.831.00—

2.3 单一准则下因子相对权重

依据模糊综合层次评判法，需要依据判断矩阵的合成权重向量来评价。针对判断矩阵D，具体计算步骤为：首先计算最大特征值λmax； 然后，计算特征向量W，也就是说DW=λmaxW，最后，对W进行归一化处理，使得∑Wi=1成立，那么，所得到的Wi就是这些因子的权重。

一般来说，主要采用根法计算λmax和W，具体流程如下：

(1)求出判断矩阵Di中各行的所有要素的几何平均值：

(1)

(2)求出权重向量Wi：

(2)

(3)求出最大特征值λmax：

(3)

(4)判断矩阵的一致性：

如果所考虑因素过多，可能会使所得判断矩阵难以符合一致性，为了避免这种情况就会采用一致性检验：

CR=CI/RI

随着人们对畜产品质量要求和需求量的日渐提高，畜牧养殖业从业者开始提高对动物疫病监测工作的重视程度，并且监测质量在逐渐提高。进行动物疫病监测在动物疫病防治控制中的作用的全面探索，实现动物疫病监测工作开展的科学性的有效提升，进一步推动我国动物疫病防治工作的顺利开展，使我国的畜牧养殖业的整体发展获得更加广阔的发展空间和更加理想的发展前景。

(4)

式中，CI为一致性指标，按式(4)计算，RI是平均随机一致性指标，可依据表5-3查得。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

如果判断一致，就会有CR=0。一般情况下，只要求CR<0.1。

由以上资料，可计算出南宁地铁车站的模糊综合层次分析法中的各因子权重，并进行一致性检验，所得结果见表5。表中所得判断矩阵都符合CR<0.1，符合一致性检验的要求。

表4 平均一致性指标

矩阵阶数RI30.5240.8951.1261.2671.36

表5 相对权重计算结果

矩阵WiλimaxCRA(0.179, 0.225, 0.596)3.7570.0332B1(0.1777, 0.3391, 0.4832)2.2500.0105B2(0.384, 0.106, 0.110, 0117, 0.0 48, 0.235)2.8960.0173B3(0.136, 0.027, 0.136, 0.210, 0.609)3.5410.1023

2.4 抉择评判集

根据地铁车站的现实条件以及资料整理情况，可将依据模糊综合层次分析法考虑的地铁车站火灾风险等级中的所有因子界定为5个等级，设立抉择评判集V={V1，V2，V3，V4，V5}={Ⅰ， Ⅱ， Ⅲ， Ⅳ， Ⅴ}，并对其进行量化处理，即可得到量化的评价等级，见表3所示：

表6 评价等级量化表

等级ⅠⅡⅢⅣⅤ描述轻微较轻微中度较危险危险量化值54321

2.5 评价指标隶属函数(度)的确定

各个因子和各对象之间的关系由隶属函数(度)fij展现。依据各因子所去隶属函数的不同，可分为二次下降抛物形，尖形分布等等，如图2所示。

图2 隶属度函数分布曲线

其中，

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2.6 火灾风险等级模糊层次综合评判

本文依据模糊综合评判法建立了有关地铁车站火灾风险等级评估的二级评判模型，具体评判流程如下：

(11)

其中，i=1， 2， 3， 4； 与i相对应，n分别取5， 3， 4， 4。

(2)再确定权重向量WBi，进行一级模糊综合评判：

Bi=WBiRi=(b1,b2,b3,b4,b5)

(12)

表7 评价指标量化表

车站指 标C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C13C1413.74.13.63.43.72.93.43.82.42.93.24.64.33.7

式中，i=1， 2， 3， 4； 为尽可能考虑全部因素的影响，选定模糊算子为M(·，+)。

(3)组合所得单因子综合评判结果Bi，得到二级评判矩阵R：

R=(B1,B2,B3,B4)T

(13)

(4)通过加权平均型模糊运算处理所得二级评判矩阵R以及权重向量WA：

A=WAR=(a1,a2,a3,a4,a5)

(14)

(5)集化处理所得二级综合模糊评估向量A可得综合评估值A*:

(15)

式中，VT为抉择评价集评分向量V={5， 4， 3， 2， 1}的转置矩阵。

3 算例分析

3.1 背景介绍

南宁轨道交通1号线于2016年12月正式运营，运营开通时间短，尤其是朝阳广场站等人流集中、地面交通状况差，站内设有物业层，且站内的实施设备较多。地下站台与展厅仅靠2个楼梯和一个扶梯。根据广西市政府规划，到2020年，南宁市区轨道交通占公共交通的比例将达30%； 为确保地铁火灾疏散及救援，可根据本文所提车站火灾等级评价模型的基础上进行火灾预测研究，让车站消防和主管消防部门建立各车站火灾疏散及救援差异化处置预案。

3.2 模糊综合评价

表8 地铁车站一级模糊综合评判结果向量

一级评估向量车 站B1(0.269, 0.658, 0.474, 0.177, 0.236)B2(0.486, 0.835, 0.461, 0.186, 0.128)B4(0.535, 0.859, 0.365, 0.139, 0.0139)

4 结论

本文是对广西地铁车站火灾风险等级评价建立的采用模糊层次综合模型进行评估并对层次分析法和模糊评判法在实际工程中的应用进行分析讨论，得到结论如下：

(1)通过层次分析法以及模糊综合评价法建立的评价体系能够对车站潜在的火灾危险进行评估并尽可能考虑所有因子对车站火灾的影响。

(2)各因子和其所属对象的关系，可通过隶属函数来刻画。这种方法科学、合理，并且极可能较少评判中主观因素的影响，因此所得评价结果具备较高的可信度。

(3)模糊层次综合评判法有固定的计算步骤，易程序化实现。可为地铁车站消防和主管消防部门建立各车站火灾疏散及救援差异化处置预案、提高地铁车站的运营管理水平、科学进行火灾疏散及救援研究具有一定指导意义。