基于层次分析法的轨道交通消防系统安全研究

魏茜茜

(1.安徽理工大学，安徽 淮南 232001；2.淮南职业技术学院，安徽 淮南 232001)

1 城市轨道交通消防系统安全的现状综述

从全世界范围来看，自从城市轨道交通产生以来，轨道交通事故中发生频率最高、带来损失最大的事故类型是火灾事故。城市轨道交通系统在建设和运行过程中可能存在诸多的危险因素。但是，如果按危险系数来排序的话，在众多危险因素中，火灾的危险程度最高，一旦发生，可能会带来不可预测的后果和损失，尤其对于大多数处于地下的城市地铁来说是如此。所以，对于以地铁为主的轨道交通来说，消防安全的价值凸显出来了。

从工程学意义上而言，城市轨道交通的建筑特别是地铁极其附属工程，属于地下工程范畴。同时，地铁的诸多建筑工程之间在空间上连续性强，防火分隔困难，由于其特有的原因，出入口相对较少。地下建筑被厚厚的钢筋混凝土和岩土包围，出入口较少，造成排烟困难，散热慢。在这种情况下，一旦发生火灾，又会造成高温高热全面燃烧，人员疏散困难，扑救困难，容易造成较大范围的群死群伤，经济损失巨大，社会影响严重。因此，预先研判发生火灾的主要因素，对火灾风险进行有效防控，做好消防安全管理是预防火灾的有效路径，也是城市轨道交通运营单位消防安全管理的重要工作。

目前，城市轨道交通运营单位消防安全管理工作所采取的措施多停留在对之前工作经验总结，以及简单的消防设施检查等层面上，部分管理方式已经不能达到预期效果。与此同时，轨道交通中部分管理人员和乘客的消防安全意识薄弱，也是影响城市轨道交通运营过程中火灾风险的因素之一。这些都需要进一步采取科学合理的措施进行改进，基于此，本文运用层次分析法对北京某线地铁消防安全进行深入分析和研究，通过对各影响因素之间的权重进行比较，从而科学推导出影响消防安全风险的主要因素，为制定有可靠性和针对性的安全管理措施提供参考。

2 层次分析法的内涵和模型构建

层次分析法是美国匹兹堡大学数学系教授萨迪为了解决运筹学领域的计算和分析问题，在20世纪70年代中期提出的一种基于定性和定量相结合的，系统化、层次化的分析方法。它把一个复杂问题的各项指标因素在基于各个指标因素之间的关系基础上，分解为若干有序次级层次，每个层次中的元素具有大致相等的地位，层次之间按隶属关系在具有内在逻辑一致性基础上建立起一个有序的递阶层次模型。在递阶层次模型中，按照对一定客观事实的判断，对每层中元素的相对重要性以定量的形式加以反映。然后，利用数学方法计算每一层次的判断矩阵中各指标的相对重要性权数，最后，通过递阶层次结构内各层次相对重要性权数的组合，得到全部指标相对于目标的重要程度权数。其基本步骤如下：建立递阶层次结构—两两比较—构造判断矩阵—确定权重集—进行一致性检验。

2.1 构建层次模型

所谓层次模型的构建过程就是找出模型与所要研究对象之间所具有的共同特征，在建立模型的时候尽可能多地以研究对象的实际特征作为参考依据，因而出的研究结论更符合研究对象的实际情况，更加科学合理更具有说服力。层次模型构建的第一步就是对模型的研究对象做出总体的分析判断，将具有某些特征的因素进行归类分析。

2.2 构造判断矩阵(成对比较)

在层次模型之中，各个层次和各个因素之间，不可能都一致，这就需要将各个层次和因素划分等级，确定权重比。不同的学者可能会提出基于其视角的方法，目前比较受大多数学者认可和接受的是Saaty等人提出一致矩阵法。这一方法的关键就是不把所有因素放在一起比较，这样就避免了混乱和复杂化，而是两两相互比较，采用相对尺度进行衡量，以尽可能减少性质不同，差异比较大的诸因素相互比较过程中带来的困难，以提高准确度。

表1列出Saaty给出的9个重要性等级及其赋值。按两两比较结果构成的矩阵称作判断矩阵。判断矩阵具有如下性质：

表1 比例标度表

判断矩阵元素的标度方法如下：

2.3 影响因素的层次单排序及其一致性检验

影响因素的层次单排序需要进行严格的计算，在得出比较精确的计算结果之后，再进行一致性的检验，只有如此，才能够保证结果的可靠性和准确性。对应于判断矩阵最大特征根λmax的特征向量，经归一化(使向量中各元素之和等于1)后记为W。W的元素为同一层次因素对上一层次因素某因素相对重要性的排序权值，这一过程称为层次单排序。能否确认层次单排序，则需要进行一致性检验。其中，n阶一致阵的唯一非零特征根为n；n 阶正互反阵A的最大特征根λ≥n。当且仅当λ=n时，A为一致矩阵。由于λ连续的依赖于aji，则λ比n大得越多，A的不一致性越严重。一致性指标用CI计算，CI越小，说明一致性越大。用最大特征值对应的特征向量作为被比较因素对上层某因素影响程度的权向量，其不一致程度越大，引起的判断误差越大。因而可以用λ-n数值的大小来衡量A 的不一致程度。定义一致性指标为：

CI=0，有完全的一致性；CI 接近于0，有满意的一致性；CI 越大，不一致越严重。

在上述计算过程中，CI的大小就需要衡量，为衡量CI 的大小，引入随机一致性指标 RI：其中，随机一致性指标RI和判断矩阵的阶数有关，一般情况下，矩阵阶数越大，则出现一致性随机偏离的可能性也越大，其对应关系如表2：

表2 平均随机一致性指标RI标准值(不同的标准不同，RI的值也会有微小的差异)

考虑到一致性的偏离可能是由于随机原因造成的，因此在检验判断矩阵是否具有满意的一致性时，还需将CI和随机一致性指标RI进行比较，得出检验系数CR，公式如下：

一般地，如果CR<0.1 ，则认为该判断矩阵通过一致性检验，否则就不具有满意一致性。

2.4 影响因素的层次总排序

层次总排序是指某一层次所有因素对于最高层(总目标)相对重要性的权值，该权值可以反映出某一因素在总体中的位阶。这一过程是从最高层次到最低层次依次进行的层次总排序及一致性检验，大量的实践证明，这种方式是可以得到比较稳定和可靠的结论的。

表3 层次总排序表

说明：

(1)A为上一层次(高的层次)，B为当前层次。

(2)a1,a2,a3……am为A层次的总排序权重。

(3)b1j……bnj是B层对Aj的单排序权重。

(4)从最高层到最底层。

现求B层中各因素关于总目标的权重，即求B层各因素的层次总排序权重b1,b2……bn。就按照上图中的方法进行计算。

然后对于层次总排序也要进行一致性检验。设B层中与相关的因素的成对比较判断矩阵在单排序中经一致性检验，求得单排序的一致性检验指标为CI(j),(j=1, …,m)，相应的平均随机一致性检验指标为RI(j)(CI(j)。RI(j)已在层次单排序时求得，则B层总排序随机一致性检验指标比例为：

当CR<0.10，认为层次总排序结果具有较满意的一致性并接受该分析结果。

可以将上述步骤进行如下总结：

(1)在做好相关准备工作之后，设计可行的方案，进行构造方案层矩阵、准则层矩阵。

(2)在方案层矩阵、准则层矩阵构造完毕之后，就可以进入到具体的计算步骤之中，计算准则层矩阵特征向量、特征值，计算出结果之后，应进行准确的记录。

(3)在前一步骤计算的准则层矩阵特征向量、特征值当中，选取最大特征值，将对应特征向量归一化作为权重W0，然后对其进行分析，计算进行一致性检验，将检验结果准确记录。

(4)按照前面三个步骤，计算每一个方案层矩阵的特征向量、特征值，并进行准确的记录和数据保存。

(5)将上述计算并保存的每一个特征向量、特征值进行进一步计算，计算每一个方案层矩阵的权值、一致性指标，合起来作为W1，cr1进行一致性检验。

(6)进行矩阵与列向量的矩阵乘法运算，运算之后得到的结果即为权值，将这些权值按大小排序即为选择优先度，权值和优先度成正相关的关系。

2.5 影响因素的重要度评判

对通过一致性检验的权重结构进行深入分析，采取专家评审法对各个因素的权重的重要程度进行确定，排序。然后根据各个因素的重要程度和排序进行逐一分析，并作出妥善的安排。最后对准则层的所有影响因素提出相应的措施办法，将这些影响因素进行有效控制，降低事故发生的概率，争取避免事故的发生；如果事故发生了，必须在最短的时间采取积极有效的措施，尽可能减少事故带来的损失，从而将事故可能造成的损失及影响降到最低程度。

3 实例的研究评价

3.1 地铁消防的安全指标体系

2020年3月北京地铁官网显示，北京地铁1号线全长31.04千米，共设23座车站和2座车辆段。截至2018年11月，北京地铁1号线日均客流量超过120万人次。

以北京市某线地铁运营做为研究对象，建立消防安全的层次结构模型如图1所示。在该模型中地铁的消防系统的安全是目标层，它是由准则层人员、设备、环境和管理四大要素所决定的。其中人员的指标层包括工作人员由于疏忽大意的违章操作、用火时注意度不够、乘客携带易燃易爆等危险品在安检时没有检查出来而上车、在城市轨道交通车站吸烟、人为纵火等因素；设备的指标层主要有电气设备故障、电气线路短路、过热、超负荷等。

图1 北京市某线地铁消防安全评价指标体系

环境的指标层包括城市轨道交通内部通风不畅、隧道散热不良、隧道内漏水、地上湿气不易排出而导致的空间湿度大等；管理的指标层主要由轨道交通的从业管理人员对火灾事故应急处置措施掌握不熟练、不全面、整体协作能力不强、安全操作规程没有得到熟练细致的实施、用火用电制度不健全，不能保证对已配备的消防设施定期检测等因素。

3.2 构造判断矩阵

采用多位资深专家打分方法对所构建的层次模型进行比较打分，根据专家自身丰富经验和专业知识对城市轨道交通地铁消防安全指标进行综合评价,将各因素重要程度两两比较得出结果，从而将该结果作为构造判断矩阵的依据。

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

用相同的方法可以将其他几个准则层与指标层A-B之间的判断矩阵列出来，这里就不一一列举了。

3.3 各因素相对权重的计算

判断矩阵最大特征根及其对应特征向量的求法和积法

根据上述原理和步骤现将矩阵

2)计算特征根λmax=4.02

3)一致性检验与权重排序

4)对所得结果进行一致性检验

因此该矩阵通过了一致性检验，具有科学性和合理性。同理，可以将用于城市轨道交通消防安全评价指标应用相同的方法与原理进行一致性检验和计算。

通过对所求结果的一致性检验可知，本次采用的层次分析法对北京市某线地铁的消防安全评价指标体系进行构造和分析的判断矩阵符合一致性要求，由此可见此次通过专家打分的方法构造的判断矩阵也是可以接受的，具有一定的科学性和合理性。所以由此得出的地铁消防安全评价指标体系中各因素之间的相对权重值也是客观公正合理的。下面将对消防安全评价指标体系中的各个指标所占的权重列表进行总排序如表4所示。

表4 消防安全评价指标体系中各因素权重值

3.4 结果分析

由表4可以看出各个指标权重大小及排序，总结出人的不安全行为是造成消防安全隐患的主要因素，其次是系统里的各种电气设备和电气线路过载、故障、短路是造成消防安全隐患的重要因素。其他因素则是次要因素。

4 城市轨道交通消防系统安全完善路径

根据基于层次分析法对北京市某线地铁消防系统安全评价指标体系的原因分析和相关经验总结，城市轨道交通消防系统安全的完善可以从以下几个具有针对性的对策着手和努力。

首先，人是关键因素。人在城市轨道交通消防系统安全完善过程中起着关键因素。任何设备以及相关的系统，都需要人来进行操作，因此，可以说，人是第一位的因素。人员的不安全行为是造成消防安全事故的主要因素，主要表现在员工自身的安全意识不强，安全知识缺乏。所以，加强消防系统安全必须首先着眼于人，树立从业人员的消防安全意识，加强安全教育和安全业务技能培训提高。

其次，物是主要因素。城市轨道交通系统中消防系统相关设备我们称之为物，物的不安全状态是引发消防安全风险发生，造成消防安全事故的重要因素，主要是由各种电气设备、电气线路的老化、过载、短路、故障引起的相关事故。从安全的角度考虑，相关部门必须提高设备的安全性能和报警功能及时发出警示提示，定期对物进行巡检巡查，及时发现不安全状态，将危险消灭在萌芽状态，减少火灾事故的发生概率。

再次，长效机制的构建是保障因素。从管理学视角而言，只有合理的制度和长效的机制方能有效规范人的行为和物效用的发挥，从而达到预期之目的。城市轨道交通消防系统安全的完善亦是如此，城市轨道交通的运营单位必须建立消防安系统安全治理的科学合理的制度，建构符合其发挥作用的机制，并保证制度实施，机制运行，如此，方能达到有效长久完善城市轨道交通消防系统。