消防救援虚拟演练风控数值溯源分析仿真

高德君，戚张豪

(华东理工大学，上海 200237)

1 引言

消防人员主要职责是抢救灾害、救护工作以及为民服务等，同时也是这个世界上和人民关系最为紧密的高危职业之一。消防人员是政府成立的救火救人团体，负责消除火灾以及救护的服务，并参与其它救援任务。一旦出现救援任务，消防救援人员往往存在极大的危险，甚至是有可能失去生命。所以平时需要不断的锻炼特殊体能、心理素质以及技能等自身条件，来适应各种危险、多变和复杂的场景，以最短的时间、最快的速度来实行救援活动。为了测试平时的训练成果，需要通过虚拟演练的方式来进行考核[1]。

虚拟演练的系统，包含两种训练方式：预案训练模式以及突发事件的训练模式。其中预案训练模式是指对受训者按照一定的预案规定内容，来各司其职，按照整个方案完整地执行救援活动；突发事件的训练，是指在训练的过程内，通过系统操作人员进行干预的操作，例如：突然改变风向、设计一次爆炸等，来观察救援人员对突发事件反应以及指挥能力的表现[2]。虚拟演练的子系统主要包含6个模块：场景任务设置模块、数据查询模块、角色训练模块、训练控制模块、记录/编辑模块以及考核模块，每个模块都有其自身的作用，但主要目的都是为了增强消防救援人员自身的技能，来降低消防救援时的风险。对风险把控得当，就能够使危险降至最低，追溯风险的本源，是风险把控的最有效办法[3]。为此本文提出一种消防救援虚拟演练风控数值溯源分析仿真，通过模拟消防救援时所产生的火灾，分析所产生的烟尘，来对风险数值控制进行调整降低，最大程度分析各类因素，保证消防人员在救援的过程中的安全状态。

2 消防救援虚拟演练

2.1 烟尘模拟

为了真实有效地对现场火灾内的烟尘模拟，把三维渲染与FDS数据结合，这两者就能够精确地对真实烟尘进行模拟[4]。

其中FDS数据把单位空间划分成热物性质的小体积网络，然后划分数据内时间，使其变成多个时间段，随时可以得到时间段内的每个网格烟尘密度。在对烟尘进行模拟时，三维网格作为渲染元素，主要功能是在VR平台内，遵循FDS数据网格的创建，而体素中不透明度的数值，能够在归一化网格内获取烟灰密度，可以代表烟尘所引起的低能见度。具体归一化的公式如下

(1)

式(1)中：a表示归一化单位区域内烟灰密度值，具体范围是0～1之间，而值越大透明状态就越低，因此能见度就越低。Ds表示对应网络烟灰密度，Dsmax表示烟灰密度的最大值。在三维渲染的过程内，每个时间段内不透明的网格值，都通过烟灰密度来完成动态调整。利用此方法，能够准确地对动态烟尘模拟，所演变的过程，可以在消防模拟演练的系统内完成可视化[5]。

2.2 烟尘危害分析

烟尘的危害主要包含热量以及毒性，毒性是许多气体进行综合所用所导致的结果，在30min的暴露期间，能够利用FED完成评估，评估结果通常会出现6种综合毒性的气体。

假设[Ci]表示30min时间内暴露期间平均的空气浓度值(%)，则表达式为

(2)

式(2)中：(x，y，z，t)表示第i种气体空气浓度的函数。其中变量c和d分别表示路经开始点以及结束点，全部空气浓度都能够利用FDS数据获取。dt表示CO与CO2联合毒性的效应因子。而在暴露30min以后，能够引起单位区域内50%生物死亡气体，其中[Ci]值越高，烟尘的毒性就会越强，而在[Ci]是1时，烟尘的毒性死亡率就会非常高[6]。

烟尘的热危害含有辐射与对流，在暴露期间中，FED热量分数的剂量能够采用对流与辐射分数和计算得到，具体公式为

(3)

式(3)中：Δt表示时间段间固定的时间间隔。tr表示辐射热量所引起的失能时间(min)，tc表示对流热量所引起失能时间(min)，而温度T能够从FDS的仿真内获取，具体公式为：

(4)

辐射热量所引起的失能时间tr(min)，具体辐射q能够从FDS内获取，具体公式为

(5)

而Fh越高，则热危害就越严重，在Fh是1时，那么烟尘的热量能够致命[7]。

烟尘的热量以及毒性造成的伤害机制是不相同的，不过暴露的时间都能够致命，所以取[Ci]与Fh二者最大值作为烟尘危害的最终评估结果[8]。

3 消防风控溯源分析

3.1 确定指标权重

3.1.1 主要成分指标的客观权重

1)基本原理

主要成分分析内，把随机向量X=(x1，x2，…，xm)T经过正交变换来转换成新的随机变量U=(u1，u2，…，um)T，致使指向m个正交的方向，而主要成分yi方差λi完整刻画yi的反映目标X能力，这说明方差越大，则指标的贡献就越大[9]。

2)权重模型构建

如果指标数量是m个，那么现在依据资料获取k个指标n组数据，就是n个样本。具体初级权重的模型公式为

(6)

式(6)中：F1，F2，…，Fn表示分析之后获取的m个主要指标，umn表示样本矩阵内系数。

以此作为基础，所构建的综合评价函数公式为

κ=λ1+λ2+…+λm

(7)

式(7)中：a1，a2，…，am，就是指标w1，w2，…，wm经过主要成分所分析的重要程度。

U=(u1，u2，…，um)T

(8)

3)步骤计算

第一步：选取n个样本，来对样本m个指标完成分析，即可得出样本矩阵，具体如下所示

(9)

式(9)中：xnm表示第n组的样本数据内第m个指标值。

第三步：将Y完成标准变换，获取标准化的矩阵，具体公式为

(10)

4)对矩阵Z相关系数进行计算，即

(11)

5)将|R-λIm|=0特征值进行求取，即能够得出m个特指值λ1≥λ2≥…≥λm≥0。

3.1.2 确定群体层次的指标主观权重

经过群体层次的分析方法，来确认风险指标主观的权重，而所谓群体的层次分析方法，就是许多专家依据给定权重标度来对风险指标完成重要度的标识，能够得出专家对于风险矩阵的判断。具体AHP(Analytic Hierarchy Process，层次分析法)法指标权重[11]，如表1所示。

表1 指标权重的标度

经过对数回归来确认风险的指标权重，其主要的思想就是来判断矩阵对数的误差平方和最小。即公式为

(12)

(13)

(14)

(15)

通过对这些风险溯源分析，来追寻风控总源头，从根本上分析火灾救援中所面临危害的根源，可降低甚至清除可能出现危险事故[12]。

3.2 风控溯源指标体系

风控溯源指标，可以全面反映虚拟烟尘模拟的特点，构建指标要从全局的角度进行出发，系统分析风险根本因素，以此构建健全的完整体系指标。构建的体系指标要以服务消防风险来作为评估目地，溯源指标就是消防工作以及风险提炼和总结，而指标的合理性，也决定消防风险的评精确性，假如指标的叙述出现歧义或者是不精确，那么就会造成风控管理人员意见出现不一致情况，致使风控的评估出现偏移甚至是违背实际情况，由此说明，精确简单的风控指标，能够使风控管理人员便于操作以及把握，使其意见统一，集中对关键风险进行把控。

4 仿真分析

构建三维虚拟空间时，要支持网络化虚拟协同消防救援和多模式演练消防救援平台，通过以上标准评论模型，来评价虚拟消防演练，以此获取客观、精准以及较为全面的结果。

4.1 权重向量计算结果

经过对企事业单位、消防安全的专家以及消防管理用户的调研，在对实验数据以及实际演练进行分析，利用溯源分析法，精确了评价指标的取值，构建判断矩阵，具体矩阵公式如下所示

(16)

当获得评价指标第一层的判断矩阵以后，因求权重的特征向量和，所计算出的最大特征根值以及近似特征向量，经过一致的检验以后，主观的估计权重是

W0=(0.106，0260，0634)

(17)

4.2 标准评价

虚拟消防救援的演练标准评价，可以分成3个层次，20多个评价标准，构成评价指标集。通常为较差、差、一般、良好、优秀，5个等级标准。而评价指标集为U={C1i，C2j，C3j}(i=1，2，3，4；j=1，…，8)，等级集V={优秀，良好，好，一般，差，较差}。根据现实情况，同时考虑未来发展的情况，与专家的评分指标进行结合，来确认定量和定性的评价隶属度。

在经过公司、医院以及学校等许多不同的单位，完成100次虚拟消防救援的演练。通过收集演练所获得的数据，来分析指标的评价结果。

根据加权算法均匀规则，来对标准评价的向量进行归一化，并且依据评价等级表(如表2所示)进行对比。

表2 等级分数表

通过表2来观察虚拟演练的情况，演练结果具体如表3所示。

表3 标准评价演练结果

经过上述实验计算证明：根据演练平台B1的角度进行观察，该次模拟的火灾模型以及演练场景都非常合理。而从消防部门来评价B2进行观察时，这一次实际演练水平一般，在某些方面有所欠缺，要加强实际指导以及现场进行监督，当从企事业的单位演练结果B3观察，这次演练的成绩一般，以此说明日常的训练有所不足，所以平时要加强锻炼。最后从评价A进行观察时，该次演练评价结果是一般等级，所以消防救援的演练平台，还需要继续优化改进，同时消防管理部门还要加强监督，演练单位还要加强对于薄弱环节的锻炼，考虑到有可能出现的突发情况，在源头就避免出现可能造成危害的状况。

5 结束语

本文方法通过模拟演练，能够很好地对消防救援人员风控数值进行观察，以此来追寻风控的本源。通过源头分析风险，降低火灾现场有可能出现的突发情况，以此保证救援人员安全。未来发展的方向在于需要模拟更多的灾害、场景以及突发事件，从平时的虚拟演练中，发现危险的本源，进行清除。