基于AHP-模糊综合评价法的消防服环境适应性评价

操 凯,刘小勇,王 祥,兰明强,李亚运,郭 贤,宋舆涵

(1.安徽建筑大学 机械与电气工程学院,安徽 合肥 230601;2.清华大学合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601)

个体防护服装的功能、性能发挥和环境条件有较大关系。同样用途的防护服装,会因为使用环境的差异出现不同的功能要求[1]。南方高温潮湿、北方极端寒冷、高原空气稀薄,许多情况下,防护服装都受使用的温度范围、湿度范围等条件限制[2]。在复杂的灾害环境下使用防护服装,很可能会出现不能使用或者服装性能下降的情况。消防部队是发生森林火灾、燃气泄漏、爆炸等事故时应急救援的主力军[3]。消防服作为保护灾害救援人员生命安全的最后一道防线,其各项防护性能的可靠性是十分重要的。宗艺晶[4]提出了对消防服多层织物系统热湿舒适性的评价方法。马春杰[5]研究了相关环境因素对消防服织物性能的影响。刘林玉[6]研究了对于消防服多层织物热防护性与舒适性的综合评价。前人对于消防服单一环境下的研究较多,而在实际救援活动中,消防人员所在的救援环境通常并不是单一的极端恶劣环境,往往面临的是高低温条件、强风暴雨等多种复合灾害环境[7]。同时,前人对于消防服的环境适应性评价研究较少。因此,对消防服进行灾害环境下的环境适应性评价是非常有必要的。笔者运用层次分析法(AHP)和模糊理论相结合的方法,构建高低温环境下的消防服环境适应性评价指标体系模型,通过AHP由专家确定指标权重,再使用模糊综合理论来完成消防服环境适应性综合评价[8-9],并将该模型运用到评价某一品牌消防服的高低温环境适应性上,以期为消防服的性能改良提供依据。

1 评价方法和指标体系

1.1 评价方法和流程

评价方法和流程为:①提炼消防服环境适应性关键性能指标,构建评价指标体系;②利用层次分析法对评价指标体系进行权重分析和确定;③利用模糊综合评价,从上到下依次进行逐层评价;④获得评价目标的综合性风险等级,评价其环境适应性。

1.2 构建评价指标体系

依据标准《GA 10-2014 消防员灭火防护服》、《GA 770-2008消防员化学防护服装》和《GA 634-2015消防员隔热防护服》中防护服检测指标[10],结合大量防护服高低温环境适应性实验结果筛选出受高低温环境影响较为严重的参数进行分类,保证防护服环境适应性指标具有客观性、公正性、科学性,最终形成消防服高低温环境适应性评价指标体系,如图1所示。

图1 消防服环境适应性评价指标体系

(1)完备性。外观作为服装的一项基本属性,是服装完备性不可或缺的一项重要指标。不同尺寸满足不同体型个体可穿度和舒适性的要求。战时消防员多处于恶劣的意外灾害环境下,消防服难免会受到一定程度的拉扯作用,因此抗拉性能也应作为消防服完备性的一项重要指标,以保障消防服满足其功能性的要求。纺织品撕破强力是常见的物理性能之一,也是生产生活中各种纺织品的必要检测性能,反映消防服材料在战时特殊环境下抗撕耐破的程度和水平。断裂强力反映在恶劣环境下消防服的抗断耐裂的程度和水平,也是消防服完备性的重要指标。

(2)功能性。热性能是反映消防服功能性的关键因素,包括隔热性能、耐热性能和阻燃性能。热性能作为保卫消防员生命安全最后防线的重要功能指标,是区分普通服装和功能性消防服的重要因素之一。消防服作为消防员战时功能性服装还需要满足防水透气性能、防静电性能、耐静水压性能和耐腐蚀性能。

(3)保障性。结构协调性能反映消防服手臂、腰部、大腿等各部分结构的灵活与协调程度,判断是否适于消防员战时特殊活动需求。消防员常工作于光线较暗的火场等恶劣救援环境当中,消防服的反光可见性能的好坏反映消防员活动踪迹的可快速追踪效率,成为消防服保障性的一项重要指标。

2 AHP-模糊综合评价法

2.1 确定评价因素集

将消防服环境适应性评价指标作为模糊综合评价的因素集,建立递阶层次结构模型,其中U={U1,U2,U3},分别表示一级指标完备性、功能性和保障性,其中U1={U11,U12,U13,U14,U15},U2={U21,U22}={U211,U212,U213,U221,U222,U223,U224},U3={U31,U32}。

2.2 基于AHP确定权重

按照已建立的评价指标体系,依据各指标的重要性,采用1～9标度表(如表1所示)比较各指标的重要程度,形成判断矩阵,再用方根法计算各元素的相应权重,经计算每个判断矩阵随机一致性比率CR均小于0.1,表明通过随机一致性检验,最终得到各指标权重。

表1 1～9标度表

2.3 确定综合评价的评语集

对于某个问题,根据其评价情况和评价需求将其划分等级。将评价结论划分为4个等级,即V={V1,V2,V3,V4}={优,良,中,差}={90,70,50,30}。

2.4 单因素评价

通过专家调查法或者其他方法列出隶属度,设有y个专家参与评价,对因素集Ui={Ui1,Ui2,…,Uin}按照评语集V={V1,V2,V3,V4}进行评价,统计得到各个因素评语为vk的专家人数占所有专家总人数的比例,即可得各个因素对评语等级vk的隶属度rjk[11],从而得到模糊综合评价矩阵Ri。

(1)

2.5 建立综合评价模型

模糊综合评价分为单层次评价和多层次评价,本文的指标体系有3层指标,因此需要使用多层次模糊综合评价。

(1)一级模糊综合评价。在上述基础上,可以得到指标集中每个Ui的权重Ai和模糊评价矩阵Ri,将两者相乘得到一级模糊综合评价结果Bi(i=1,2,…,N),进而得到U的一级模糊评价矩阵R=(B1,B2,…,BN)T。

Bi=Ai·Ri=(a1,a2,…,an)·

(2)

(2)多级模糊综合评价。将得到的一级指标权重A和一级模糊评价矩阵R相乘可得到U的模糊综合评价结果B。

B=A·R=A·(B1,B2,…,BN)T=

(b1,b2,…,bm)

(3)

(3)计算综合评价值。基于模糊综合评价结果B,并结合评语集V对应的数值,由式(4)算出综合评价分值P。根据综合评价分值确定对象所属的评价等级,给出评价结论。

P=V×B

(4)

3 案例分析

为验证所提评价体系的合理性,选取某一品牌型号的10套消防服进行试验(如图2所示),为了排除个例的影响,选取4套未作任何预处理作为空白对照组,3套进行高温70℃存放2 h处理,3套进行低温-20℃存放2 h处理,然后分别进行功能性验证。实验预处理情况如图3所示。

图2 消防服样品

图3 环境舱中温度处理

以验证高温环境对消防服的整体热防护性能的影响为例开展实验。实验利用燃烧假人测试系统,通过皮肤烧伤模型评估热消防服在高温预处理前后的整体阻燃热防护性能变化来研究高温对防护服的整体热防护性能的影响。设置环境温度为24.2℃,环境湿度为61%RH,火焰平均热流密度为81 kW/m2,火焰平均热流密度热流标准差为17.21 kW/m2,数据采集持续时间为120 s,轰燃时间为2 s,假人除头盔未覆盖,其余均覆盖。实验测试数据如表2所示,可知高温预处理前后消防服经过2 s火焰测试后服装烧毁情况基本一致。经假人皮肤烧伤预测结果可知,高温预处理后服装产生的烧伤区域及烧伤程度略大于未经过高温预处理的服装产生的烧伤区域及烧伤程度。由此可见,此款消防服在70℃高温环境下处理2 h后,经2 s火焰测试,服装热防护性能略微有所衰减。

表2 高温预处理前后消防服性能实验数据

最后,依据试验数据对该消防服高低温环境适应性进行评价。采用层次分析法对消防服各指标参数进行权重计算形成权重矩阵,然后采用模糊综合评价法对该品牌型号的10套消防服试验结果进行分级评价形成评价矩阵,从而计算得到该防护服高低温环境适应性评价结果。

3.1 指标体系权重计算

综合专家意见,基于层次分析法得出各个指标权重,如表3所示。

表3 消防防护服环境适应性评价指标权重

3.2 建立单因素评价矩阵

通过对各评价因素的分析,选取某品牌消防员灭火防护服10个样本进行实验,并对各样本的参数进行评价,采用表格的形式对10个样本的评分情况进行统计,得到各个因素的各个评分的频数,即为各评价因素对重要等级的隶属度[12-13],如表4和表5所示。

表4 各二级指标的隶属度

表5 各三级指标的隶属度

3.3 模糊综合评价

将得到的权重向量和评价矩阵相乘,计算得到热性能、其他性能的评价结果。利用式(2)计算出各一级模糊评价结果:

B21=[0.421 1 0.318 3 0.118 3 0.142 4]

B22=[0.237 4 0.293 0 0.316 1 0.153 5]

进而,依次计算出各二级模糊评价结果Bi和三级模糊评价结果B:

B1=[0.300 2 0.291 1 0.243 5 0.119 7]

B2=[0.366 2 0.310 7 0.177 4 0.145 7]

B3=[0.4 0.4 0.1 0.1]

B=[0.356 3 0.314 8 0.183 5 0.136 6]

再利用式(4)得到消防服环境适应性评价的评价分值为:

P=B·VT=

[0.356 3 0.314 8 0.183 5 0.136 6]·

结果表明,该型号消防服的高低温环境适应性评价得分为67.664分,属于“良”等级。

3.4 消防服改良建议

消防员在救援时不仅要身着消防服,还需要背负特种救援装备,这均增加了消防员战时身体负担。在保证消防服整体防护性能的条件下,消防服整体质量的轻量化以及提高其舒适性都是消防服的重要改良方向,以期达到减轻消防员战时身体负担、增加其作业灵活度的目的。与此同时,为消防服增加更多的现代技术功能也是一个重要的改良方向,比如消防员战时定位功能、人体生理指标监测功能和有害气体的监测等,为消防员提供全面的实时信息提醒和指引,提高救援效率等。

对于该型号消防服的高低温环境适应性中较薄弱性能,分别从完备性、功能性和保障性3个方面提出建议。基于层次分析法得到完备性权重为0.194 7,功能性权重为0.717 2,保障性权重为0.088 1。因此,在改善消防服性能时应将改善其功能性作为工作重点,适当改善其完备性和保障性。

(1)完备性。完备性包含外观、性能、抗拉性能、撕破强力和断裂强力5个二级指标,其权重分别为0.035 9、0.056 1、0.161 3、0.291 2、0.455 5,故建议在改善消防服完备性时应重点改善撕破强力和断裂强力。由模糊综合评价的隶属度得分结果可知,抗拉性能得分较低,可将其作为该型号消防服性能改善的一个方向。

(2)功能性。功能性包含热能性和其他性能2个二级指标,其权重分别为0.701 0和0.299 0,故在改善消防服功能性时应特别注意重点改善其热能性,平衡适当改善其他性能。消防服作为防护性功能服装,热能性要求始终是设计开发防护服时最主要的最基本的要求。热能性包含3个三级指标,即隔热性能、耐热性能和阻燃性能,其权重分别为0.182 7、0.423 7、0.393 6,后续可利用燃烧假人开展轰然条件下消防服功能性阻燃性能整装测试等研究。同时,由模糊综合评价的隶属度得分结果可知,防静电性能和耐静水压得分较低,可将这两方面作为该型号消防服功能性改善的方向。

(3)保障性。保障性包含结构协调性能和反光可见性能2个二级指标,其权重均为0.500 0,故建议在改善消防服保障性时应同时平衡改善其结构协调性能和反光可见性能。

4 结论

(1)提出了针对复合环境下消防服环境适应性评价方法,构建了消防服风险评估指标体系,包括完备性、功能性和保障性3项一级指标及其9项二级指标和7项三级指标,较全面地反映了消防服环境适应性能。根据每个评价指标的等级确定环境行为状况,共同提高了评价的可靠性与有效性。

(2)采用AHP-模糊综合评价法对消防服环境适应性进行评价分析,运用建立的防护服环境适应性评价模型对某品牌消防服进行高低温环境适应性综合评价。并选取某一品牌型号的10套消防服进行试验,得出该型号消防服高低温环境适应性评价为“良”。

(3)根据指标权重和模糊综合评价得分,为消防服提出改良建议。为改善消防服的性能提供更加精确和全面的依据,为需要进行环境适应性评价和可靠性测试的个体防护装备等提供了一种重要思路和借鉴,具有一定的现实意义。