基于ISM与N-K模型的高校火灾多因素耦合风险分析与解耦管控

胡南燕， 李雪雪， 李玉飞， 叶义成

（1.武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉 430081；2.湖北省工业安全工程技术研究中心，武汉 430081）

0 引言

高校作为人才培养、知识传播和社会服务的重要且特殊的组成部分，也是引导社会变革发展经由“育人”而事关“国家隆盛”，因此，保护其免受火灾事故的侵袭意义重大［1］。随着社会和经济的发展，高校校园的规模在不断扩大，但高校校园安全管理能力以及对在校学生的安全教育没有随之发展，火灾事故时有发生，威胁到在校师生的生命和财产安全，从而对社会稳定造成负面影响，这也给安全管理带来了新的挑战［2］。近年来，发生多起高校火灾事故：2000年1月，美国塞顿豪尔大学发生火灾，造成3 人死亡，62 人受伤；2008年11月，上海商学院发生火灾，造成4 人死亡；2019年7月，美国内华达大学发生火灾，造成8 人受伤。为预防高校火灾事故的发生，对高校校园进行火灾风险耦合机理的探究与风险管控是非常必要的。

国内外学者针对高校校园火灾事故进行了一些研究。Meng等［3］对高校校园火灾事故的客观原因进行分析，通过对大学生进行问卷调查。了解到高校安全消防工作的薄弱环节为：消防硬件建设与管理不力、消防安全意识薄弱、应急处理规范不够完善；陈磊［4］对高校校园火灾安全管理的现状进行了研究，发现部分高校校园出现一些缺陷与不足，比如基础设施建设水平低、制度落实程度参差不齐、存在违规操作等问题；补利军等［5］从消防组织机构及制度、高校人员、消防安全管理过程、消防安全环境和消防安全疏散5 个方面构建了高校校园火灾安全管理体系，用集成决策试验、评价实验室和解释结构模型（Interpretive Structural Model，ISM）法得出高校消防安全管理影响因素间的关系。通过分析国内外学者对高校火灾的研究，可以发现以往对高校火灾事故的研究大多是对单个的风险因素进行分析并独立量化其风险值。然而，火灾事故实际发生时，火灾系统中存在多种风险因素，它们不仅单独作用，而且在火灾的不同阶段相互作用、耦合，从而扩大初始风险，甚至产生新的风险。因此，考虑单个风险因素的同时，还要对风险因素之间的耦合效应进行分析，并量化耦合效应产生的耦合效用。

现有学者对各类系统风险因素耦合机理的研究中：文艳芳等［6］基于耦合理论分析地铁隧道施工坍塌事故发生的致因因子、风险主体所处的状态、风险管理响应三者间的动态变化和作用机理，构建了地铁隧道事故坍塌风险耦合体系；黄文成等［7］在分析铁路危险品运输系统耦合风险的形成机理时引入触发器概念。将风险耦合分为单、双、多因素风险耦合3 类，并采用N-K模型定量描述系统的内部耦合关系；潘红伟等［8］在隧道事故风险分析中引入风险耦合理论，讨论了隧道事故多风险因素的耦合机制、分类和解耦原理，并采用N-K模型构建隧道风险耦合模型，展示了隧道事故多风险耦合因素之间的耦合效应；莫俊文等［9］利用系统动力学模型和耦合理论对N-K 模型进行改进，建立了铁路工程质量风险动态耦合分析模型；Guo 等［10］基于耦合理论对隧道施工安全中多因素风险的作用机理进行分析，将耦合度概念和N-K 模型引入隧道施工风险中，分析了隧道施工风险值与各风险分量之间的关联机制；Xue等［11］认为高铁项目由于其自身的特点和目标的多重性，相关性和传导性较高，因此引入系统动力学方法建立了高铁项目风险评估的风险耦合模型可以识别和减轻风险。

现有文献中大多将耦合理论用来分析隧道施工、铁路工程等领域的系统风险，对高校火灾事故风险因素耦合的相关研究几乎没有，且绝大部分没有考虑风险因素的耦合值与各子风险因素之间的关联机制。因此，以1998 ～2021年国内外发生的高校火灾事故数据为基础，采用N-K模型计算单、二、三和四风险因素耦合的风险值和排序，得到各类高校火灾事故风险因素耦合类型的排序并确定风险因素的耦合值与各子风险因素之间的关联机制；依据上述得到的耦合风险值和排序，提出一种将解耦理论和ISM模型协同的方法对子风险因素之间的关联和层次关系进行划分，对各类高校火灾事故风险因素耦合方式提出有科学地、有针对性地解耦措施，具体步骤见图1。

图1 高校火灾风险因素耦合与解耦分析步骤图

1 高校火灾事故风险耦合情景构建

1.1 基于鱼刺图的风险因素识别

从文献中选取高校校园火灾风险因素［12-15］，并基于已有的研究成果［16-18］，结合高校校园安全实际所需要考虑的目标和内容，根据2021年发布的《中国应急教育与校园安全发展报告》［19］，对风险因素加以归并、补充和筛选，构建包括人员因素、消防设施、管理因素和环境因素4 个维度的风险评价指标体系，并利用鱼刺图加以描述其因果关系，如图2 所示。

图2 高校火灾事故的风险因素

1.2 基于TSS（情景构建理论）的高校火灾事故多维度风险耦合情景构建

基于构建的鱼刺图对高校火灾事故风险因素的全面描述，利用TSS理论构建双风险因素耦合情景就是从人员因素、消防设施、管理因素和环境因素4 个维度中选择2 个进行耦合成1 个双风险情景，如图3（a）所示。在二风险因素耦合情景下，例如，选择人员因素（P）和消防设施（F）这2个维度的风险因素进行耦合，由于安全管理人员工作经验不足（P22），在日常的安全检查中未及时发现火灾自动报警系统（F12）失效等问题很可能导致火灾事故错过最佳的扑灭时间，造成事故的发生和扩大，这比单一因素的风险要高。三风险因素耦合情景就是从人员因素（P）、消防设施（F）、管理因素（M）和环境因素（E）4 个维度中选择3个耦合成1 个三风险情景，如图3（b）所示。在三风险因素耦合情景下，例如，由于管理人员的专业水平（P21）不高和工作经验（P22）不足，在消防巡检（M15）时未及时发现消防设施损坏、失效等问题，则很容易造成事故。四风险因素耦合情景就是将人员因素（P）、消防设施（F）、管理因素（M）和环境因素（E）4 个维度耦合成1 个四风险情景，如图3（c）所示。在四风险因素耦合情景下，例如由于管理人员的专业水平（P21）不高和工作经验（P22）不足，用电线路未按规定检查，在消防巡检（M15）时未及时发现消防设施损坏、失效等问题，线路老化而导致火灾发生甚至扩大。

图3 高校火灾事故多维度风险耦合情景示意图

在构建高校火灾事故风险情景时，单风险因素耦合情景表示为P／F／M／E，二风险因素耦合情景表示为PΘF／PΘM／PΘE／FΘM／FΘE／MΘE，三风险因素耦合情景表示为PΘFΘM／PΘFΘE／PΘMΘE／FΘMΘE，四风险因素耦合情景表示为PΘFΘMΘE。

2 基于N-K模型的高校火灾事故风险耦合效用度量

2.1 N-K模型

N-K函数是由进化生物学中研究基因系统的方法演变而来的一种结构化方法，该方法可以量化得出各风险因素之间耦合效应的测度值，包括了2 个重要的参数：N表示组成系统的因素数目，K表示系统中因素之间相互依存、耦合作用的数目。假设系统有N个风险因素，每个风险因素有n种不同的状态（交互方式），则总的交互组合方式（风险耦合方式）有nN种。根据风险因素能否冲破预期风险阈值并导致事故，用0-1 变量来表示这两种状态。若n＝1，则表示风险因素冲破风险阈值导致事故；若n＝0，则表示风险因素没有冲破风险阈值未导致事故。可以通过计算高校火灾风险系统中4 个维度的风险因素之间的交互信息来直接评价不同风险因素之间的相互作用、耦合形成的耦合值大小，用来衡量不同风险因素耦合的大小，耦合值越大表示该种耦合作用形式下造成的风险越大，导致事故的概率越大。交互信息的计算公式为

式中：phijk表示人在h状态下、设施i状态下、管理在j状态下、环境在k状态下，4 个维度的风险因素耦合发生的概率。ph···、p·i··、p··j·、p···k分别表示各风险因素在各种状态下的风险概率。“·”表示风险发生的状态不确定，以人员因素为例：

根据上文基于TSS法构建的高校火灾事故风险耦合情景可以确定：单风险因素耦合情景表示为P／F／M／E，二风险因素耦合情景表示为PΘF／PΘM／PΘE／FΘM／FΘE／MΘE，三风险因素耦合情景表示为PΘFΘM／PΘFΘE／PΘMΘE／FΘMΘE，四风险因素耦合情景表示为PΘFΘMΘE。

二风险因素耦合交互信息计算公式为：

2.2 案例分析

收集近年来75 例高校校园火灾事故，并统计其发生原因和频次，并计算相应的事故发生概率，结果见表1。将人员、设施、管理和环境因素的状态用0 和1 来表示，1 表示未冲破该系统预期的风险阈值没有导致事故，0 表示冲破该系统预期的风险阈值导致事故。通过公式（2）计算，单、二、三、四风险因素耦合风险概率见表2。通过式（1）和式（3）、（4）计算二、三、四因素的风险耦合值及排序见表3。

表1 高校火灾事故频次和发生概率

表2 单、二、三、四变化耦合风险概率

表3 二、三、四因素的风险耦合值及排序

经过N-K 模型的计算可知风险因素耦合值与子风险因素的关联机制：火灾事故的发生取决于风险耦合值的大小，耦合值的大小与参与耦合风险因素的数量成正比；得到的高校火灾风险耦合种类的排序为：

PΘFΘMΘE＞PΘFΘM＞PΘMΘE＞FΘMΘE＞PΘFΘE

＞PΘM＞FΘE＞FΘM＞MΘE＞PΘF＞PΘE。人员-设施-管理-环境因素耦合风险值最大为PΘFΘMΘE＝0.147 8，三因素耦合值最小的是人员-设施-环境因素耦合PΘFΘE＝0.081 7，二因素耦合风险值最小的是人员-环境因素耦合为PΘE＝0.028 9。

3 基于ISM 模型的高校火灾事故耦合风险解耦

3.1 高校火灾事故耦合风险的解耦原理

由上文可知高校火灾事故风险因素耦合值与子风险因素的关联机制，因此，引入解耦的思想来减少风险因素之间的耦合。通过解耦，减少或降低风险因素之间的耦合程度，将存在相互耦合作用的二风险因素或多风险因素拆分或者独立开来考虑，通过技术、管理上的措施降低风险因素的风险值。解耦原理如图4所示。

图4 高校火灾事故耦合风险因素解耦原理图

由图可知，当α和β风险因素的波峰之间相互耦合作用时，耦合风险值T 最大，则越危险。因此，采取技术、管理上的措施降低α和β风险因素耦合的风险值，尽量使α风险因素的波峰与β风险因素的波谷同步，起到控制或削弱高校火灾子风险因素之间的相互作用，进而实现对风险因素耦合的解耦。

3.2 基于ISM模型的高校火灾事故子风险因素分析

（1）风险因素邻接矩阵构建。为厘清基于鱼刺图得到的高校火灾事故风险因素间的相互作用和联系，邀请了4 位相关专业的高校教授，遵循德尔菲法的操作程序对人员因素（P）、消防设施（F）和管理因素（M）之间的相互作用进行打分。并运用二元关系来表示风险因素间的相互关系，对因素自身按无影响处理，则可以得到各风险因素的邻接矩阵A，令A ＝［aij］n×n，邻接矩阵用来表征风险因素间有无直接影响关系，则风险因素间的关系可表示为

通过上述方法确定了25 个高校火灾事故风险因素间的影响关系，得出了25 ×25 的风险因素邻接矩阵，见表4。

表4 风险因素的邻接矩阵

（2）子风险因素可达矩阵的计算与处理。可达邻接是用矩阵的形式来描述有向连接图各节点之间经过一定的通路可以达到的程度［21］。因此，可以引入可达矩阵来研究因素间的间接影响关系［20］。引入单位矩阵I，并将邻接矩阵A 与单位矩阵I 相加通过证明验证，可得可达矩阵H运算规则如下：

式中：g表示可达矩阵H 的路径，即因素si可由单位矩阵I 的距离经过g次运算到达因素sj。经过计算，当g＝4 时，满足（A+I）4+1＝（A+I）4。

（3）ISM 模型的构建与子风险因素的层级划分。根据可达矩阵分析各因素之间是否存在“可达”关系，再通过层级划分得到区域层级矩阵从而确定各风险因素的分区［22］。各因素的可达性集合L（si）表示可以从因素si到达因素sj的集合，即是指第i行中出现1 对应风险因素的集合；前因集K（si）表示从si出发的因素，即是指第i列中出现1 对应风险因素的集合。共同集N（si）表示可以得到该系统的可达矩阵区域，即是指二者的交集，可表示为

确定第1 级的风险因素后，将原来可达矩阵H中删去对应N（si）中风险因素的行和列，得到矩阵H'，并对矩阵H'进行同样的处理，确定属于第2 级的风险因素。继续重复其步骤，直到得出最后一级风险因素为止。

经过计算可得出高校火灾风险处于第1 级的因素集合Q1＝｛M12｝；第2 级风险因素集合Q2＝｛M11、M14、P11｝；第3 级风险因素集合Q3＝｛P13、P21、P22｝；第4 级风险因素集合Q4＝｛P12、M15｝；第5 级风险因素集合Q5＝｛F11、F12、F13、F21、F22、F23、F24、F31、F32、F33、F34、M13、E11、E12、E13、E14｝。依据得到的高校火灾风险因素的层级关系建立ISM模型，如图5 所示。

图5 高校火灾风险因素的ISM

由图5 可知，表层直接原因包括：火灾探测器、火灾自动报警器、防火门或防火卷帘、灭火器、防排烟系统、自动喷淋系统、消防栓给水系统、疏散指示标志、应急照明系统、疏散通道、安全出口、消防安全教育培训，主要涵盖消防设施和环境因素两大维度；中层间接原因包括：文化水平、防范意识、专业水平、工作经验、消防设施巡检主要涵盖人员因素；深层根本原因包括：文化水平、消防演习、应急疏散预案、安全责任制主要涵盖管理因素。

3.3 解耦措施

若风险因素耦合后仍然可以冲破消防安全综合防御系统，就会形成强耦合形式，因此，尽量避免风险因素之间耦合，可人为采取技术、管理解耦措施：

（1）人员风险因素的控制策略。①重视消防安全教育培训，强化人员的防范意识，提升行为能力。运用ISM模型对高校火灾风险因素进行了层级划分，得出消防安全教育培训是表层直接原因。因此，高校务必结合自身实际情况构建消防教育培训体系。尤其应对高校新生、有科研需求的老师和同学等进行强制性安全教育培训。②对管理人员的相关经验和从业资格进行严格审查，以确保管理人员具有相关的技术、文化水平。高校具有内部结构复杂、建筑体量大、功能多元化等特点。随着社会的发展，校内的消防设施越来越完备和规范，因此，对管理人员的文化水平、技术水平和个人能力有较高的要求。因此，需要构建更加专业的消防安全部门，并设置消防安全管理部门，定期安排消防巡查人员、设备维护及保养人员等人员完成高校日常消防安全任务，进一步提高高校的消防管理能力。

（2）消防设施风险因素的控制策略。①做好消防设施设备的安装工作。根据《消防设施通用规范》（GB 55036—2022）、《建筑设计防火规范》（GB 50016—2018）、《火灾自动报警系统设计规范》（GB 50116—2013）、《火灾自动报警系统施工及验收标准》（GB 50166—2019）《防火监控警报插座与开关》（GB 31252—2014）等相关标准要求，并结合校内的实际情况，科学、合理地配置各类消防设施设备，在消防设施设备安装完毕后经试运行正常和验收检查通过后才能投入使用。②定期检查、维修消防设施设备。高校内各类设施种类和数量多，且大多为大功率电器，且线路复杂，因此，有必要聘请有资质的专业人员对设施设备定期进行统一的检修和安装。管理人员还要进一步规范明火使用，并详细制定检查制度，对检查情况进行详细记录。消防设施设备的完整和正常运转是消防硬性条件的基础和保障。因此，保障高校内消防设施设备的完好率非常重要，一是要加强对高校内消防设施的日常维护和保养，要聘请有资质的单位定期对建筑消防设施进行检测，确保消防设备正常运转。二是对消防设施使用人员、消防控制室操作人员加强业务指导和能力培训，确保一旦发生火灾，会使用设施器材、能扑救初期火灾、能疏散人员。三是加大对消防设施保养的经费投入，对无消防设施的建筑要及时补充安装，对年久失修的消防设备设施及时更换和维护保养，确保消防设施完好和有效。

（3）环境风险因素的控制策略。综合考虑高校建筑周围环境的危险性、防火间距等火灾风险因素，并对建筑的面积、层数、功能和体量进行合理的布局规划。对建筑内外装修严格把关，不仅应符合国家的相关标准，还需要符合有关特殊消防设计及相关技术措施的标准。对达不到相关防火设计的地方应依据有关标准设置或改造消防设备设施。

（4）消防管理风险因素的控制策略。①建立消防安全责任制，健全消防安全管理组织。针对高校火灾风险因素中的“人员-设施-管理-环境”4 类风险因素，基于“人员-设施-管理-环境”4 类风险因素之间的耦合风险关系，规范每一类风险因素的管理措施，并将责任落实到相应的人身上。当发现高校的消防管理中出现未进行消防演习、应急疏散预案操作性不强、消防安全教育培训效果不佳、安全责任制不明确、未按规定进行消防设施巡检等管理缺陷，应立即找出消防安全管理漏洞并找出合适的对策，加强对各类风险因素的管控。②定期消防设施巡检，有效控制各类风险因素。高校专业的管理人员定期对消防设施设备进行检查，建立维修台账，将损坏、磨损的实施设备部位详细记录下来，并请消防设施设备维护人员进行维修和保养，以防发生火灾事故消防设施设备不能正常使用。③建立、完善应急方案，并定期开展消防演习，提高应急反应和应急救援能力。学校不仅要确保做好日常的消防设备维护以及日常的防火巡查检查等管理工作，还应提高灭火及救援能力。相关单位应该根据自身情况制定和完善的应急方案，当突发事故的应急预案制订后，学校应当定期组织全校的模拟演练，，以防事故发生后由于人员逃生混乱导致更严重的后果。

4 结论

运用风险耦合理论分析高校火灾事故风险因素之间的作用，探讨了高校火灾事故多风险因素的机制；基于TSS理论构建了多因素风险耦合情景，能够全面多视角地分析高校火灾事故风险；而后利用N-K 模型量化高校火灾事故风险因素之间的耦合效应，确定风险因素的耦合值与子风险因素之间的关联机制；利用ISM法进一步对子风险因素进行定性分析，确定了风险因素的层级关系。基于上述研究，考虑风险因素的耦合值与各子风险因素之间的关联机制，提出解耦措施，得出了以下结论：

（1）利用TSS理论考虑了耦合风险发生的情景。基于TSS理论对各风险因素进行耦合，构建了二、三、四因素风险耦合情景11 种。其中，高校火灾事故双因素风险耦合情景6 类：PΘF／PΘM／PΘE／FΘM／FΘE／MΘE；三风险因素耦合情景4 类：PΘFΘM／PΘFΘE／PΘMΘE／FΘMΘE；四风险因素耦合情景1 类：PΘFΘMΘE。能够全面多视角地分析高校火灾事故风险。

（2）运用N-K 模型计算高校校园火灾事故的多因素耦合值，结果表明：人员-设施-管理-环境的耦合值最大为0.127 1，三风险因素耦合情景下人员-设施-管理的耦合值最大为0.127 1，二风险因素耦合情景下人员-管理的耦合值最大为0.068 5，风险因素的耦合值与各子风险因素之间的关联机制为：高校火灾事故风险耦合值与参与的耦合因素数量成正比，各耦合风险类型的耦合值排序：PΘFΘMΘE＞PΘFΘM＞PΘMΘE＞FΘMΘE＞PΘFΘE＞PΘM＞FΘE＞FΘM＞MΘE＞PΘF＞PΘE。

（3）根据ISM表征高校火灾子风险因素之间的层次关系和关联情况，绘制出高校火灾事故子风险因素层级关系图，将子风险因素划分为5 个层级关系和深层根本原因、中层间接原因和表层直接原因三个维度。其中，属于深层根本原因风险因素有｛M11、M12、M14、P11｝，属于中层间接原因的风险因素有｛P13、P21、P22｝，属于表层直接原因的风险因素有｛F11、F12、F13、F21、F22、F23、F24、F31、F32、F33、F34、M13、E11、E12、E13、E14｝。（4）考虑风险因素的耦合值与子风险因素之间的关联机制，采用解耦思想进行管控。基于提出的管控措施可以得出中层间接原因和表层直接原因依赖于深层根本原因的解决，深层根本原因主要涵盖管理因素，说明管理因素是首要控制的风险因素，可以通过控制管理因素直接或间接的控制人员、设施和环境因素，降低风险因素间的耦合作用。

·名人名言·

懒于思索，不愿意钻研和深入理解，自满或满足于微不足道的知识，都是智力贫乏的原因。这种贫乏通常用一个字来称呼，这就是“愚蠢”。

——高尔基