基于因子和層次分析法的城市并發火災危害嚴重度評估

孫多嬌

(沈陽市消防支隊，遼寧 沈陽　110013)

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基于因子和層次分析法的城市并發火災危害嚴重度評估

孫多嬌

(沈陽市消防支隊，遼寧 沈陽110013)

城市并發火災具有并發性、突發性、高危害性等特點。為了控制和防范此類火災的發生，并發火災的不同火場火災危害嚴重度評估十分必要。使用PASW18.0軟件對火災數據進行因子分析，得到因子綜合得分，利用層次分析法確定各影響信息的權重，從而提出火災危害嚴重度的計算方法，建立了并發火災危害嚴重程度評價體系，得到了危害等級劃分標準，為針對此類火災救援與日常防火監督提供理論依據。

城市并發火災；因子分析；層次分析法；火災危害嚴重度

1　城市并發火災現狀分析

城市并發火災指受自然災害、公共安全突發事件等特殊原因誘導，在城市范圍內同一時間(特指較小時間間隔內)出現多個火場，造成城市系統中生命和財產危害的一種特殊火災事故。其誘發原因特殊，其成因可分為以下三個大類：(1)地震、大風、雷擊等各種自然災害。2011年日本宮城大地震在短時間內引發東京市內20多處火災[1]；2010年4月23日，我國新疆吐魯番市遭遇30年不遇的強風襲擊，大風造成城區內發生多起火災。(2)公共安全突發事件。“9·11”恐怖襲擊發生后，大火吞噬了美國兩座摩天大樓，損失難以用數字估量；2008年3月14日，西藏拉薩發生暴力打砸搶燒事件，300余處起火，死傷人數達數百人。(3)其他特殊原因如節假日煙花爆竹的集中燃放。如2009年央視新址大火及2011年除夕之夜沈陽皇朝萬鑫大廈火災。

通過這些慘痛的火災案例我們不難發現，隨著經濟和社會的不斷發展，城市并發火災發生的幾率也在逐漸增加。同時，并發火災具有經濟及社會危害性大、并發性、突發性、復雜多樣性、防災及減災難度大等特點，一旦發生，滅火救援難度較大，火災損失及影響范圍也較大。而多個火場的危害后果不同，亟須救援的嚴重程度也不同，因此開展對此類火災災害的研究，總結其特點和規律，真正做到防患于未然，保證最大限度地減少損失，成為當前消防部隊亟待解決的難題。

2　并發火災的危害嚴重度

2.1危害嚴重度的研究意義

火災危害后果涉及傷亡人數(包括死亡人數和重傷人數)、經濟損失(包括直接經濟損失和間接經濟損失)、環境污染(包括對大氣、水源等環境破壞)與社會影響等諸多方面。城市并發火災危害嚴重度是衡量多個火場危害后果大小的重要指標，其主要目的是為區別多個火場危害嚴重程度與滅火救援的緊迫程度，便于進行滅火及日常防火監督。并發火災的危害嚴重度計算，應建立在火災報警信息基礎上，綜合考慮危害嚴重度的影響因素，預測火災潛在的危害范圍與損失大小。

2.2危害嚴重度計算依據

城市并發火災是一種特殊火災形式，具有火災的本質特征，可通過分析常規火災特性總結并發火災增長規律。而火災作為一種隨機事件，無法準確把握單場火災的影響因素對其危害后果的作用效果，只能把火災數據作為一個整體，分析其統計規律性。本文針對上述分析，調研火災案例數據，通過匯總或計算這種量化形式的記錄得到火災危害嚴重度影響因素的規律性。

筆者對某市消防支隊調度指揮中心進行實地調研，匯總整理得到2009—2014年該市火災案例共4 500例，案例信息包括起火單位信息、報警信息、損失統計信息與消防出動信息等。火災數據整理過程中，綜合分析火災危害嚴重度影響因素，著重主要因素、祛除冗余信息，可將上述數據分為三部分：火災對象信息、報警信息與火場環境信息。

2.2.1火災對象信息

火災對象信息作為火災增長的基礎要素，包括建筑物自身的幾何結構、建筑內部可燃物情況等多個因素，如火災荷載、建筑高度、耐火等級、防火分區、建筑結構等信息。

2.2.2報警信息

準確有效的報警信息可視為判定火災危害程度的決定因素，具體包括火災增長信息、被困人員信息、經濟損失信息及其他險情信息。其中，火災增長信息指報警時過火面積和起火層數；被困人員信息指火場被困人數；經濟損失信息指起火建筑的經濟價值，通常按建筑物價值和建筑內部物品價值，分為一般價值、貴重價值與無法挽回價值(主要指世界遺產類)；其他險情信息包含爆炸危險信息、坍塌危險信息和蔓延危險信息。爆炸危險信息指起火建筑物出現爆炸的可能性，因為爆炸可視為由建筑內存儲有爆炸性危險的物質引起，故可用火源距危險品的距離表示，距離越小，爆炸危險性越大，如火場無任何具有爆炸危險的物品，則距離為極大，即爆炸險情為0；坍塌危險信息指建筑結構在火災中出現倒塌、損毀的可能性，一旦發生險情將造成巨大人員傷亡和財產損失，坍塌危險一般與火源狀態、火災規模及建筑物本身的結構有關，故可用建筑結構表示；蔓延危險信息是指建筑火災蔓延到其他建筑及造成周圍建筑損失的因素，可用起火建筑防火間距和周圍建筑密集程度表示。

火源以熱輻射的形式向周圍傳遞熱量，對周圍建筑構成火災威脅，為避免火災在建筑間蔓延，《建筑設計防火規范》(GB 50016—2014)規定了建筑之間的防火間距。本文將防火間距分為符合規范要求與不符合規范要求兩類。由于最小防火距離受多種因素影響，使得很多建筑物之間的防火間距不能達到安全標準，特別是當建筑物周圍有商場超市、影劇院、報告廳等人員密集場所時，增加了蔓延概率與滅火難度。考慮到火源是以球面形式向周圍環境輻射熱量，受火災威脅最大的建筑最多有4個均為人員密集場所，設一個普通建筑指標值為1，一個人員密集場所的指標值為2，則該指標值最大為8，當安全距離內沒有建筑物時，即為最安全情況，指標值最小為0。設火場周圍安全距離內普通建筑和人員密集場所的數量分別為a和b，則指標值x計算公式為：x=a+2b(0≤a+b≤4)，表1列出了火場周圍建筑數量與指標值的關系。

表1　火場周圍建筑數量與指標值的關系

2.2.3火場環境信息

火場環境指影響火場的外在條件，不良的火場環境將嚴重影響滅火救援行動的有效開展，火災危害嚴重程度增大。火場環境信息具體包括起火建筑物周圍水源情況、消防通道信息、道路交通信息與天氣信息。

2.3危害嚴重度計算

如何確定上述影響信息對火災危害嚴重度的作用程度是計算的重點。這些因素對火災危害后果影響程度各不相同，彼此間又具有一定相關性，信息上發生重疊。為避免此類情況出現，本文使用統計學軟件PASW18.0對火災數據進行因子分析，計算得到因子綜合得分，利用層次分析法確定各影響信息的權重，此方法可合理確定各影響因子不同量綱指標之間的可公度性問題與作用權重值。因子分析法是一種高維綜合評價法，其本質是對高維變量系統進行最佳綜合和簡化，從研究變量內部相關的依賴關系出發，把一些具有錯綜復雜關系的指標變量歸結為少數幾個公共因子，同時客觀地給出各個指標的權重，其最大的優勢在于各綜合因子的權重不是主觀賦值而是根據各自的方差貢獻率大小來確定的，避免了主觀隨意性。

基于因子分析和層次分析法的并發火災危害嚴重度綜合評價計算步驟如下：

2.3.1建立并發火災危害嚴重度評價指標體系

因子分析法是以現實數據為基礎來進行計算的，所以選用的指標最好是定量可測的，故需對圖1火災案例數據的影響因子進行刪減和修改。定性指標定量化處理，不同量綱指標標準化處理，對n個評價指標進行標準化處理過程為：

(1)

(2)

(3)

圖1　火災案例統計數據

運用PASW18.0軟件對火災數據進行因子分析[2]，具體操作為分析(Analyze)→簡化數據(Data Reduction)→因子(Factor)，通過相關系數矩陣分析、KMO and Bartlett球度檢驗結果表明現有變量適合進行因子分析。對14個變量采用主成分分析(Principal Components Analysis)和正交旋轉法(Varimax)，根據Kaiser標準(特征根大于1)提出了2個主因子，由表2可以看出所提取的2個主因子可以解釋原有14個變量的89.357%的信息量。同時利用旋轉后的因子分析結果(Rotated Component Matrix2)，按照各因子包含的信息對主因子進行命名，分別為潛在的嚴重程度和不可控程度。

至此，通過因子分析方法建立了城市并發火災危害嚴重度的評價指標體系的三級分層結構，見圖2。在城市并發火災危害嚴重度的計算中，建立科學、合理的評價體系是準確評價計算的基礎，而評價指標權重的確定則是計算的關鍵。下面將根據因子分析結果對指標體系進行定量分析并確定權重。

圖2　城市并發火災危害嚴重度評價指標體系

2.3.2計算評價指標權重

指標權重的確定運用層次分析法(AHP)與因子分析法相結合的方法進行分層確定。

表2　總方差分解

二級指標(準則層)在一級指標(目標層)上權重H2-1的計算方法:在統計分析中，貢獻率的概念是指主因子對總目標貢獻程度，因此，此級權重的確定可根據各主因子相對于一級指標的貢獻率的歸一化處理結果來表示。2個主因子的累積貢獻率為89.357%，分別為56.712%、32.645%。歸一化處理后得到二級指標在一級指標上的權重H2-1，結果見表3。

三級指標(影響因子層)在二級指標(準則層)上權重H3-2的計算方法：在因子分析過程中，因子得分矩陣是通過數學變換而得到的，為根據回歸算法計算得出的因子得分函數的系數。因為其可建立起各個主因子與其所包含的各變量的線性回歸方程，而回歸方程中自變量的回歸系數，即因子得分系數反映自變量的變化對因變量的影響程度。故三級指標在二級指標上的權重值可通過對因子得分系數進行歸一化得到。由因子得分系數矩陣結果處理后得到H3-2權重，結果見表3。

表3　城市并發火災危害嚴重度權重表

三級指標(影響因子層)在一級指標(目標層)上權重H3-1的計算方法：運用層次分析的方法，按式(4)計算得到，結果見表3。

(4)

式中，i表示第i個影響因子。

2.3.3并發火災危害嚴重度分級與優先度計算[3]

對于城市并發火災中的多個火場，按式(5)計算得到危害嚴重度值：

(5)

式中，Hi為第i個影響因素的權重；fi(x)為第x個火場的第i個影響因素的等級分值。

城市并發火災事故種類繁多，危害結果各不相同。我國現階段火災等級標準把火災分為一般火災、較大火災、重大火災和特別重大火災四級，參照此標準將火災案例統計數據分為4類，依據上述方法，分別計算每類數據中火災危害嚴重度，對計算結果進行分析(Analyze)→描述統計(Descriptive Statistics)→頻率(Frequencies)分析得到均值(Mean)、眾數(Median)、四分位值(Quartiles)，排除奇異值，最終歸納得到分級標準，見表4。

表4　并發火災危害嚴重度分級表

城市并發火災的消防力量調度優先度計算方法：分別對并發火災多個火場計算其危害嚴重度F(x)，按式(6)歸一化處理得到優先度：

(6)

3　結論

本文針對城市并發火災的特點，提出了基于因子分析和層次分析法的火災危害嚴重度的計算方法，建立了并發火災危害嚴重程度評價體系，得到了危害等級劃分標準。該計算方法建立在真實火災案例數據基礎上，量化得到火災危害嚴重度影響因素的規律性，方法簡單易行。同時該計算方法步驟清晰，可操作性強，可為今后消防部門在城市并發火災的評估檢查提供參考。

[1] 趙思健，任愛珠，熊利亞.城市地震次生火災研究綜述[J]．自然災害學報，2006，15(2):57-66．

[2] 薛薇.SPSS統計分析方法及應用[M]．北京：電子工業出版社，2009.

[3] 李榮鈞.運籌學[M].廣州：華南理工大學出版社，2002.

(責任編輯李蕾)

The Assessment of Hazard Severity of Urban Concurrent Fire Based on Factors Analysis and Analytic Hierarchy Process

SUN Duojiao

(ShenyangMunicipalFireBrigade,LiaoningProvince110013,China)

An urban concurrent fire is of the characteristics of being a concurrency, sudden, high hazard. To control and prevent such fires, the assessment of the hazard severity of different urban concurrent fires is crucial. Through the software PASW18.0, this paper carries on factors analysis on the fire data and gets comprehensive score of the factors. With the analytic hierarchy process, the influence information of each factor is confirmed, so that the relevant calculation method of the fire hazard can be putted forward. Setting up the system for assessment on the hazard severity of urban concurrent fire and the classification criterion of a hazard grade provides a theoretical basis for such fire rescue and daily fire prevention.

urban concurrent fire; factor analysis; analytic hierarchy process; fire hazard severity

2016-02-26

孫多嬌(1986—)，女，遼寧沈陽人，助理工程師。

●消防安全評價

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0038-04