基于多級可拓評價法的地鐵車站火災風險評估

宋仲仲，宋文波，林 立

（1.蘭州交通大學 交通運輸學院，蘭州 730070；2.北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044）

0 引言

多數地鐵車站環境密閉、人流集中，一旦發生事故，可能帶來重大的人身財產損失。相關統計資料顯示，火災事故在所有地鐵安全事故中所占比例最大[1]。因此，客觀合理地對地鐵車站火災風險進行評估，有利于及時發現和控制火災隱患，為車站安全管理部門提供決策依據，具有重要的理論和現實意義。

針對地鐵火災的安全性問題，國內外學者均進行了一定的研究。其中，國外學者主要以空氣流動、隧道通風、人員疏散等的數值模擬實驗為主[2～4]。如Kurioka等[2]在對三種隧道模型進行風洞試驗的基礎上，得出了火焰傾斜度及高度、煙層最高溫度及位置的經驗公式，并通過對比實驗證明了公式的適用性；Roh等[3]和Benkoussas等[4]利用流體動力學模型分別對地鐵車站火災情況下人員疏散及煙霧通風情況進行了評估和數值模擬。隨著我國地鐵行業的蓬勃發展，國內學者針對地鐵火災的安全評價問題也進行了一定程度的探討[1,5～14]，主要以模糊綜合評價為主流方法[1,5～7]。馬一太等[5]在模糊數學理論的基礎上，對地鐵火災的危險性進行了一階和二階模糊評價，是我國較早對地鐵火災使用模糊綜合評價的研究者之一；陳曼英[1,6]運用模糊數學方法并結合故障樹法對地鐵車站發生火災的概率進行研究，并給出了降低火災風險的具體措施；米紅甫等[7]將火災發生的概率及火災的危害性統籌考慮，結合概率論與模糊數學等相關理論建立概率模糊評價模型對地鐵車站火災風險進行研究。馬劍等[8]通過函數對評價結果進行量化，在證據理論的基礎上，提出了一種地鐵火災安全評價的新方法；李炎鋒等[9]在地鐵車站火災評價體系的構建方面采用了按時序分階段的方法；李江華[10]和王建波等[11]將神經網絡運用到地鐵車站火災風險的評價模型中。自可拓學[12]被提出以來，基于可拓理論的評價方法開始逐漸應用于各領域[13～17]，包括評估地鐵車站火災風險的問題[13,14]。安永林等[13]將可拓評估與文獻[5]的模糊綜合評價所得結果進行對比分析，說明了該方法的可行性；陽富強等[14]在可拓理論的基礎上結合熵權法，對地鐵車站的火災風險進行評估。對既有研究進行分析可知，模糊綜合評價[1,5～7]容易出現丟失信息的問題；傳統的層次分析法[5,13,15,16]在確定權重時構造的判斷矩陣多數情況下不滿足一致性檢驗；一些評價指標體系的構建[9～11,14]未充分考慮我國關于地鐵設計規范的相關規定且帶有一定的主觀性。

鑒于此，本文在構建地鐵車站火災風險評價體系的基礎上，開創性的以改進的層次分析法計算相關指標的權重并結合多級可拓評價法對地鐵車站火災風險進行評估，以期為管理者提供新的科學的評價思路，為地鐵車站有效地預防火災提供合理的建議。

1 地鐵車站火災風險評價體系

1.1 評價指標體系的建立

根據《地鐵設計規范》（GB50157-2013）[18]中關于“火災自動報警系統”、“運營控制中心”、“防災”等方面的相關規定，結合國內外地鐵火災事故的特點，在既有研究成果[1,5,14]及實地考察地鐵車站的基礎上，采用事故分析和專家調查等方法，從管理水平、設備水平、消防設計水平、人員能力水平等四個方面建立地鐵車站火災風險評價指標體系，如圖1所示。

1.2 改進的層次分析法確定評價指標權重

由于地鐵車站火災風險評價體系包含諸多指標，每個指標對待評目標的重要程度都不同。為了使評價結果比較客觀準確，必須對其賦予不同的權重系數。

在確定權重時，層次分析法是一種實用性強且較為科學的方法。但構建的判斷矩陣往往不滿足一致性檢驗，必須對其重新進行調整。因此，本文在確定指標權重時將對層次分析法加以改進，使其無需進行一致性檢驗[7]，步驟如下：

1）將指標兩兩對比，通過1～9的重要性標度構造比較判斷矩陣A=(aij)m×n。

2）通過下式將判斷矩陣A=(aij)m×n轉換為改進的判斷矩陣B=(bij)m×n：

式中，k≥2且k為整數，β≥1，通常取β=1，此時判斷矩陣B=(bij)m×n均滿足一致性檢驗。

3）求各指標的權重。對B的各列進行歸一化得到矩陣C，將C的各行加總求和即可得到特征向量W；對W進行歸一化處理即可得到每個指標的權重。

2 多級可拓評價模型

2.1 可拓評價基本理論

可拓評價可以將多因素的評價最終轉化為單目標的決策，并通過客觀的數字來表示評價結果。本文所構建的地鐵車站火災風險可拓評價模型即是在明確評價指標域及火災風險域的基礎上，確定各評價指標的經典域和節域，通過計算各指標對于不同火災風險的關聯度，進而確定待評目標對應的風險等級。

2.2 確定經典域和節域

設風險等級域U={Ui, i=1,2,…t}，t為風險等級個數；一級指標評價因素集M={mj, j=1,2,…l }，l為一級指標個數。

則經典域物元Ri可表示為：

圖1 地鐵車站火災風險評價體系

式中，Vi為一個經典域，表示評價因素集M關于風險等級Ui的數值范圍，即相應的一級評價指標關于火災風險各等級的取值范圍。

節域物元RU可表示為：

式中，VU表示一個節域，即M關于風險等級全體U的數值范圍。

2.3 確定待評物元

將收集到的信息數據以及分析結果或專家打分情況用物元Rj表示為：

式中，p表示待評目標；vjh表示待評目標關于二級評價指標mjh的取值，即通過對待評目標進行分析后得到的實際數值，r表示二級指標的個數。

2.4 確定各風險等級的關聯度

根據上述分析中關于關聯函數和距的相關定義及說明，第j個一級指標下的第h個二級指標相對于火災風險等級Ui的關聯度Ki(mjh)表示為[15]：

由距的定義可知，式中：

2.5 多級可拓評價

風險評價體系中二級評價指標相對于各等級的關聯度矩陣可表示為：

各二級指標的權重向量為：

則評價體系中一級評價指標相對于各個風險等級的關聯度矩陣K(mj)為：

其中，運算符號o表示矩陣的乘法。

同理，一級評價指標的權重向量w與矩陣K(M)=(K(mj))相乘即可得到待評目標相對于不同風險等級的關聯度矩陣K(P)：

其中：

3 實例分析

以多級可拓評價模型對某市地鐵車站火災風險進行評估。在既有研究[1,5,14]的基礎上并根據實地調研情況，將火災風險等級域設為U={U1，U2，U3，U4，U5}={安全，較安全，一般，較危險，危險}，等級評價得分表如表1所示；根據圖1，一級指標評價因素集M={m1，m2，m3，m4}。

表1 風險等級綜合評價分數

3.1 權重系數的確定

以一級指標為例進行計算說明。首先由安全專家小組成員及車站工作人員對指標進行兩兩對比，構造比較判斷矩陣A同時根據式(1)將其轉化為改進的判斷矩陣B：

對矩陣B的各列進行歸一化處理即可得到矩陣C，進而求得特征向量W={0.942，1.092，1.469，0.498}，對特征向量W歸一化處理即可求得所有一級指標的權重系數向量w={0.2354，0.2729，0.3673，0.1244}。同理可得每個一級評價指標下的二級評價指標對應的權重，如表2所示。

3.2 經典域和節域的確定

以“消防設計水平”及其二級指標為例進行計算說明。根據式(2)、式(3)中關于經典域和節域的描述以及表1中各等級的評價分數，可類比得出“消防設計水平”m3的經典域和節域為：

3.3 待評物元的確定

聘請消防專家以及車站管理人員根據車站實際情況，對每一個二級評價指標進行打分，確定待評物元，具體分值詳如表2所示。如“消防設計水平”的待評物元為：

3.4 二級指標關聯度的計算

以二級評價指標“車站火災載荷”為例，根據式(6)計算可得：

則由式(5)得：

由此可得“消防設計水平”下的二級評價指標“車站火災載荷”相對于不同風險等級的關聯度，其他二級評價指標的關聯度參數計算結果如表2所示。

3.5 火災風險等級的確定

根據二級評價指標的權重向量及關聯度矩陣，由式(9)可計算對應的一級指標的關聯度，以“人員能力水平”為例：

其他一級指標的關聯度計算結果如表3所示。同理，根據一級評價指標的權重向量及相對不同風險等級的關聯度矩陣即可求得待評目標相對于各等級的關聯度：

由max{K1(P), K2(P), K3(P), K4(P), K5(P)}=max{-0.19,0.06,-0.31,-0.54,-0.66}= K2(P)可得，該地鐵車站火災風險屬于第二等級，即“較安全”。根據式(11)、式(12)所示，得i*=2.067，其他一級指標的評價結果如表3所示。

3.6 結果分析

對表3進行分析可知，該地鐵車站火災風險處于較安全級別，其特征值為2.067，說明風險等級介于較安全和一般之間，偏向于較安全，與該地鐵車站實際情況相吻合。

四項一級指標均處于較安全的級別，其中設備水平介于安全和較安全之間，其他三項都介于較安全和一般之間。從管理水平和人員能力來看，特征值稍大，建議該地鐵車站將重點放在這兩方面，結合表2的評分情況，車站需定期開展消防安全教育培訓，切實加強火災風險管理水平；提高車站人員的消防技能和消防安全意識，全面提升其應對突發事件的能力。同時兼顧消防設計和消防設備的維護與穩定，進一步提高車站火災風險的安全等級。

表2 評價體系及相關取值

表3 地鐵車站火災風險可拓評價結果

4 結論

在可拓學理論的基礎上，利用可拓評價模型從管理水平、設備水平、消防設計水平、人員能力等四個方面對地鐵車站的火災風險進行評估，主要結論如下：

1）根據地鐵車站實際情況，建立了詳細的評價指標體系，評價結果顯示該地鐵車站的火災風險處于較安全級別，與車站實際情況相符。

2）采用改進的層次分析法確定評價指標權重，避免了傳統的層次分析法確定權重時需要對判斷矩陣進行一致性檢驗的缺點；將多級可拓評價法用于評估地鐵車站火災風險，通過計算各等級的關聯度，能夠準確確定風險所屬級別并計算出所屬級別的特征值。此方法可以避免模糊綜合評價中選擇評價模型及構造隸屬度函數的復雜性，能夠為地鐵車站火災風險提供客觀的評價，根據薄弱環節有針對性地進行管理。

3）地鐵車站火災風險涉及因素眾多，本文主要針對管理、設備、消防設計以及人員等四個方面進行探討，后續研究工作中可對地鐵車站火災風險的評價體系進行更詳盡的考慮。