基于WSR-可拓云理論的地鐵車站火災安全評價

姜志豪 秦華禮

(東北大學資源與土木工程學院 沈陽 110004)

0 引言

地鐵因其環保、舒適、快捷等特點成為了許多出行者的首選交通方式。但同時，地鐵交通也存在諸多安全問題：地鐵車站具有空間封閉、出口數量有限、人流密集等特點，一旦發生火災，極易造成嚴重的后果。因此，科學的評價地鐵車站火災安全等級，依據評價結果有針對性的進行地鐵車站火災預防工作具有十分重要的意義。

目前，國內外很多學者在火災安全評價方面都進行了大量的研究，MITCHELL J F[1]基于蒙特卡洛分析法，提出了以行為因素、設備因素和環境因素為一級指標的火災風險評估模型；HANEA D等[2]依據火災事故的初始統計數據，提出了基于貝葉斯網絡的火災人員傷亡風險模型；王建波等[3]采用主成分分析法對評價指標體系進行降維處理，最后將各指標數據作為RBF神經網絡輸入,得到地鐵車站火災安全評價值；楊陽等[4]針對地鐵車站火災安全評價指標的模糊灰色性，提出了基于FPP-Grey的地鐵車站火災安全灰色聚類評價模型。

上述學者從不同角度對地鐵車站火災風險評價進行了研究，但仍存在一些不足：一是在指標體系權重的計算上無法同時兼顧主觀性和客觀性；二是部分安全評價方法的選取沒有考慮評價中存在的指標量化模糊和邊界的不確定問題。為解決上述問題，首先基于WSR理論，構建地鐵車站火災安全評價指標體系；然后，基于博弈論思想對主客觀權重進行修正，得到地鐵車站火災評價指標組合權重；最后，結合物元可拓理論和云模型理論，提出基于可拓云理論的地鐵車站火災安全評價模型，并以沈陽地鐵車站的實際情況為例進行評價，有針對性的為地鐵車站火災的預防工作提供建議。

1 地鐵站火災風險評價指標體系的構建

WSR(物理-事理-人理)方法論由中國著名系統科學專家顧基發教授和朱志昌博士首次提出。將WSR理論運用到構建地鐵車站火災安全評價指標體系，其中，物理表示應用于防火、消火的物質因素及設備因素，即地鐵車站中用于預防、預警火災的設備設施，以及火災發生后用于控制火勢、應急救援的設備設施等；事理表示火災前后的行為因素，即地鐵車站防火管理工作、日常檢查工作及火災發生后的應急響應工作等；人理表示地鐵站內的人員因素，即車站員工及乘客的心理素質和消防應急知識儲備、車站人員數量及分布等。

基于WSR理論，將物理、事理、人理具體劃分為管理因素、設備因素、設計因素以及人員因素4個維度，構建地鐵車站火災安全評價指標體系，如表1所示。

表1 地鐵車站火災安全評價指標體系

2 指標權重的計算

地鐵車站火災安全評價指標權重的取值是否準確，直接影響評價結果的準確性和合理性。以往的研究往往采用單一的賦權方法，難以兼顧指標權重的主觀性和客觀性。筆者采用主觀賦權方法中的G1法和客觀賦權方法中的熵權法，基于博弈論的思想計算,2種方法的線性組合系數，通過組合賦權修正單一方法導致的權重片面性問題，計算步驟如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(3)基于博弈論的思想[7]，確定用于組合賦權的各權重的線性組合系數λ1、λ2，并計算組合權重wj,見式(5)—式(7)。

(5)

(6)

(7)

利用博弈論對G1法和熵權法得到的權重進行修正，使得結果的主觀因素和客觀因素達到平衡狀態，較傳統單一賦權法更能兼顧主觀性和客觀性。

3 基于可拓云的地鐵火災風險評價模型

3.1 確定待評物元

物元可拓理論把物元理論和可拓學融合在一起，將物元記作1個有序的三元組，利用可拓學能夠很好的解決矛盾問題的特點，來解決不確定性事物的評價問題。有序的物元組記作：R=(N,C,V)。其中，R表示待評物元，N表示所評價事物的名稱，C={C1,C2…Cn}表示被評價事物的特征指標集，V={V1,V2…Vn}表示特征的量值集。云模型以期望值Ex、熵值En、超熵He作為描述待事物的數字特征值，利用特征值轉化為的云滴圖求得隸屬度，能夠很好的解決評價指標邊界的模糊性問題。

將物元可拓理論中的特征量值集V={V1,V2…Vn}用正態云模型(Ex,En,He)代替，將描述待評事物的雙約束區間[Cmin,Cmax]轉化為正態云模型參數，轉化公式如下[8]：

(8)

(9)

He=s

(10)

將云模型理論的模糊性和不確定性推理與物元可拓理論的定性定量指標兼有的特點相結合，從而實現對評價過程隨機性和模糊性的數學描述[9]。待評物元表達式為：

(11)

3.2 確定地鐵車站火災安全等級標準云

根據地鐵車站火災事故的特點、相關法律法規的要求及各領域專家意見，結合已有的相關危險等級的劃分方法，把地鐵站火災安全等級劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級，進而將23個地鐵車站火災風險評價二級指標安全等級進行界限劃分，如表2所示。運用式(8)—式(10)計算正態云模型參數，可得到地鐵站火災風險等級標準云模型，如表3所示。

表2 地鐵車站火災安全等級

表3 地鐵車站火災風險評價二級指標安全等級標準云

3.3 確定關聯度判斷矩陣

為了確定地鐵火災安全等級，需要計算各評價指標對應于各安全等級的隸屬度。依據可拓云理論及地鐵火災風險評價的實際特點，將待評的各項指標視作云滴，則對各指標隸屬度的求解工作就轉變為求解云關聯度判斷矩陣K的工作。云關聯度的計算方法如下[10]：

(1)根據地鐵車站火災安全等級評價二級指標安全等級的界限劃分情況，由式(8)—式(10)計算正態云模型參數(E)x,En,He)；

(3)由公式(12)計算各指標對應的云關聯度

(12)

(4)重復上述計算過程1 000次，取1 000次結果的中位數作為最終的云關聯度結果。

匯總各指標的云關聯度，得到云關聯度判斷矩陣K。

(13)

3.4 評判地鐵車站火災安全等級

利用指標組合權重和云關聯度判斷矩陣，可算得綜合判斷矩陣Z，基于最大隸屬度原則，可最終確定地鐵車站火災安全等級。

Z=WK=(z1,z2,z3,z4)

(14)

4 案例分析

以沈陽地鐵十號線淮河街沈醫二院站為實例，對其火災安全等級進行評價。淮河街沈醫二院站站臺設置通向站廳用作疏散的樓梯、扶梯共7部；站廳層至站臺層左右兩側均設置2臺上、下行扶梯和1部1 m寬樓梯，中間設置一部2.4 m寬樓梯；站廳層共有4個閘機口；通往地面共有3個疏散出口；車站內設有單口消火栓、自動噴水滅火系統、磷酸銨鹽手提式干粉滅火器等消防設施；整個車站的安全管理制度、消防巡查制度和火災應急預案齊全。

4.1 確定待評物元

為確定沈陽地鐵十號線淮河街沈醫二院站火災安全等級，邀請2名地鐵車站安全管理人員、3名消防領域專家、3名安全管理專家，對淮河街沈醫二院站進行實地檢查，以100分制給出相應的指標量化分數。綜合匯總各專家的評分結果，以平均值作為淮河街沈醫二院站火災安全各指標的分值，建立4個一級指標對應的待評物元。

4.2 權重計算

表4 各指標主客觀權重及組合權重

續表4

4.3 計算云關聯度矩陣

根據表3的地鐵車站火災安全等級界限云模型，將待評價的各項指標視作云滴，計算各指標關于4個安全等級云關聯度判斷矩陣。云關聯度如表5所示。

表5 各指標云關聯度矩陣

4.4 計算評價等級

利用式(8)，可計算地鐵車站火災等級綜合判斷矩陣為[0.247 9,0.063 2,0,0],根據最大隸屬度原則，可以確定待評價地鐵站的火災風險等級為Ⅰ級，屬于安全狀態。

4.5 評價結果分析

根據各指標的云關聯度矩陣，評價指標中乘客的身心素質、乘客消防安全意識2項指標隸屬于Ⅱ級，屬于良好狀態；其他指標隸屬于Ⅰ級，屬于安全狀態。在日常的安全管理工作中應加強消防安全培訓的力度，制定嚴格的考核制度，以增強車站工作人員的消防應急知識儲備。

評價指標中車站火災應急預案、應急疏散廣播、工作人員身心素質指標隸屬于Ⅰ級，屬于安全狀態，但與Ⅱ級隸屬度比較接近，在日常的安全管理工作中應有針對性的做重點管理。

5 結論

(1)基于WSR理論，并結合相關法律法規的要求，篩選出一級指標4個，二級指標23個，構造地鐵車站火災安全評價體系。

(2)分別運用G1法和熵權法計算地鐵車站火災安全評價指標的主觀權重和客觀權重，并采用基于博弈論思想的主、客觀組合賦權法來確定安全評價指標的綜合權重。組合權重不僅考慮了專家評判的主觀因素，而且也考慮了指標值的離散程度對其權重客觀性的影響。

(3)建立基于可拓云理論的地鐵車站火災安全等級評價模型，一方面，物元可拓理論可以很好的解決評價過程中的指標量化問題；另一方面，云模型理論可以有效的解決評價過程中指標等級劃分的隨機性和不確定性。利用該評價模型對沈陽地鐵十號線淮河街沈醫二院站進行了火災安全等級評價，確定其火災風險等級為Ⅰ級，屬于安全狀態。

(4)根據評價結果，淮河街沈醫二院站的地鐵車站火災安全評價指標中，乘客身心素質、乘客消防安全意識、車站火災應急預案、應急疏散廣播、工作人員身心素質共5項指標的安全等級偏低，在日常的消防管理工作中應有針對性的重點關注與改進。