基于模糊Petri網模型的高層建筑火災風險評估

張峰

摘要：圍繞高層建筑火災風險評估，引入了模糊Petri網及其相關理論，建立了模糊Petri網模型并設計了模型算法;通過實際案例，對建筑防火分區的設計方案進行了風險評估，并證明了其結果的有效性，說明模糊Petri網理論在高層建筑火災風險評估中具有推廣意義。

關鍵詞：高層建筑;火災;風險評估;模糊Petri網

高層建筑用電、用水等設施健全，人口密度較大，一旦發生火災將會造成嚴重損失。此外，該類型的建筑多設有電梯、樓梯間、排氣口、管道井等，給消防滅火帶來較大的困難[1]。對建筑物火災風險進行評估能夠提前鑒別火災發生的不同誘因，準確預測發生火災的概率，預判火災發生后產生的危害和損失，為科學制定更加經濟的火災防治對策提供數據基礎[2]。

要準確評價高層建筑的火災風險，既要全面考慮引發火災的不同誘因，也要考慮火災撲救、防止蔓延和人員疏散的具體需求[3]，多個環節共同作用，影響評價結果，由于各環節維度差異較大，有些難以量化甚至不可量化，使得評估過程不可避免的產生了模糊性，這正是影響評估結果準確性的重要原因[4]。

圍繞上述問題，本文通過構建模糊Petri網絡模型理論對高層建筑的火災風險進行評估，基于Petri網基本架構，建立模糊Petri網的風險評估體系，并提出相應的指標算法，最終通過實際案例，驗證了本文所提方法的有效性。

1? 模糊Petri網模型

1.1? 模型建立

建筑防火設計方案確定后需要通過風險評估對火災風險進行量化，并據此對設計方案的可靠性進行判斷[5]，風險評估的參與成員包括建設方、設計方、審查方和業主，對方案的可行性進行綜合評估[6]。防火設計方案的風險水平可分為如下等級：容許風險、經處理后容許風險、非期望風險以及非容許風險[7]，對應的風險水平集合表示為{容許風險，經處理后容許風險，非期望風險，不容許風險}，

則其論域可描述為{R1，R2，R3，R4}，具體數值的量化范圍分別是：（0，0.150]、（0.150，0.450]、（0.450，0.700]、

（0.700，1]，為了便于計算，取值分別為0.150、0.300、

0.575、0.700。

某評估者Si對執行效果的評估集X定義為模糊輸入變量，其描述了建筑防火設計方案的實施對火災風險的影響程度[8]，其對應于論域{R1，R2，R3，R4}的隸屬函數為{μ1，μ2，μ3，μ4}。各個評估者分別對防火設計方案的效果進行判斷，對X∈Rj（j=1，2，3，4），分別給出隸屬函數μij，可以得到下列矩陣：

其中：，n為防火設計方案評估者的人數。

對矩陣，由于μij的論域相同，故可定義：

建筑防火設計方案的風險評估結果：當μm=max{μ1，μ2，μ3，μ4}時，認為防火設計方案的風險等級為m級，且m∈{R1，R2，R3，R4}。若計算結果（j≠l），則認為m=max{j，l}。

設計并搭建模糊Petri網模型，如圖1所示。

1.2? 火災風險值計算

建筑防火設計方案設計完成后，由n（令n=4）個評估人對該方案的火災風險進行評估，即判定μi1，μi2，μi3，μi4，且應使μi1+μi2+μi3+μi4=1;

引發Tsi轉移并采用與位置P1關聯的模糊算法，在位置P1得到模糊合成向量，其隸屬函數分別是μ1，μ2，μ3，μ4，且;

依據位置P1的模糊產生規則，引發Tji（l=1，2，3，4，）轉移;

①如果μ1最大，則位置PR1中的可能托肯分布為：

，

，而PR2、PR3、PR4中的可能托肯分

布：，則Cf為“不非容許風險”。

②如果μ2最大，則位置PR2中的可能托肯分布為：

，

，而PR1、PR3、PR4中可能托肯分布為：，則Cf為“非期望風險”。

③如果μ3最大，則位置PR3中的可能托肯分布為：

，

，而PR1、PR2、PR4中可能托肯分布為：，則Cf為“經處理后容許風險”。

④如果μ4最大，則位置PR4中的可能托肯分布為：

，

，PR1、PR2、PR3的可能托肯分布為：，則Cf為“容許風險”。

由位置PRl（l=1，2，3，4）與位置P2引發TRl（l=1，2，3，4）轉移，并依據位置P3的可能托肯值。

根據位置P3的可能托肯值引發TCl（l=1，2，3，4）轉移。

①假設位置P3的可能托肯值為0.700，則引發TC1轉移，使TC1的可能托肯值為0.7，而TC2、TC3、TC4的可能托肯值為0，則Rf的值為“非容許風險”。

②假設位置P3的可能托肯值為0.575，則引發TC2轉移，使TC2的可能托肯值為0.575，而TC1、TC3、TC4的可能托肯值為0，則Rf的值為“非期望風險”。

③假設位置P3的可能托肯值為0.300，則引發TC3轉移，使TC3的可能托肯值為0.300，而TC1、TC2、TC4的可能托肯值為0，則Rf的值為“經處理容許風險”。

④假設位置P3的可能托肯值為0.150，則引發TC4轉移，使TC4的可能托肯值為0.150，而TC1、TC2、TC3的可能托肯值為0，則Rf的值為“容許風險”。

⑤基于風險度Rf值對防火設計方案進行優化。

2? 基于模糊Petri網模型的建筑火災風險評估實例

2.1? 某建筑防火分區概況

以某大型商場營業廳商業樓為例，該商業樓共六層，其中地上五層，地下一層，結構為框架式，建筑防火分區具體情況如下：

第一防火區共分5個分區，均設自噴，其中1-1分區建筑面積：3990m2，營業面積3822m2，所需疏散寬度為：（3822×50%×0.85）/100×0.65≈10.5m，設計疏散寬度為18m，疏散人數：9.7/0.006 5≈1492人。

1-2分區建筑面積：4070m2，營業面積4002m2，所需疏散寬度：（4002×50%×0.85）/100×0.65≈11m，設計疏散寬度12m，疏散人數：11/0.0065≈1692人。

1-3分區建筑面積：4009m2，營業面積3950m2，所需疏散寬度：（3950×50%×0.77）/100×0.75≈11.4m，設計疏散寬度11.4m，疏散人數：11.4/0.0075=1520人。

1-4分區建筑面積：3695m2，營業面積3686m2，所需疏散寬度：（3686×50%×0.6）/100×1.0≈11m，設計疏散寬度11.4m，疏散人數：11/0.01=1100人。

1-5分區建筑面積：3669m2，營業面積3600m2，所需疏散寬度：（3660×50%×0.6）/100×1.0≈10.9m，設計疏散寬度11.4m，疏散人數：10.0/0.01=1000人。

第二防火區共分為6個分區，均設自噴，其中2-1分區建筑面積：4442m2;營業面積：4421m2;所需疏散寬度：（1937×50%×0.85）/100×0.65≈5.4m。

2-2分區建筑面積：2061m2，營業面積：2054m2;所需疏散寬度為：（2054×50%）/100×0.65≈6.7m。

2-3分區建筑面積：4590m2;營業面積：4565m2;所需疏散寬度：（4565×50%×0.77）/100×0.75≈13.2m。

2-4分區建筑面積：2064m2;營業面積：2057m2;所需疏散寬度為：（2057×50%）/100≈7.7m。

2-5分區建筑面積：4573m2;營業面積：4544m2;所需疏散寬度：（4544×50%×0.6）/100×1≈13.6m。

2-6分區建筑面積：1987m2，營業面積：1976m2;所需疏散寬度為：（1976×50%）/100≈9.9m。

2.2 火災風險評估

根據上述火災防火分區設計，先采用模糊Petri網模型對該建筑的火災風險進行評價。評估過程為：

評估人員對該建筑設計方案的火災風險進行評估，其結果如表2所示;

基于位置P1的模糊規則，當μ3取極大值時，PR3的可能托肯值的量化值取0.300，而PR1、PR2、PR3的可能托肯值為0，故評估結果為“經處理容許風險”。

設評估人對建筑火災風險的評估結果為“可接受風險”，量化值為0.150，則基于位置P3的模糊規則，可得到其可能托肯值量化為0.150，從而導致T轉移，使得該位置的可能托肯值量化為0.150，故評估結果為“容許風險”。

最終，該建筑防火設計方案的火災風險等級被評定為“容許風險”，表示該建筑防火設計方案中的各項防火措施和災后應急方案是可行的。

3? 結語

當建筑發生火災時，高層建筑的防火設計分區、疏散方案以及各項防火措施是確保人員安全的必要條件，在建筑設計階段就需要通過合理的方法對其進行評估，預測火災風險的可能性大小，從而達到改進優化設計方案的目的。本文基于模糊Petri網理論，結合Petri網的特點，建立了一種建筑防火設計方案風險評估模型，設計了該模型的算法;結合實際案例，驗證了該模型對火災風險評估的可行性，有利于推動火災安全管理的發展。

參考文獻：

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Fire risk assessment of high-rise

buildings based on fuzzy Petri net model

Zhang Feng

（Wuhan Municipal Fire and Rescue Brigade，Hubei? Wuhan 430074）

Abstract：Focusing on the fire risk assessment of high-rise buildings， the paper introduces fuzzy Petri net and its related theories， establishes a fuzzy Petri net model and designs the model algorithm. Through practical cases， the risk assessment of the design scheme of building fire compartment is carried out， and the validity of the results is proved， which shows that the fuzzy Petri net theory has promotion significance in the fire risk assessment of high-rise buildings.

Keywords：high-rise building; fire; risk assessment; fuzzy Petri net