基于改进的DHGF算法的轰燃危险性评价方法

张保印高晶陕峻岩张金刚

1河北省唐山市公安消防支队0630002北京市消防总队东城区第一公安消防支队司令部

基于改进的DHGF算法的轰燃危险性评价方法

张保印1高晶1陕峻岩1张金刚2

1河北省唐山市公安消防支队0630002北京市消防总队东城区第一公安消防支队司令部

轰燃是火灾由局部向全面转变的一类特殊火灾现象,危害极大,很多因素会影响轰燃。本文将现有的DHGF算法进行了一定改进，在此基础上提出了基于改进的DHGF算法的轰燃危险性评价方法。结果表明:该方法能够较真实全面的对室内轰燃的危险性进行评价，且可操作性强。

轰燃;DHGF 算法; 评价方法

1 引言

通风良好时,若室内着火,则火焰将由局部向周边蔓延,且燃烧生成的热在室内积累;当热量积累到一定程度后,火势急剧增长,温度突然升高,室内所有可燃外表面几乎同时着火,导致室内整体火灾。室内火灾发展过程中的这种转变现象称为轰燃,它标志着室内火灾充分发展阶段的开始。由于轰燃发生后室内可燃表面都开始剧烈燃烧,并伴随有高温火焰从房间开口窜出，如图1,对室内物品和建筑结构本身可能造成严重损坏,也是火焰向邻近房间或建筑扩展的前兆,因此研究室内轰燃的危险性具有重要意义。大量实验结果表明,影响轰燃的主要因素有:火源、开口通风因子、内衬材料热惯性和房间内部尺寸[1]。这些因素间的相互作用，决定了轰燃现象的发生及其强度。由于这些因素大多是灰色、模糊、难以量化的，于是, 轰燃危险性的评价工作变得异常复杂。

图1 火灾中的轰燃现象

目前, 还少有专门针对轰燃危险性评价方法的研究。常用的危险性评价方法有德尔菲法(Delphi)、模糊评判法、层次分析法等[2]。每种方法都有其优缺点。德尔菲法(Delphi) 需依据专家经验和专业知识,通过咨询与统计收集信息、分析专家的意见,确定信息系统综合评价的指标集:没有考虑定性、定量因素之间的相对重要性。模糊评判法是一种描述和加工模糊信息的数学方法,根据专家对指标判断存在的不确定性和模糊性,可用模糊评判法处理信息。层次分析法具有系统、灵活、简便以及定性与定量相结合的特点，特别是能将决策者的经验判断予以量化, 在评判目标结构复杂且缺乏必要数据的情况下很实用, 但是它的具体应用与特定的场合有很大关系,评价结果的时间和空间转移性较差。轰燃危险性的评价是一个新课题, 具有随机性、不确定性、模糊性、新颖性的特点。本文在常用评价方法的基础上, 提出了一种新的综合评价方法: 基于改进的DHGF算法的轰燃危险性评价方法。该方法将一种先进的集成算法DHGF算法进一步改进，运用到轰燃危险性评价中。根据不同的方法的适用性, 在该评价中的不同阶段采用适用的方法, 以求对轰燃危险性做出客观、全面、科学的评价。

2 基于改进的DHGF算法的轰燃危险性评价模型

2.1 改进的DHGF算法的理论基础

DHGF 算法是将改进的Delphi法、AHP、灰色关联、模糊评判的成功之处集合而成的[2]。DHGF集成算法的理论基础是灰色理论、模糊数学和从定性到定量的综合集成方法，是目前较先进的综合算法之一。但是，该算法在确定指标权重时使用的AHP法，在评定一些不确定性较强，决策者难以进行精确判断的因素时不能很好的解决问题。而在轰燃火灾中，由于环境的不确定性,常使决策者难以对各种因素进行精确判断和把握。本文在此基础上，提出了一种改进的DHGF算法。该方法在原方法的基础上，引入了一种不确定分析方法，区间层次分析法( Interval Analytic Hierarchy Process,IAHP)。

2.2 基于改进的DHGF 算法的轰燃危险性评价流程

改进的DHGF算法是将改进的Delphi法、层次分析法(IAHP)、灰色关联法(Grey)、模糊评判法(Fuzzy)的成功之处集合而成的算法。在这种算法中, 改进的Delphi法用于建立智能运输系统的评价指标体系,区间层次分析法用来确定各评价指标间的权重,灰色关联法用来对专家评分数据的处理,最后用模糊评判法得出评价结论。这样将不同的模型加以改造处理后,在轰然危险性评价的不同阶段运用不同的方法,各种方法取长补短,来解决轰然危险性的评价问题。根据改进的DHGF算法的思路,可以得到运用改进的DHGF评价轰燃危险性的流程(见图2)。

图2改进的DHGF算法的轰燃危险性评价流程图

2.3 轰燃危险性评价模型

2.3.1 确定评价指标集

根据科学性、可比性、可操作性等指标设计原则,通过对轰燃危险性的分析,运用改进的Delphi方法向多位有丰富实践经验的专家进行调查咨询, 并查阅相关资料, 建立了一套较为系统、合理的评价指标体系(见图3)。

图3 轰燃危险性评价指标体系

其结构为层次结构, 底层11个元素即为评价A 的指标：

O = {O1, O2,..., O11}

2.3.2 确定指标权重

由于在专家眼中各个指标对轰燃危险性的影响程度不一样,所以有必要对这些指标加以权重。本文将采用区间层次分析法(IAHP )进行指标权重的确定。通过图3示意,将轰燃危险性评价分为三层。首先将多位名专家填写的对上下层之间元素关系抽象整理成判断矩阵,建立的两两比较矩阵。在两两比较中,将专家的定性描述转换为规范化数值的过程称为标量化,其依据是各种标度体系常用的是以下的互反性1～ 9标度表[3]。

表1 互反性1～ 9 标度

传统AHP 的判断矩阵用点值表示,但由于信息的不完备和主观判断固有的含糊性,往往会出现不确定的判断。例如,专家在判断方案2 相对方案1的优势程度时可能认为结果介于“明显”、“强烈”到“极端”之间, 这时可用一个区间数[6, 9]来代替“点值”。或者是几位专家对同一指标的意见不一致，可以取几位专家的评判的最小值和最大值分别作为区间的上下限。按这种方法建立的A～G判断矩阵A 如表2所示。

表3 区间数判断矩阵A

表2 中:矩阵元素均为区间数；对称元素互为倒数,例如:a21为[1/7,2/6],a12则为[6/2,7/1]。

对区间判断矩阵A通过特征值法和归一化处理后得到区间特征向量：=([0.251,0.376], [0.059,0.076],[0.372,0.434],[0.176,0.256])，

将其用中心区间形式表示:

即为区间矩阵A的权重向量[3]

W= ([0.3135-0.0625,0.3135+0.0625],[0.0675-0.0085,0.0675+0.0085],

[0.403-0.031,0.403+0.031],[0.216-0.04,0.216+0.04])。

通过同样的方法，计算G～O的各个子判断矩阵的特征向量和权重向量（限于篇幅限制，在此省略），最后得到O层对于A 的组合权重为:

W= (W1,W2,...,W11)= (0.209,0.042,0.044,0.015,0.0868,0.0651,0.1085, 0.08246,0.09114,0.085,0.171)。

2.3.3 确定评价量样本矩阵

设有r 位专家参与评价:R=(R1, R2,..., Rr) ,将第i位专家对指标Oi给出的评分记为dli,综合r位专家对所有评价指标的评价数据,得到评价样本矩阵D,为了便于专家评定，规定打分范围为0～10 分。

2.3.4 确定评价等级

根据测度理论确定智能运输系统评价标准集合:

V = (V1,V2,V3,V4)。

V1,V2,V3,V4分别表示指标的评价为“强轰燃危险”、“弱轰燃危险”、“临界危险”、“安全”四个等级。按10分制打分，故确定评价等级集合为V = (9, 7, 5, 2)。

2.3.5 确定评估灰类

确定评估灰类就是要确定评估灰类的等级数、灰类的灰数以及灰数据的白化权函数。根据评价等级集合V,确定评估灰类为4类:

各个灰数的白化权函数如下：

相应的白化权函数图如图4所示，

2.3.6 计算灰色统计数及模糊权矩阵

2.3.6.1 计算灰色统计数

用灰色统计法根据白化权函数求出dli属于第j灰类评价等级的权fj(dli) ，据此求出评判矩阵的灰色统计数nij和总灰数统计数ni。

2.3.6.2 求灰色评估权值及模糊权矩阵

将所有r位专家对评价指标Oi主张第j 灰类的灰色权向量记为rij，则有:，从而由rij构成模糊权矩阵R：

2.3.7 计算模糊综合评判矩阵及评价结果

由模糊权矩阵和单因素模糊评判矩阵复合运算，得模糊综合评判矩阵：B=W· R=(b1, b2, b3, b4)。再对B进行归一化处理，使，令Z=B·VT，则Z 即为轰燃危险性的综合评价值。综合评价值分值越高，说明轰燃危险性越高。

3 应用实例

为了更好的说明整个评价方法的思路， 下面应用上述评价模型对某室内进行轰然危险性评价。评价过程如下：

3.1 取得评估矩阵

现假设请5位专家为该室内的轰燃危险性进行评分，根据专家的打分情况得到评价样本矩阵D，如表4。

表4 评价样本矩阵D

3.2 计算模糊权矩阵

首先，计算灰色统计数，根据上述白化权函数逐一计算dli属于第j灰类评价等级的权fj(dli)，求出评判矩阵的灰色统计数nij和总灰数统计数ni,于是得到模糊权矩阵R。对指标O1，该室内轰燃危险性属于第一灰类的统计数为：

n11= f1(d11)+f1(d22)+f1(d31)+f1(d41)+f1(d51) = f1(7)+f1(8)+f1(9)+f1(6)+f1(7)=4.11，

同理可得：n12=4.43，n13=2.6，n14= 0。对于指标O1的总灰数统计数为:n1= n11+n12+n13+n14=11.14。

则有r11=n11/n1=4.11/11.14=0.37, r12=0.40, r13=0.23, r14=0。

同理逐一计算可得rij( i = 1, 2,..., 7; j = 1, 2,..., 4) ,于是得到模糊权矩阵：

3.3 计算模糊综合评判矩阵及评价结果

根据前述公式得B=W·R=(b1, b2, b3, b4) =(0.3612, 0.3757, 0.2495, 0.0136)，归一化处理后仍为B =(0.3612, 0.3757, 0.2495, 0.0136) 。

则Z= B·VT= (0.3612, 0.3757, 0.2495, 0.0136)·(9, 7, 5, 2)T= 7.1555。

因此，根据评价等级衡量, 该室轰然危险性的综合评价属于弱轰燃危险水平。

4 结论

本文采用由改进的Delphi法以及层次分析法(IAHP)、灰色关联法、模糊评判法的成功之处集合而成的改进的DHGF算法对轰燃危险性评价。在轰燃危险性评价的不同阶段中运用不同的方法，各种方法取长补短，来解决轰燃危险性的评价问题。这种方法具有以下优点：

(1) 融合了多种方法，使定性指标向定量转化更具科学性，评价结果更为简单直观；

(2) 在对专家评分数据的处理过程中，考虑了专家评分行为的模糊性，使评价结果更符合实际情况；

(3) 评价过程中对历史数据无依赖，对轰然危险性评价有更好的适应性。

通过应用实例，证明这种评价方法是有效可行的，能有效地对室内的轰燃危险性进行全面评价。当然，必须要指出的是这种方法也存在一定的缺陷，其主要原因是轰燃危险性的评价目前还处于初始阶段，评价的数据得不到有效采集，同时专家的评分仍然有一定的主观性。因此还有待于在以后的实际应用中逐步建立善的运行数据库，并对评价方法进一步研究探讨。

[1]陆时正,时颖倩,李璞.火源对标准房间轰燃影响的数值模拟[J].安全与环境工程学报.2010,17(2):98-102.

[2]徐维祥, 张全寿.一种基于灰色理论和模糊数学的综合集成算法[J].系统工程理论与实践.2001,4:114-119.

[3]吴育华,诸为,李新全,等.区间层次分析法—IAHP[J].天津大学学报.1995 , 28(5) :700-705.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.051

张保印（1970—），男，河北省唐山市公安消防支队，主要从事消防安全工作研究。