基于优化定权与灰色聚类的人流密集场所应急疏散能力评价*

张俭让，王江艳，董丁稳，郑海霞

(西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054)

0 引 言

近年来，随着城市化建设进程的加快，城市人口密度加大，城市人流密集场所的突发事件也在逐年上升。当突发事件发生时，首要任务是保证人员安全。研究应急疏散能力是为了提高预防和处置突发事件的能力。通过评价特定区域的应急疏散能力，可以促进应急管理工作的持续改进，确保应急预案的有效性，提高组织应急救援的水平，以及审查应急准备工作的进展情况［1］。因此对特定区域内应急疏散能力的分析与评价方面的研究很有必要。

目前国内外对于人员安全疏散的研究主要集中在3 个方面，一是对人员疏散行为的研究，二是对疏散时间的研究，三是对安全疏散的影响因素的研究。对于应急疏散行为的研究开始于美国马里兰大学的Bryan J.L，他在1956 年首次对某火灾事故幸存者的行为进行了咨询调查。随后，结合人员行为和仿真模拟方法的研究逐渐成为了该领域的热点问题。对于应急疏散时间的计算方法主要分为2 类:一类是以前苏联Perdtechenski 和Milinski，日本的Togawa 等人为代表，根据疏散设施的本身属性和通过能力来计算疏散时间。另一类是以美国的Chalmet，Gunnar，Francis，MacGregor 等人为代表的网络优化计算方法，该方法是在较少的考虑单个人员疏散特征的情况下，将建筑物各个单元划分为一个个网络节点，运用网络模型设计疏散路径，然后采用流量限制的原理计算总体疏散时间［2-3］。国内相关方面的研究主要体现在影响应急能力指标体系的构建［4］以及出入口条件对人员疏散的影响［5-6］，而对疏散模型的建立［7］以及疏散时间的计算［8］是研究的重点。目前国内外对于应急疏散能力综合评价方面的研究，其问题主要集中在评价指标体系的合理性和评价方法的有效性［9］。文中是在对影响因素分析的基础上建立应急疏散能力评价指标体系，通过基于优化权重与灰色聚类模型评价人流密集区的应急疏散能力。

1 应急疏散能力评价指标体系

人流密集场所应急疏散能力的评价指标，应覆盖影响疏散能力的关键因素。通过评价，能客观反映应急疏散能力现状，以便及时调整和采取对策措施，力求最大程序减轻突发事件造成的损失。文中将影响人流密集场所应急疏散能力的因素归结为5 个方面:人员因素、建筑因素、环境因素、交通因素和管理因素。

1)人员因素。突发事件发生时，最重要的问题是如何将该区域的人员安全、快速、有序的疏散，因此待疏散人群的身体素质，遇到灾害时的应激反应及行为，还有对发生灾害区域的环境熟悉程度以及是否接受过专业的相关培训即是否具备安全疏散意识等都直接影响到疏散的效果。人员的差异性造成疏散对象的复杂性，同时也可能增加应急疏散工作的难度，因此人员因素是影响应急疏散能力的一个重要因素。

2)建筑因素。就应急疏散的而言，建筑内部应该具备良好的疏散条件，比如应急出口数目及宽度、疏散通道的宽度必须达到相应的标准，应急照明设施的覆盖度，以及防止火灾迅速蔓延的防火分隔，排烟系统等应急设备是实施有效应急疏散的基础，建筑内部的火灾荷载也是影响应急疏散的一个关键因素。

3)环境因素。建筑物内外部环境对应急疏散有直接影响，建筑内部危险易燃易爆品的数量影响疏散的难易程度，建筑物外部合理布置指示标志能够引导人员选择正确的逃生路线，到达避难场所。车站附近的治安状况，如火车站附近的监控设备及巡查人员也是应急疏散的重要影响因素。

4)交通因素。当突发事件发生时，足够的救援车辆可以第一时间将人员从危险区域疏散出去，畅通的交通状况无疑是应急疏散的保证，事发地点到避难场所的距离长短也是安全疏散的决定因素。

5)管理因素。影响应急疏散能力的管理因素主要表现为应急预案的完善性以及组织指挥系统的合理性。突发事件应急的快速响应及处置很大程度上取决于事前的充分准备和详细的应急预案的制定。因此应急预案系统是否完善，预案是否周密灵活，是否具有针对性以及预案是否及时更新等，都对应急疏散能力产生重要的影响。此外，应急组织的合理设置，组织人员的职责划分，应急资源的合理分配，人员之间的沟通协调，安全知识的广泛宣传等，为突发集群事件的应急能力提供坚实的基础。

由以上分析，建立人流密集场所应急疏散能力评价指标体系如图1 所示。

图1 应急疏散能力评价指标体系Fig.1 Evaluation index system of emergency evacuation ability

2 应急疏散能力评价模型

2.1 基于优化定权的评价指标权重确定

指标权重的确定是综合评价中的关键步骤，目前的指标定权方法可归为3 大类:客观赋权法主观赋权法及组合赋权法［10］。文中采用最小二乘法模型，对熵值法和层次分析法［11-13］得出的结果进行优化组合，使得出的权重更具合理性。

2.1.1 熵值法确定客观权重

设有m 项评价对象，n 项评价指标，根据采集到的评价指标量化值形成标准化的数据矩阵Xij，则第j 项指标的信息熵为

2.1.2 层次分析法确定主观权重

依据已建立的评价指标体系形成该方法应用的层次结构模型。构造判断矩阵，判断矩阵表示层次结构模型中，针对上一层次某元素来说，本层次有关元素之间相对重要性的比较，可表示为

对矩阵的每一行元素进行行乘积，并对行向量做归一化处理

计算得到权重

对于

2.1.3 加权最小二乘法进行权重优化

为了兼顾层次分析法在应用过程中由于评价专家的主观不确定性及认识的模糊性可能导致权重确定的不合理，以及熵值法这种客观评价方法得到的权重可能与决策者的主观愿望相反，而使决策者感到迷惑的弊病，为达到主客观的统一，且使决策的结果偏差越小［14］，文中决定采用改进的加权最小二乘法决策模型，修正层次分析法与熵值法确定的权重。为确定uj，求解以uj= 1 为约束条件的最优化方程

其中 uj＞0，j = 1，2，3，…，n.通过解此方程得到各指标的权重uj.

2.2 应急疏散能力的灰色聚类评估模型

灰色白化权函数聚类法是根据各个灰类的白化权函数将一些观测指标聚集成若干个可以定义的类别，从而将系统归入某灰类的过程，用于检测对象是否属于事先设定的不同类别［15］。通过对已知部分信息的收集、处理、定性描述和定量计算，在灰色白化权函数生成的基础上，把收集到的各项参数指标进行归纳总结，最后通过灰色聚类评价的方法，实现待评估系统等级的评价，具体步骤如下

2.2.1 应急疏散能力评价等级的划分

将评价等级划分为5 个灰类等级:很差、较差、一般、较好、很好。用k = 1，2，3，4，5 来表示这5 个灰类。

2.2.2 风险量化评估矩阵的确定

灰色定权聚类评估要根据因子的评估方法得出各因子风险量化评估表，得出评价矩阵。文中选择专家打分法确定各因子的风险量化评估值采用1 ～5 分制，代表风险程度分别为低，较低，中，较高，高。为了综合专家打分无参考可循以及问卷调查的被普遍化的弊端，用评估矩阵数据dij表示专家i 对第j 项指标的评分值。

2.2.3 白化权函数的确定

白化权函数用来定量描述某项指标属于某灰类的程度［16］。在灰色聚类评估过程中，各灰类白化权函数的确定［17］是最为关键的环节之一，是充分体现由定性分析到定量建模的关键环节。白化权函数fkj(dij)指的是第j 个聚类指标对于第k 灰类的白化函数值，安全评价等级分为5 类，k=1，2，3，4，5.因此相应的建立5 个灰类白化权函数如下

2.2.4 计算灰色聚类系数

2.2.5 得出评价结果

3 实例分析

应用以上模型对西安火车站地下商场区的应急疏散能力进行评价，应用分析过程如下

3.1 指标权重计算

将由17 个影响因子近5 年的现状按照很差，较差，一般，较好，很好的等级赋值，分值为1 ～5 组成的调查问卷发放给应急疏散研究领域的专家及火车站管委会成员，再将回收的问卷的分值做平均得到的数据作为计算权重的原始数据。再依据2.1 中的方法，由公式(1)～(7)得出各二级指标权重向量如下

一级指标权重向量如下

3.2 灰色聚类系数求解

1)专家打分法得出的各因子风险量化评估值见表1.

2)根据上表计算各位专家对于各因子的聚类评级

表1 各因子风险量化评估值Tab.1 Quantitative risk evaluation value of each factor

3)计算聚类系数

由式(9)得出专家聚类向量如下

3.3 求得评价结果

由以上计算结果，二级指标1，2，3 属于第二灰类，4，5 属于第三灰类，根据最大隶属度原则，判定该区域应急疏散能力评价结果属于第二灰类，即安全等级为中下。

3.4 评价结果分析

根据以上评价计算过程，得出人员因素、建筑因素、环境因素的安全等级为较差，交通因素以及管理因素的安全等级为中，该结论符合此区域的实际情况。因此，为了提高火车站地下商场人流密集区的应急疏散能力，从而确保相关人员的生命及财产安全，具体需要从以下几方面进行改进。

从人员因素来看，人员素质的提高是强化应急疏散能力需要重点考虑的方向。因此在易发生突发事件的人流密集区域开展安全教育及培训，培养人们的应激意识及心理素质，提高安全疏散能力显得十分重要。

从建筑与环境因素来看，由于火车站地下商场区域建成距现在有二三十年之久，当时的建筑标准已经不符合目前的应急要求，因此不论是从应急出口，还是应急设施的落实等方面，火车站地下商场建筑因素都没有达到应急疏散的要求，所以完善建筑内部的应急疏散辅助设备是搞好应急疏散的基础。

从交通因素来看，保障一定的救援车辆以及畅通的道路是发生突发事件后人员能安全疏散的保证。

从管理因素来看，应具备详细、完善、灵活的应急预案以提高应急疏散的效率。

4 结 论

1)综合分析人员、建筑、交通、环境、管理5 方面影响因素，建立的人流密集场所应急疏散能力评价指标体系，通过实例分析表明其评价结果反映出了火车站地下商场区域应急疏散能力的综合情况，具有较好的实用性;

2)采用优化最小二乘法确定指标权重的方法，将其应用于人流密集场所应急疏散能力评价指标定权，克服了评价过程中主观定权与客观定权的弊端，将主客、观定权结果优化处理，保证了评价指标定权的合理性，能够提高评价结果的可信度;

3)在评价指标优化定权的基础上，采用灰色聚类法通过构建白化权函数对人流密集场所应急疏散能力进行综合评价，可通过评价结果分析得出人流密集区域应急疏散能力方面的不足，为其持续改进提供决策依据。

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