基于因子和层次分析法的城市并发火灾危害严重度评估

孙多娇

(沈阳市消防支队，辽宁 沈阳　110013)



基于因子和层次分析法的城市并发火灾危害严重度评估

孙多娇

(沈阳市消防支队，辽宁 沈阳110013)

城市并发火灾具有并发性、突发性、高危害性等特点。为了控制和防范此类火灾的发生，并发火灾的不同火场火灾危害严重度评估十分必要。使用PASW18.0软件对火灾数据进行因子分析，得到因子综合得分，利用层次分析法确定各影响信息的权重，从而提出火灾危害严重度的计算方法，建立了并发火灾危害严重程度评价体系，得到了危害等级划分标准，为针对此类火灾救援与日常防火监督提供理论依据。

城市并发火灾；因子分析；层次分析法；火灾危害严重度

1　城市并发火灾现状分析

城市并发火灾指受自然灾害、公共安全突发事件等特殊原因诱导，在城市范围内同一时间(特指较小时间间隔内)出现多个火场，造成城市系统中生命和财产危害的一种特殊火灾事故。其诱发原因特殊，其成因可分为以下三个大类：(1)地震、大风、雷击等各种自然灾害。2011年日本宫城大地震在短时间内引发东京市内20多处火灾[1]；2010年4月23日，我国新疆吐鲁番市遭遇30年不遇的强风袭击，大风造成城区内发生多起火灾。(2)公共安全突发事件。“9·11”恐怖袭击发生后，大火吞噬了美国两座摩天大楼，损失难以用数字估量；2008年3月14日，西藏拉萨发生暴力打砸抢烧事件，300余处起火，死伤人数达数百人。(3)其他特殊原因如节假日烟花爆竹的集中燃放。如2009年央视新址大火及2011年除夕之夜沈阳皇朝万鑫大厦火灾。

通过这些惨痛的火灾案例我们不难发现，随着经济和社会的不断发展，城市并发火灾发生的几率也在逐渐增加。同时，并发火灾具有经济及社会危害性大、并发性、突发性、复杂多样性、防灾及减灾难度大等特点，一旦发生，灭火救援难度较大，火灾损失及影响范围也较大。而多个火场的危害后果不同，亟须救援的严重程度也不同，因此开展对此类火灾灾害的研究，总结其特点和规律，真正做到防患于未然，保证最大限度地减少损失，成为当前消防部队亟待解决的难题。

2　并发火灾的危害严重度

2.1危害严重度的研究意义

火灾危害后果涉及伤亡人数(包括死亡人数和重伤人数)、经济损失(包括直接经济损失和间接经济损失)、环境污染(包括对大气、水源等环境破坏)与社会影响等诸多方面。城市并发火灾危害严重度是衡量多个火场危害后果大小的重要指标，其主要目的是为区别多个火场危害严重程度与灭火救援的紧迫程度，便于进行灭火及日常防火监督。并发火灾的危害严重度计算，应建立在火灾报警信息基础上，综合考虑危害严重度的影响因素，预测火灾潜在的危害范围与损失大小。

2.2危害严重度计算依据

城市并发火灾是一种特殊火灾形式，具有火灾的本质特征，可通过分析常规火灾特性总结并发火灾增长规律。而火灾作为一种随机事件，无法准确把握单场火灾的影响因素对其危害后果的作用效果，只能把火灾数据作为一个整体，分析其统计规律性。本文针对上述分析，调研火灾案例数据，通过汇总或计算这种量化形式的记录得到火灾危害严重度影响因素的规律性。

笔者对某市消防支队调度指挥中心进行实地调研，汇总整理得到2009—2014年该市火灾案例共4 500例，案例信息包括起火单位信息、报警信息、损失统计信息与消防出动信息等。火灾数据整理过程中，综合分析火灾危害严重度影响因素，着重主要因素、祛除冗余信息，可将上述数据分为三部分：火灾对象信息、报警信息与火场环境信息。

2.2.1火灾对象信息

火灾对象信息作为火灾增长的基础要素，包括建筑物自身的几何结构、建筑内部可燃物情况等多个因素，如火灾荷载、建筑高度、耐火等级、防火分区、建筑结构等信息。

2.2.2报警信息

准确有效的报警信息可视为判定火灾危害程度的决定因素，具体包括火灾增长信息、被困人员信息、经济损失信息及其他险情信息。其中，火灾增长信息指报警时过火面积和起火层数；被困人员信息指火场被困人数；经济损失信息指起火建筑的经济价值，通常按建筑物价值和建筑内部物品价值，分为一般价值、贵重价值与无法挽回价值(主要指世界遗产类)；其他险情信息包含爆炸危险信息、坍塌危险信息和蔓延危险信息。爆炸危险信息指起火建筑物出现爆炸的可能性，因为爆炸可视为由建筑内存储有爆炸性危险的物质引起，故可用火源距危险品的距离表示，距离越小，爆炸危险性越大，如火场无任何具有爆炸危险的物品，则距离为极大，即爆炸险情为0；坍塌危险信息指建筑结构在火灾中出现倒塌、损毁的可能性，一旦发生险情将造成巨大人员伤亡和财产损失，坍塌危险一般与火源状态、火灾规模及建筑物本身的结构有关，故可用建筑结构表示；蔓延危险信息是指建筑火灾蔓延到其他建筑及造成周围建筑损失的因素，可用起火建筑防火间距和周围建筑密集程度表示。

火源以热辐射的形式向周围传递热量，对周围建筑构成火灾威胁，为避免火灾在建筑间蔓延，《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)规定了建筑之间的防火间距。本文将防火间距分为符合规范要求与不符合规范要求两类。由于最小防火距离受多种因素影响，使得很多建筑物之间的防火间距不能达到安全标准，特别是当建筑物周围有商场超市、影剧院、报告厅等人员密集场所时，增加了蔓延概率与灭火难度。考虑到火源是以球面形式向周围环境辐射热量，受火灾威胁最大的建筑最多有4个均为人员密集场所，设一个普通建筑指标值为1，一个人员密集场所的指标值为2，则该指标值最大为8，当安全距离内没有建筑物时，即为最安全情况，指标值最小为0。设火场周围安全距离内普通建筑和人员密集场所的数量分别为a和b，则指标值x计算公式为：x=a+2b(0≤a+b≤4)，表1列出了火场周围建筑数量与指标值的关系。

表1　火场周围建筑数量与指标值的关系

2.2.3火场环境信息

火场环境指影响火场的外在条件，不良的火场环境将严重影响灭火救援行动的有效开展，火灾危害严重程度增大。火场环境信息具体包括起火建筑物周围水源情况、消防通道信息、道路交通信息与天气信息。

2.3危害严重度计算

如何确定上述影响信息对火灾危害严重度的作用程度是计算的重点。这些因素对火灾危害后果影响程度各不相同，彼此间又具有一定相关性，信息上发生重叠。为避免此类情况出现，本文使用统计学软件PASW18.0对火灾数据进行因子分析，计算得到因子综合得分，利用层次分析法确定各影响信息的权重，此方法可合理确定各影响因子不同量纲指标之间的可公度性问题与作用权重值。因子分析法是一种高维综合评价法，其本质是对高维变量系统进行最佳综合和简化，从研究变量内部相关的依赖关系出发，把一些具有错综复杂关系的指标变量归结为少数几个公共因子，同时客观地给出各个指标的权重，其最大的优势在于各综合因子的权重不是主观赋值而是根据各自的方差贡献率大小来确定的，避免了主观随意性。

基于因子分析和层次分析法的并发火灾危害严重度综合评价计算步骤如下：

2.3.1建立并发火灾危害严重度评价指标体系

因子分析法是以现实数据为基础来进行计算的，所以选用的指标最好是定量可测的，故需对图1火灾案例数据的影响因子进行删减和修改。定性指标定量化处理，不同量纲指标标准化处理，对n个评价指标进行标准化处理过程为：

(1)

(2)

(3)

图1　火灾案例统计数据

运用PASW18.0软件对火灾数据进行因子分析[2]，具体操作为分析(Analyze)→简化数据(Data Reduction)→因子(Factor)，通过相关系数矩阵分析、KMO and Bartlett球度检验结果表明现有变量适合进行因子分析。对14个变量采用主成分分析(Principal Components Analysis)和正交旋转法(Varimax)，根据Kaiser标准(特征根大于1)提出了2个主因子，由表2可以看出所提取的2个主因子可以解释原有14个变量的89.357%的信息量。同时利用旋转后的因子分析结果(Rotated Component Matrix2)，按照各因子包含的信息对主因子进行命名，分别为潜在的严重程度和不可控程度。

至此，通过因子分析方法建立了城市并发火灾危害严重度的评价指标体系的三级分层结构，见图2。在城市并发火灾危害严重度的计算中，建立科学、合理的评价体系是准确评价计算的基础，而评价指标权重的确定则是计算的关键。下面将根据因子分析结果对指标体系进行定量分析并确定权重。

图2　城市并发火灾危害严重度评价指标体系

2.3.2计算评价指标权重

指标权重的确定运用层次分析法(AHP)与因子分析法相结合的方法进行分层确定。

表2　总方差分解

二级指标(准则层)在一级指标(目标层)上权重H2-1的计算方法:在统计分析中，贡献率的概念是指主因子对总目标贡献程度，因此，此级权重的确定可根据各主因子相对于一级指标的贡献率的归一化处理结果来表示。2个主因子的累积贡献率为89.357%，分别为56.712%、32.645%。归一化处理后得到二级指标在一级指标上的权重H2-1，结果见表3。

三级指标(影响因子层)在二级指标(准则层)上权重H3-2的计算方法：在因子分析过程中，因子得分矩阵是通过数学变换而得到的，为根据回归算法计算得出的因子得分函数的系数。因为其可建立起各个主因子与其所包含的各变量的线性回归方程，而回归方程中自变量的回归系数，即因子得分系数反映自变量的变化对因变量的影响程度。故三级指标在二级指标上的权重值可通过对因子得分系数进行归一化得到。由因子得分系数矩阵结果处理后得到H3-2权重，结果见表3。

表3　城市并发火灾危害严重度权重表

三级指标(影响因子层)在一级指标(目标层)上权重H3-1的计算方法：运用层次分析的方法，按式(4)计算得到，结果见表3。

(4)

式中，i表示第i个影响因子。

2.3.3并发火灾危害严重度分级与优先度计算[3]

对于城市并发火灾中的多个火场，按式(5)计算得到危害严重度值：

(5)

式中，Hi为第i个影响因素的权重；fi(x)为第x个火场的第i个影响因素的等级分值。

城市并发火灾事故种类繁多，危害结果各不相同。我国现阶段火灾等级标准把火灾分为一般火灾、较大火灾、重大火灾和特别重大火灾四级，参照此标准将火灾案例统计数据分为4类，依据上述方法，分别计算每类数据中火灾危害严重度，对计算结果进行分析(Analyze)→描述统计(Descriptive Statistics)→频率(Frequencies)分析得到均值(Mean)、众数(Median)、四分位值(Quartiles)，排除奇异值，最终归纳得到分级标准，见表4。

表4　并发火灾危害严重度分级表

城市并发火灾的消防力量调度优先度计算方法：分别对并发火灾多个火场计算其危害严重度F(x)，按式(6)归一化处理得到优先度：

(6)

3　结论

本文针对城市并发火灾的特点，提出了基于因子分析和层次分析法的火灾危害严重度的计算方法，建立了并发火灾危害严重程度评价体系，得到了危害等级划分标准。该计算方法建立在真实火灾案例数据基础上，量化得到火灾危害严重度影响因素的规律性，方法简单易行。同时该计算方法步骤清晰，可操作性强，可为今后消防部门在城市并发火灾的评估检查提供参考。

[1] 赵思健，任爱珠，熊利亚.城市地震次生火灾研究综述[J]．自然灾害学报，2006，15(2):57-66．

[2] 薛薇.SPSS统计分析方法及应用[M]．北京：电子工业出版社，2009.

[3] 李荣钧.运筹学[M].广州：华南理工大学出版社，2002.

(责任编辑李蕾)

The Assessment of Hazard Severity of Urban Concurrent Fire Based on Factors Analysis and Analytic Hierarchy Process

SUN Duojiao

(ShenyangMunicipalFireBrigade,LiaoningProvince110013,China)

An urban concurrent fire is of the characteristics of being a concurrency, sudden, high hazard. To control and prevent such fires, the assessment of the hazard severity of different urban concurrent fires is crucial. Through the software PASW18.0, this paper carries on factors analysis on the fire data and gets comprehensive score of the factors. With the analytic hierarchy process, the influence information of each factor is confirmed, so that the relevant calculation method of the fire hazard can be putted forward. Setting up the system for assessment on the hazard severity of urban concurrent fire and the classification criterion of a hazard grade provides a theoretical basis for such fire rescue and daily fire prevention.

urban concurrent fire; factor analysis; analytic hierarchy process; fire hazard severity

2016-02-26

孙多娇(1986—)，女，辽宁沈阳人，助理工程师。

●消防安全评价

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0038-04