基于多级可拓评价法的地铁车站火灾风险评估

宋仲仲，宋文波，林 立

（1.兰州交通大学 交通运输学院，兰州 730070；2.北京交通大学 交通运输学院，北京 100044）

0 引言

多数地铁车站环境密闭、人流集中，一旦发生事故，可能带来重大的人身财产损失。相关统计资料显示，火灾事故在所有地铁安全事故中所占比例最大[1]。因此，客观合理地对地铁车站火灾风险进行评估，有利于及时发现和控制火灾隐患，为车站安全管理部门提供决策依据，具有重要的理论和现实意义。

针对地铁火灾的安全性问题，国内外学者均进行了一定的研究。其中，国外学者主要以空气流动、隧道通风、人员疏散等的数值模拟实验为主[2～4]。如Kurioka等[2]在对三种隧道模型进行风洞试验的基础上，得出了火焰倾斜度及高度、烟层最高温度及位置的经验公式，并通过对比实验证明了公式的适用性；Roh等[3]和Benkoussas等[4]利用流体动力学模型分别对地铁车站火灾情况下人员疏散及烟雾通风情况进行了评估和数值模拟。随着我国地铁行业的蓬勃发展，国内学者针对地铁火灾的安全评价问题也进行了一定程度的探讨[1,5～14]，主要以模糊综合评价为主流方法[1,5～7]。马一太等[5]在模糊数学理论的基础上，对地铁火灾的危险性进行了一阶和二阶模糊评价，是我国较早对地铁火灾使用模糊综合评价的研究者之一；陈曼英[1,6]运用模糊数学方法并结合故障树法对地铁车站发生火灾的概率进行研究，并给出了降低火灾风险的具体措施；米红甫等[7]将火灾发生的概率及火灾的危害性统筹考虑，结合概率论与模糊数学等相关理论建立概率模糊评价模型对地铁车站火灾风险进行研究。马剑等[8]通过函数对评价结果进行量化，在证据理论的基础上，提出了一种地铁火灾安全评价的新方法；李炎锋等[9]在地铁车站火灾评价体系的构建方面采用了按时序分阶段的方法；李江华[10]和王建波等[11]将神经网络运用到地铁车站火灾风险的评价模型中。自可拓学[12]被提出以来，基于可拓理论的评价方法开始逐渐应用于各领域[13～17]，包括评估地铁车站火灾风险的问题[13,14]。安永林等[13]将可拓评估与文献[5]的模糊综合评价所得结果进行对比分析，说明了该方法的可行性；阳富强等[14]在可拓理论的基础上结合熵权法，对地铁车站的火灾风险进行评估。对既有研究进行分析可知，模糊综合评价[1,5～7]容易出现丢失信息的问题；传统的层次分析法[5,13,15,16]在确定权重时构造的判断矩阵多数情况下不满足一致性检验；一些评价指标体系的构建[9～11,14]未充分考虑我国关于地铁设计规范的相关规定且带有一定的主观性。

鉴于此，本文在构建地铁车站火灾风险评价体系的基础上，开创性的以改进的层次分析法计算相关指标的权重并结合多级可拓评价法对地铁车站火灾风险进行评估，以期为管理者提供新的科学的评价思路，为地铁车站有效地预防火灾提供合理的建议。

1 地铁车站火灾风险评价体系

1.1 评价指标体系的建立

根据《地铁设计规范》（GB50157-2013）[18]中关于“火灾自动报警系统”、“运营控制中心”、“防灾”等方面的相关规定，结合国内外地铁火灾事故的特点，在既有研究成果[1,5,14]及实地考察地铁车站的基础上，采用事故分析和专家调查等方法，从管理水平、设备水平、消防设计水平、人员能力水平等四个方面建立地铁车站火灾风险评价指标体系，如图1所示。

1.2 改进的层次分析法确定评价指标权重

由于地铁车站火灾风险评价体系包含诸多指标，每个指标对待评目标的重要程度都不同。为了使评价结果比较客观准确，必须对其赋予不同的权重系数。

在确定权重时，层次分析法是一种实用性强且较为科学的方法。但构建的判断矩阵往往不满足一致性检验，必须对其重新进行调整。因此，本文在确定指标权重时将对层次分析法加以改进，使其无需进行一致性检验[7]，步骤如下：

1）将指标两两对比，通过1～9的重要性标度构造比较判断矩阵A=(aij)m×n。

2）通过下式将判断矩阵A=(aij)m×n转换为改进的判断矩阵B=(bij)m×n：

式中，k≥2且k为整数，β≥1，通常取β=1，此时判断矩阵B=(bij)m×n均满足一致性检验。

3）求各指标的权重。对B的各列进行归一化得到矩阵C，将C的各行加总求和即可得到特征向量W；对W进行归一化处理即可得到每个指标的权重。

2 多级可拓评价模型

2.1 可拓评价基本理论

可拓评价可以将多因素的评价最终转化为单目标的决策，并通过客观的数字来表示评价结果。本文所构建的地铁车站火灾风险可拓评价模型即是在明确评价指标域及火灾风险域的基础上，确定各评价指标的经典域和节域，通过计算各指标对于不同火灾风险的关联度，进而确定待评目标对应的风险等级。

2.2 确定经典域和节域

设风险等级域U={Ui, i=1,2,…t}，t为风险等级个数；一级指标评价因素集M={mj, j=1,2,…l }，l为一级指标个数。

则经典域物元Ri可表示为：

图1 地铁车站火灾风险评价体系

式中，Vi为一个经典域，表示评价因素集M关于风险等级Ui的数值范围，即相应的一级评价指标关于火灾风险各等级的取值范围。

节域物元RU可表示为：

式中，VU表示一个节域，即M关于风险等级全体U的数值范围。

2.3 确定待评物元

将收集到的信息数据以及分析结果或专家打分情况用物元Rj表示为：

式中，p表示待评目标；vjh表示待评目标关于二级评价指标mjh的取值，即通过对待评目标进行分析后得到的实际数值，r表示二级指标的个数。

2.4 确定各风险等级的关联度

根据上述分析中关于关联函数和距的相关定义及说明，第j个一级指标下的第h个二级指标相对于火灾风险等级Ui的关联度Ki(mjh)表示为[15]：

由距的定义可知，式中：

2.5 多级可拓评价

风险评价体系中二级评价指标相对于各等级的关联度矩阵可表示为：

各二级指标的权重向量为：

则评价体系中一级评价指标相对于各个风险等级的关联度矩阵K(mj)为：

其中，运算符号o表示矩阵的乘法。

同理，一级评价指标的权重向量w与矩阵K(M)=(K(mj))相乘即可得到待评目标相对于不同风险等级的关联度矩阵K(P)：

其中：

3 实例分析

以多级可拓评价模型对某市地铁车站火灾风险进行评估。在既有研究[1,5,14]的基础上并根据实地调研情况，将火灾风险等级域设为U={U1，U2，U3，U4，U5}={安全，较安全，一般，较危险，危险}，等级评价得分表如表1所示；根据图1，一级指标评价因素集M={m1，m2，m3，m4}。

表1 风险等级综合评价分数

3.1 权重系数的确定

以一级指标为例进行计算说明。首先由安全专家小组成员及车站工作人员对指标进行两两对比，构造比较判断矩阵A同时根据式(1)将其转化为改进的判断矩阵B：

对矩阵B的各列进行归一化处理即可得到矩阵C，进而求得特征向量W={0.942，1.092，1.469，0.498}，对特征向量W归一化处理即可求得所有一级指标的权重系数向量w={0.2354，0.2729，0.3673，0.1244}。同理可得每个一级评价指标下的二级评价指标对应的权重，如表2所示。

3.2 经典域和节域的确定

以“消防设计水平”及其二级指标为例进行计算说明。根据式(2)、式(3)中关于经典域和节域的描述以及表1中各等级的评价分数，可类比得出“消防设计水平”m3的经典域和节域为：

3.3 待评物元的确定

聘请消防专家以及车站管理人员根据车站实际情况，对每一个二级评价指标进行打分，确定待评物元，具体分值详如表2所示。如“消防设计水平”的待评物元为：

3.4 二级指标关联度的计算

以二级评价指标“车站火灾载荷”为例，根据式(6)计算可得：

则由式(5)得：

由此可得“消防设计水平”下的二级评价指标“车站火灾载荷”相对于不同风险等级的关联度，其他二级评价指标的关联度参数计算结果如表2所示。

3.5 火灾风险等级的确定

根据二级评价指标的权重向量及关联度矩阵，由式(9)可计算对应的一级指标的关联度，以“人员能力水平”为例：

其他一级指标的关联度计算结果如表3所示。同理，根据一级评价指标的权重向量及相对不同风险等级的关联度矩阵即可求得待评目标相对于各等级的关联度：

由max{K1(P), K2(P), K3(P), K4(P), K5(P)}=max{-0.19,0.06,-0.31,-0.54,-0.66}= K2(P)可得，该地铁车站火灾风险属于第二等级，即“较安全”。根据式(11)、式(12)所示，得i*=2.067，其他一级指标的评价结果如表3所示。

3.6 结果分析

对表3进行分析可知，该地铁车站火灾风险处于较安全级别，其特征值为2.067，说明风险等级介于较安全和一般之间，偏向于较安全，与该地铁车站实际情况相吻合。

四项一级指标均处于较安全的级别，其中设备水平介于安全和较安全之间，其他三项都介于较安全和一般之间。从管理水平和人员能力来看，特征值稍大，建议该地铁车站将重点放在这两方面，结合表2的评分情况，车站需定期开展消防安全教育培训，切实加强火灾风险管理水平；提高车站人员的消防技能和消防安全意识，全面提升其应对突发事件的能力。同时兼顾消防设计和消防设备的维护与稳定，进一步提高车站火灾风险的安全等级。

表2 评价体系及相关取值

表3 地铁车站火灾风险可拓评价结果

4 结论

在可拓学理论的基础上，利用可拓评价模型从管理水平、设备水平、消防设计水平、人员能力等四个方面对地铁车站的火灾风险进行评估，主要结论如下：

1）根据地铁车站实际情况，建立了详细的评价指标体系，评价结果显示该地铁车站的火灾风险处于较安全级别，与车站实际情况相符。

2）采用改进的层次分析法确定评价指标权重，避免了传统的层次分析法确定权重时需要对判断矩阵进行一致性检验的缺点；将多级可拓评价法用于评估地铁车站火灾风险，通过计算各等级的关联度，能够准确确定风险所属级别并计算出所属级别的特征值。此方法可以避免模糊综合评价中选择评价模型及构造隶属度函数的复杂性，能够为地铁车站火灾风险提供客观的评价，根据薄弱环节有针对性地进行管理。

3）地铁车站火灾风险涉及因素众多，本文主要针对管理、设备、消防设计以及人员等四个方面进行探讨，后续研究工作中可对地铁车站火灾风险的评价体系进行更详尽的考虑。