基于AHP-熵权法的高层建筑电气火灾风险评价

2022-03-16郑天芳

沈阳航空航天大学学报 2022年1期

郑天芳，曲娜，张帅，冮震

(沈阳航空航天大学安全工程学院，沈阳 110136)

由于高层建筑人员众多，用电量大，电气系统相对复杂，使得高层建筑电气火灾的发生率逐年递增，给人们的生命和财产安全造成了严重的威胁[1-2]。因此，深入研究高层建筑电气火灾风险具有重要意义。目前，已有不少学者对该领域进行研究。郭天成等[3]通过分析我国建筑电气火灾近况，找出电气火灾发生的主要原因，提出合理设计电气设备系统和强化用电安全教育等解决方法。李峰[4]通过全面分析电气火灾发生原因，从预防控制、安全使用以及条文约束等方面阐述了如何预防建筑电气火灾发生。陈平乐[5]探究建筑电气火灾的特点和原因，提出提高电气设计和电气验收的质量。耿晓帅[6]揭示建筑电气火灾事故发生的原因和规律，并建立了事故预防系统。吴涛[7]分析高层建筑消防设计问题，提出从消防配电、火灾自动报警系统、火灾应急照明系统这3方面提高高层综合建筑电气消防设计的可靠性。王建荣[8]通过分析高层民用建筑电气火灾发生原因，提出了一系列的预防措施。季建平等[9]分析了超高层建筑施工期存在的电气火灾隐患，指出引发施工期电气火灾最重要的因素是装修阶段的电气线路故障。

通过以上分析可知，对于高层建筑电气火灾风险评价方法的研究较少，且大多采用定性分析，很少采用定量研究。因此，本文提出了基于AHP-熵权法和模糊理论的高层建筑电气火灾风险评价模型，可以利用该模型对高层建筑电气火灾进行定量评价。

1 评价指标体系

风险评价指标的选取不但关系到整个评价体系构建的合理性，更关系到最终评价结果的准确性[10]。高层建筑电气火灾事故的发生主要是由潜在隐患受外界刺激转化导致[11]。高层建筑自生电气系统的复杂性导致电气火灾事故原因的多元化。借鉴彭双红[12]、陈围良等[13]对火灾要素的划分方法并结合德尔菲法，将20位多年从事电气及火灾安全工作、具有丰富电气知识与实践经验专家的调查问卷进行整理分析，得出目前造成高层建筑电气火灾的主要原因有：接地故障、电气设备和电线等老化、配电设备设计不当、违规用电、过负荷用电、消防设施不齐全、疏散通道不畅通、管理疏松、消防安全知识欠缺等。将其与风险评价知识相结合，遵循“人-机-环”安全系统工程学原理，建立了高层建筑电气火灾风险评价指标体系，如表1所示。

表1 高层建筑电气火灾风险评价指标体系

2 权重确定

2.1 AHP求权重

AHP是一种通过专家打分来量化信息、通过对比作出决策的分析方法，用以解决复杂的决策问题，目前已广泛用于企业管理、能源分配、军事指挥和风险评价等领域[14]。采用AHP确定权重的主要步骤如下：

(1)构造判断矩阵

邀请相关专家对同级指标的重要性进行两两对比，运用1到9量化标准(如表2所示)进行量化，根据量化结果构造判断矩阵A=(aij)m×n，其中aij表示因素i与因素j的重要性之比。

表2 1-9标度法含义

(2)计算最大特征值

(3)进行一致性检验

计算一致性指标CI，见式(1)

(1)

CI的值越大，则矩阵越偏离完全一致性；CI的值越趋近于0，则矩阵越接近完全一致性。

计算一致性比例CR见式(2)

(2)

规定CR<0.1时，则矩阵的一致性可接受；反之，则表明加权系数分配不当，需进行适当调整；RI为随机一致性指标，如表3所示。

表3 RI值

(4)计算指标权重

2.2 熵权法求权重

熵权法是一种客观赋权法，具有客观性强、准确度高、适用性强等特点。系统熵值随着外部环境的变化而变化，当熵值为状态函数时，系统的不确定性随熵值的增大而增大；反之，熵值越小，系统越趋于稳定[15]。应用熵权法确定权重的具体步骤如下：

(2)计算各评估指标的信息熵，第j个指标的信息熵见式(3)

(3)

其中k=1/lnn,且可知0≤Ej≤1。

(3)计算各评估指标的熵权，第j个指标的熵权见式(4)

(4)

2.3 指标综合权重

单一求权重的方法易存在偏差，导致评价结果不准确。因此，本文根据所求指标的特性，将AHP和熵权法所求权重采用集成的方法加以组合，提高指标权重的客观性，使得评价结果更加准确。计算第j个指标的综合权重见式(5)

(5)

3 高层建筑电气火灾风险模糊综合评价

模糊评价法依据模糊数学的隶属度理论将定性评价转化为定量评价，具有结果清晰、系统性强等特点，可以较好地解决模糊的、难以量化的问题，适用于各种非确定性问题的解决[16]。模糊评价步骤如下：

(1)构建评价因素集

根据评价指标体系，设立评判因素集U。U={U1,U2,U3},U1={U11,U12,…，U19}，U2={U21,U22,…，U26},U3={U31,U32,U33，U34}，其中U表示高层建筑电气火灾风险等级，为一级指标，其他均为二级指标。

(2)构建评价集

高层建筑电气火灾风险评价采用的是定性和定量相结合的方法，评价的结果存在一定的模糊性，将高层建筑电气火灾风险划分为5个级别，以10分为评分范围，得分越高，表明电气火灾风险越小，如表4所示。

(3)确定权重集

利用AHP法和熵权法分别求出AHP权重和熵权，通过式(5)求出综合权重，最终构造指标综合权重向量Wj(j=0,1,2,3)，W0为一级指标综合权重向量，W1,W2,W3为二级指标综合权重向量。

(4)构建模糊隶属度矩阵

由于高层建筑电气火灾指标具有一定的模糊性和不连续性，无法用确切的数据表示，所以邀请业内的专家人士根据具体情况打分，专家组对评价因素集中的每个指标进行评判，隶属度公式见式(6)

(6)

其中vi={v1,v2,v3,v4,v5}={危险，较危险，一般安全，较安全，安全},计算各指标隶属度，通过隶属度可以得到一级指标的模糊评价矩阵Ri=(i=1,2,3),通过计算可得到综合模糊评价矩阵R0，即R0={B1,B2,B3}T。

(5)建立评价模型

评价模型见式(7)

Bi=WjRi

(7)

Bi=(i=1,2,3)为模糊评价向量，其中B0为一级指标模糊评价向量。

(6)指标量化与结果分析

量化模型见式(8)

Pi=BjC

(8)

Pi(i=1,2,3)为高层建筑电气火灾风险值，其中P0为高层建筑电气火灾风险评价总值，P1,P2,P3为一级指标评价风险值，C为风险等级值，根据构建的评价集和专家建议，令

C={c1=3,c2=6.5,c3=7.5,c4=8.5,c5=9.5}。

4 实例应用

选取沈阳市某高层建筑为例，对其电气火灾风险进行评价。

4.1 权重确定

首先，邀请多位资深用电管理人员、消防人员、风险评估师和该建筑工作人员对评价体系中的一级、二级指标根据表2进行两两比较打分，通过打分结果构造判断矩阵。由于AHP计算权重过程复杂，容易出错，故在AHP求权重时借助层次分析软件yaahp进行相关计算，该软件能够高效准确计算出各指标权重，结果如表5～8所示。其次，将判断矩阵归一化，得到标准矩阵，并依照式(3)计算得到信息熵，将信息熵依照式(4)计算得到各指标的熵权。最后，将AHP法得到的权重与熵权法得到的权重依照式(5)计算得到综合权重，如表9所示。

表5 U1～U3判断矩阵及权重

表6 U11～U19表判断矩阵及权重

表7 U21～U26判断矩阵及权重

表8 U11～U34判断矩阵及权重

表9 权重表

4.2 确定模糊评价矩阵

上述人员对18个二级指标进行vi属性打分，并通过式(6)计算得到对应指标的隶属度，即得到电气系统因素模糊评价矩阵R1，环境因素模糊评价矩阵R2，人为因素模糊评价矩阵R3。

模糊评价矩阵结合表9中的综合权重，运用式(7)计算得到各级指标模糊评价向量

B1=(0.121,0.160 9,0.250 6,0.182,0.285 4)

B2=(0,0,0.049 9,0.305 3,0.640 4)

B3=(0,0.070 2,0.511 6,0.198 4,0.219 8)

B0=(0.056 6,0.108 5,0.362 3,0.197 0,0.260 0)

4.3 指标量化与结果分析

模糊评价向量结合风险等级值，运用式(8)计算得到该高层建筑电气火灾风险评价值，如表10所示。

表10 电气火灾风险评价值

对应评价集表4可知，沈阳该高层建筑的电气火灾风险等级为Ⅲ级，处于一般安全水平，需采取适当措施，降低电气火灾危险，使其达到可接受水平。从表10可以看出，该小区的电气火灾风险评价值中，电气系统因素得分最低，环境因素和人为因素得分较高，隐患相对较小，在很大程度上保证了该小区的电气火灾安全水平。因此，针对分析结果，需要在电气系统因素方面进一步加强。

结合指标综合权重和专家意见，可得到短路、漏电、过负荷和绝缘破损是影响该高层建筑电气系统因素得分低的主要因素，尤其是漏电和过负荷。故需从这几方面进行电气检查、维修和监管，提高电气系统安全性，以使该高层建筑电气火灾风险处于较安全或安全水平。