基于三角模糊结构元的地下商场火灾风险评估*

王欢 杨万英 王冬雷 沙俊斌 夏世羽 李昊

(1.沈阳航空航天大学安全工程学院 沈阳 110136； 2.航空工业沈阳飞机工业(集团)有限公司 沈阳 110034； 3.罗甸县自然资源局 贵州黔南 550100)

0 引言

近年来，随着现代化城市建设的发展，集购物、餐饮、娱乐等功能于一体的地下商场得以不断兴建。由于其结构与功能的特殊性，在满足人们生活需要的同时，也给消防安全带来了极大的挑战。火灾风险评估是对目标对象在可能面临的火灾危险、保护对象的脆弱性、控制风险措施的有效性、风险后果的严重性等因素作用下的消防安全性能进行评估的过程[1]。对地下商场进行火灾风险评估是解决此类建筑火灾问题的有效途径之一，已成为地下商场火灾安全管理的重要内容。目前，已有多位学者针对地下商场火灾的风险评估方法展开了研究。马德仲等[2]将贝叶斯网络方法引入火灾风险定量评估过程，并对方法进行了修正。陈华[3]针对地下商场发生火灾的原因及火灾后的控制措施，从地下商场火灾脆弱性与能力两方面进行了评价。包光宏等[4]选用模糊综合评价法建立了相应的模糊综合评价模型，并通过实际应用对该模型进行了验证。以上研究从定性到定量，从单个到耦合，丰富了火灾风险评估方法。然而地下商场结构复杂、火灾隐患大，需要对评估方法不断进行优化，才能使其具有更高的准确性与适用性[5]。尤其是火灾行为的随机性大，在评估过程中会遇到各种不确定因素，而现有的地下商场火灾风险评估方法将这些不确定因素采用单个确定值进行量化处理，主观性强，容易造成评价结果偏差较大，难以准确评估火灾风险的程度。为此，本文提出将三角模糊结构元理论引入到地下商场火灾风险评估研究中，利用其几何特征弱化隶属度评价中的主观判断，并从发生火灾的可能性与严重度两个维度构建地下商场火灾风险评价体系，最后基于JavaScript、JSP和Web前端开发技术实现对评价体系的可视化操作，以期为地下商场类建筑火灾风险评估工作提供更为完善、便捷的方法与思路。

1 地下商场火灾风险评价体系

1.1 火灾风险评价指标体系的建立

从火灾风险评价定义出发，确定由火灾发生可能性与严重性两个子目标构成评价体系的一级指标。即因素集U={U1,U2}={火灾可能性,火灾严重性}。应用火灾风险识别与事故致因理论，结合沈阳市消防专家的建议，对影响地下商场火灾可能性、严重性的主要因素进行归纳。其中，火源、商场内部防火相关设计、消防安全管理直接影响火灾的发生与否，因此有U1={U11,U12,U13}={火源,防火设计,消防安全管理}；而灭火技术、疏散与救援关系到火灾发展的程度与危害度，则有U2={U21,U22,U23}={灭火技术,安全疏散能力,外部救援}，综上6个因素构成评价体系的二级指标。以同样思路考虑得到三级指标，具体如表1所示，最终建立了适用于地下商场火灾风险评价的指标体系。

1.2 地下商场火灾风险等级的确定

结合火灾风险评估相关研究[5-6]与地下商场火灾风险的实际情况，将火灾风险等级分为5个级别，即评语集V={V1,V2,V3,V4,V5}={低风险，较低风险，中等风险，较高风险，高风险}。

1.3 火灾风险评价指标权重

本文采用层次分析法的1～9标度原则，参考现场专家意见，确定综合评价体系中每一层指标对其上一层的权重。关于层次分析法计算权重的具体步骤，相关研究[7-8]已给出，这里不再赘述。经过一致性检验和归一化处理，得到各指标的权重结果，如表1所示。其中三级指标权重集：W11=[0.29,0.552,0.107,0.05]，W12=[0.052,0.538,0.125,0.258]，W13=[0.5,0.25,0.25]，W21=[0.406,0.214,0.203,0.103,0.046,0.028]，W22=[0.428,0.382,0.076,0.114]，W23=[0.105,0.637,0.258]。

表1 地下商场火灾风险评价体系指标及权重

1.4 火灾风险分级评价实例

针对本文建立的三级指标体系进行火灾风险分级评价，通过二级指标的影响因素权重与隶属度先对二级指标进行风险评判，得到的二级指标评语集作为其上层指标的隶属度矩阵，逐层向上进行风险评判，最终依据模糊数的结构元加权序判断得出目标层地下商场火灾风险的评价结果。

以沈阳市沈河区某地下商业街为评价对象，按照上述步骤进行分级指标评价。该商场总建筑面积为19 420 m2，共有地下2层，负一层分为18个区，设有13个出入口；负二层分为14个区，设有13个出入口；两层之间有5个扶梯相连。每层均以商业街形式布局，在横向区域中间设有中岛，主要经营服装、鞋帽、小百货、针织等商品。

1.4.1二级指标评判

专家调查小组依据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)、《人民防空工程防火设计规范》(GB 50098—2009)等相关规范与技术标准，对该地下商场进行实地调查，结合现场实际情况，以三角模糊数的形式(a,b,c)给出各指标对于评语集各等级的隶属度。如以二级指标“火源”为例，专家给出的“火源”指标下的三级指标评价结果如表2所示，根据表2建立“火源”指标的隶属度矩阵R11，结合上文得到的“火源”指标权重W11,可以直接计算得到“火源”指标的模糊评判矩阵B11[9]。

表2 沈阳某地下商场“火源”指标评判矩阵

B11=W11·R11=(W111,W112,W113,W114)T·

通过矩阵乘法运算，得到“火源”指标的三角模糊评判矩阵：

B11=[(0.32,0.41,0.50),(0.58,0.69,0.81),(0.45,0.54,0.65),(0.37,0.52,0.58),(0.17,0.25,0.32)]

同理，得到其他二级指标的评判矩阵:

B12=[(0.18,0.29,0.34),(0.33,0.50,0.58),(0.36,0.51,0.58),(0.25,0.33,0.41),(0.22,0.35,0.40)]

B13=[(0.35,0.51,0.60),(0.45,0.57,0.66),(0.29,0.39,0.43),(0.12,0.19,0.26),(0.12,0.22,0.29)]

B21=[(0.22,0.31,0.36),(0.45,0.56,0.60),(0.45,0.57,0.67),(0.46,0.55,0.60),(0.20,0.24,0.33)]

B22=[(0.25,0.35,0.39),(0.16,0.22,0.30),(0.43,0.55,0.61),(0.43,0.59,0.66),(0.19,0.28,0.40)]

B23=[(0.20,0.32,0.40),(0.41,0.49,0.56),(0.50,0.67,0.70),(0.47,0.63,0.68),(0.10,0.17,0.26)]

1.4.2 一级指标评判

将二级指标评判结果作为一级指标隶属度矩阵，按照1.4.1节中的步骤，对一级指标进行评判，分别得到火灾可能性与严重度的模糊评判矩阵：

B1=[(0.33,0.47,0.55),(0.47,0.59,0.69),(0.33,0.44,0.49),(0.19,0.28,0.35),(0.14,0.24,0.31)]

B2=[(0.22,0.31,0.36),(0.38,0.48,0.53),(0.45,0.58,0.66),(0.46,0.57,0.62),(0.19,0.24,0.34)]

1.4.3 综合评判

将一级指标评判结果代入综合评判矩阵中得到：

(c1,c2,c3,c4,c5)

最终得到ci的结构元形式为：

根据模糊数的结构元加权序定义，对模糊数排序，计算有：

同理可得，F(c2,c3)=0.159，F(c3,c4)=0.089，F(c4,c5)=0.159，F(c4,c1)=0.355，得到排序结果c2>c1>c4>c5>c3，可知该地下商场火灾风险评价结果为较低风险，这与消防部门对此单位的判定一致。

2 地下商场火灾风险评估软件的开发

由于三角模糊数的代入在评估过程中造成评价体系计算量大，为便于火灾风险评价人员进行以上操作，基于JavaScript、JSP和Web前端语言，对地下商场火灾风险评价系统进行可视化设计。按照评价系统的算法编制程序，进行指标的分级评判，最终确定该地下商场的火灾风险等级。

利用该系统重新对沈阳市某地下商场火灾风险现状进行评价，其火灾风险分级评价结果如图1～图3所示，评价系统显示,该商场的火灾可能性风险等级排序：低风险>较低风险>中风险>较高风险>高风险；火灾严重性风险等级排序：中风险>较高风险>较低风险>低风险>高风险；综合火灾风险等级排序：较低风险>低风险>较高风险>高风险>中风险。评价结果说明,该地下商场火灾安全管理水平较高，火灾隐患少，发生火灾可能性小，但火灾严重性风险等级处于中风险，相对较高。火灾综合评价结果为较低风险，与该商场实际消防安全情况相符。

图1 三级指标评判结果界面

图2 二级指标评判结果界面

图3 综合评判结果界面

3 结论

(1)根据地下商场火灾特征，应用事故致因理论，从火灾发生可能性与严重性两方面构建了包含24个三级指标的地下商场火灾风险评价体系。在此研究成果的基础上，设计和开发了地下商场火灾风险评价系统软件，将评价中的数学算法编入程序，简化了评价工作中的计算过程，并实现其综合评价功能，整套体系具有一定的操作性。

(2)将传统的层次分析法与模糊结构元相结合，针对沈阳市某地下商场利用三角模糊结构元方法确定各级指标隶属度，有效避免了单值赋值引入的误差，通过一系列分级模糊综合评价，分别得到该地下商场火灾可能性等级为低风险，火灾严重性等级为中风险，综合风险等级为较低风险。通过掌握该评价系统火灾发生可能性与火灾发生后的严重程度，可更全面地了解地下商场的火灾风险现状，以此为地下商场提出更具针对性的整改建议，增强了评价系统的实用性。