森林航空消防风险与作战方案的综合模糊评估

蔡志勇，吕 惠，周 睿，裴 沛

(1.中航通飞华南飞机工业有限公司，广东 珠海 519000；2.中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035；3.清华大学 工程物理系公共安全研究院,北京 100084；4.清华大学 城市综合应急科学北京市重点实验室，北京 100084)

0 引言

林火是森林生态系统的巨大威胁，通常对全球的生态环境、空气质量、社会经济造成恶劣的影响[1-3]。随着全球气候持续变暖，长期干旱少雨，在全球范围内林火发生频率愈加频繁，全球范围内林火平均发生达到2.2×105次/a及以上，森林航空消防具有地形受限度低、运载容量大、机动性强等优势，是林火扑救中不可替代的重要部分[4]。然而，森林航空消防中安全问题频发。据统计1名航空消防的飞行员在其30 a的职业生涯内有近50%的概率遭遇致命的事故[5]，故对森林航空消防作业的风险评估研究具有重要意义。

林火环境复杂、危险要素众多，森林航空消防的安全性往往受到多方面的影响，是安全科学与航空、林业、消防等领域多学科交叉的研究方向。当前有诸多学者在航空安全及林火安全方面各自开展了风险辨识和评估工作。Oban[6]使用层次分析法结合GIS数据计算导致林火发生的标准权重。Satir[7]基于物理、人为、气候和火灾发生数据集，利用人工神经网络方法使用多数据评估技术绘制地中海林地林火概率图。骆相宇等[8]从气象、地形、可燃物等维度建立了林火评估的指标体系，通过模糊语言混合加权算子确定某区域发生林火风险的可能性。邵豹伟等[9]利用二次熵权法对全国各个省份林火进行风险评估，并通过离差平方和方法进行林火风险区域可视化。石英等[10]根据国内通用航空不安全事件的统计数据，基于层次分析-熵权法构建风险评估体系，提出保障航空安全的相关建议。赵嶷飞等[11]应用SHEL模型结合民航对于航空安全的相关标准确定了航空风险评价指标体系，通过超标倍数法确定各个指标的权重，为航空风险评估提供理论支持。

森林航空消防涉及林火和航空的交叉领域，安全问题突出且复杂，当前还鲜有学者对森林航空消防的综合风险评估开展相关研究。本文结合危险性分析法、德尔菲法、层次分析法、模糊综合评价法共同构建森林航空消防综合风险评估方法，实现对航空消防作战方案进行综合评估，以定量方式识别薄弱环节，并有针对性地提出优化措施。

1 方法与模型

首先，本文通过危险性分析法对森林航空消防风险评估中涉及到的风险指标进行梳理，建立完整的森林航空消防风险评估指标集合。其次，利用德尔菲法，邀请多位相关领域的专家对上述指标进行筛选，确定科学严谨的风险指标框架。进一步邀请森林航空消防领域的权威专家通过层次分析法对上述指标的重要程度作出权衡和确定，建立风险指标的权重框架。森林航空消防的风险指标框架及各风险指标的权重是确定性的不变的结论，而对于不同的森林航空消防任务，存在着差异化的林火工况及作战方案。当确定一定的林火工况和作战方案后，通过模糊综合评价法就可以确定此次森林航空消防作战方案的风险程度。根据各个风险指标的评估结果，可以确定此次作战方案的薄弱环节并提出优化措施。森林航空消防风险评估方法框架如图1所示。

图1 森林航空消防风险评估方法框架

2 森林航空消防风险指标及权重

通过调研林火多发、航空消防技术及应用水平较高的美国、加拿大、俄罗斯等国近50年来的森林航空消防案例等相关资料，重点梳理林火扑救任务场景与作战模式，结合飞机事故的一般性风险，构建森林航空消防风险指标体系[12-14]。按照“人-机-环-管”模型，将森林航空消防风险划分为固有环境因素、火场因素、飞机因素、飞行员因素、管理因素5个1级指标及相对应的2级指标。

进一步运用德尔菲法，从上述指标集中按照重要度筛选出关键要素。根据风险的定义，将其分解为可能性×后果2个维度，按5个等级综合评价重要度：

1)可以忽略：任意可能性×飞行员可以处理而不影响正常作业

2)不重要：较小可能性×影响正常作业但不会导致伤亡或损毁

3)一般重要：较大可能性×影响正常作业但不会导致伤亡或损毁

4)很重要：较小可能性×导致伤亡或损毁

5)非常重要：较大可能性×导致伤亡或损毁

其中，考虑到森林航空消防是极低频行为，概率的稳定性不显著，本文认为风险的后果评价具有相对更大的权重，因此导致伤亡或损毁但发生可能性较小的事件，其重要度大于仅仅影响正常作业而发生可能性较大的事件。

本文涉及跨领域多学科交叉，为了最大程度保证专家咨询的科学性、有效性和统计客观性，邀请来自清华大学、北京航空航天大学、西南林业大学、中国特种飞行器研究所、中航通飞研究院、南方航空护林总站等单位的科学研究、工程技术专家及经验丰富的消防飞机飞行员共20人参与评估，专业技术领域覆盖公共安全、林业、消防及航空相关细分专业(总体、气动、强度、航电、动力、控制、任务系统)，各专业人数分布大致平衡。

本文严格按照德尔菲法操作流程，发放问卷20份，回收20份，其中有效问卷20份，经分析克朗巴哈系数为0.948(>0.8)。按照同时满足下列条件筛选关键性指标：重要性赋值>4、变异系数≤0.25、满分比>20%，剔除可燃物类型、地形破碎程度、特殊火行为、火场氧气浓度、火场一氧化碳浓度。

进一步运用层次分析法，邀请从事森林航空消防顶层研究的跨领域专家，对上述筛选后的关键性指标进行权重赋值，通过一致性检验(CR=0.045)。

以上构建的森林航空消防风险指标体系、重要度评价结果及指标权重汇总如表1所示。

表1 森林航空消防风险指标体系、重要度评价结果及指标权重

3 森林航空消防作战方案的模糊综合评估

在森林航空消防实战中，制定安全合理的作战方案至关重要。本文建立森林航空消防风险指标评估的框架并确定相应权重，结合模糊综合评估方法，可为森林航空消防作战方案的评估提供辅助决策支持。根据林火的恶劣程度及典型性，选取2006年云南省安宁“3·29”重大森林火灾作为评估案例(提取固有环境因素、火场因素)，以执行林火扑救任务的相关单位初步拟定的某作战方案为评估对象(提取飞机因素、飞行员因素、管理因素)，对给定案例下执行该作战方案的风险程度进行模糊综合评估，重点通过分析薄弱环节，提出作战方案的改进优化建议，实现辅助决策支持。

作战方案中包括飞机因素、飞行员因素、管理因素下共计15个2级指标的具体情况。以投水使用模式指标为例。常见的投水使用模式分为连投、齐投、并投等方式，本次作战方案基于火场环境选择“连投”。专家将对此投水使用模式的安全性作出模糊评价。其他指标同理，可建立专家对此作战方案的评价矩阵。

模糊综合评价法基于模糊数学的隶属度理论，可将定性的评价转为定量评价。对于森林航空消防风险问题，引入模糊评语集“差，较差，一般，较好，好”，对应的分值区间划分如表2所示。并对评语赋值矩阵进行赋值为：P1=20，P2=40，P3=60，P4=80，P5=100。

表2 模糊综合评估方法评语集

本次咨询共发放20份问卷，回收18份，有效回收利用率为90%，专家对此次作战方案的隶属度打分如表3所示。

表3 森林航空消防风险评估专家打分隶属度

基于各指标的隶属度及各指标的权重，可计算相对于1级指标的综合评定矩阵为B1=(0.485,0.544,0.371,0.313,0.333)；B2=(0.384,0.344,0.348,0.438,0.387)；B3=(0.119,0.089,0.135,0.159,0.249)；B4=(0.012,0.018,0.121,0.090,0.031)；B5=(0.000,0.006,0.025,0.000,0.000)。由此可得隶属度矩阵如式(1)所示。

(1)

联合层次分析法及模糊综合评价法，综合量化评估如式(2)所示：

L=B·P=W·R·P

(2)

式中：B即综合评定向量；P即评语集矩阵；W即指标权重集；R即模糊关系矩阵。

根据式(2)可得此次作战方案的风险评估值L=84.69，结合表2中的评语区间，由此可以判定此森林航空消防作战方案的评语级别为好。

对此次森林航空消防作战方案中的2级指标对1级指标的加权分数及加权扣分、1级指标对应急能力总分的相对权重分数和相对权重扣分进行计算，结果如表4所示。

表4 森林航空消防作战方案风险分数

基于计算结果，对上述作战方案中1级指标的优化改进顺序依次为：飞机因素、飞行员因素、管理因素。其中，飞机因素中的失速速度和零件耐温极限、飞行员因素中的生理状态、管理因素中的净空条件应予以重点关注。

4 结论

1)以德尔菲法、层次分析法、模糊综合评价法共同构建森林航空消防综合风险评估方法，该研究框架建立了森林航空消防风险评估科学严谨的指标权重体系，结合林火案例及作战方案，可对真实林火场景下的航空消防作战方案进行综合评估，以定量方式识别薄弱环节，有针对性地提出优化措施。

2)以真实火灾为例，模糊综合评估结果表明：该作战方案整体得分为84.69分，认为此次作战方案的评语级别为好，风险程度为低，待改进优化的1级指标依次为飞机因素、飞行员因素、管理因素。其中，飞机因素中的飞机失速速度和零件耐温极限、飞行员因素中的生理状态、管理因素中的净空条件需要着重审查并改进和加强相关措施。案例研究表明该方法可为森林航空消防的安全评估和作战方案的决策支持提供科学依据，可有效降低森林航空消防灭火任务的风险程度，具有一定的应用价值。