基于模糊方法的城市区域消防安全综合评价

1 引言引言 1.1 研究的目的意研究的目的意义义和方法和方法 火灾风险评价技术是现代火灾科学的重要组成部分。它是通过分析影 响火灾发生和发展过程中的各种因素，充分利用历史数据，预测火灾的发 生概率和火灾后果，合理量化火灾风险的一门现代消防技术,是实现火灾防 治的有效性、合理性和经济性相统一的科学基础。 火灾风险评价技术的内容非常丰富，不同的评价方法根据其评价的目 的、对象、内容和指标具有不同的应用价值。单一具体的评估方法有：概率 评价法，指数评价法，单元危险性快速排序法，生产设备安全评价方法，系 统安全综合评价方法等1；按照对火灾危险评价的不同层次需要，评价方法 分类2有对照规范评定、逻辑分析法、综合评价方法，其中综合评价方法中 有模糊综合判断与加权平均判断火灾危险评估模型3。对照规范评定，以现 行消防规范为依据,逐项检查消防设计方案是否符合规范要求。目前我国消 防监督管理部门在对建筑防火设计进行审查和对已有建筑防火设施进行检 查时基本采用这种方法，其优点是简便易行,对符合现行消防规范的一般建 筑尤为适用。但规范不能代表最新技术成果,很多实际工程并不能照搬规范,尤 其是一些结构和用途复杂的新型建筑按现有规范很难设计,也缺乏评价依 据；逻辑分析法代表方法为事故树法(FTA)。这是一种演绎分析法,运用运筹 学原理对火灾的原因和结果进行逻辑分析,使用布尔逻辑门组成树枝状将 全部可能出现的事件用逻辑系统联成一个整体,从事故开始逐层次向下演 绎,能够揭示事故基本事件之间的相互逻辑关系,把系统的事故与组成系统 的子系统的隐患有机地联系在一起,找出系统中全部可能的失效态，该方法 的优点是，人们可以对事故原因有全面地了解。根据这种认识，人们可以预 2 先采取措施以防止火灾发生，也可以对已发生的火灾进行分析以查出事故 原因。此法简便易行。另外还有事件树法(ETA)和原因-结果法(C2C)。但这 类方法建树复杂,需要考虑的因素多,数据的收集工作量大;大型故障树的最 小割集数量极大,定量分析困难,且管理因素之间及其与直接事故原因之间 的关系很难用简单的“与”、“或”逻辑关系准确描述;对间接隐患也不好进行 逻辑分析。综合评价方法是以数据统计为基础,建立评估对象的影响因素集,并 确定它们的影响程度等级和权重实施计算。对于定性评估，易使用逻辑分 析法即火灾事故树模型;对于定量评估，易选用模糊综合判断模型和加权平 均评估模型。 1.2 国内外研究国内外研究现现状状 区域火灾风险评估技术可以为城市配置灵活合理的消防力量，为火灾 事故指挥者确定灭火预案提供基础，还可以作为城市和社区综合消防安全 管理决策科学化的基础。对城市或城市某一区域做出消防安全状况的评价， 一直是一项十分必要但又难度较大的工作。国内外的消防科研人员在这个 领域作了一些有益的工作4-6。 英国区域火灾风险在消防力量规划中的应用研究始于 1936 年，对于 火灾风险评估是一种以财产风险为基础的定性方法，这种方法将城市的典 型区域划分为 A、B、C、D 等几个风险等级，每种风险等级代表具有某类典 型特征的区域。20 世纪 80 年代，日本对所有城市进行火灾风险评估，划分 城市等级，从城市防灾的角度加强行政管理，逐步形成了一种制度。城市火 灾危险度的表示方法主要采用的是“城市等级”法， “城市等级”是指从城市、 市街地(确定城市等级的评估区域)、地区（计算时的基础单位）的气象条件、 木结构建筑物的种类以及结构状况、通讯设施、消防体制方面考虑，对木结 武警学院本科毕业论文（设计） 基于模糊方法的城市消防安全综合评 价 第 3 页 共 18 页 构建筑物的燃烧，采用火灾工程学的方法，对通讯和灭火采用统计的方法， 定量计算市街地内木结构建筑物每年预计的燃烧损失量，并根据计算量大 小确定城市等级，表示城市潜在的火灾危险程度。在美国，保险商机构为了 使保险商能够确定一个城市的火灾保险费率，使得对于该城市的火灾风险 有一个较为科学的依据，研究制定了一个“城市消防分级体系”，对于一个 城市的消防供水、消防部门实力、城市火灾报警系统、防火法规、气候条件 等几个方面进行评分,根据总分评定其消防状况的等级，并以此来评判该城 市火灾风险的高低。 我国香港特别行政区在进行消防站规划时采用计分的方法评定其责任 区的风险级别。该方法要求规划部门根据“标准计分表”对责任区内的火灾 风险进行评分，然后根据总得分确定该地区的风险级别，再由风险级别确 定应建消防站的站级。计分的内容包括人口密度、土地发展密度、建筑物高 度、建筑物用途等四个方面。其中建筑物用途又分为工业、商业政府/社团/ 其他等三类。 近几年我国内地对城市消防安全评估也做了一些研究和实践。例如， 2000 年，吴立志以德尔菲专家调查法和层次分析法为主要方法，讨论了以 火灾危险指数、城市特征指数、城市抗灾指数为主要评价指标的评价体系。 2003 年张一先、卞志浩以苏州古城区为例5，通过对城市火灾危险源的调 查和对城市特征的分析，采用指数法对苏州古城区的火灾危险性进行分级， 从火灾危险源和城市特征分析的火灾危险性与从消防重点单位和控制保护 古建筑分析火灾危险性对苏州古城区火灾事故的危险性进行分级，为苏州 古城保护区的防火安全管理提供依据，取得了较好的研究成果。 4 1.3 本文的工作本文的工作 在总结、学习、比较现有研究分析方法的基础上，我们认为，安全综合 评价法是目前最为广泛应用的安全评价方法之一，它能较好地解决复杂、 模糊、随机系统的安全评价问题。在评价过程中，可以对评价对象系统建立 广义目标函数，并将各个评价指标综合成一个能从整体上衡量评价对象系 统是否安全的综合指数。本文结合青岛市四种典型火灾区域的有关统计数 据，运用模糊数学的综合评判方法评价城市防火安全，由定性的问题分析 开始，通过研究构成城市防火安全诸要素的作用及其相互关系，定量的求 出总的评价结果，对城市区域消防安全评价方法的实践作了一次有益的尝 试。 2 基本方法基本方法7 2.1 评评估指估指标标体系体系 火灾危险性综合评估由危害度、危险度和安全度三个指标组成。危害 度表示评估对象过去发生过的历史火灾危害程度，由发生的火灾的严重程 度和频率的子指标衡量；危险度是指在不考虑消防安全、消防措施的情况 下，评估对象具有的火灾起火、火灾蔓延和对人类生命财产造成损失的危 险程度，由火灾载荷量、火灾类型、起火危险性指数以及暴露于火灾区域的 人数等子指标衡量；安全度是表示评估对象的消防设施的有效性和可靠性 等，可由对火灾防治装置系统、火灾安全管理系统和其他影响因素的检查 得分情况构成安全度的子指标。因此，火灾危险性综合评估是一个二级多 指标综合评估体系，可以用图 1 表示。 武警学院本科毕业论文（设计） 基于模糊方法的城市消防安全综合评 价 第 5 页 共 18 页 2.2 火灾危火灾危险险性模糊性模糊评评估方法估方法 设有 N 个待评估的城市区域组成一个评估区域集，其论域 X=x1,x2,，xn （1） 则模糊评估的根本目的在于确定每个区域对于模糊子集“火灾危险性大” （以 A 表示）的隶属度，即确定映射: UA:X 0,1, xj UA (xj) （2） 然后根据隶属度的大小排出各个区域的火灾危险性次序或按隶属度的大小 划分火灾危险等级。 火灾危险性综合评估 危害度 危险度 安全度 图图 1 火灾危火灾危险险性性综综合合评评估指估指标标体系体系 由图 1 可知，火灾危险性综合评估分为两级，第二级评估有 m(m=3)个 指标，而第一级评估时每个指标又分别对应着 m1,m2,m3，mm 个指标。 则对于第 l 个指标，n 个待评估的区域的 ml 个子指标值可用矩阵表示为 一般火灾发生频率 重大火灾发生频率 特大火灾发生频率 火灾荷载量 起火危险指数 火灾类型指数 火灾区域暴露人数比 火灾防治系统得分 消防安全管理得分 其他影响因素得分 6 = () x l n21 mllmllmll 2nl22l21l 1nl12l11l xxx xxx xxx ijlx （3） 其中，l=1，2，ml; j=1,2,，n 矩阵（3）中的各元素必须规格化，对越大越容易导致火灾危险性的子指 标，用规格化公式： lrij=lxij/(lximax+lximin) （4） 而对于越大但危险性越小的子指标，用如下规格化公式： lrij=1- lxij/(lximax+lximin) （5） 其中：lximax、lximin 分别表示第 l 个指标对应的第 I 个子指标的最大值和最小 值，则矩阵（3）可以转换为子指标隶属 = （6）R l n21 mllmllmll 2nl22l21l 1nl12l11l rrr rrr rrr 由于评估排序是相对的，应建立一个虚拟的危险性最大的区域作为评估比 较的相对标准。现在矩阵（6）的基础上，建立以危险性最大的相对标准区域， 即此区域的 ml 个子指标隶属度由 m 个区域中各个子指标的隶属度的最大 值组成，则危险性最大相对标准区域的子指标的隶属度为向量： ig=(lr11lr12lr1n,lr21lr22lr2n,lrml1lrml2lrmln)T =(lg1,lg2,lgml)T （7） 类似地，虚拟的危险性最小相对标准区域的子指标隶属度应由所有待评估 武警学院本科毕业论文（设计） 基于模糊方法的城市消防安全综合评 价 第 7 页 共 18 页 区域的相应隶属度最小值组成，即： ib=(lr11lr12lr1n,lr21lr22lr2n,lrml1lrml2lrmln)T =(lg1,lg2,lgml)T （8） 其中：分别为取大、取小运算符。 另外，各子指标对综合危险指标的影响程度不同，即评估时应考虑子 指标具有不同的权重，设第 l 个指标其 ml 项子指标的权向量为 lW=(lw1,lw2,lwml)T （9） 则对于第 l 个危险性指标，第 j 个区域与危险性最大相对标准区域的 差异可用广义 Hamming 距离 lDg=lw(lg-lrj)=lwi(lgilrij) ml i 1 来描述，简称距大距离。相似的，第 j 个区域与危险性最小相对标准区域的 差异可用广义 Hamming 距离 lDb=lw(lrj-lb)=lwi(lrijlbi) ml i 1 来表示，简称距小距离。 根据评估的模糊性，第 j 个区域 xj以隶属度 UlA(xj)(以下简称为lUj)隶 属于模糊子集“第 l 个指标危险大（lA）”，同时又以lUjc隶属于模糊子集“第 l 个指标危险性小（lAc）”。根据模糊集合论中的余集定义，有 lUjc=1lUj 为求解lUj，现将lUj和lUjc视为权重，分别对距大距离lDg 和距小距离 lDb 加权，并将经典的最小二乘最优准则加以拓展，使目标函数为所有待评 估区域的加权距大距离平方与加权距小距离平方和最小，即： 8 minF(lUj)=(lUjlw(lg-lrj)2+(1lUj)lw(lrj-lb)2 （10） ml i 1 对目标函数式（10）求导且令导数为零，即 dF/dlUj=0，经推导整理可得： 2 2 2 brwrgw brw U ljllill ljll jl (11) 2 1 2 1 2 1 ml i ilijlil ml i ijlilil ml i ilijlil brwrgw brw 式（11）即为危险性评估的基本模式。 将式（6）-（9）分别带入，便可求得 n 个区域对于第 l 个指标隶属于危险 性的隶属度： lU=(lu1,lu2,，lun) （12） 因为危险性评估有 m=3 个指标，用类似的方法最终可以得到第一级评 估结果构成的模糊矩阵 nm n nl mm ll u u u uu uu uu U 2 21 2212 21 (13) 显然此矩阵等价于矩阵（6），令 lUj= rij，则得到高一层次即第二级评价的指 标隶属度矩阵 R= （14） n21 mlmlml 2n2221 1n1211 rrr rrr rrr 设第二级评估 m 个指标的权向量为 武警学院本科毕业论文（设计） 基于模糊方法的城市消防安全综合评 价 第 9 页 共 18 页 w=(w1,w2, ,wn)T （15） 则根据危险性模糊评估基本模式（11），最终得到各个区域隶属于危险性的 隶属值，即二级评估结果 U=(u1,u2, ,un) (16) 依据式（13）、 （16）和隶属度最大原则，即可对各个区域进行第一级评估排序， 即分别对危害度、危险度和安全度进行分析和评价，也可以得到各个区域 火灾危险性大小次序的最终评估结果。 3 应应用用实实例例 现应用上述评估方法对青岛市居民场所火灾、厂企场所火灾、商店（场） 、宾馆、娱乐场所和汽车火灾进行火灾危险性评估和排序。根据四个区域的 不同特点，通过专家评分法得到各级评估指标。子指标值和权重的数据详 见表 3。 以危害度指标为例，初步统计数据见表 1 表表 1 1997 年至年至 2001 年青年青岛岛市火灾主要数据市火灾主要数据统计统计 起数 （起） 直接财 产损失 （万元） 伤人 （人） 亡人 （人） 特大 火灾 事故 重大 火灾 事故 居民 火灾 厂企 火灾 商店等 公共娱 乐场所 火灾 汽 车 火 灾 1997208720008321834 199821032101220925 1999302619728232221 2000308815311431005 695521821223768 200135698889131102 由表格部分数据进行计算: 居民火灾：一般火灾发生频率 6955/5=139 次/年 10 厂企火灾：一般火灾发生频率（2182-21）/5=432.2 次/年 重大火灾发生频率 14/5=2.8 次/年 特大火灾发生频率 7/5=1.4 次/年 商店等公共娱乐场所火灾:一般火灾发生频率 1223/5=244.6 次/年 汽车火灾:一般火灾发生频率(768-3)/5=153 次/年 重大火灾发生频率 3/5=0.6 次/年 由此可得居民火灾所占一般火灾比重为 139/（139+432.2+244.6+153）=0.14 同理可得厂企火灾、商店等公共娱乐场所火灾、汽车火灾所占一般火灾比 重分别为 0.44,0.25,0.16。 由以上计算列出所需数据表格 2。 表表 2 四个典型区域的火灾危害度指四个典型区域的火灾危害度指标统计标统计数据数据 可列 出总表格 3。 一般火灾重大火灾特大火灾 总计 次/年比重 总计 次/年 总计 次/年 居民火灾69551390140000 厂企火灾216143220441428714 商店等公共娱 乐场所火灾 122324460250000 汽车火灾 76815301630600 武警学院本科毕业论文（设计） 基于模糊方法的城市消防安全综合评 价 第 11 页 共 18 页 表表 3 四个典型区域的火灾危四个典型区域的火灾危险险性性评评估体系、指估体系、指标标和和权权重重 首先进行第一级评估，现以 l=1 为例，对四个典型火灾区域的危害度 进行评估，由表 1 可知四个区域的危害度对应的 m1=3 个子指标值构成矩 阵。 （3） 004 . 1 6 . 008 . 2 16. 025 . 0 44 . 0 0 0 14. 0 1x 利用规格化公式（4），将矩阵转换为子指标隶属度矩阵 第二级第一级子指标值 指 标 权重子指标权重居民场 所火灾 厂企火灾 商店等公共娱 乐场所火灾 汽车火灾 一般火灾发生频 率（次/年） 0.150.140.440.250.16 重大火灾发生频 率（次/年） 0.3502.800.6 危 害 度 0.25 特大火灾发生频 率（次/年） 0.5001.400 火灾载荷量（t/m） 0.30.040.140.180.02 起火危险指数 0.32820108 火灾类型指数 0.21020285 危 险 度 0.35 火灾区域暴露人 数比（1/10 万） 0.25501051 火灾防止装置系 统得分 0,644658030 消防安全管理系 统得分 0.253789045 安 全 度 0.4 其他影响因素得 分 0.265626360 12 （6） 001 21 . 0 01 267 . 0 417. 0733 . 0 0 0 233 . 0 1R 则由矩阵（6）得到危害度最大的相对标准区域的子指标隶属度用向量表示 为 1g=(0.733, 1, 1)T （7） 而危害度最小相对标准区域的子指标隶属度为向量 1b=(0.233 , 0, 0)T （8） 由表知危害度的三个指标的权重构成权向量 1w=(0.15, 0.35, 0.5)T （9） 分别将式（6）-（9）中有关数据带入第一级模糊评估模式（11）中，计算： 居民场所火灾：lDg=lw(lg-lrj)= lwi(lgilrij) ml i 1 =0.15*(0.733-0.233)+0.35*(1-0)+0.5*(1-0)=0.925 lDb=lw(lrj-lb)=lwi(lrijlbi) ml i 1 =0.15*(0.233-0.233)+0.35*(0-0)+0.5*(0-0)=0 u1=0/(0.9252+0)=0 厂企火灾:lDg=lw(lg-lrj)= lwi(lgilrij) ml i 1 =0.15*(0.733-0.733)+0.35*(1-1)+0.5*(1-1)=0 武警学院本科毕业论文（设计） 基于模糊方法的城市消防安全综合评 价 第 13 页 共 18 页 lDb=lw(lrj-lb)=lwi(lrijlbi) ml i 1 =0.15*(0.733-0.233)+0.35*(1-0)+0.5*(1-0)=0.925 u2=0.9252/(0.9252+0)=1 商店（场）等公共娱乐场所火灾: lDg=lw(lg-lrj)=lwi(lgilrij) ml i 1 =0.15*(0.733-0.417)+0.35*(1-0)+0.5*(1-0)=0.8974 lDb=lw(lrj-lb)=lwi(lrijlbi) ml i 1 =0.15*(0.4174-0.233)+0.35*(0-0)+0.5*(0-0) =0.02766 u3=0.027662/(0.89742+0.027662)=0.00095 汽车火灾:lDg=lw(lg-lrj)= lwi(lgilrij) ml i 1 =0.15*(0.733-0.267)+0.35*(1-0.21)+0.5*(1-0)=0.8464 lDb =lw(lrj-lb)=lwi(lrijlbi) ml i 1 =0.15*(0.267-0.233)+0.35*(0.4-0)+0.5*(0-0)=0.0786 u4=0.07862/(0.07862+0.84642)=0.00855 得到四个对于危害度的隶属度向量 1U=(0, 1, 0.00095, 0.00855)T 根据隶属度最大原则，隶属值越大表明区域的火灾危害度越大。则由隶属 度向量1U 可知就危害度而言，厂企火灾汽车火灾商店（场）等公共娱乐 场所火灾居民火灾。 14 类似地，对于指标 l=2 即危险度，计算得到各个区域对于危险度的隶 属度向量 2U=(0.2068, 0.8019, 0.8988, 0)T 即对于危险度，商店（场）等公共娱乐场所火灾厂企火灾居民火灾汽车 火灾。 而对于 l=3 即安全度，由于安全度越高则区域的火灾危险性越小，与 前两个指标性质相反。为评估方便，应计算每个区域对于不安全度的隶属 度。 3U=(0.8705, 0.1042, 0.000034, 1)T 即从不安全性方面比较，汽车火灾居民火灾厂企火灾商店（场）等公共 娱乐场所火灾。 综合第一级评估结果，四个区域的四个指标对于火灾危险性的隶属度 组成矩阵 U= （13） 1000034 . 0 1042. 0 08988 . 0 8019. 0 000031 . 0 00095. 01 8705 . 0 2068 . 0 0 则由矩阵（13）得到 lg=(1, 0.8988, 1)T lb=(0, 0, 0.000034)T 已知危害度、危险度和安全度三个评估指标对于火灾危险性的影响的重要 程度构成的权向量 w=(0.25, 0.35, 0.4)T （15） 依据上述的第二级评估方法，计算： 武警学院本科毕业论文（设计） 基于模糊方法的城市消防安全综合评 价 第 15 页 共 18 页 居民场所火灾：lDg=lw(lg-lrj)= lwi(lgilrij) ml i 1 =0.25*(1-0)+0.35*(0.8988-0.2068)+0.4*(1-0.8705) =0.544 lDb =lw(lrj-lb)=lwi(lrijlbi) ml i 1 =0.25*(0-0)+0.35*(0.2068-0)+0.4*(0.8705-0.000034) =0.6706 u1=0.67062/(0.5442+0.67062)=0.6031 厂企火灾: lDg=lw(lg-lrj)=lwi(lgilrij) ml i 1 =0.25*(1-1)+0.35*(0.8988-0.8019)+0.4*(1-0.1042) =0.392235 lDb =lw(lrj-lb)=lwi(lrijlbi) ml i 1 =0.25*(1-0)+0.35*(0.8019-0)+0.4*(0.1042-0.000034) =0.5723 u2=0.57232/(0.57232+0.39222)=0.6804 商店（场）等公共娱乐场所火灾: lDg=lw(lg-lrj)=lwi(lgilrij) ml i 1 =0.25*(1-0.00095)+0.35*(0.8988-0.8988) +0.4*(1-0.000034) =0.6498 lDb=lw(lrj-lb)=lwi(lrijlbi) ml i 1 16 =0.25*(0.00095-0)+0.35*(0.8988-0) +0.4*(0.000034-0.000034) =0.3148 u3=0.31482/(0.64982+0.31482)=0.1901 汽车火灾:lDg=lw(lg-lrj)= lwi(lgilrij) ml i 1 =0.25*(1-0.000031)+0.35*(0.8988-0)+0.4*(1-1)=0.56458 lDb =lw(lrj-lb)=lwi(lrijlbi) ml i 1 =0.25*(0.000031-0)+0.35*(0-0)+0.4*(1-0.000034)=0.4 u4=0.42/(0.42+0.564582)=0.3342 最终可以计算得到三个区域的第二级评估结果，即对于火灾危险性的隶属 度值 U=(0.6031, 0.6804, 0.1901, 0.3342)T （16） 由此可见，火灾危险性的顺序排列为，厂企火灾危险性最大，商店（场）等公 共娱乐场所火灾危险性最小。即由所得最后结果列于表 4。 表表 4 第一第一级级、第二、第二级级隶属度向量隶属度向量评评分分结结果果 第一级隶属度向量（第一级综合火灾危险指数） 危害度 危险度 安全度 权重 0.25 权重 0.35 权重 0.50 第二级隶属度 向量（第二级综 合火灾危险指 数） 居民场所火灾 00.20680.87050.6031 厂企火灾10.80190.10420.6804 商店等公共娱 乐场所火灾 0.000750.89880.0000340.1901 汽车火灾 0.00855010.3342 武警学院本科毕业论文（设计） 基于模糊方法的城市消防安全综合评 价 第 17 页 共 18 页 5 结论结论 本文论述和实现了模糊综合评估方法及其在城市区域消防安全评估中 的实际应用。围绕历史火灾危害性、火灾危险性和火灾防治技术的有效性 和合理性三个方面构造的城市火灾危险性的评估体系，运用火灾危害度、 火灾危险度和安全度作为对上述三个方面的定量描述参量，以青岛市近五 年的火灾状况为实例，运用模糊综合评估方法进行了定量计算和分析，得 到了正确可信的结果，为城市区域消防安全综合评价提供了一个很好的实 例，做了一次有益的尝试。 18 参考文献 1 张景林、崔国璋，安全系统工程。北京：煤炭工业出版社，2002 年 2 毕少颖、王志刚、张银花，消防安全评估方法的分析，消防科学与技术， 2002