基于模糊方法的城市区域消防安全综合评价

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1页共18页1引言1.1研究的目的意义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2页共18页识，人们可以预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国内外研究现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页考虑，对木结构建筑物的燃烧，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。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4页共18页1.3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[7]2.1评估指标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火灾危险性模糊评估方法设有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],xjUA(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1火灾危险性综合评估指标体系由图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6页共18页xl=n21mllmllmll2nl22l21l1nl12l11lxxxxxxxxx=(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Rl=n21mllmllmll2nl22l21l1nl12l11lrrrrrrrrr（6）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=(lr11∨lr12∨…∨lr1n,lr21∨lr22∨…∨lr2n,lrml1∨lrml2∨…∨lrmln)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区域的相应隶属度最小值组成，即：ib=(lr11∧lr12∧…∧lr1n,lr21∧lr22∧…∧lr2n,lrml1∧lrml2∧…∧lrmln)T=(lg1,lg2,…,lgml)T（8）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)‖=mli1lwi(lgi—lrij)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)‖=mli1lwi(lrij—lbi)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=1—lUj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：min{F(lUj)=mli1[(lUj‖lw(lg-lrj)‖)2+((1—lUj)‖lw(lrj-lb)‖)2]}（10）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：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8页共18页222brwrgwbrwUljllillljlljl212121mliilijlilmliijlililmliilijlilbrwrgwbrw(11)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nmnnlmmlluuuuuuuuuU221221221(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=n21mlmlml2n22211n1211rrrrrrrrr（14）设第二级评估m个指标的权向量为w=(w1,w2,…,wn)T（15）则根据危险性模糊评估