劉志浩胡定煜
(中國人民武裝警察部隊學(xué)院,河北 廊坊 065000)
基于FTA?AHP模型的動車組列車火災(zāi)風(fēng)險分析
劉志浩,胡定煜
(中國人民武裝警察部隊學(xué)院,河北 廊坊 065000)
采用事故樹分析(FTA)與層次分析(AHP)相結(jié)合的方法對動車組列車火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行分析,并求得各指標(biāo)層對目標(biāo)層的影響權(quán)重,同時還將單獨的FTA方法與FTA?AHP方法進(jìn)行了比較,總結(jié)出FTA?AHP方法的優(yōu)點,解決了在動車組列車火災(zāi)風(fēng)險分析中的什么是重點的問題。結(jié)果表明:對動車組列車火災(zāi)風(fēng)險影響較大的因素依次為,列車材料耐火等級、火災(zāi)報警系統(tǒng)、防火巡查、電氣系統(tǒng)的安全狀況、消防設(shè)施的維護(hù)等,必須首先從這些因素入手來控制動車組列車火災(zāi)風(fēng)險。
事故樹分析;層次分析;動車組;火災(zāi)風(fēng)險
隨著鐵路交通技術(shù)的不斷發(fā)展,動車組列車作為即經(jīng)濟快捷又安全舒適的出行方式為社會公眾所喜愛,2017年1月5日我國鐵路總公司發(fā)布了全國鐵路最新列車運行圖,數(shù)據(jù)顯示全國鐵路開行旅客列車總數(shù)達(dá)3570.5對,其中動車組列車2332.5對,比例已經(jīng)超過了65%。據(jù)國務(wù)院新聞辦公室于2016年12月29日發(fā)表的《中國交通運輸發(fā)展》白皮書顯示,到2020年,高速鐵路營業(yè)里程達(dá)到3萬公里,將覆蓋80%以上的大城市[1]。動車已經(jīng)進(jìn)入加密時代,動車組的數(shù)量將不斷增加,然而隨著動車組數(shù)量的增加,其火災(zāi)事故風(fēng)險發(fā)生的幾率也會隨之提升,雖然到目前為止國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)關(guān)于動車組列車火災(zāi)事故的報道,但作為高速運行(時速200km及以上)的列車一旦發(fā)生火災(zāi)事故,不僅會造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失,同時還會導(dǎo)致我國鐵路交通的局部癱瘓。為了保證人員、財產(chǎn)的安全以及交通要線的暢通,本文通過將事故樹分析(FTA)與層次分析(AHP)相結(jié)合的方法來研究動車組列車的火災(zāi)危險性,并最終提出相應(yīng)的防范建議。
目前國際上動車組列車有多種型號,如中國的CHR、日本的新干線、法國的 TGV、比利時的HSL-1以及連接英法兩國的歐洲之星等,因此國外相應(yīng)領(lǐng)域的專家學(xué)者也在進(jìn)行著積極地研究,如英國專家保羅·曼先生采用故障樹和事件樹相結(jié)合的方法建立模型,并用于預(yù)測高速列車上的火災(zāi)頻率[2]。
2007年我國鐵道部頒布了《動車組消防安全管理暫行規(guī)定》,標(biāo)志著我國在動車組列車消防管理方面有了行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)學(xué)者也從多個方面對動車組列車火災(zāi)進(jìn)行了研究,如張山虎利用FDS軟件模擬建立動車組列車存車場火災(zāi)三維實體模型,對4種不同火災(zāi)場景下動車組列車火災(zāi)時的煙氣蔓延、熱輻射通量變化進(jìn)行研究[3];梁君海等利用PyroSim火災(zāi)模擬軟件對我國CRH2型動車組列車進(jìn)行了火災(zāi)情況下車廂內(nèi)部各處的煙霧濃度、溫度及熱釋放速率等的數(shù)值分析研究[4];宋悅菡等利用 BuildingEXODUS軟件模擬了不同火災(zāi)條件下CRH1型動車組列車的人員疏散過程,并進(jìn)行分析提出了優(yōu)化方案[5];丁江沨通過對國外高速列車防火標(biāo)準(zhǔn)、火災(zāi)起火原因、火災(zāi)危害識別三個方面的對比分析,提出了有效降低高速列車運行中火災(zāi)風(fēng)險的控制措施[6];孫少婧等針對高速動車組設(shè)計了智能化的火災(zāi)報警系統(tǒng)[7]。從這些文獻(xiàn)中可以看出,我國學(xué)者對動車組列車火災(zāi)的研究多致力于火災(zāi)煙氣、熱釋放、人員疏散以及火災(zāi)報警系統(tǒng)方面,缺乏較為體系的火災(zāi)風(fēng)險分析。
目前我國運行的動車組列車主要有四種,且均為電力性動車組,分別是 CRH1、CRH2、CRH3和CRH5,在這些型號的動車組的裝備大致相同,如配電系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、蓄電池與充電機、照明系統(tǒng)、火災(zāi)探測系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、動車組常見電器、空調(diào)及電氣設(shè)備等。在這些系統(tǒng)均依靠電力驅(qū)動,外加動車組列車的動力系統(tǒng)也來源于外部的高壓、大電流電力供應(yīng),這就使得動車組車廂內(nèi)聚集了大量的通電線路、設(shè)備,這些通電線路、設(shè)備的存在既是動車組列車引發(fā)火的重要風(fēng)險因素之一。同時,高速行駛的動車組列車要求車廂要與外界保持良好的密封效果,這就使得車廂內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)事故,那么產(chǎn)生的熱量、煙氣很難向外釋放從而加大了火勢的擴展。同樣,高速運行中的動車組列車車廂內(nèi)外存在大氣壓差,如果車體密封性能不良,發(fā)生火災(zāi)后不僅不能起到排煙散熱的作用,反而會因車廂內(nèi)氣流的形成助長火勢的蔓延,這種現(xiàn)象會隨著列車運行速度的提高而越加顯著。
事故樹分析FTA應(yīng)用較為廣泛,例如胡玉娟等通過FTA法定性分析了電動車火災(zāi)事故[8],包麗雅通過FTA法對石油儲罐區(qū)火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行了定量評估[9]。FTA分析的核心內(nèi)容是定性分析,因該分析方法簡便易算,結(jié)果可靠,所以能夠滿足本研究的研究需求,同時由于國內(nèi)動車組列車火災(zāi)事故資料有限,因此本文僅對事故樹做定性分析。
在動車組列車運行過程中容易引發(fā)火災(zāi)的首要內(nèi)部因素就是電,包括供電系統(tǒng)、線路以及各種設(shè)備儀器,而一些外部因素主要包括雷擊、吸煙、防火等。在火災(zāi)形成及發(fā)展階段包括火災(zāi)的報警不及時和撲救不力原因,主要從人、物、環(huán)境三方面分析。例如人的因素包括乘客的警覺性差、工作人員巡查不到位以及火災(zāi)撲救能力不足,物的因素主要包括火災(zāi)報警器以及滅火器的質(zhì)量差、數(shù)量不足和部署不合理,環(huán)境因素包括列車所處的位置環(huán)境以及火災(zāi)負(fù)荷。將動車組列車火災(zāi)作為事故樹的頂事件,將以上基本原因作為事故樹最底層的基本事件,結(jié)合不同因素交叉事故形態(tài)關(guān)系的統(tǒng)計分析結(jié)果進(jìn)行分類分析,構(gòu)建如圖1所示的動車組列車火災(zāi)事故樹模型。
(1)最小割集的求解和分析
由布爾代數(shù)化簡法可求得最小割集,如表1所示。經(jīng)計算動車組列車火災(zāi)事故樹共有336個最小割集,最小割集的數(shù)目較多,因此,從模型看來火災(zāi)發(fā)生的途徑有336種。
(2)最小徑集的求解和分析
使頂端事件不發(fā)生的基本事件的集合成為徑集,事故樹的最小徑集是指使頂上時間不發(fā)生的最低限度的基本事件的集合,最小徑集越多,火災(zāi)可控的方法也就越多。車組列車火災(zāi)事故樹的最小徑集如表2所示。
由表2所示控制火災(zāi)發(fā)生的途徑有五種:一是控制所有的引火源(X1、X2、X3、X8、X9、X10、X11、X12);二是控制起火物(X4、X5、X6);三是在工作人員巡查到位的前題下(控制X7)保證有撲救火災(zāi)的能力(控制 X18、X19、X20、X21、X22、X23、X24、X25);四是在火災(zāi)報警器正常工作在前題下(控制X7、X18、X19)保證有撲救火災(zāi)的能力(控制 X18、X19、X20、X21、X22、X23、X24、X25);五是在保證旅客安全警惕意識下(控制X16、X17)保證有撲救火災(zāi)的能力(控制 X18、X19、X20、X21、X22、X23、X24、X25)。
(3)結(jié)構(gòu)重要度求解和分析
本文的基本事件較多,有25個,如果求結(jié)構(gòu)重要系數(shù)則會產(chǎn)生225(即33554432)個狀態(tài)值,數(shù)量過于龐大,因此本文根據(jù)已求得的最小割集來判斷結(jié)構(gòu)重要度順序。動車組列車火災(zāi)事故樹各基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序(表3)。
圖1 動車組列車火災(zāi)事故樹模型Fig.1 Fault tree model of the EMU train fire
表1 最小割集Tab.1 Minimal cut set
由表3可知,動車組列車火災(zāi)事故樹各基本事件結(jié)構(gòu)重要度共分為6個等級。第一等級是車廂內(nèi)易燃起火物,有裝修材料、旅客行李以及列車內(nèi)各項設(shè)備線路,當(dāng)動車組列車發(fā)生火災(zāi)時就是靠這些起火物不斷蔓延發(fā)展的,因此對于火災(zāi)事故而言其危險性最大;第二等級是造成火災(zāi)的引火源,包括失火、放火、自燃、雷擊,由于我國鐵路營運管理的嚴(yán)格,放火、自燃、雷擊等因素相對較小,因此火災(zāi)主要由失火造成,包括吸煙、電氣設(shè)備的過載、線路老化以及短路;第三等級是撲救不利因素,主要有人為因素即滅火人員不足及不會使用滅火器,環(huán)境因素即列車遠(yuǎn)離市區(qū)撲救困難、通風(fēng)對流好火勢發(fā)展快以及火災(zāi)負(fù)荷大;物的因素及滅火器的數(shù)量、質(zhì)量和配備;第四等級是工作人員巡查不到位;第五等級是旅客的警覺性問題,主要由列車消防宣傳不足及旅客疲勞所致;第六等級是火災(zāi)報警器失效,作為防火功能設(shè)計的重要一部分,火災(zāi)報警器的數(shù)量、質(zhì)量以及布置對火災(zāi)的發(fā)現(xiàn)都起著重要作用。
作為火災(zāi)發(fā)生的三個條件之中的起火物和引火源位于風(fēng)險等級的前兩名,這說明該事故樹的模型與實際是相符合的,是比較成功的。但是從動車組列車火災(zāi)事故樹各基本事件結(jié)構(gòu)重要度排序表中我們可以看出,風(fēng)險等級只是近似的判斷,大多數(shù)等級中包含多個同等重要度的基本事件,因此為了更精確地判斷,分析動車組列車火災(zāi)風(fēng)險,本文又引入了層次分析法進(jìn)行進(jìn)一步分析。
對于FTA?AHP模型的分析方法,有些學(xué)者已經(jīng)運用到了相應(yīng)領(lǐng)域,并取得了較好的效果,如張村峰等人利用FTA?AHP模型對高校學(xué)生宿舍火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行了分析[10],李小菊等人通過模糊FTA與區(qū)間AHP相結(jié)合的方法研究了高層建筑火災(zāi)風(fēng)險[11],耿利紅等人通過 FTA?AHP模型分析了高爐波紋補償器失效的主要原因[12]。
表2 最小徑集Tab.2 Minimal path set
表3 結(jié)構(gòu)重要度Tab.3 Structure important degree
層次分析(AHP)由美國運籌學(xué)家 T.L.Saaty教授首次提出,近年一些學(xué)者熱衷于對改進(jìn)的模糊AHP進(jìn)行研究,但Saaty認(rèn)為模糊邏輯不適用于AHP,因為在AHP中用來比較同類元素的1-9標(biāo)度本身已經(jīng)是模糊的了,再度模糊化沒有意義[13],此外模糊在改進(jìn)判斷不一致性的同時,不一定能改進(jìn)結(jié)果的有效性,只會增加操作的復(fù)雜性[14],往往會導(dǎo)致不可取的,而不是更理想的結(jié)果。因此本文將繼續(xù)采用Saaty教授經(jīng)典的AHP方法對動車組列車火災(zāi)事故的危險性進(jìn)行評價。
為了使FTA模型中各基本事件能與AHP模型很好地結(jié)合起來,首先將FTA模型中對各基本事件的描述中性化后轉(zhuǎn)為AHP模型的指標(biāo)層因素,然后歸納分類,確定為準(zhǔn)則層各因素(如消防管理、防火設(shè)計、滅火能力、列車安全行駛狀況和安全疏散能力),目標(biāo)層即為動車組列車火災(zāi)風(fēng)險,以此構(gòu)造的AHP模型(表4)。
表4 火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)體系Tab.4 Fire risk index system
通過對AHP模型中同一層次各因素之間進(jìn)行重要度的兩兩比較,可以構(gòu)造AHP的判斷矩陣,其表示符號為A=(aij)。如本文中影響動車組列車火災(zāi)危險性有的準(zhǔn)則有5個,則可以構(gòu)造判斷矩陣:
每層指標(biāo)的層次分析法判斷矩陣是通過專家評分而獲得的,在評分過程中采用1-9的比例評分標(biāo)度方法。
本文通過幾何平均法(根法)對權(quán)重ωi進(jìn)行計算。
然后計算判斷矩陣的最大特征根λmax:
每層指標(biāo)的層次分析法判斷矩陣及計算結(jié)果如下(表5~10):
(1)計算一致性指標(biāo)CI
表5 動車組列車火災(zāi)風(fēng)險Tab.5 Tire risk of EMU train
表6 消防管理Tab.6 Fire management
表7 防火設(shè)計Tab.7 Fire protection design
表8 滅火能力Tab.8 Extinguishing ability
表9 列車安全行駛狀況Tab.9 Safe running condition of train
表10 安全疏散能力Tab.10 Safe evacuation capacity
(2)查找相應(yīng)的平均隨機一致性指標(biāo)RI。對n=1,…,9,Saaty給出了通過隨機方法構(gòu)造500個樣本矩陣而計算得到的RI值。
(3)計算一致性比例CR
當(dāng)CR<0.10時,可以接受的該判斷矩陣的一致性,否則應(yīng)對該判斷矩陣作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整及修正。 經(jīng)計算判斷矩陣 A、B1、B2、B3、B4、B5 的CR 值分別為 0.0357、0.0437、0.0605、0.0433、0.0414、0.0379 且均小于 0.1,因而各判斷矩陣的一致性是可以接受的。
若上一層次A包含n個因素B1,B2……Bn,其層次權(quán)重值分別為 b1,b2……bn,如果C層次某些因素對于Bi單排序的一致性指標(biāo)為CIi(i=1,2……n),相應(yīng)的平均隨機一致性指標(biāo)為RIi,則C層次的總排序隨機一致性比率[15]為:
當(dāng)CR<0.10時,可認(rèn)為層次總排序結(jié)果具有較滿意的一致性,分析結(jié)果可以接受。
求得:CR = 0.0568,小于 0.1,所以層次總排序結(jié)果合理可接受。
由表11可知,是動車組列車火災(zāi)高風(fēng)險的因素(前6位)主要有:列車材料耐火等級、火災(zāi)報警系統(tǒng)、防火巡查、電氣系統(tǒng)的安全狀況、消防設(shè)施的維護(hù)和火災(zāi)荷載。從消防工作階段來看,這些因素屬于防火工作的主要內(nèi)容,這與消防部門“預(yù)防為主,防消結(jié)合”的工作原則相吻合。這些主要因素中列車材料耐火等級與火災(zāi)荷載屬于動車組列車在生產(chǎn)時的防火設(shè)計,是運營前期的消防投入,而火災(zāi)報警系統(tǒng)、防火巡查、電氣系統(tǒng)的安全狀況和消防設(shè)施的維護(hù)工作屬于動車組列車在運營期間定期進(jìn)行的消防安全管理工作,因此這些因素隨人員素質(zhì)的影響較大。
表11 層次總排序Tab.11 Hierarchical total ordering
火災(zāi)一旦發(fā)生,影響動車組列車火災(zāi)高風(fēng)險的因素則主要是火災(zāi)撲救工作,然而從層次總排序中我們可以看出,列車消防人員的滅火能力僅處在第11位,這與排在第9位的滅火器因素有直接關(guān)系,由《動車組消防安全管理暫行規(guī)定》可知,動車組列車的消防器材配備為:車廂配備手提式2kgABC干粉滅火器和2L水型滅火器各2具,駕駛室配備5Kg二氧化碳或5KgABC干粉滅火器1具[16]。這些滅火劑量只能用于火災(zāi)的初期撲救,而很難對充分發(fā)展階段的火災(zāi)起到撲滅的效果。對于火車之外消防組織的滅火能力,其權(quán)重排位則更低,處于第21位。這與第15位列車所處位置及第17位列車與消防組織的距離有較大的關(guān)聯(lián),由于火車很大程度上會遠(yuǎn)離城市,會經(jīng)過隧道、高架橋梁、山脈、河流湖泊等特殊區(qū)域,受距離和地勢的影響消防組織很難及時到達(dá),因此其發(fā)揮的能力有限?;馂?zāi)發(fā)生時人員疏散能力同樣重要,如排在第7位的旅客數(shù)量及逃生能力,主要從人員傷亡方面影響動車組列車火災(zāi)風(fēng)險。
環(huán)境因素對動車組列車火災(zāi)風(fēng)險影響較小,如處于第22位的天氣狀況因素,但是從往年的新聞報道來看,高速行駛的動車遭受雷擊的事故時有發(fā)生,而雷擊會使列車配電、供電系統(tǒng)的高壓電路發(fā)生故障會大大提高火災(zāi)發(fā)生的幾率。
對比表11與表3可知:利用FTA?AHP法可以彌補事故樹因缺乏基本事件發(fā)生概率數(shù)據(jù)而很難進(jìn)行定量分析的不足,同時可以避免在FTA分析階段因部分基本事件結(jié)構(gòu)重要度相同而無法進(jìn)行針對性預(yù)防的弊端,對制定動車組列車火災(zāi)的防范措施具有一定的指導(dǎo)意義。
綜合表11與表3分析,動車組列車火災(zāi)風(fēng)險較高,火災(zāi)引發(fā)及蔓延的途徑高達(dá)336種,要想降低動車組列車的火災(zāi)風(fēng)險則要從以下幾點入手:在設(shè)計生產(chǎn)階段,首要任務(wù)是要確定合理的耐火等級、器材配置,優(yōu)化動車組列車消防系統(tǒng)及應(yīng)急疏散設(shè)計,加強動車組列車自身的防火性能,因此必須嚴(yán)格按照我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),TB/T 3237《動車組用內(nèi)裝材料阻燃技術(shù)條件》、TB/T 2640《鐵道客車防火保護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計》并參考德國標(biāo)準(zhǔn)DIN5510《鐵路車輛預(yù)防性防火》進(jìn)行嚴(yán)格的防火設(shè)計;在運營階段,嚴(yán)格落實消防管理制度,及時排除存在的隱患,同時優(yōu)化火災(zāi)撲救方案為消防組織火災(zāi)撲救提供便利條件,發(fā)揮出消防組織在動車組列車火災(zāi)撲救中的應(yīng)有的重要作用。
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Train Based on FTA?AHP Model Analysis on Fire Risk of Electric Multiple Unit
Liu Zhihao,Hu Dingyu
(The Chinese People’s Armed Police Academy,Langfang065000,China)
The fire risk of electric multiple unit(EMU) train is analyzed by using the methods of fault tree analysis(FTA) and analytic hierarchy process(AHP), and the influence weight of each index layer on target layer is obtained.Further, the paper, through a comparison between the FTA method and the FTA?AHP method, summarizes the advantages of the latter and identifies the key problem of the train fire risk analysis in EMU train.The results show that the factors influencing the fire risk of EMU train are fire?protection rating of train material, fire alarm system, fire prevention patrol, safety status of electrical systems, and maintenance of fire fighting facilities etc.Therefore, those above?mentioned factors should be given priority in controlling the risk of EMU train fire.
fault tree analysis; analytic hierarchy process; electric multiple unit; fire risk
X932 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1673-8047(2017)03-0057-09
2017-04-21
公安部技術(shù)研究計劃項目(2016JSYJC55).
劉志浩(1990—),男,碩士研究生,主要從事火災(zāi)風(fēng)險評估、火災(zāi)調(diào)查方面研究。
胡定煜(1969—),男,博士,教授,主要從事消防功能材料、災(zāi)害事故應(yīng)急救援方面研究。