李 華，朱 瑕

(西安建筑科技大學(xué) 資源工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

隨著我國城市化水平的不斷提高，布局復(fù)雜且人員密集的高層建筑日益增多，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速發(fā)展，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年1—10月，全國共接報(bào)火災(zāi)21.9萬起，死亡人數(shù)1 065人，受傷人數(shù)679人，直接損失26.2億元。從場所看，住宅占總數(shù)的43.5%，傷亡人數(shù)最多；從起火原因看，電氣是引發(fā)火災(zāi)的首因，共有7.4萬起，占總數(shù)的33.6%[1]。

高層建筑電氣火災(zāi)的隱患因子具有種類繁多、界限不清晰、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)，且這些隱患因子相互交叉、相互關(guān)聯(lián)，形成了十分復(fù)雜的遞階式因素鏈。針對電氣火災(zāi)事故成因問題，國內(nèi)已進(jìn)行了一系列的研究。王旭[2]對典型低壓配電系統(tǒng)的組成進(jìn)行了研究，得到現(xiàn)代建筑中最常用且較為安全的TN-C-S配電方式，并對引起火災(zāi)的各種典型電氣故障進(jìn)行了研究；肖楚陽等[3]構(gòu)建地鐵電氣火災(zāi)機(jī)械方面影響因子仿真模型，對各影響因子進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測，通過對比分析總結(jié)出相對最有效的投資方案；王君莉[4]針對煤礦電氣火災(zāi)頻發(fā)問題，采用層次分析模型建立煤礦電氣火災(zāi)評價(jià)指標(biāo)體系，選取G1法分配評價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。

從現(xiàn)有研究情況來看，行業(yè)領(lǐng)域的電氣火災(zāi)成因分析已初見規(guī)模，在技術(shù)和管理層面均有論述。本文主要從高層建筑電氣火災(zāi)隱患因子排查的定量化角度出發(fā)，分析風(fēng)險(xiǎn)管控過程中可能存在的缺失。對高層建筑電氣火災(zāi)隱患因子進(jìn)行篩選，運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretive Structural Model，ISM)分析各隱患因子之間復(fù)雜的邏輯關(guān)系；再運(yùn)用交叉影響分析(Cross Impact Analysis，CIA)和馬爾科夫鏈預(yù)測相結(jié)合的方法，計(jì)算各隱患因子的交叉概率，根據(jù)修正后的穩(wěn)態(tài)概率大小，對隱患因子概率對比分析和排序。該方法對高層建筑火災(zāi)隱患因子排查階段的定量化以及后續(xù)的信息化管理工作具有推動(dòng)作用。

1 高層電氣火災(zāi)隱患因子分析模型

解釋結(jié)構(gòu)模型ISM由Warfield[5]于1973年提出，主要用于分析復(fù)雜系統(tǒng)組成元素之間的相互關(guān)系，并通過多級遞階結(jié)構(gòu)的形式表示出來，進(jìn)而為系統(tǒng)管理者提供決策支持。ISM的建立主要有以下5個(gè)步驟[6-7]：1)確定關(guān)鍵問題與影響因子，建立隱患因子正負(fù)因果關(guān)系表；2)生成鄰接矩陣；3)生成可達(dá)矩陣；4)各要素的級別分配；5)生成層次結(jié)構(gòu)圖。

1.1 高層電氣火災(zāi)隱患因子的篩選

火災(zāi)隱患因子是指可能導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生或促進(jìn)火災(zāi)發(fā)展的各類潛在的不安全因子。高層建筑電氣火災(zāi)事故的發(fā)生是由隱患因子受外界刺激轉(zhuǎn)化而導(dǎo)致的[8]。高層建筑自身電氣的復(fù)雜性導(dǎo)致了電氣火災(zāi)事故原因的多元性，而且1次事故的發(fā)生往往是多個(gè)隱患因子共同作用的結(jié)果。篩選隱患因子是后續(xù)治理工作的重要一環(huán)。

借鑒夏正霖等[9]對火災(zāi)要素的劃分方法并結(jié)合德爾菲法，將12位從事電氣及火災(zāi)安全等相關(guān)工作、具有豐富電氣知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專家的調(diào)查問卷整理分析，獲取高層建筑電氣火災(zāi)影響因子的4個(gè)類目，分別為致災(zāi)體、火場環(huán)境、受災(zāi)體和火災(zāi)驅(qū)動(dòng)因素，具體表述如表1所示。

表1 高層電氣火災(zāi)影響因子Table 1 List of high-rise electrical fire impact factors

根據(jù)已篩選出的高層建筑電氣火災(zāi)影響因子，分析由于影響因子受外界刺激從正常狀態(tài)轉(zhuǎn)化為危險(xiǎn)狀態(tài)的隱患因子列表。隨著外界不利因素的刺激，影響因子轉(zhuǎn)化為隱患因子情況如表2所示?！?”表示正方向影響，即外界刺激將促進(jìn)事件的發(fā)生；“-”表示負(fù)方向的影響，即外界刺激將抑制或減少事件的發(fā)生。

表2 影響因子轉(zhuǎn)化為隱患因子正負(fù)因果Table 2 Impact factor is converted into a hazard factor positive and negative causal table

1.2 構(gòu)建鄰接矩陣和可達(dá)矩陣

根據(jù)對高層建筑電氣火災(zāi)隱患因子的分析，確定因子之間直接或間接的邏輯關(guān)系，并且進(jìn)一步得出各隱患因子的關(guān)聯(lián)矩陣A=(Dij)18×18，其中，A中的元素定義如式(1)所示：

(1)

再通過鄰接矩陣A，計(jì)算A與單位矩陣I的和A+I，依據(jù)布爾代數(shù)做A+I的冪運(yùn)算，直到得到某正整數(shù)n，使式(2)成立：

M=(A+I)n+1=(A+I)n≠…≠
(A+I)2≠(A+I)

(2)

確定可達(dá)矩陣M，表示各隱患因子之間有直接或間接的關(guān)系。

1.3 基于可達(dá)矩陣隱患因子的層次分析

首先確定各隱患因子的可達(dá)集R(Di)與前因集N(Di)?？蛇_(dá)集R(Di)指隱患因子Di可以到達(dá)的全部隱患因子集合；前因集N(Di)指可以到達(dá)隱患因子Di的全部隱患因子集合。如果存在有隱患因子集合Li滿足式(3)：

R(Di)∩N(Di)=R(Di)

(3)

則可確定該隱患因子集合屬于第一層級，將這些隱患因子從可達(dá)集M中刪除，重復(fù)進(jìn)行上述步驟直至確定高層建筑電氣火災(zāi)隱患因子系統(tǒng)中所有隱患因子所屬層級，從而構(gòu)建出該界限值的解釋結(jié)構(gòu)模型。

1.4 建立解釋結(jié)構(gòu)模型

通過對高層建筑電氣火災(zāi)隱患因子的級間分析，得到的多層遞階解釋結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 高層建筑電氣火災(zāi)隱患因子的ISMFig.1 ISM for electrical fire hazard factors in high-rise buildings

高層建筑電氣火災(zāi)隱患因子的ISM反映了隱患因子間復(fù)雜的邏輯關(guān)系。根據(jù)高層電氣火災(zāi)發(fā)生機(jī)理，可將隱患因子劃分為事前隱患因子、事中隱患因子、深層隱患因子。

導(dǎo)致事故發(fā)生的直接因子稱為事前隱患因子[10]。表1中的影響因子導(dǎo)電狀況、絕緣狀況等轉(zhuǎn)化為短路、漏電等情形，是成為導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生的最直接的隱患因子，是在隱患排查時(shí)首要治理的相關(guān)要素。事中隱患因子，作用于事故發(fā)生后，其作用是促進(jìn)事故的發(fā)展導(dǎo)致事故后果的擴(kuò)大[10]，對表2中滅火救援力量、建筑自身安全水平等狀態(tài)變化形成影響趨勢。深層隱患因子的變化和聯(lián)系是高層建筑火災(zāi)產(chǎn)生和擴(kuò)大的本質(zhì)原因。

2 隱患因子的交叉影響分析

在解釋結(jié)構(gòu)模型定性分析高層建筑電氣火災(zāi)隱患因子之間內(nèi)在關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用交叉影響分析法與馬爾科夫鏈預(yù)測法相結(jié)合的方法進(jìn)行隱患因子排查的定量分析。

交叉影響分析是1種充分考慮因子之間相互影響的方法，綜合了定性分析和定量分析的優(yōu)勢，系統(tǒng)地分析和預(yù)測目標(biāo)在未來的發(fā)展趨勢中，由于某些因子的變化而引起其他因子發(fā)展趨勢概率的變化過程[11]。馬爾科夫鏈預(yù)測模型，是根據(jù)因子目前的狀況預(yù)測未來各個(gè)時(shí)刻變動(dòng)狀況的1種方法，其原始模型是馬爾科夫鏈[12]。因此，本文運(yùn)用CIA法模擬各隱患因子發(fā)展情況，并借助馬爾科夫鏈的預(yù)測概念修正了各隱患因子在交叉影響后的概率，從而得到隱患因子的穩(wěn)態(tài)概率大小。CIA法與馬爾科夫預(yù)測法結(jié)合的分析步驟為4步：初始值的確定、影響程度的確定、計(jì)算交叉影響概率和概率修正。

2.1 隱患因子初始概率的確定

初始概率一般用“0”到“1”之間的數(shù)字表示，“0”代表因子在未來不會(huì)產(chǎn)生影響，“1”代表因子在未來肯定會(huì)產(chǎn)生影響[12]。本文在調(diào)查問卷和專家咨詢的基礎(chǔ)上，通過德爾菲法得出18個(gè)隱患因子的初始概率P(0)n為：P(0)1=0.7，P(0)2=0.5，P(0)3=0.6，P(0)4=0.5，P(0)5=0.8，P(0)6=0.8，P(0)7=0.8，P(0)8=0.7，P(0)9=0.6，P(0)10=0.6，P(0)11=0.5，P(0)12=0.6，P(0)13=0.7，P(0)14=0.4，P(0)15=0.6，P(0)16=0.4，P(0)17=0.4，P(0)18=0.5。則初始概率為：P(0)n=[ 0.7, 0.5, 0.6, 0.5, 0.8, 0.8, 0.8, 0.7, 0.6, 0.6, 0.5, 0.6, 0.7, 0.4, 0.6, 0.4, 0.4,0.5]T。

2.2 確定交叉影響程度

影響的程度可按影響效果的大小和影響的正負(fù)給出，一般分為7個(gè)類別。其中，K表示影響方向，正向時(shí)K為+1，表示1個(gè)因子產(chǎn)生影響對另1個(gè)因子有激勵(lì)作用；負(fù)向時(shí)K為-1，表示為抑制作用，S表示影響程度[13]。表3為綜合專家意見設(shè)定的影響方向和程度分檔。

表3 交叉影響的方向和程度Table 3 Direction and extent of cross influence

對照表3交叉影響的方向和程度分檔表，進(jìn)一步確定各隱患因子之間的相互影響值KS。

2.3 計(jì)算交叉概率

如果隱患因子Dn產(chǎn)生影響，則其余因子的初始概率必然會(huì)受到Dn的影響，則其間的關(guān)系可由ward和Cordn在1968年提出的計(jì)算交叉影響經(jīng)驗(yàn)公式來表示，簡化形式為：

(4)

2.4 概率修正

為了消除由于專家評定的影響程度不同導(dǎo)致獲得各隱患因子間的交叉影響概率的數(shù)據(jù)不足的問題，借助馬爾科夫鏈的穩(wěn)態(tài)特性對18個(gè)隱患因子的交叉影響概率進(jìn)行修正。

1)對初始概率矩陣作歸一化計(jì)算：

(5)

P′(0)=[0.065 4,0.046 7,0.056 1,0.046 7,0.074 8,0.074 8,0.074 8,0.065 4,0.056 1,0.056 1,0.046 7,0.056 1,0.065 4,0.037 4,0.056 1,0.037 4,0.037 4,0.046 7]T。

2)對交叉概率矩陣作歸一化計(jì)算：

(6)

由式(6)得出交叉概率矩陣作歸一化結(jié)果P′。

3)馬爾可夫鏈穩(wěn)定狀態(tài)的概率矩陣P(n)[15]：

P(n)=P1-1×b

(7)

式中：

b=[0，0，0，…，1]T

根據(jù)公式(7)經(jīng)多次轉(zhuǎn)移后求得初始狀態(tài)馬爾可夫穩(wěn)態(tài)矩陣P(n)為：

P(n)=[0.054 0,0.055 1,0.054 2,0.054 2,0.054 7,0.055 4,0.053 2,0.052 6,0.052 9,0.054 4,0.059 1,0.057 9,0.057 1,0.052 5,0.056 3,0.060 5,0.060 0,0.055 9]T。

4)校正后的隱患概率計(jì)算：

馬爾科夫鏈穩(wěn)定狀態(tài)的概率矩陣P(n)為交叉影響各隱患因子發(fā)生的概率比重，乘以初始概率之和，得到各隱患因子的校正概率P″(0)。

(8)

表4 隱患因子間的交叉影響概率Pn′Table 4 Cross-impact probability Pn′ between hidden danger events

P″(0)=[0.577 8,0.569 57,0.579 94,0.579 94,0.585 29,0.592 78,0.569 24,0.562 82,0.566 03,0.582 08,0.632 37,0.619 53,0.610 97,0.561 75,0.602 41,0.647 35,0.642,0.640 93]T。

2.5 結(jié)果分析

1)高層建筑電氣火災(zāi)的隱患因子之間存在一定程度的交叉影響，經(jīng)過一系列的馬爾科夫狀態(tài)轉(zhuǎn)移，由初始概率得到穩(wěn)態(tài)矩陣的概率變化可知，+D2，+D4，-D11，-D12，-D14，-D15，-D16，-D17，-D18這9個(gè)隱患因子所產(chǎn)生的修正穩(wěn)態(tài)概率比初始概率有所提高。結(jié)合高層建筑電氣火災(zāi)隱患因子解釋結(jié)構(gòu)模型分析，發(fā)現(xiàn)在高層電氣火災(zāi)事前，致災(zāi)體的電氣絕緣狀況、電流量情況與建筑內(nèi)人員的安全素質(zhì)水平需要重點(diǎn)排查；事后火災(zāi)驅(qū)動(dòng)因素的應(yīng)急處理與日常設(shè)備管理狀況是需要作為隱患因子排查的重要因素；深層隱患因子影響事故可能性和嚴(yán)重性的安全意識(shí)、安全教育宣傳和安全投入3個(gè)要素修正穩(wěn)態(tài)概率的提高，表明隱患排查工作要深入高層建筑安全管控的全過程。

2)由2組概率對比可以看出，雖然+D1，+D3，+D5，-D6，-D7，-D8，-D9，-D10，-D13修正穩(wěn)態(tài)概率比初始概率有所下降，但是各隱患因子兩兩間的概率差距明顯縮小，表明隱患因子間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，一旦發(fā)生事故極易產(chǎn)生事故連鎖反應(yīng)。因此，應(yīng)做到預(yù)防事前隱患因子和消除事中隱患因子，同時(shí)避免多個(gè)隱患因子共同作用，才能有效控制火災(zāi)蔓延。

3)修正后隱患因子的穩(wěn)態(tài)概率大小排序?yàn)椋?D16>-D17>-D18>-D11>-D12>-D13>-D15>-D6>+D2>+D5>-D10>+D3=+D4>+D1>-D7>-D9>-D8>-D14。其中隱患因子-D16、-D17和-D18的穩(wěn)態(tài)概率大小分別提升了0.247 35，0.242 00和0.140 93，提升幅度較大且均排在前列，表明在適當(dāng)安全投入的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)和增強(qiáng)民眾的安全防火意識(shí)，普及安全教育進(jìn)而提高全社會(huì)的消防基本素質(zhì)，才能在根本上預(yù)防和治理火災(zāi)隱患。

3 結(jié)論

1)通過調(diào)查問卷和德爾菲法對高層建筑電氣火災(zāi)事故進(jìn)行研究，篩選出影響高層建筑電氣火災(zāi)的18個(gè)隱患因子。

2)構(gòu)建高層建筑電氣火災(zāi)隱患因子解釋結(jié)構(gòu)模型，研究了隱患因子之間復(fù)雜的邏輯關(guān)系；在利用德爾菲法確定隱患因子初始概率的基礎(chǔ)上，運(yùn)用交叉影響分析法定量確定了各隱患因子間的交叉影響概率，并引入馬爾科夫鏈的穩(wěn)定狀態(tài)特性對本文18個(gè)隱患因子的交叉影響概率進(jìn)行修正，最終的校正概率比用德爾菲法測定的初始概率更加準(zhǔn)確，更符合實(shí)際情況。

3)通過對修正后的穩(wěn)態(tài)概率的對比和排序，明確了高層建筑電氣火災(zāi)隱患排查和管控的重點(diǎn)；為高層建筑電氣火災(zāi)隱患的排查和治理工作提出了一種定性和定量相結(jié)合的方法。