李 怡 王婉青 呂淑然教授

(首都經(jīng)濟貿(mào)易大學 管理工程學院，北京 100070)

0 引言

“公共建筑”是指用于辦公、商業(yè)、科教文衛(wèi)，以及交通運輸?shù)扔猛镜慕ㄖ颷1]。不同于其他類型建筑，多數(shù)公共建筑面積大、聚集人員多、流動性大，且內部設備系統(tǒng)復雜多樣。一旦發(fā)生火災事故，極易造成嚴重人員傷亡和財產(chǎn)損失，危害社會穩(wěn)定。2017年2月，浙江天臺一足浴中心發(fā)生重大火災，造成18人死亡，18人受傷。2018年8月，哈爾濱松北一溫泉酒店發(fā)生重大火災，造成20人死亡，20人受傷。2019年10月，安徽集鎮(zhèn)衛(wèi)生院發(fā)生火災，造成5人死亡，多人受傷。因此，通過科學系統(tǒng)的方法分析公共建筑火災事故致因因素，對火災風險采取有效的管理措施，降低事故發(fā)生可能性，減輕事故后果，具有現(xiàn)實意義。

目前關于公共建筑火災風險的研究有很多，研究者主要運用模糊綜合評價[2-3]、支持向量機[4-5]、神經(jīng)網(wǎng)絡[6-7]等分析評價法，極少運用風險耦合方法對其進行研究。黃婷[8]建立了城市綜合體風險耦合模型評價指標，為城市綜合體消防安全管理提供參考。富蕾[9]建立城市商業(yè)圈內外部安全耦合關系模型，得到致?lián)p與受損事物的安全耦合關系，從安全角度為商業(yè)圈規(guī)劃提出建議。公共建筑火災風險因素多、因素間相互關聯(lián)性強，且事故的發(fā)生往往是多重因素耦合造成的，這些特征與風險耦合分析理論相符合。但公共建筑火災發(fā)生率高、類型多，且調查取證困難，無法滿足大小事故均詳細記錄，致使風險耦合分析缺少一定樣本量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。因此，為彌補其使用局限性的缺陷，結合層次分析法對傳統(tǒng)N-K模型進行改進，并將改進模型應用在公共建筑火災風險耦合中，更科學系統(tǒng)的對公共建筑火災風險進行分析。

1 公共建筑火災風險評價指標的建立

1.1 評價體系指標的構建

參照《建筑設計防火規(guī)范(2018年版)》(GB 50016-2014)、《人員密集場所消防安全管理》(GA 654-2006)、《公共娛樂場所消防安全管理規(guī)定》等相關資料，結合文獻分析、現(xiàn)場調研及專家咨詢等多種方法相結合的方式建立了評價指標體系，將公共建筑火災風險評價一級指標總結為：人員消防素質狀況、消防設備設施狀況、建筑防火狀況、安全管理狀況4個類別。并對每個一級指標進一步的劃分，共得到16個二級指標。公共建筑火災風險評價指標體系，如下圖。

圖 公共建筑火災風險評價指標體系

1.2 指標評價維度的確定

在層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)中，指標間相互比較的原則是要在同一維度、同一標準下[10]。在傳統(tǒng)的N-K風險耦合分析中，風險因素導致事故發(fā)生的概率是指某一風險因素或耦合風險因素導致事故發(fā)生的次數(shù)與全部事故起數(shù)之比。因此，引入與事故率維度和標準最相近的“頻度”[11]作為評價指標，即通過類比預估得到某一風險因素在事故中出現(xiàn)的比率。運用層次分析法比較風險因素在公共建筑火災事故致因因素的出現(xiàn)頻率，來確定某一風險因素在公共建筑火災事故發(fā)生時的頻度。改進后的N-K模型在無法獲得一定樣本量的事故統(tǒng)計概率的情況下，可以進行風險耦合分析，彌補了傳統(tǒng)N-K模型的適用局限性。

1.3 基于AHP的指標頻度確定

選擇5名從事公共建筑消防的專業(yè)人員及消防領域專家，參考《中國消防年鑒》[12]，并結合工作經(jīng)驗，通過比較兩兩因素在事故中的出現(xiàn)頻率，以1-9標度法進行打分，計算各個層級指標的頻度[13]。1-9標度法，見表1。

表1 1-9標度法

(1)構建各層的判斷矩陣。同一層次各指標因素之間進行頻度兩兩比較，進而得到判斷矩陣M=(aij)n×n，其中aij滿足式(1)。

(1)

(2)計算指標頻度。計算矩陣M的最大特征根λmaxM及對應的特征向量，再對特征向量進行歸一化即可得到評價指標的頻度E=(ε1,ε2,…,εn)。

(3)層次排序及一致性檢驗。一致性比例CR的定義式為：

CR=CI/RI

(2)

其中CI為一致性指標，其定義式為：

(3)

RI為平均隨機一致性指標，查表2可知。

表2 不同值對應的RI

當CR小于0.1時，判斷矩陣通過一致性檢驗。反之則需要對判斷矩陣進行一定的修改，然后再次檢驗，直到通過一致性檢驗。

為獲得指標頻度，邀請行業(yè)內5名資深專家對本文1.1所建立的公共建筑火災風險評價指標體系中的一級指標和二級指標打分，通過式(1)計算得到相應的判斷矩陣，結果如式(4)-(8)所示。

準則層指標判斷矩陣:

(4)

人員消防素質狀況判斷矩陣:

(5)

消防設備設施狀況判斷矩陣:

(6)

建筑防火狀況判斷矩陣:

(7)

安全管理狀況判斷矩陣:

(8)

再根據(jù)式(2)-(3)計算檢驗，判斷矩陣CR均小于0.1?？傻玫礁鲗痈髦笜祟l度，見表3。

表3 層次總頻度

續(xù)表

由表3可知，公共建筑的消防從業(yè)人員職業(yè)資格和使用人員環(huán)境熟悉度的頻度最大，均占比9.31%，其次，人員火災安全意識頻度占比8.78%，安全出口的位置及數(shù)量頻度占比8.52%。計算結果與胡冬梅[14]的人員管理狀況存在較大改善空間的結論一致，說明該方法可以用于確定頻度，并具有較好的精度。

2 基于N-K模型的公共建筑火災風險耦合研究

2.1 公共建筑火災耦合風險類型

N-K模型中包括2個參數(shù)：N代表組成系統(tǒng)的因素個數(shù)，若系統(tǒng)中有N個因素，每個因素中有n個組元，則可能的組合共有nN種[15]。K代表網(wǎng)絡中相互關聯(lián)的關系個數(shù)，K最大值為N-1，最小值為0。依據(jù)以往公共建筑火災事故的實際情況將風險分為以下3類：

(1)單一因素耦合風險。指單一目標層因素下的準則層因素兩兩關聯(lián)導致事故發(fā)生。單一因素耦合風險共4類，分別為人員消防素質狀況A1、消防設備設施狀況A2、建筑防火狀況A3和安全管理狀況A4，記為T11(A1)、T12(A2)、T13(A3)和T14(A4)。

(2)雙重因素耦合風險。指任意兩個目標層因素下的所有準則層因素兩兩耦合導致事故發(fā)生。雙重因素耦合風險共6類，分別為人員—設備、人員—建筑、人員—管理、設備—建筑、設備—管理和建筑—管理，記為T21(A1,A2)、T22(A1,A3)、T23(A1,A4)、T24(A2,A3)、T25(A2,A4)、T26(A3,A4)。

(3)多重因素耦合風險。指三個或三個以上目標層因素下的所有準則層因素互相耦合關聯(lián)，最終導致事故發(fā)生。多重因素耦合風險共5類，分別為人員—設備—建筑、人員—設備—管理、人員—建筑—管理、設備—建筑—管理以及人員—設備—建筑—管理。三因素耦合風險分別記作T31(A1,A2,A3)、T32(A1,A2,A4)、T33(A1,A3,A4)、T34(A2,A3,A4)。四因素耦合風險記為T41(A1,A2,A3,A4)。

2.2 風險耦合交互信息計算

公共建筑火災的4類風險因素相互耦合，耦合次數(shù)的疊加可以看作是該耦合頻度的增長，而耦合數(shù)值越大，風險也就越大[16]。風險耦合交互信息的計算如式(9)：

(9)

其中w=0,1,…,W；x=0,1,…,X；y=0,1,…,Y；z=0,1,…,Z，分別代表人員—設備—建筑—管理四因素的狀態(tài)；Pwxyz代表人員—設備—建筑—管理四個因素分別在w，x，y，z狀態(tài)下發(fā)生耦合的頻度；T代表因素耦合風險值，要計算T值，首先要獲得每種風險耦合情況的頻度。設公共建筑火災事故中各因素均有兩種狀態(tài)，即未發(fā)生狀態(tài)和發(fā)生狀態(tài)，用0和1來表示，則公共建筑火災風險耦合共有16種不同情況，每種情況的出現(xiàn)次數(shù)按式(10)計算，可得耦合組合的次數(shù)，見表4。

(10)

其中m=1,2,…,M，代表耦合組合包含的目標層因素，即耦合因素；n=1,2,…,N，代表耦合組合包含的目標層因素中的準則因素。

根據(jù)表3中各因素層次總頻度，計算每種風險耦合情況的頻度。例如人員單一因素耦合情況，即‘1000’的頻度P1000=ε1·ε2+ε1·ε3+ε1·ε4+ε2·ε3+ε2·ε4+ε3·ε4=ε1(ε2+ε3+ε4)+ε2(ε3+ε4)+ε3·ε4=0.0887；人員—設備雙因素耦合情況，即‘1100’的頻度P1100=ε1·ε5+ε1·ε6+ε1·ε7+sε1·ε8+…+ε4·ε5+ε4·ε6+ε4·ε7+ε4·ε8=(ε1+ε2+ε3+ε4)(ε5+ε6+ε7+ε8)=0.1151，人員—設備—建筑三因素耦合情況‘1110’的頻度P1110=ε1·ε5·ε9+ε1·ε5·ε10+ε1·ε5·ε11+ε1·ε5·ε12+…+ε4·ε8·ε9+ε4·ε8·ε10+ε4·ε8·ε11+ε4·ε8·ε12=(ε1+ε2+ε3+ε4)(ε5+ε6+ε7+ε8)(ε9+ε10+ε11+ε12)=0.0253。同理可計算求得所有耦合情況的頻度。另外在實際事故統(tǒng)計時，風險耦合頻率等于每種耦合情況導致事故發(fā)生的次數(shù)與全部事故次數(shù)之比，頻率總和為1，因此將計算結果進行歸一化處理，計算如式(11)。最終計算結果，見表4。

(11)

表4 公共建筑火災事故風險耦合狀態(tài)及其頻度

(1)單一風險因素耦合分析。在不同情況下，單一因素耦合的頻度不同，根據(jù)式(9)可知，需計算Pw·Px·Py·Pz的數(shù)值。例如人員因素不參與風險耦合情況下的頻度P0…=P0000+P0100+P0010+P0001+P0110+P0011+P0111=0.3708，則人員因素參與風險耦合概率P1…=1-0.3708=0.6292。同理可計算出設備因素、建筑因素和管理因素分別不參與風險耦合和參與風險耦合情況的頻度。具體計算結果，見表5。

表5 單一風險因素耦合的頻度

(2)雙重風險因素耦合分析。雙重因素耦合的6種情況，每個雙重因素耦合中又有4種不同的變化情況，需要先計算Pwx，Pwy，Pwz，Pxy，Pxz，Pyz數(shù)值。例如人員因素與設備因素同時不參與耦合的情況的頻度：P00..=P0000+P0010+P0001+P0011=0.1923。具體計算結果，見表6。

(3)多重風險因素耦合分析。多重因素耦合的5種情況，需要先計算Pwxy，Pwxz，Pwyz，Pxyz，Pwxyz數(shù)值。例如人員因素、設備因素和建筑因素同時不參與耦合的情況的頻度：P000.=P0000+P0001=0.0480。具體計算結果，見表7。

表6 雙重風險因素耦合的頻度

利用表5-7的風險概率，代入式(9)計算可得雙重因素及多重因素耦合風險值：T21(A1,A2)=0.0291，T22(A1,A3)=0.0560，T23(A1,A4)=0.0662，T24(A2,A3)=0.0192，T25(A2,A4)=0.0223，T26(A3,A4)=0.0412，T31(A1,A2,A3)=0.1258，T32(A1,A2,A4)=0.1436，T33(A1,A3,A4)=0.2364，T34(A2,A3,A4)=0.0974，T4(A1,A2,A3,A4)=0.4208。

由計算結果可知各項耦合風險值的數(shù)值比較：T4>T33>T32>T31>T34>T23>T22>T26>T21>T25>T24。

表7 多重風險因素耦合的頻度

2.3 風險耦合結果分析

由計算結果比較可知，四因素耦合的風險大于三因素耦合的風險，三因素耦合風險大于雙因素耦合風險，符合實際客觀規(guī)律。在三因素風險耦合中，人員—建筑—管理因素耦合風險最大，設備—建筑—管理耦合風險最小。人員和管理兩個主觀因素完全耦合比不完全耦合的風險大。在耦合因素相同時，建筑因素比設備因素更易造成火災事故，人員因素比管理因素更易造成火災事故。在雙因素耦合風險中，人員—管理因素耦合風險最大，設備—建筑耦合風險最小，表明主觀因素耦合風險比客觀因素耦合風險大。

分析結果與李亞蘭[17]、李珊珊[18]等人研究結論一致，人員消防安全素質是公共建筑消防安全重要影響因素，證明了改進N-K模型模擬多因素耦合是可行的，其結論可信。

3 結論

(1)通過層次分析法對評價體系中的風險因素頻度進行計算，結果顯示：負責建筑物消防工作的人員職業(yè)資格和使用人員環(huán)境熟悉度的頻度最大，占比9.31%；其次，人員火災安全意識頻度占比8.78%，安全出口位置及數(shù)量占比8.52%。說明人員消防素質狀況在公共建筑火災風險的因素中最為重要。公共建筑內從事消防工作人員一定要經(jīng)過培訓，具有從業(yè)資質，另外管理人員應加大對場所內人員的消防宣傳與教育，提高全員防火意識。

(2)基于改進的N-K模型對公共建筑火災風險分析，結果顯示：耦合風險隨耦合因素的增加而增大，當四因素耦合，即全因素耦合時，風險最大；主觀因素(人員因素和管理因素)完全耦合比不完全耦合造成的風險大；在耦合因素相同時，建筑因素比設備因素更易造成火災事故，人員因素比管理因素更易造成火災事故；主觀因素(人員因素和管理因素)耦合風險比客觀因素(設備因素和建筑因素)耦合風險大。因此，避免多因素風險耦合，控制關鍵風險因素的獨立作用風險，是減小和控制公共建筑減小火災風險的重要途徑。

(3)改進后的N-K模型，通過層次分析法確定指標因素在公共建筑火災事故中的頻度，可以對樣本統(tǒng)計量不足的、無法確定準確事故率的系統(tǒng)風險進行定性分析，彌補了原模型的適用局限性。分析結果與現(xiàn)有研究基本相符，證明了該方法的科學有效性。此外，改進N-K模型可以應用于其他類型的風險分析中，具有廣泛應用價值。