高德君,戚張豪
(華東理工大學,上海 200237)
消防人員主要職責是搶救災害、救護工作以及為民服務等,同時也是這個世界上和人民關系最為緊密的高危職業(yè)之一。消防人員是政府成立的救火救人團體,負責消除火災以及救護的服務,并參與其它救援任務。一旦出現(xiàn)救援任務,消防救援人員往往存在極大的危險,甚至是有可能失去生命。所以平時需要不斷的鍛煉特殊體能、心理素質(zhì)以及技能等自身條件,來適應各種危險、多變和復雜的場景,以最短的時間、最快的速度來實行救援活動。為了測試平時的訓練成果,需要通過虛擬演練的方式來進行考核[1]。
虛擬演練的系統(tǒng),包含兩種訓練方式:預案訓練模式以及突發(fā)事件的訓練模式。其中預案訓練模式是指對受訓者按照一定的預案規(guī)定內(nèi)容,來各司其職,按照整個方案完整地執(zhí)行救援活動;突發(fā)事件的訓練,是指在訓練的過程內(nèi),通過系統(tǒng)操作人員進行干預的操作,例如:突然改變風向、設計一次爆炸等,來觀察救援人員對突發(fā)事件反應以及指揮能力的表現(xiàn)[2]。虛擬演練的子系統(tǒng)主要包含6個模塊:場景任務設置模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、角色訓練模塊、訓練控制模塊、記錄/編輯模塊以及考核模塊,每個模塊都有其自身的作用,但主要目的都是為了增強消防救援人員自身的技能,來降低消防救援時的風險。對風險把控得當,就能夠使危險降至最低,追溯風險的本源,是風險把控的最有效辦法[3]。為此本文提出一種消防救援虛擬演練風控數(shù)值溯源分析仿真,通過模擬消防救援時所產(chǎn)生的火災,分析所產(chǎn)生的煙塵,來對風險數(shù)值控制進行調(diào)整降低,最大程度分析各類因素,保證消防人員在救援的過程中的安全狀態(tài)。
為了真實有效地對現(xiàn)場火災內(nèi)的煙塵模擬,把三維渲染與FDS數(shù)據(jù)結合,這兩者就能夠精確地對真實煙塵進行模擬[4]。
其中FDS數(shù)據(jù)把單位空間劃分成熱物性質(zhì)的小體積網(wǎng)絡,然后劃分數(shù)據(jù)內(nèi)時間,使其變成多個時間段,隨時可以得到時間段內(nèi)的每個網(wǎng)格煙塵密度。在對煙塵進行模擬時,三維網(wǎng)格作為渲染元素,主要功能是在VR平臺內(nèi),遵循FDS數(shù)據(jù)網(wǎng)格的創(chuàng)建,而體素中不透明度的數(shù)值,能夠在歸一化網(wǎng)格內(nèi)獲取煙灰密度,可以代表煙塵所引起的低能見度。具體歸一化的公式如下
(1)
式(1)中:a表示歸一化單位區(qū)域內(nèi)煙灰密度值,具體范圍是0~1之間,而值越大透明狀態(tài)就越低,因此能見度就越低。Ds表示對應網(wǎng)絡煙灰密度,Dsmax表示煙灰密度的最大值。在三維渲染的過程內(nèi),每個時間段內(nèi)不透明的網(wǎng)格值,都通過煙灰密度來完成動態(tài)調(diào)整。利用此方法,能夠準確地對動態(tài)煙塵模擬,所演變的過程,可以在消防模擬演練的系統(tǒng)內(nèi)完成可視化[5]。
煙塵的危害主要包含熱量以及毒性,毒性是許多氣體進行綜合所用所導致的結果,在30min的暴露期間,能夠利用FED完成評估,評估結果通常會出現(xiàn)6種綜合毒性的氣體。
假設[Ci]表示30min時間內(nèi)暴露期間平均的空氣濃度值(%),則表達式為
(2)
式(2)中:(x,y,z,t)表示第i種氣體空氣濃度的函數(shù)。其中變量c和d分別表示路經(jīng)開始點以及結束點,全部空氣濃度都能夠利用FDS數(shù)據(jù)獲取。dt表示CO與CO2聯(lián)合毒性的效應因子。而在暴露30min以后,能夠引起單位區(qū)域內(nèi)50%生物死亡氣體,其中[Ci]值越高,煙塵的毒性就會越強,而在[Ci]是1時,煙塵的毒性死亡率就會非常高[6]。
煙塵的熱危害含有輻射與對流,在暴露期間中,F(xiàn)ED熱量分數(shù)的劑量能夠采用對流與輻射分數(shù)和計算得到,具體公式為
(3)
式(3)中:Δt表示時間段間固定的時間間隔。tr表示輻射熱量所引起的失能時間(min),tc表示對流熱量所引起失能時間(min),而溫度T能夠從FDS的仿真內(nèi)獲取,具體公式為:
(4)
輻射熱量所引起的失能時間tr(min),具體輻射q能夠從FDS內(nèi)獲取,具體公式為
(5)
而Fh越高,則熱危害就越嚴重,在Fh是1時,那么煙塵的熱量能夠致命[7]。
煙塵的熱量以及毒性造成的傷害機制是不相同的,不過暴露的時間都能夠致命,所以取[Ci]與Fh二者最大值作為煙塵危害的最終評估結果[8]。
3.1.1 主要成分指標的客觀權重
1)基本原理
主要成分分析內(nèi),把隨機向量X=(x1,x2,…,xm)T經(jīng)過正交變換來轉(zhuǎn)換成新的隨機變量U=(u1,u2,…,um)T,致使指向m個正交的方向,而主要成分yi方差λi完整刻畫yi的反映目標X能力,這說明方差越大,則指標的貢獻就越大[9]。
2)權重模型構建
如果指標數(shù)量是m個,那么現(xiàn)在依據(jù)資料獲取k個指標n組數(shù)據(jù),就是n個樣本。具體初級權重的模型公式為
(6)
式(6)中:F1,F(xiàn)2,…,F(xiàn)n表示分析之后獲取的m個主要指標,umn表示樣本矩陣內(nèi)系數(shù)。
以此作為基礎,所構建的綜合評價函數(shù)公式為
κ=λ1+λ2+…+λm
(7)
式(7)中:a1,a2,…,am,就是指標w1,w2,…,wm經(jīng)過主要成分所分析的重要程度。
U=(u1,u2,…,um)T
(8)
3)步驟計算
第一步:選取n個樣本,來對樣本m個指標完成分析,即可得出樣本矩陣,具體如下所示
(9)
式(9)中:xnm表示第n組的樣本數(shù)據(jù)內(nèi)第m個指標值。
第三步:將Y完成標準變換,獲取標準化的矩陣,具體公式為
(10)
4)對矩陣Z相關系數(shù)進行計算,即
(11)
5)將|R-λIm|=0特征值進行求取,即能夠得出m個特指值λ1≥λ2≥…≥λm≥0。
3.1.2 確定群體層次的指標主觀權重
經(jīng)過群體層次的分析方法,來確認風險指標主觀的權重,而所謂群體的層次分析方法,就是許多專家依據(jù)給定權重標度來對風險指標完成重要度的標識,能夠得出專家對于風險矩陣的判斷。具體AHP(Analytic Hierarchy Process,層次分析法)法指標權重[11],如表1所示。
表1 指標權重的標度
經(jīng)過對數(shù)回歸來確認風險的指標權重,其主要的思想就是來判斷矩陣對數(shù)的誤差平方和最小。即公式為
(12)
(13)
(14)
(15)
通過對這些風險溯源分析,來追尋風控總源頭,從根本上分析火災救援中所面臨危害的根源,可降低甚至清除可能出現(xiàn)危險事故[12]。
風控溯源指標,可以全面反映虛擬煙塵模擬的特點,構建指標要從全局的角度進行出發(fā),系統(tǒng)分析風險根本因素,以此構建健全的完整體系指標。構建的體系指標要以服務消防風險來作為評估目地,溯源指標就是消防工作以及風險提煉和總結,而指標的合理性,也決定消防風險的評精確性,假如指標的敘述出現(xiàn)歧義或者是不精確,那么就會造成風控管理人員意見出現(xiàn)不一致情況,致使風控的評估出現(xiàn)偏移甚至是違背實際情況,由此說明,精確簡單的風控指標,能夠使風控管理人員便于操作以及把握,使其意見統(tǒng)一,集中對關鍵風險進行把控。
構建三維虛擬空間時,要支持網(wǎng)絡化虛擬協(xié)同消防救援和多模式演練消防救援平臺,通過以上標準評論模型,來評價虛擬消防演練,以此獲取客觀、精準以及較為全面的結果。
經(jīng)過對企事業(yè)單位、消防安全的專家以及消防管理用戶的調(diào)研,在對實驗數(shù)據(jù)以及實際演練進行分析,利用溯源分析法,精確了評價指標的取值,構建判斷矩陣,具體矩陣公式如下所示
(16)
當獲得評價指標第一層的判斷矩陣以后,因求權重的特征向量和,所計算出的最大特征根值以及近似特征向量,經(jīng)過一致的檢驗以后,主觀的估計權重是
W0=(0.106,0260,0634)
(17)
虛擬消防救援的演練標準評價,可以分成3個層次,20多個評價標準,構成評價指標集。通常為較差、差、一般、良好、優(yōu)秀,5個等級標準。而評價指標集為U={C1i,C2j,C3j}(i=1,2,3,4;j=1,…,8),等級集V={優(yōu)秀,良好,好,一般,差,較差}。根據(jù)現(xiàn)實情況,同時考慮未來發(fā)展的情況,與專家的評分指標進行結合,來確認定量和定性的評價隸屬度。
在經(jīng)過公司、醫(yī)院以及學校等許多不同的單位,完成100次虛擬消防救援的演練。通過收集演練所獲得的數(shù)據(jù),來分析指標的評價結果。
根據(jù)加權算法均勻規(guī)則,來對標準評價的向量進行歸一化,并且依據(jù)評價等級表(如表2所示)進行對比。
表2 等級分數(shù)表
通過表2來觀察虛擬演練的情況,演練結果具體如表3所示。
表3 標準評價演練結果
經(jīng)過上述實驗計算證明:根據(jù)演練平臺B1的角度進行觀察,該次模擬的火災模型以及演練場景都非常合理。而從消防部門來評價B2進行觀察時,這一次實際演練水平一般,在某些方面有所欠缺,要加強實際指導以及現(xiàn)場進行監(jiān)督,當從企事業(yè)的單位演練結果B3觀察,這次演練的成績一般,以此說明日常的訓練有所不足,所以平時要加強鍛煉。最后從評價A進行觀察時,該次演練評價結果是一般等級,所以消防救援的演練平臺,還需要繼續(xù)優(yōu)化改進,同時消防管理部門還要加強監(jiān)督,演練單位還要加強對于薄弱環(huán)節(jié)的鍛煉,考慮到有可能出現(xiàn)的突發(fā)情況,在源頭就避免出現(xiàn)可能造成危害的狀況。
本文方法通過模擬演練,能夠很好地對消防救援人員風控數(shù)值進行觀察,以此來追尋風控的本源。通過源頭分析風險,降低火災現(xiàn)場有可能出現(xiàn)的突發(fā)情況,以此保證救援人員安全。未來發(fā)展的方向在于需要模擬更多的災害、場景以及突發(fā)事件,從平時的虛擬演練中,發(fā)現(xiàn)危險的本源,進行清除。