高德君，戚張豪

(華東理工大學(xué)，上海 200237)

1 引言

消防人員主要職責(zé)是搶救災(zāi)害、救護(hù)工作以及為民服務(wù)等，同時(shí)也是這個(gè)世界上和人民關(guān)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(tuán)體，負(fù)責(zé)消除火災(zāi)以及救護(hù)的服務(wù)，并參與其它救援任務(wù)。一旦出現(xiàn)救援任務(wù)，消防救援人員往往存在極大的危險(xiǎn)，甚至是有可能失去生命。所以平時(shí)需要不斷的鍛煉特殊體能、心理素質(zhì)以及技能等自身?xiàng)l件，來(lái)適應(yīng)各種危險(xiǎn)、多變和復(fù)雜的場(chǎng)景，以最短的時(shí)間、最快的速度來(lái)實(shí)行救援活動(dòng)。為了測(cè)試平時(shí)的訓(xùn)練成果，需要通過(guò)虛擬演練的方式來(lái)進(jìn)行考核[1]。

虛擬演練的系統(tǒng)，包含兩種訓(xùn)練方式：預(yù)案訓(xùn)練模式以及突發(fā)事件的訓(xùn)練模式。其中預(yù)案訓(xùn)練模式是指對(duì)受訓(xùn)者按照一定的預(yù)案規(guī)定內(nèi)容，來(lái)各司其職，按照整個(gè)方案完整地執(zhí)行救援活動(dòng)；突發(fā)事件的訓(xùn)練，是指在訓(xùn)練的過(guò)程內(nèi)，通過(guò)系統(tǒng)操作人員進(jìn)行干預(yù)的操作，例如：突然改變風(fēng)向、設(shè)計(jì)一次爆炸等，來(lái)觀察救援人員對(duì)突發(fā)事件反應(yīng)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(gè)模塊：場(chǎng)景任務(wù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、角色訓(xùn)練模塊、訓(xùn)練控制模塊、記錄/編輯模塊以及考核模塊，每個(gè)模塊都有其自身的作用，但主要目的都是為了增強(qiáng)消防救援人員自身的技能，來(lái)降低消防救援時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)把控得當(dāng)，就能夠使危險(xiǎn)降至最低，追溯風(fēng)險(xiǎn)的本源，是風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)控?cái)?shù)值溯源分析仿真，通過(guò)模擬消防救援時(shí)所產(chǎn)生的火災(zāi)，分析所產(chǎn)生的煙塵，來(lái)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值控制進(jìn)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(guò)程中的安全狀態(tài)。

2 消防救援虛擬演練

2.1 煙塵模擬

為了真實(shí)有效地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)內(nèi)的煙塵模擬，把三維渲染與FDS數(shù)據(jù)結(jié)合，這兩者就能夠精確地對(duì)真實(shí)煙塵進(jìn)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(luò)，然后劃分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)時(shí)間，使其變成多個(gè)時(shí)間段，隨時(shí)可以得到時(shí)間段內(nèi)的每個(gè)網(wǎng)格煙塵密度。在對(duì)煙塵進(jìn)行模擬時(shí)，三維網(wǎng)格作為渲染元素，主要功能是在VR平臺(tái)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(jiàn)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(jiàn)度就越低。Ds表示對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)煙灰密度，Dsmax表示煙灰密度的最大值。在三維渲染的過(guò)程內(nèi)，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)不透明的網(wǎng)格值，都通過(guò)煙灰密度來(lái)完成動(dòng)態(tài)調(diào)整。利用此方法，能夠準(zhǔn)確地對(duì)動(dòng)態(tài)煙塵模擬，所演變的過(guò)程，可以在消防模擬演練的系統(tǒng)內(nèi)完成可視化[5]。

2.2 煙塵危害分析

煙塵的危害主要包含熱量以及毒性，毒性是許多氣體進(jìn)行綜合所用所導(dǎo)致的結(jié)果，在30min的暴露期間，能夠利用FED完成評(píng)估，評(píng)估結(jié)果通常會(huì)出現(xiàn)6種綜合毒性的氣體。

假設(shè)[Ci]表示30min時(shí)間內(nèi)暴露期間平均的空氣濃度值(%)，則表達(dá)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(kāi)始點(diǎn)以及結(jié)束點(diǎn)，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(yīng)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(huì)越強(qiáng)，而在[Ci]是1時(shí)，煙塵的毒性死亡率就會(huì)非常高[6]。

煙塵的熱危害含有輻射與對(duì)流，在暴露期間中，F(xiàn)ED熱量分?jǐn)?shù)的劑量能夠采用對(duì)流與輻射分?jǐn)?shù)和計(jì)算得到，具體公式為

(3)

式(3)中：Δt表示時(shí)間段間固定的時(shí)間間隔。tr表示輻射熱量所引起的失能時(shí)間(min)，tc表示對(duì)流熱量所引起失能時(shí)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(shí)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(yán)重，在Fh是1時(shí)，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(jī)制是不相同的，不過(guò)暴露的時(shí)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(píng)估結(jié)果[8]。

3 消防風(fēng)控溯源分析

3.1 確定指標(biāo)權(quán)重

3.1.1 主要成分指標(biāo)的客觀權(quán)重

1)基本原理

主要成分分析內(nèi)，把隨機(jī)向量X=(x1，x2，…，xm)T經(jīng)過(guò)正交變換來(lái)轉(zhuǎn)換成新的隨機(jī)變量U=(u1，u2，…，um)T，致使指向m個(gè)正交的方向，而主要成分yi方差λi完整刻畫yi的反映目標(biāo)X能力，這說(shuō)明方差越大，則指標(biāo)的貢獻(xiàn)就越大[9]。

2)權(quán)重模型構(gòu)建

如果指標(biāo)數(shù)量是m個(gè)，那么現(xiàn)在依據(jù)資料獲取k個(gè)指標(biāo)n組數(shù)據(jù)，就是n個(gè)樣本。具體初級(jí)權(quán)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(gè)主要指標(biāo)，umn表示樣本矩陣內(nèi)系數(shù)。

以此作為基礎(chǔ)，所構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)函數(shù)公式為

κ=λ1+λ2+…+λm

(7)

式(7)中：a1，a2，…，am，就是指標(biāo)w1，w2，…，wm經(jīng)過(guò)主要成分所分析的重要程度。

U=(u1，u2，…，um)T

(8)

3)步驟計(jì)算

第一步：選取n個(gè)樣本，來(lái)對(duì)樣本m個(gè)指標(biāo)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(gè)指標(biāo)值。

第三步：將Y完成標(biāo)準(zhǔn)變換，獲取標(biāo)準(zhǔn)化的矩陣，具體公式為

(10)

4)對(duì)矩陣Z相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即

(11)

5)將|R-λIm|=0特征值進(jìn)行求取，即能夠得出m個(gè)特指值λ1≥λ2≥…≥λm≥0。

3.1.2 確定群體層次的指標(biāo)主觀權(quán)重

經(jīng)過(guò)群體層次的分析方法，來(lái)確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)主觀的權(quán)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(quán)重標(biāo)度來(lái)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)完成重要度的標(biāo)識(shí)，能夠得出專家對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的判斷。具體AHP(Analytic Hierarchy Process，層次分析法)法指標(biāo)權(quán)重[11]，如表1所示。

表1 指標(biāo)權(quán)重的標(biāo)度

經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)回歸來(lái)確認(rèn)風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)權(quán)重，其主要的思想就是來(lái)判斷矩陣對(duì)數(shù)的誤差平方和最小。即公式為

(12)

(13)

(14)

(15)

通過(guò)對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)溯源分析，來(lái)追尋風(fēng)控總源頭，從根本上分析火災(zāi)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(xiǎn)事故[12]。

3.2 風(fēng)控溯源指標(biāo)體系

風(fēng)控溯源指標(biāo)，可以全面反映虛擬煙塵模擬的特點(diǎn)，構(gòu)建指標(biāo)要從全局的角度進(jìn)行出發(fā)，系統(tǒng)分析風(fēng)險(xiǎn)根本因素，以此構(gòu)建健全的完整體系指標(biāo)。構(gòu)建的體系指標(biāo)要以服務(wù)消防風(fēng)險(xiǎn)來(lái)作為評(píng)估目地，溯源指標(biāo)就是消防工作以及風(fēng)險(xiǎn)提煉和總結(jié)，而指標(biāo)的合理性，也決定消防風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)精確性，假如指標(biāo)的敘述出現(xiàn)歧義或者是不精確，那么就會(huì)造成風(fēng)控管理人員意見(jiàn)出現(xiàn)不一致情況，致使風(fēng)控的評(píng)估出現(xiàn)偏移甚至是違背實(shí)際情況，由此說(shuō)明，精確簡(jiǎn)單的風(fēng)控指標(biāo)，能夠使風(fēng)控管理人員便于操作以及把握，使其意見(jiàn)統(tǒng)一，集中對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行把控。

4 仿真分析

構(gòu)建三維虛擬空間時(shí)，要支持網(wǎng)絡(luò)化虛擬協(xié)同消防救援和多模式演練消防救援平臺(tái)，通過(guò)以上標(biāo)準(zhǔn)評(píng)論模型，來(lái)評(píng)價(jià)虛擬消防演練，以此獲取客觀、精準(zhǔn)以及較為全面的結(jié)果。

4.1 權(quán)重向量計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)際演練進(jìn)行分析，利用溯源分析法，精確了評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值，構(gòu)建判斷矩陣，具體矩陣公式如下所示

(16)

當(dāng)獲得評(píng)價(jià)指標(biāo)第一層的判斷矩陣以后，因求權(quán)重的特征向量和，所計(jì)算出的最大特征根值以及近似特征向量，經(jīng)過(guò)一致的檢驗(yàn)以后，主觀的估計(jì)權(quán)重是

W0=(0.106，0260，0634)

(17)

4.2 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)

虛擬消防救援的演練標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，可以分成3個(gè)層次，20多個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)集。通常為較差、差、一般、良好、優(yōu)秀，5個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。而評(píng)價(jià)指標(biāo)集為U={C1i，C2j，C3j}(i=1，2，3，4；j=1，…，8)，等級(jí)集V={優(yōu)秀，良好，好，一般，差，較差}。根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，同時(shí)考慮未來(lái)發(fā)展的情況，與專家的評(píng)分指標(biāo)進(jìn)行結(jié)合，來(lái)確認(rèn)定量和定性的評(píng)價(jià)隸屬度。

在經(jīng)過(guò)公司、醫(yī)院以及學(xué)校等許多不同的單位，完成100次虛擬消防救援的演練。通過(guò)收集演練所獲得的數(shù)據(jù)，來(lái)分析指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

根據(jù)加權(quán)算法均勻規(guī)則，來(lái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)的向量進(jìn)行歸一化，并且依據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)表(如表2所示)進(jìn)行對(duì)比。

表2 等級(jí)分?jǐn)?shù)表

通過(guò)表2來(lái)觀察虛擬演練的情況，演練結(jié)果具體如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)演練結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述實(shí)驗(yàn)計(jì)算證明：根據(jù)演練平臺(tái)B1的角度進(jìn)行觀察，該次模擬的火災(zāi)模型以及演練場(chǎng)景都非常合理。而從消防部門來(lái)評(píng)價(jià)B2進(jìn)行觀察時(shí)，這一次實(shí)際演練水平一般，在某些方面有所欠缺，要加強(qiáng)實(shí)際指導(dǎo)以及現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)督，當(dāng)從企事業(yè)的單位演練結(jié)果B3觀察，這次演練的成績(jī)一般，以此說(shuō)明日常的訓(xùn)練有所不足，所以平時(shí)要加強(qiáng)鍛煉。最后從評(píng)價(jià)A進(jìn)行觀察時(shí)，該次演練評(píng)價(jià)結(jié)果是一般等級(jí)，所以消防救援的演練平臺(tái)，還需要繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)消防管理部門還要加強(qiáng)監(jiān)督，演練單位還要加強(qiáng)對(duì)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。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文方法通過(guò)模擬演練，能夠很好地對(duì)消防救援人員風(fēng)控?cái)?shù)值進(jìn)行觀察，以此來(lái)追尋風(fēng)控的本源。通過(guò)源頭分析風(fēng)險(xiǎn)，降低火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)有可能出現(xiàn)的突發(fā)情況，以此保證救援人員安全。未來(lái)發(fā)展的方向在于需要模擬更多的災(zāi)害、場(chǎng)景以及突發(fā)事件，從平時(shí)的虛擬演練中，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)的本源，進(jìn)行清除。