李芊 孫嘉寧

(西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055)

0 引言

高層建筑可以有效緩解城鎮(zhèn)人口的空間壓力，但其復(fù)雜性增大了消防安全評價難度。目前主要應(yīng)用多指標(biāo)評估方法評價既有高層住宅消防安全，部分學(xué)者對此進(jìn)行了研究：王其磊、夏春艷等[1-2]提出使用改進(jìn)模糊層次析法和灰色聚類評價法分析高層建筑消防安全；賈進(jìn)章、李世玉等[3-4]使用網(wǎng)絡(luò)層次分析-灰色聚類法和灰色模糊層次法對高層建筑的火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行評價；王粟[5]基于灰關(guān)聯(lián)度分析中的灰色信息的概念分析火災(zāi)風(fēng)險大小，并構(gòu)建風(fēng)險評價模型；曾夢等[6]基于突變理論建立綜合評價模型；閆莉、楊陽[7-8]分別提出改進(jìn)ICUOWGA算子和基于Shapley-ICUOWGA算子的高層建筑火災(zāi)安全評價方法；沈存莉、牛發(fā)陽等[9-10]提出利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建評價模型；楊世全等[11]使用故障樹與貝葉斯相結(jié)合的方法對高層住宅火災(zāi)發(fā)生的概率進(jìn)行評估；王夢姚等[12]基于消防安全韌度的角度對高層建筑的消防安全進(jìn)行評估；辛晶[13]將評價指標(biāo)體系均轉(zhuǎn)化為云集，以解決評估模糊性的問題。

現(xiàn)有評估方法的評價結(jié)果普遍具有隨機性和不確定性，雖然通過引入云模型能在一定程度上克服評估的模糊性和隨機性，但對于消防安全評價指標(biāo)中主觀性評價指標(biāo)的量化，主客觀評價指標(biāo)的賦權(quán)仍存在一定缺陷。因此，目前的評價方法較難應(yīng)用于既有高層住宅日常的消防安全評價。

本文基于模糊綜合評價方法，引入云模型理論建立評價模型，從一定程度上解決衡量評價指標(biāo)的不確定性的問題，使對高層住宅的消防安全評價更符合客觀規(guī)律；通過模糊語言對各評價指標(biāo)進(jìn)行描述，根據(jù)模糊集理論，采用三角模糊數(shù)，結(jié)合專家評價實現(xiàn)定性概念與定量數(shù)值之間的轉(zhuǎn)化，并采用主客觀賦權(quán)相結(jié)合的方式改進(jìn)指標(biāo)賦權(quán)，以確保指標(biāo)賦權(quán)時刻適應(yīng)指標(biāo)評價的實際情況，可有效解決主客觀評價均衡問題，更加科學(xué)地確定評價體系中各指標(biāo)的權(quán)重；通過云圖將既有高層住宅消防安全狀態(tài)指標(biāo)的評價狀況進(jìn)行可視化展示，為既有高層住宅火災(zāi)事故防控提供參考。

1 模型介紹

1.1 組合權(quán)重

為進(jìn)一步客服觀賦權(quán)和客觀賦權(quán)方法存在的局限性，本文以主客觀結(jié)合的方式確定指標(biāo)權(quán)重，從而提升確定指標(biāo)權(quán)重的科學(xué)性。

1.1.1 G1法確定主觀權(quán)重

G1法又稱序關(guān)系分析法[14]，是一種確定指標(biāo)權(quán)重的主觀賦權(quán)法。既有高層建筑消防安全評價指標(biāo)體系的指標(biāo)數(shù)量比較少，且有一定邏輯相關(guān)聯(lián)系性，故采用G1法通過專家評價對指標(biāo)影響評價結(jié)果的重要性進(jìn)行排序，區(qū)分指標(biāo)的重要程度，并確定權(quán)重。假設(shè)指標(biāo)(M1,M2,…,Mn) 之間確立了對評估對象影響程度由大到小的排序關(guān)系，即M1>M2>…>Mn，通過專家理性判斷評價指標(biāo)Ms-1與Ms對于評估對象的重要程度，得出重要程度之比，如下

Ms-1÷Ms=ws(s=n,n-1,…,3,2)

(1)

其中，ws賦值見表1。

表1 ws賦值表

通過以上步驟求出指標(biāo)的主觀權(quán)重，公式如下

(2)

Ms-1=wsMs(s=n,n-1,…,3,2)

(3)

1.1.2 改進(jìn)CRITIC權(quán)重法確定客觀權(quán)重

CRITIC權(quán)重法是一種客觀賦權(quán)法[14]，是以指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差以及相關(guān)系數(shù)分別體現(xiàn)指標(biāo)之間的對比強度以及沖突性。由于標(biāo)準(zhǔn)差對于指標(biāo)之間的量綱、數(shù)量級的體現(xiàn)具有局限性，本文采取變異系數(shù)改進(jìn)CRITIC法的方法進(jìn)行客觀權(quán)重的確定。采用改進(jìn)CRITIC法對其進(jìn)行評價，能夠減少專家主觀因素對評價結(jié)果的影響。

根據(jù)專家評價建立原始評估矩陣，如下

A=(aij)m×n

(4)

式中，aij表示第i個專家評價的第j個指標(biāo)取值。

將評估矩陣A轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣得到相關(guān)系數(shù)，組成相關(guān)系數(shù)矩陣R

(5)

R=(rkl)n×n(k=1,2,…,n;l=1,2,…,n)

(6)

(7)

(8)

(9)

通過變異系數(shù)求各指標(biāo)獨立程度的量化系數(shù)ωj、綜合性系數(shù)λj，如下

(10)

(11)

確定各指標(biāo)權(quán)重，如下

(12)

1.1.3 綜合權(quán)重的計算

根據(jù)上述G1法與改進(jìn)CRITIC的方法得出指標(biāo)的主客觀權(quán)重，通過主客觀權(quán)重賦權(quán)相結(jié)合的方式得出綜合權(quán)重[14]，如下

(13)

1.2 云模型

云模型是一種將模糊的概念轉(zhuǎn)化為具體化的變化模型。云是一個整體的概念，云滴的整體情況反映模型的隸屬度、模糊性等概念。云模型中三個重要的數(shù)字特征分別是期望Ex、熵En和超熵He[15]。Ex最能代表定性概念的點；En反映定性概念的概率和模糊度；He是熵的熵，表示云的厚度越大，隸屬度的離散程度越大。

云模型一般通過“逆向云反應(yīng)器”的計算原理計算，經(jīng)過云模擬建立出各層次的隸屬函數(shù)，并計算出各層次下的云模型參數(shù)。

計算各層次隸屬云的期望，如下

(14)

計算各層次指標(biāo)隸屬云的熵En，如下

(15)

計算各層次指標(biāo)隸屬云的超熵He，如下

(16)

通過“正向云反應(yīng)器”將計算出的各層次下的云模型參數(shù)代入生成云滴，并利用云圖進(jìn)行可視化展現(xiàn)，如圖1所示。

1.3 基于組合賦權(quán)-云模型的模糊綜合評價

模糊綜合評價法是將模糊概念進(jìn)行抽象轉(zhuǎn)化，得出一個客觀的評價。在數(shù)量較多指標(biāo)的情況下，需要得到模糊評估模型評估過程中各指標(biāo)的模糊評估陣[16]，并制定各個所需指標(biāo)的重要性系數(shù)，根據(jù)上述計算得到指標(biāo)權(quán)重向量Q與評價矩陣R，進(jìn)行計算后得到最終的評價結(jié)果。

同時，本文通過組合賦權(quán)的方式降低在確定指標(biāo)權(quán)重向量時的主觀性，提高指標(biāo)權(quán)重的科學(xué)性和合理性。

模糊綜合評價法可以解決評價中的非確定性問題，但忽視了評價中的隨機性，而云模型可以很好地反映評價中的隨機性和模糊性，降低定性問題的主觀性，使評價結(jié)果更具合理性和有效性。

模型建立具體步驟如下：

步驟1：建立指標(biāo)體系。確定指標(biāo)體系的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層。

步驟2：邀請專家對各指標(biāo)進(jìn)行排序、打分。根據(jù)式(1)～式(12)，分別確定主、客觀權(quán)重，通過式(13)將主客觀權(quán)重進(jìn)行組合得到各指標(biāo)的組合權(quán)重。

步驟3：確定各層次指標(biāo)云模型參數(shù)。將云模型中三個參數(shù)引入來替代原先綜合評價過程之中的模糊評估陣，通過“逆向云反應(yīng)器”式(14)～式(16)計算得到各指標(biāo)的三個云參數(shù)，由此計算相應(yīng)的各個所需指標(biāo)的重要性系數(shù)，即指標(biāo)重要性矩陣Q′

(17)

需要注意的是，每個指標(biāo)的重要性系數(shù)都存在其相應(yīng)的模糊程度以及不確定性，與這兩個變量控制了模型變化的范圍，而這個參數(shù)衡量了模型因人為原因產(chǎn)生的不確定性。

步驟4：同步驟3，通過專家對各指標(biāo)進(jìn)行評價，建立隸屬度評價矩陣R′

(18)

步驟5：通過步驟3、步驟4得到的指標(biāo)權(quán)重矩陣和評價矩陣，根據(jù)云算法得到計算結(jié)果

(19)

2 實例分析

2.1 工程背景

某高層住宅建筑，總建筑面積13 439.59m2，地上建筑面積13 203.17m2，建筑高度97.95m，建筑層數(shù)33層，層高2.9m，剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑耐火等級為一級。該棟建筑共兩個單元，每個單元97戶，共194戶。2021年完成驗收并投入使用。

2.2 指標(biāo)體系的建立

對高層住宅消防安全程度進(jìn)行評價，結(jié)合文獻(xiàn)查詢以及以往經(jīng)驗，考慮建筑本身的主動防火[17]能力、被動防火能力以及管理人員的管理能力，確定21個高層住宅消防安全評價因素，3個公因子分別命名為被動防火、主動防火、管理能力3個指標(biāo)。為了分析以及量化這21個消防安全評價因素，采用李克特五點量表法進(jìn)行度量。本次問卷調(diào)查對象是高層住宅的居住者，共發(fā)放問卷400份，回收308份。其中，有效問卷有277份，無效問卷31份，有效問卷的回收率為89.9%，滿足統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析的要求。

通過SPSS 25.0軟件對問卷樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由Cronbach信度分析結(jié)果可知，內(nèi)部一致性α系數(shù)為0.885，通過信度檢驗。KMO值為0.889，說明數(shù)據(jù)效度很好；P值為0.000，效度分析通過了Bartlett檢驗。綜合上述，此問卷設(shè)計較合理，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，安全評價因素相關(guān)性程度較高，故可以進(jìn)行因子分析進(jìn)行降維處理。同時，將載荷系數(shù)值大于0.85的因子作為關(guān)鍵安全評價因素，見表2。

表2 因子載荷系數(shù)

將上文最終確定的14個評價指標(biāo)作為既有高層住宅消防安全評價體系的評價指標(biāo)，具體如圖2所示。

2.3 指標(biāo)量化

在既有高層建筑消防安全評價中，許多指標(biāo)的評價很難通過客觀精確的數(shù)字進(jìn)行表達(dá)。為減少專家主觀性對評價結(jié)果的影響，考慮事物的不確定性與復(fù)雜性，利用三角模糊數(shù)對評價模糊語言信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化[18]。公式如下

(20)

本文采用5級語言進(jìn)行評價，通過上述三角模糊數(shù)計算公式對其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化結(jié)果見表3。

表3 指標(biāo)量化區(qū)間示意表

2.4 權(quán)重的確定

制作調(diào)查問卷，將專家的評價根據(jù)式(20)和表4的方法進(jìn)行量化轉(zhuǎn)化。根據(jù)三角模糊數(shù)的定義，每個三角模糊數(shù)對應(yīng)一個非模糊數(shù)，將專家的評價定義為三角模糊數(shù)，則其對應(yīng)的非模糊數(shù)為

根據(jù)式(21)得到評價隸屬度矩陣。通過步驟1～3得到各指標(biāo)權(quán)重的云特征值，見表4。

表4 某高層住宅消防安全評價指標(biāo)權(quán)重云特征值表

2.5 確定標(biāo)準(zhǔn)云

根據(jù)既有高層建筑安全性的評價規(guī)范，將安全性等級分為5類：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ。其中，Ⅰ類代表安全狀況好；Ⅱ類代表安全狀況良好；III類代表安全狀況適中；Ⅳ類代表安全狀況較差；Ⅴ類代表安全狀況很差。

由于對既有高層建筑安全性的研究具有一定的模糊性，使得分?jǐn)?shù)區(qū)間不可避免地會出現(xiàn)相互交疊的現(xiàn)象，歸一化后的評價集D=(d1，d2，d3，d4，d5)，見表5。

表5 分?jǐn)?shù)區(qū)間示意表

通過模糊算法計算出的結(jié)果，需要轉(zhuǎn)化為云模型的相關(guān)性系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[19]的計算規(guī)則

(22)

為了避免離散程度太大，令K=0.2，計算結(jié)果如下

dⅠ=(0.925，0.025，0.002)

dⅡ=(0.825，0.025，0.002)

dⅢ=(0.725，0.025，0.002)

dⅣ=(0.60，0.017，0.002)

dⅤ=(0.275，0.092，0.002)

由此，繪制標(biāo)準(zhǔn)云分布圖，如圖3所示。

通過步驟4對該高層建筑消防安全各項指標(biāo)進(jìn)行計算，求得相對應(yīng)的云參數(shù)，該參數(shù)即為既有高層建筑消防安全性的期望、超熵以及熵，具體見表6。

表6 某高層住宅消防安全評價云特征值表

2.6 結(jié)果分析

根據(jù)步驟5計算得出最終的評價結(jié)果，見表7。

表7 某高層住宅消防安全評價云結(jié)果

通過計算評價云與各等級標(biāo)準(zhǔn)云的相似度，確定各評價云的安全等級，相似度越大安全等級越接近。計算公式如下[19]

(23)

式中，μ為評價云與標(biāo)準(zhǔn)云的相似度；x為評價云的云滴；Ex與En為標(biāo)準(zhǔn)云的云系數(shù)。重復(fù)式(23)，即可得到評價云與標(biāo)準(zhǔn)云的相似度。且通過模糊綜合評價法與云模型評價法得到相應(yīng)評價結(jié)果，具體評價結(jié)果見表8。

從圖4～圖6可以看出，該高層住宅的主動防火、被動防火、消防管理的安全等級均介于II類與III類之間。通過計算相似度可知，主動防火與消防管理更偏向于III類，相似度分別為0.433、0.282；被動防火更偏向于II類，相似度為0.522；但被動防火與消防管理兩項指標(biāo)安全云的En與He分別為0.029、0.057，0.024、0.046，表明該高層住宅被動防火與消防管理的安全狀況隨機性較大，即該層出現(xiàn)向良好與風(fēng)險方向變化的可能性相對較大，同時安全云的云滴相對離散、云層相對較厚，表明評價結(jié)果的波動性相對較大。綜上，為了持續(xù)保證該高層住宅的消防安全，可以采取相應(yīng)的管理措施。

由圖7可以看出，該高層住宅的綜合消防安全等級介于II類與III類之間，更偏向于III類，相似度為0.26；消防安全云的Ex=0.774，表明該高層住宅的消防安全綜合狀態(tài)處于良好和較好之間；安全云的En與He分別為0.041與0.033，表明該高層住宅消防狀況的隨機性較大，即該層出現(xiàn)向良好與風(fēng)險方向變化的可能性相對較大。同時，該高層住宅綜合消防安全云的云滴相對離散、云層相對較厚，表明評價的結(jié)果的波動性相對較大。綜合上述分析，為了持續(xù)保證該高層住宅的消防安全，可以采取的措施為：提供主動防火的相應(yīng)措施，配備完善消防設(shè)施，檢查安全出口指示清晰度，提高報警器敏感度；重點加強被動防火與消防管理，重點提高居民住宅的防火意識，包括對組織對防火規(guī)范、器械、自救逃生學(xué)習(xí)、對日?；馂?zāi)隱患的巡檢，以及對重點火災(zāi)隱患區(qū)域的警示公告。在消防管理方面，應(yīng)貫徹制度落實，重視消防安全文化宣傳，組織相應(yīng)的火災(zāi)演習(xí)，做好火災(zāi)隱患的巡檢工作。

表8 某高層住宅消防安全評價結(jié)果

3 結(jié)語

(1)通過引入云模型，克服以往模糊分析過程中無法考慮模糊度和隨機性的問題。以模糊語言的轉(zhuǎn)化以及組合權(quán)重賦權(quán)的方法使主觀指標(biāo)的量化、指標(biāo)權(quán)重的獲取更具科學(xué)性，云模型3個參數(shù)的設(shè)立能夠綜合考慮高層住宅火災(zāi)安全的隨機程度和模糊度的大小，使評價結(jié)果具體、精確。

(2)通過對比實例中某高層住宅消防安全評價結(jié)果與模糊綜合評價結(jié)果可知，本文的評價方法在既有高層消防安全評價領(lǐng)域具有實用性。

(3)本文在構(gòu)建評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，主要采用文獻(xiàn)分析的方法，在確立的指標(biāo)體系中均采用定性指標(biāo)。今后，可以通過添加相關(guān)定量指標(biāo)，提高評價指標(biāo)體系的科學(xué)、完整性。