蔡志勇，呂 惠，周 睿，裴 沛

(1.中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司，廣東 珠海 519000；2.中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035；3.清華大學 工程物理系公共安全研究院,北京 100084；4.清華大學 城市綜合應急科學北京市重點實驗室，北京 100084)

0 引言

林火是森林生態(tài)系統(tǒng)的巨大威脅，通常對全球的生態(tài)環(huán)境、空氣質(zhì)量、社會經(jīng)濟造成惡劣的影響[1-3]。隨著全球氣候持續(xù)變暖，長期干旱少雨，在全球范圍內(nèi)林火發(fā)生頻率愈加頻繁，全球范圍內(nèi)林火平均發(fā)生達到2.2×105次/a及以上，森林航空消防具有地形受限度低、運載容量大、機動性強等優(yōu)勢，是林火撲救中不可替代的重要部分[4]。然而，森林航空消防中安全問題頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計1名航空消防的飛行員在其30 a的職業(yè)生涯內(nèi)有近50%的概率遭遇致命的事故[5]，故對森林航空消防作業(yè)的風險評估研究具有重要意義。

林火環(huán)境復雜、危險要素眾多，森林航空消防的安全性往往受到多方面的影響，是安全科學與航空、林業(yè)、消防等領域多學科交叉的研究方向。當前有諸多學者在航空安全及林火安全方面各自開展了風險辨識和評估工作。Oban[6]使用層次分析法結(jié)合GIS數(shù)據(jù)計算導致林火發(fā)生的標準權重。Satir[7]基于物理、人為、氣候和火災發(fā)生數(shù)據(jù)集，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法使用多數(shù)據(jù)評估技術繪制地中海林地林火概率圖。駱相宇等[8]從氣象、地形、可燃物等維度建立了林火評估的指標體系，通過模糊語言混合加權算子確定某區(qū)域發(fā)生林火風險的可能性。邵豹偉等[9]利用二次熵權法對全國各個省份林火進行風險評估，并通過離差平方和方法進行林火風險區(qū)域可視化。石英等[10]根據(jù)國內(nèi)通用航空不安全事件的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，基于層次分析-熵權法構建風險評估體系，提出保障航空安全的相關建議。趙嶷飛等[11]應用SHEL模型結(jié)合民航對于航空安全的相關標準確定了航空風險評價指標體系，通過超標倍數(shù)法確定各個指標的權重，為航空風險評估提供理論支持。

森林航空消防涉及林火和航空的交叉領域，安全問題突出且復雜，當前還鮮有學者對森林航空消防的綜合風險評估開展相關研究。本文結(jié)合危險性分析法、德爾菲法、層次分析法、模糊綜合評價法共同構建森林航空消防綜合風險評估方法，實現(xiàn)對航空消防作戰(zhàn)方案進行綜合評估，以定量方式識別薄弱環(huán)節(jié)，并有針對性地提出優(yōu)化措施。

1 方法與模型

首先，本文通過危險性分析法對森林航空消防風險評估中涉及到的風險指標進行梳理，建立完整的森林航空消防風險評估指標集合。其次，利用德爾菲法，邀請多位相關領域的專家對上述指標進行篩選，確定科學嚴謹?shù)娘L險指標框架。進一步邀請森林航空消防領域的權威專家通過層次分析法對上述指標的重要程度作出權衡和確定，建立風險指標的權重框架。森林航空消防的風險指標框架及各風險指標的權重是確定性的不變的結(jié)論，而對于不同的森林航空消防任務，存在著差異化的林火工況及作戰(zhàn)方案。當確定一定的林火工況和作戰(zhàn)方案后，通過模糊綜合評價法就可以確定此次森林航空消防作戰(zhàn)方案的風險程度。根據(jù)各個風險指標的評估結(jié)果，可以確定此次作戰(zhàn)方案的薄弱環(huán)節(jié)并提出優(yōu)化措施。森林航空消防風險評估方法框架如圖1所示。

圖1 森林航空消防風險評估方法框架

2 森林航空消防風險指標及權重

通過調(diào)研林火多發(fā)、航空消防技術及應用水平較高的美國、加拿大、俄羅斯等國近50年來的森林航空消防案例等相關資料，重點梳理林火撲救任務場景與作戰(zhàn)模式，結(jié)合飛機事故的一般性風險，構建森林航空消防風險指標體系[12-14]。按照“人-機-環(huán)-管”模型，將森林航空消防風險劃分為固有環(huán)境因素、火場因素、飛機因素、飛行員因素、管理因素5個1級指標及相對應的2級指標。

進一步運用德爾菲法，從上述指標集中按照重要度篩選出關鍵要素。根據(jù)風險的定義，將其分解為可能性×后果2個維度，按5個等級綜合評價重要度：

1)可以忽略：任意可能性×飛行員可以處理而不影響正常作業(yè)

2)不重要：較小可能性×影響正常作業(yè)但不會導致傷亡或損毀

3)一般重要：較大可能性×影響正常作業(yè)但不會導致傷亡或損毀

4)很重要：較小可能性×導致傷亡或損毀

5)非常重要：較大可能性×導致傷亡或損毀

其中，考慮到森林航空消防是極低頻行為，概率的穩(wěn)定性不顯著，本文認為風險的后果評價具有相對更大的權重，因此導致傷亡或損毀但發(fā)生可能性較小的事件，其重要度大于僅僅影響正常作業(yè)而發(fā)生可能性較大的事件。

本文涉及跨領域多學科交叉，為了最大程度保證專家咨詢的科學性、有效性和統(tǒng)計客觀性，邀請來自清華大學、北京航空航天大學、西南林業(yè)大學、中國特種飛行器研究所、中航通飛研究院、南方航空護林總站等單位的科學研究、工程技術專家及經(jīng)驗豐富的消防飛機飛行員共20人參與評估，專業(yè)技術領域覆蓋公共安全、林業(yè)、消防及航空相關細分專業(yè)(總體、氣動、強度、航電、動力、控制、任務系統(tǒng))，各專業(yè)人數(shù)分布大致平衡。

本文嚴格按照德爾菲法操作流程，發(fā)放問卷20份，回收20份，其中有效問卷20份，經(jīng)分析克朗巴哈系數(shù)為0.948(>0.8)。按照同時滿足下列條件篩選關鍵性指標：重要性賦值>4、變異系數(shù)≤0.25、滿分比>20%，剔除可燃物類型、地形破碎程度、特殊火行為、火場氧氣濃度、火場一氧化碳濃度。

進一步運用層次分析法，邀請從事森林航空消防頂層研究的跨領域?qū)＜遥瑢ι鲜龊Y選后的關鍵性指標進行權重賦值，通過一致性檢驗(CR=0.045)。

以上構建的森林航空消防風險指標體系、重要度評價結(jié)果及指標權重匯總?cè)绫?所示。

表1 森林航空消防風險指標體系、重要度評價結(jié)果及指標權重

3 森林航空消防作戰(zhàn)方案的模糊綜合評估

在森林航空消防實戰(zhàn)中，制定安全合理的作戰(zhàn)方案至關重要。本文建立森林航空消防風險指標評估的框架并確定相應權重，結(jié)合模糊綜合評估方法，可為森林航空消防作戰(zhàn)方案的評估提供輔助決策支持。根據(jù)林火的惡劣程度及典型性，選取2006年云南省安寧“3·29”重大森林火災作為評估案例(提取固有環(huán)境因素、火場因素)，以執(zhí)行林火撲救任務的相關單位初步擬定的某作戰(zhàn)方案為評估對象(提取飛機因素、飛行員因素、管理因素)，對給定案例下執(zhí)行該作戰(zhàn)方案的風險程度進行模糊綜合評估，重點通過分析薄弱環(huán)節(jié)，提出作戰(zhàn)方案的改進優(yōu)化建議，實現(xiàn)輔助決策支持。

作戰(zhàn)方案中包括飛機因素、飛行員因素、管理因素下共計15個2級指標的具體情況。以投水使用模式指標為例。常見的投水使用模式分為連投、齊投、并投等方式，本次作戰(zhàn)方案基于火場環(huán)境選擇“連投”。專家將對此投水使用模式的安全性作出模糊評價。其他指標同理，可建立專家對此作戰(zhàn)方案的評價矩陣。

模糊綜合評價法基于模糊數(shù)學的隸屬度理論，可將定性的評價轉(zhuǎn)為定量評價。對于森林航空消防風險問題，引入模糊評語集“差，較差，一般，較好，好”，對應的分值區(qū)間劃分如表2所示。并對評語賦值矩陣進行賦值為：P1=20，P2=40，P3=60，P4=80，P5=100。

表2 模糊綜合評估方法評語集

本次咨詢共發(fā)放20份問卷，回收18份，有效回收利用率為90%，專家對此次作戰(zhàn)方案的隸屬度打分如表3所示。

表3 森林航空消防風險評估專家打分隸屬度

基于各指標的隸屬度及各指標的權重，可計算相對于1級指標的綜合評定矩陣為B1=(0.485,0.544,0.371,0.313,0.333)；B2=(0.384,0.344,0.348,0.438,0.387)；B3=(0.119,0.089,0.135,0.159,0.249)；B4=(0.012,0.018,0.121,0.090,0.031)；B5=(0.000,0.006,0.025,0.000,0.000)。由此可得隸屬度矩陣如式(1)所示。

(1)

聯(lián)合層次分析法及模糊綜合評價法，綜合量化評估如式(2)所示：

L=B·P=W·R·P

(2)

式中：B即綜合評定向量；P即評語集矩陣；W即指標權重集；R即模糊關系矩陣。

根據(jù)式(2)可得此次作戰(zhàn)方案的風險評估值L=84.69，結(jié)合表2中的評語區(qū)間，由此可以判定此森林航空消防作戰(zhàn)方案的評語級別為好。

對此次森林航空消防作戰(zhàn)方案中的2級指標對1級指標的加權分數(shù)及加權扣分、1級指標對應急能力總分的相對權重分數(shù)和相對權重扣分進行計算，結(jié)果如表4所示。

表4 森林航空消防作戰(zhàn)方案風險分數(shù)

基于計算結(jié)果，對上述作戰(zhàn)方案中1級指標的優(yōu)化改進順序依次為：飛機因素、飛行員因素、管理因素。其中，飛機因素中的失速速度和零件耐溫極限、飛行員因素中的生理狀態(tài)、管理因素中的凈空條件應予以重點關注。

4 結(jié)論

1)以德爾菲法、層次分析法、模糊綜合評價法共同構建森林航空消防綜合風險評估方法，該研究框架建立了森林航空消防風險評估科學嚴謹?shù)闹笜藱嘀伢w系，結(jié)合林火案例及作戰(zhàn)方案，可對真實林火場景下的航空消防作戰(zhàn)方案進行綜合評估，以定量方式識別薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地提出優(yōu)化措施。

2)以真實火災為例，模糊綜合評估結(jié)果表明：該作戰(zhàn)方案整體得分為84.69分，認為此次作戰(zhàn)方案的評語級別為好，風險程度為低，待改進優(yōu)化的1級指標依次為飛機因素、飛行員因素、管理因素。其中，飛機因素中的飛機失速速度和零件耐溫極限、飛行員因素中的生理狀態(tài)、管理因素中的凈空條件需要著重審查并改進和加強相關措施。案例研究表明該方法可為森林航空消防的安全評估和作戰(zhàn)方案的決策支持提供科學依據(jù)，可有效降低森林航空消防滅火任務的風險程度，具有一定的應用價值。