1、基于灰色關聯度的集對分析方法對高層建筑火災風險評估摘 要：影響高層建筑的火災安全因素復雜多變，充滿了確定性與不確定性，是一個灰色系統。文中采用層次分析法確定了高層建筑火災危險性因素的權重，運用集對分析的方法，考慮各個火災影響因素的權重，確定高層建筑火災危險性與各個安全等級的等級聯系度式，結合灰色系統理論灰色關聯度的概念，分析計算差異度與同一度、差異度與對立度的灰色關聯度值，選取其中關聯度大的值作為差異度系數的取值，進而可以對關聯度值進行具體量化，確定高層建筑的火災危險等級，為高層建筑火災的危險性評價提供了一種新的方法。 關鍵詞：高層建筑 火災危險性 集對分析 灰色關聯度 0引言 改革開放以來,
2、中國的經濟飛速發展,高層建筑如雨后春筍般出現在全國各地,從個別的單體建筑發展為現代化城市中林立的高層建筑群，其中一些高層建筑已成為中國新興城市的標志1。據公安部不完全統計，截止至2013年底，我國高層建筑超過24萬棟，百米以上的高層建筑有2400多棟。由于現代高層建筑體積巨大、功能復雜、電器設備多、人員集中且可燃物多，發生火災的可能性很大。并且一旦發生火災，火災蔓延快，撲救難度大，人員疏散困難，極易會造成人員傷亡和財產損失。例如：2007年12月，浙江省溫州市溫富大廈發生特大火災，致21人死亡，2人重傷；2009年2月，在建的央視新臺址園區文化中心發生特大火災，導致一名消防隊員犧牲，造成直接經
3、濟損失1.64億元；2009年，2010年11月，上海市靜安區教師公寓發生火災，58人遇難，71人受傷，直接經濟損失1.58億元。因此，對高層建筑進行火災風險評估，分析可能導致火災發生的重要因素，對高層建筑火災的預防和控制，減少人員傷亡和財產損失具有重要意義2。 高層建筑火災因素評價系統是一個多因素的，多層次的灰色系統，即系統是一個確定不確定系統，并且在這個確定不確定系統中，確定性與不確定性可以相互影響，相互制約，并且在一定條件下有可能相互轉化3，這符合集對分析方法的思想。本文利用灰色系統理論中絕對關聯度的概念計算集對分析方法中的差異度系數值，并應用到高層建筑火災危險性評估中，為高層建筑火災危
4、險性評估提供了新方法。 1 集對分析法理論 1.1集對分析的基本原理 1989年，我國學者趙克勤創建了處理不確定問題的新的系統理論集對分析理論4。其核心思想是將系統內的確定性與不確定性予以辯證分析與數學處理，可以描述和處理由隨機性、模糊性、不完整性等不確定因素引起的確定不確定系統5,6。不確定的本質是不確定，但是，不確定性又相對于確定性而存在，并且，能在一定的條件下加以適當的確定7。 集對分析是將在一定背景條件下具有一定聯系的兩個集合組成的集對進行特性分析。主要對這兩個集合組成的集對從同一度、差異度、對立度三個方面來進行研究和分析，并作出三者之間的定量刻畫，得到這兩個集合的聯系度表達式8，從而
5、了解系統內部之間的聯系和變化趨勢，將不確定的因素辯證轉化為具體的數學運算。 1.2聯系度 在問題背景下，給定集合和,這兩個集合組成集對，然后對集合進行特性分析，總共得到個特性，其中集合和集合共有的特性有個；集合和集合相互對立的特性有個；在其余的個特性上既不對立，也不同一，則稱比值：為這兩個集合在問題下的統一度，簡記為； 為這兩個集合在問題下的差異度，簡記為； 為這兩個集合在問題下的對立度，簡記為。在不考慮各特性權重的聯系度時，集對的聯系度為： （1） 式（1）中，為差異度的符號或這是相應的系數，其取值區間為-1,1，當差異度中的特性越接近所屬評價的等級時越接近于1，當差異度中的特性越偏離所屬評
6、價的等級時，月接近于-1,；為對立度標記符號或系數，規定其取值為-1。根據定義可知，滿足。 如果考慮各個特性的權重，則聯系度為： （2） 式中.，為各個特性指標的權重，一般其權重由層次分析法或專家打分法確定。 2 灰色關聯度 2.1 灰色系統理論 灰色系統理論是由鄧聚龍教授與1982年提出的一門新興學科，而灰色關聯度是灰色系統理論的最成熟、應用最廣泛、最具活力的部分9。灰色系統理論主要用于解決樣本容量小、信息不完全、不確定的系統，其基本原理是通過統計繪制各因素數列曲線形狀的接近程度，從而來辨別系統中多種因素之間的關聯程度，如果序列曲線的幾何形狀越接近，則關聯程度越大，反之越小10。 2.2 值
7、的計算方法 集對分析方法中，主要利用聯系度來定量處理確定不確定問題，差異度I值的確定成為了聯系度確定的關鍵11。差異度系數I的取值應能恰當的反應集對之間的真實關系。如果集對之間的關系趨于同一，則I的值趨近與1,；如果集對之間的關系趨于對立，則I的值趨近于-1。根據I的值受到、值的約束作用的結果，采用絕對關聯度的概念，將、分為和兩組，根據灰色關聯度的計算方法計算出兩組數據的絕對關聯度，并將絕對關聯度大的值作為I的取值。與統計方法相比，次方法能解決因樣本容量小且線性關系不明顯而難以分析的問題11,12。 2.3 灰色關聯度的計算 做關聯度分析先要制定參考的數據列，一般設參考序列為，比較數列為，記參
8、考數列與比較數列的關聯系數為,其計算公式為: （3） 式中，是第組數列比較曲線與參考曲線的相對差值，這種形式的差值稱為對在第組數列時的關聯系數。為分辨系數，0,1,引入是為了減少極值對計算的影響，一般取=0.5。 表示與的最小絕對差值，即： （4） 表示與的最大絕對差值，即： （5） 當考慮到各個指標在綜合評價中對評價結果的重要度的影響不同，可對絕對關聯度采取加權平均值的算法，即： （6） 將計算得到的個比較數列對同一參考序列的關聯度值按照從小到大進行排序，關聯度越大，表明該因子對參考序越重要，影響力越大11。 2.4確定差異度系數 選定在問題背景下的一個集對，運用集對分析的方法，按照同一度、
9、差異度、對立度的定義對集對進行特性分析，根據（1）式，得到的量化值。 采用灰色關聯度的計算方法，將差異度作為參考序列，將分成與，與兩組，根據（2）（7）式，進行同一度和對立度對參考序列差異度的絕對關聯度計算，計算得到絕對關聯度和的值，其中表示同一度對差異度的絕對關聯度，表示對立度對差異度的絕對關聯度。 根據絕對關聯度的隸屬度原則，選取和絕對關聯度大的值最為差異度系數的取值，即： （7） 然后將所計算得到的差異度系數的值帶入（1）式，得到聯系度的值。值越大，表明兩個集對之間聯系程度越密切，同一度越高。 若采用專家打分法，根據專家的不同權重可以計算綜合關聯度，如下式： （8） 表示不同專家的權重值
10、，表示不同專家評價到得的聯系度值。 3 基于灰色關聯度的集對分析法在高層建筑火災風險評估中的應用 3.1應用層次分析法確定高層建筑火災危險性指標評價體系權重 構建高層建筑火災風險評價指標體系，是對高層建筑進行火災危險性評價的基礎。根據現代事故致因理論基礎，物的不安全狀態和人的不安全行為是導致事故發生的直接原因，其基本原因是由于管理上的缺陷13。根據高層建筑的火災動態發展過程，本文從主動防火措施、被動防火措施、人員的安全疏散和消防安全管理四個方面，制定了高層建筑火災危險性評價指標體系。并運用層次分析法，將火災風險分為四個準則層因素，17個指標層因子，通過兩兩比較計算，得出各個指標的權重如表1所示
11、： 表1 高層建筑火災風險指標體系權重計算匯總 目標層 準則層指標評價體系 權重 指標層評價指標 權重 累計權重 高層建筑火災風險 防火措施 0.5036 防火門(C1) 0.0819 0.0412 防煙分區（C2） 0.0505 0.0254 防火分區（C3) 0.2748 0.1384 火災載荷(C4) 0.4225 0.2128 防排煙系統（C5） 0.0536 0.0270 防火涂料（C6） 0.1167 0.0588 滅火措施 0.2071 火災自動報警系統（C7) 0.4672 0.0968 自動噴滅火系統（C8） 0.2773 0.0574 消火栓滅火系統（C9） 0.0953
12、0.0197 消防隊救援能力(C10) 0.1602 0.0332 安全疏散系統 0.1210 出口數目及寬度(C11) 0.4555 0.0551 疏散標志(C12) 0.1410 0.0171 疏散距離(C13) 0.2625 0.0317 應急照明系統（C14) 0.1410 0.0171 消防管理 0.1683 消防制度落實情況(C15） 0.5815 0.0979 消防設備維護情況(C16) 0.1095 0.0184 轉值班情況(C17) 0.3090 0.0520 3.2建筑物火災危險性評價 以某大學1號教學樓為例，進行高層建筑火災危險性評價。根據市消防部門的今年7月份的消防備案
13、，該教學樓的火災危險性為三級，即一般安全，有待整改該。該大樓建于2002年建成，總共15層，高度約為46.7M，總建筑面積約15600M2。根據高層建筑火災風險評價的實際情況，將各個指標體系分為安全、較安全、一般安、較危險、危險五級，分別記作A、B、C、D、E，其中A代表安全，B代表較安全，C代表一般安全，D代表較危險，E代表危險。聘請三位專家（）進行現場評價打分，確定各個指標所屬的安全等級，見表2。根據專家在消防領域的影響力，應用層次分析法確定專家的權重為W=（0.581,0.309,0.110）。 根據表2的結果，將各指標等級與安全等級分別建立集對，考慮到各個指標的權重對綜合評價的影響，采
14、用（2）、（3）、（4）、（5）式進行計算，其中同一度為與所屬評價等級相同的特性，差異度為與所屬評價等級相同特性的相鄰的變化趨勢的特性，對立度的特性為：，絕對關聯度計算結果如表3所示。 表2 建筑物火災危險性評價專家現場打分表 專家 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 B C C D C C B C B D B A B D C C D B B C D D C A B B D C B A C C C E C B D D C B A C B C B A A D B D D 表3 絕對關聯度計算結果表 評分與安全等級
15、聯系式 與A 0.0171 0.2445 0.7384 0.0171 0.2445 0.7384 0.2274 0.4939 0.6065 0.5171 與B 0.2445 0.4404 0.3151 0.2445 0.4404 0.3151 0.1959 0.1253 0.6476 0.9933 與C 0.4233 0.5596 0.0171 0.4233 0.5596 0.0171 0.1363 0.5425 0.7430 0.4864 與D 0.3151 0.4233 0.2616 0.3151 0.4233 0.2616 0.1082 0.1617 0.7985 0.9105 與E 0
16、 0.3151 0.6849 0 0.3151 0.6849 0.3151 0.3698 0.5153 0.6166 與A 0.1285 0.1608 0.7107 0.1285 0.1608 0.7107 0.0323 0.5499 1 0.4820 與B 0.1608 0.5142 0.3250 0.1608 0.5142 0.3250 0.3534 0.1892 0.4836 0.8565 與C 0.3857 0.4338 0.1805 0.3857 0.4338 0.1805 0.0481 0.2533 0.9501 0.7526 與D 0.2730 0.4377 0.2893 0.2
17、730 0.4377 0.2893 0.1647 0.1484 0.6943 0.9391 與E 0.0520 0.2730 0.6750 0.0520 0.2730 0.6750 0.2210 0.4020 0.6144 0.5873 與A 0.1456 0.2569 0.5975 0.1456 0.2569 0.5975 0.1113 0.3406 0.7919 0.6459 與B 0.2569 0.3044 0.4387 0.2569 0.3044 0.4387 0.0475 0.1343 0.9519 0.9714 與C 0.1588 0.6956 0.1456 0.1588 0.69
18、56 0.1456 0.5368 0.5500 0.3734 0.4819 與D 0.4387 0.1588 0.4025 0.4387 0.1588 0.4025 0.2799 0.2437 0.5484 0.7665 與E 0 0.4387 0.5613 0 0.4387 0.5613 0.4387 0.1226 0.4253 1 表4 專家評分值與安全等級的聯系度 安全等級 專家 專家 專家 綜合聯系度 安全 -0.8969 -0.6977 -0.6364 -0.8067 較安全 -0.3869 -0.5334 -0.4004 -0.4337 一般安全 0.0044 -0.1063 -0
19、.4863 -0.0838 較危險 -0.2498 -0.3306 -0.0778 -0.2558 危險 -0.9112 -0.8190 -0.8763 -0.8789 根據式（7）計算加權后的絕對關聯度=0.6840，=0.7181，,說明與的關聯程度比與的關聯程度要高。根據（7）式，取= 0.7181作為差異度系數的值帶入表3所示的各聯系式中，得到各專家評分與安全等級的聯系度，然后根據各個專家的不同權重，根據（8）式，計算得出累積連續度，具體結果如表4所示。 在表4中，綜合聯系度從大到小排序依次為：一般安全較危險較安全安全危險，根據最大隸屬度原則可知，此高層建筑建筑教學樓的火災危險等級為第
20、三級，即為一般安全狀態，同時排在第二位的較危險的綜合聯系度大于排在第三位較安全的綜合聯系度，說明此高層建筑樓的火災危險性等級從一般安全等級轉變為較危險等級的趨勢大于轉變為較安全等級的趨勢，有關消防安全管理人員和學校安全部門應該給予重視，定期和不定期檢查消防設施設備，對存在的問題及時整改，消除火災隱患，建立完善的火災應急體系，加強消防安全管理。 3結論 1）采用集對分析方法的思想，結合運灰色理論中灰色關聯度的概念，將差異度和同一度、差異度和對立度的中兩者絕對關聯度較大的值，最為差異度系數的值，代入聯系度式中，將聯系度進行量化計算，得出此高層建筑的火災危險性為三級，即一般安全，并且有向較危險等級發
21、展的趨勢，評價結果與實際相符。 2）集對分析方法現已經廣泛應用于各學科中，但對于差異度系數的值的確定一直沒有統一的方法，本文通過灰色系統的思想，運用絕對關聯度來確定差異度系數的值，為聯系度的確定計算提供了一種新方法。 參考文獻 1司戈.中國高層建筑火災J.消防科學與技術，2010，29（10）：863-870. 2王栗.基于灰色關聯度分析的高層建筑火災風險評估J.中國安全生產科學技術，2013,9（8）：83-89. 3李凡修，陸曉華，梅平.煤礦安全預評價的集對分析模型及應用J.安全與環境學報，2005,5（1）：118-120. 4趙克勤.集對分析及其初步應用J.大自然探索，1994,13（
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