夏正霖,夏登友

(1.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院 研究生部，河北 廊坊065000； 2.中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院 消防指揮系，河北 廊坊065000)

0　引言

在我國(guó)，隨著城鎮(zhèn)一體化模式的推廣和生態(tài)文明建設(shè)的提出，在本世紀(jì)初，商業(yè)綜合體呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。然而，隨著商業(yè)綜合體的發(fā)展，商業(yè)綜合體的面積不斷擴(kuò)大，數(shù)量不斷增多，以重慶市區(qū)為例就有16個(gè)[1]，其消防安全隱患也逐漸顯現(xiàn)。由于經(jīng)驗(yàn)的缺乏，給消防工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。近年來，發(fā)生了多起大型商業(yè)綜合體火災(zāi)，造成了大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。2012年6月30日，天津薊縣萊德商廈由于短路發(fā)生火災(zāi)，性能化設(shè)計(jì)[2]使商業(yè)綜合體火災(zāi)發(fā)生概率有所減小，人類傷亡率降低，但是火災(zāi)一旦發(fā)生，情況依然嚴(yán)峻。這使得傳統(tǒng)的“預(yù)測(cè)-應(yīng)對(duì)”模式應(yīng)對(duì)效果不佳，要求引入“情景-應(yīng)對(duì)”模式進(jìn)行改善，用定性和定量相結(jié)合的方法對(duì)商業(yè)綜合體火災(zāi)進(jìn)行情景構(gòu)建，使指揮員明確火災(zāi)狀態(tài)，把握關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。情景法的本質(zhì)就是不知道未來，而是為它做準(zhǔn)備[3-4]，在情景構(gòu)建與推演的基礎(chǔ)上做出決策，增加事件向期望的方向發(fā)展的概率，減少未來可能發(fā)生的損失。

在情景研究方面，國(guó)內(nèi)近幾年剛起步。王顏新[5]對(duì)突發(fā)事件情景與情境進(jìn)行了界定，構(gòu)建了情景重構(gòu)集成體系框架，通過綜合情境關(guān)聯(lián)規(guī)則和情景邏輯演算算法建立情景重構(gòu)模型；劉鐵民[6-7]論述了突發(fā)事件情景規(guī)劃是制定應(yīng)急預(yù)案重要依據(jù)，并基于“情景”對(duì)預(yù)案進(jìn)行了分類，介紹了重大突發(fā)事件情景策劃與構(gòu)建的基本技術(shù)方法和突發(fā)事件情景的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容,強(qiáng)調(diào)了任務(wù)設(shè)置與應(yīng)急響應(yīng)能力建設(shè)的重要性。國(guó)外對(duì)情景研究在上世紀(jì)七八十年代就已經(jīng)開始，到目前其理論研究達(dá)到了一個(gè)成熟的時(shí)期；JoanicjuseNazarko和Anna Kononiuk[8]認(rèn)為情景構(gòu)建案例提出情景構(gòu)建可分為優(yōu)化建模、基于關(guān)鍵因素的行為描述的場(chǎng)景構(gòu)建、基于德爾菲法的結(jié)果構(gòu)建和基于情景研討結(jié)果的情景構(gòu)建等4種形式，而本文正是基于關(guān)鍵因素的行為描述的情景構(gòu)建。在美國(guó)，于2001年遭受“9.11”事件后，在2003年成立了國(guó)家情景規(guī)劃小組編制出《國(guó)家應(yīng)急規(guī)劃情景》[9]，為各州地方政府提供思路部署災(zāi)害事故情景構(gòu)建以應(yīng)對(duì)突發(fā)災(zāi)害事故。

對(duì)于商業(yè)綜合體火災(zāi)情景構(gòu)建的研究我國(guó)還沒有，主要是研究災(zāi)害事故這方面的情景構(gòu)建技術(shù)，但也有如張振海[10]對(duì)鐵路突發(fā)事故的情景構(gòu)建進(jìn)行了具體的研究。情景構(gòu)建方面主要研究了突發(fā)災(zāi)害事故情景構(gòu)建和推演技術(shù)。他們的研究并沒有具體到某一項(xiàng)災(zāi)害事故進(jìn)行情景研究，唯一比較成功的實(shí)踐研究是北京開展的“北京市重大突發(fā)事件情景構(gòu)建工作方案”[10]。本文將主要研究商業(yè)綜合體火災(zāi)情景構(gòu)建方法，從定量的方面構(gòu)建商業(yè)綜合體火災(zāi)情景。

1　商業(yè)綜合體火災(zāi)情景結(jié)構(gòu)描述及網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

1.1　情景結(jié)構(gòu)描述

情景的要素根據(jù)不同的災(zāi)害事故特點(diǎn)、獲得難易等情況分為不同類型組成。由于商業(yè)綜合體火災(zāi)中，消防部隊(duì)根據(jù)不同的火災(zāi)實(shí)時(shí)情況采取相應(yīng)的處置，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行了介入，影響火災(zāi)的發(fā)生。因此，對(duì)于火災(zāi)的決策處置行為跟火災(zāi)在客觀因素影響下發(fā)展一樣，是在情景構(gòu)建中必須考慮的因素之一，稱之為火災(zāi)介入驅(qū)變因素，與火源與火因、火場(chǎng)環(huán)境、受災(zāi)主體、火災(zāi)客觀驅(qū)變因素一起構(gòu)成商業(yè)綜合體火災(zāi)情景組成要素集。綜合體火災(zāi)情景(CBS)結(jié)構(gòu)可以用這5種要素在時(shí)間和情景變遷規(guī)則連接下表示為如下集合：

CBS={T,SF,FE,DS,DF}

(1)

1.2　商業(yè)綜合體火災(zāi)情景分層網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

商業(yè)綜合體火災(zāi)是由商業(yè)綜合體內(nèi)外部因素造成在綜合體某一部位起火發(fā)生燃燒，可能因?yàn)榛馂?zāi)荷載的聚集、自然或社會(huì)環(huán)境因素等等原因，促使火災(zāi)在某一時(shí)間點(diǎn)上蔓延擴(kuò)大到某一種火災(zāi)狀態(tài)，并且火災(zāi)的發(fā)展路徑可能是多個(gè)方向的，那么火災(zāi)情景鏈路又分成了多路線并列發(fā)展。因此，商業(yè)綜合體火災(zāi)情景可以分為火災(zāi)狀態(tài)、影響因素、火災(zāi)連接鏈等3個(gè)層次，它們構(gòu)成了多路線多層次火災(zāi)發(fā)展變化的網(wǎng)絡(luò)。由于商業(yè)綜合體火災(zāi)發(fā)生發(fā)展時(shí)間節(jié)點(diǎn)有對(duì)應(yīng)的火災(zāi)狀態(tài)和影響因素等，本文設(shè)計(jì)了基于火災(zāi)影響因素層-火災(zāi)狀態(tài)層-火災(zāi)連接鏈層的3層情景網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示，并結(jié)合天津薊縣“6.30”萊德商廈火災(zāi)進(jìn)行說明。

圖1　商業(yè)綜合體火災(zāi)情景分層網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1　The hierarchical network model of scenario of commercial complex fire

1.2.1火災(zāi)連接鏈層

火災(zāi)每一個(gè)情景相互之間在時(shí)間節(jié)點(diǎn)上有先后關(guān)系，在影響因素下相互之間又有因果關(guān)系，它們之間這種連接關(guān)系網(wǎng)絡(luò)為火災(zāi)連接鏈層，是火災(zāi)情景狀態(tài)內(nèi)部變遷的形式存在。比如天津萊德商廈火災(zāi)中起火、一層庫(kù)房燃燒、濃煙彌漫一層等狀態(tài)之間的連接關(guān)系鏈構(gòu)成火災(zāi)連接鏈層。

1.2.2火災(zāi)狀態(tài)層

火災(zāi)在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)上所表現(xiàn)出來不同的狀態(tài)及它們之間可能存在一定的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)等組成的集合為火災(zāi)狀態(tài)層。如天津萊德商廈火災(zāi)中消防第一出動(dòng)力量到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)火災(zāi)所處的發(fā)展階段、火災(zāi)燃燒面積五百多平方米、煙霧將3個(gè)疏散樓梯全部被煙火封堵、人員受困分布和第一增援力量火災(zāi)1～3層火勢(shì)突破外殼、毗鄰建筑受到威脅等等事件狀態(tài)構(gòu)成此情景網(wǎng)絡(luò)層。

1.2.3影響因素層

引發(fā)、助長(zhǎng)和控制、消滅火災(zāi)的眾多主觀客觀因素為火災(zāi)情景網(wǎng)絡(luò)的影響因素層，是火災(zāi)變遷的關(guān)鍵因子。例如天津萊德商廈火災(zāi)的起因(據(jù)民眾反映)是空調(diào)外機(jī)超負(fù)荷起火、消防部隊(duì)到場(chǎng)出水(控制或消滅火災(zāi))、停電單位人員錯(cuò)誤鎖門(使之出現(xiàn)人員受困的情況)等等構(gòu)成影響因素層。

2　基于模糊規(guī)則推理的情景構(gòu)建方法

2.1　模糊規(guī)則推理概述

商業(yè)綜合體火災(zāi)情景構(gòu)建中的模糊規(guī)則推理是指分析商業(yè)綜合體火災(zāi)的情景要素和構(gòu)成，并根據(jù)已知信息確立情景要素狀態(tài)值，再構(gòu)建情景驅(qū)動(dòng)要素效用矩陣，通過確定模糊概率值，在情景對(duì)的基礎(chǔ)上構(gòu)建火災(zāi)情景序列。目前在商業(yè)綜合體火災(zāi)領(lǐng)域并沒有情景構(gòu)建的相關(guān)方法研究，但對(duì)于其他災(zāi)害事故有采用貝葉斯理論[11]、社會(huì)系統(tǒng)理論[12]、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型[13]、要素組合方法[14]等進(jìn)行情景構(gòu)建。其中貝葉斯理論和隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型主要針對(duì)于災(zāi)害事故的推演，對(duì)于推演的情景具有一定的概率并且對(duì)后續(xù)方法使用具有一定的限制；社會(huì)系統(tǒng)理論和要素組合方法雖然也是依靠要素對(duì)歷史案例進(jìn)行情景構(gòu)建，但是對(duì)于相關(guān)情景的聯(lián)系的研究相對(duì)缺乏，并且對(duì)于要素的獲取可能存在遺漏，造成情景構(gòu)建不全面。相較于其他情景構(gòu)建方法與理論，用模糊規(guī)則推理理論來構(gòu)建情景有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)可以將復(fù)雜的商業(yè)綜合體火災(zāi)系統(tǒng)中的復(fù)雜關(guān)系模糊化。用模糊化的變量來表達(dá)系統(tǒng)，并通過驅(qū)動(dòng)要素演變矩陣來體現(xiàn)商業(yè)綜合體火災(zāi)系統(tǒng)全過程存在很多的不確定性的特征。將難以刻畫的、影響不大的情景模糊化，有助于保留整個(gè)火災(zāi)情景的整體性與可修正性。

2)用模糊規(guī)則將復(fù)雜的火災(zāi)系統(tǒng)簡(jiǎn)單化體現(xiàn)出來，使整個(gè)系統(tǒng)的變化更加清晰地體現(xiàn)出來，有助于在后續(xù)研究中將情景描述和情景推演分離，這樣保證了一旦情景中比如有需要相近的致災(zāi)因子來描述不同的災(zāi)害情景，只需再加上該類災(zāi)害獨(dú)特的情景描述規(guī)則即可。

3)支持多種后續(xù)推演方法和算法。模糊規(guī)則有助于對(duì)后續(xù)推演過程的把控，不是限制于一種方法，通過模型和算法的選擇靈活掌握推理的復(fù)雜程度。

2.2　情景構(gòu)建流程

商業(yè)綜合體火災(zāi)情景構(gòu)建流程如圖2所示，主要包括5個(gè)環(huán)節(jié)。

圖2　商業(yè)綜合體火災(zāi)情景構(gòu)建流程Fig.2　The procedure of scenario construction of commercial complex fire

2.2.1情景要素的收集與處理

情景要素是情景構(gòu)建的必要元素，而情景要素的來源主要是源自于對(duì)以往大量商業(yè)綜合體火災(zāi)案例，也有部分來自于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的各種渠道的收集。因此，情景構(gòu)建的首要任務(wù)就是對(duì)商業(yè)綜合體火災(zāi)的情景要素進(jìn)行提取，并且需要篩選出其中存在的影響火災(zāi)進(jìn)程主要方面的情景要素。

2.2.2作用關(guān)系的分析與確定

在情景要素提取篩選出來后，因?yàn)榍榫耙卮嬖谇耙蚝蠊年P(guān)系或共同作用的關(guān)系，因此需要對(duì)情景要素之間的作用關(guān)系和相互之間的作用規(guī)則進(jìn)行分析確定，構(gòu)建它們之間的作用關(guān)系框架，為情景構(gòu)建打下基礎(chǔ)。

2.2.3情景網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與描述

根據(jù)情景要素和它們之間的關(guān)系構(gòu)造不同火災(zāi)狀態(tài)下的情景層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且為了使指揮員了解該層次的火災(zāi)情景狀態(tài)，把握火災(zāi)的關(guān)鍵，需要對(duì)火災(zāi)狀態(tài)有一個(gè)直觀的表示和描述，以利于整個(gè)情景鏈的構(gòu)建。

2.2.4情景規(guī)則的推理與建立

在商業(yè)綜合體火災(zāi)中，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、火災(zāi)荷載大、不確定性因素多，因此消防部隊(duì)很難了解火災(zāi)內(nèi)部詳細(xì)的情況，基礎(chǔ)信息、偵查信息、歷史經(jīng)驗(yàn)信息等會(huì)給指揮員對(duì)火災(zāi)當(dāng)場(chǎng)的部分狀態(tài)有一些模糊的判斷，對(duì)火災(zāi)狀態(tài)的演變方式也是模糊的概念。因此，需要對(duì)這些模糊的情景狀態(tài)及情景間變化規(guī)則進(jìn)行推理，得到情景變遷的模糊規(guī)則，建立模糊規(guī)則矩陣。

2.2.5情景序列的生成與構(gòu)建

根據(jù)模糊規(guī)則矩陣，建立火災(zāi)情景模糊規(guī)則鏈，分析情景關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)之上通過模糊概率計(jì)算生成火災(zāi)情景狀態(tài)序列，實(shí)現(xiàn)商業(yè)綜合體火災(zāi)已發(fā)生的情景的構(gòu)建，為后續(xù)情景推演和指揮員決策打下基礎(chǔ)。并且，在模糊情景規(guī)則生成后，將其添加進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步完善情景庫(kù)，使以后構(gòu)建情景序列精讀更高，情景推演更準(zhǔn)確。

3　商業(yè)綜合體火災(zāi)情景構(gòu)建

3.1　商業(yè)綜合體火災(zāi)模糊情景規(guī)則建立

根據(jù)Zadeh[15]提出的合成推理規(guī)則方法(Compositional Rule Inference,CRI)，有知識(shí)規(guī)則：IFxis A THENyis B。設(shè)商業(yè)綜合體火災(zāi)情景為CBS={CBS1，CBS2，…,CBSn}，n∈Z。如果在情景集庫(kù)中能找到與情景A，B對(duì)應(yīng)的，其中一個(gè)，就可以根據(jù)Zadeh提出的構(gòu)造模糊關(guān)系的方法：

(2)

或

(3)

式中：U,V均為論域，A∈F(U),B∈F(V),其表示為：

(4)

如果已知xisA′，則由式(1)根據(jù)模糊假言推理計(jì)算方法求B′：

(5)

或

(6)

如果已知yisB′，則可以采用模糊拒取式推理計(jì)算公式得出A′。

通過計(jì)算，如果計(jì)算得出的情景B′或A′與情景庫(kù)的A′或B′的下一個(gè)情景或上一個(gè)情景有較高的相似度，那么可以認(rèn)為情景A發(fā)展到情景B是通過的模糊關(guān)系R。并且所得到的情景和模糊關(guān)系進(jìn)一步輸入情景庫(kù)，增大情景庫(kù)數(shù)據(jù)量。火災(zāi)案例會(huì)逐漸增加，輸入情景庫(kù)的數(shù)據(jù)也會(huì)越來越多，也許就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)情景對(duì)之間的有多個(gè)相似的歷史案例，那么就要通過模糊規(guī)則的相似度來進(jìn)行選取，相似度越高，其可靠性就越高。

由于火災(zāi)的發(fā)展多方向形成多層次，因此火災(zāi)存在多條火災(zāi)鏈路。那么該知識(shí)規(guī)則擴(kuò)展為多重模糊推理邏輯知識(shí)：

IFx1isA1THENyisB1ELSE；

IFx1isA2THENyisB2ELSE；

IFx1isAnTHENyisBn。

設(shè)整個(gè)商業(yè)綜合體火災(zāi)發(fā)展鏈路R條，R={R1,R2,…,Ri}，每一條發(fā)展鏈路中的模糊規(guī)則R={Ri×j}，其中i∈Z，j∈Z。已知前因情景CBISi和結(jié)果情景CBOSj，它們之間通過匹配與計(jì)算得出的模糊規(guī)則Rsi×j串聯(lián)起來?？梢杂萌缦履：?guī)則矩陣表示整個(gè)火災(zāi)情景：

(7)

由于火災(zāi)情景通過規(guī)則在驅(qū)動(dòng)要素影響下進(jìn)行演變，并且模糊規(guī)則和驅(qū)動(dòng)要素是一一對(duì)應(yīng)的，那么，可以將模糊規(guī)則替換為驅(qū)動(dòng)要素，通過驅(qū)動(dòng)要素效用矩陣表示前因情景和結(jié)果情景二者間的變遷關(guān)系：

(8)

Tsi×j表示前因情景CBISi向結(jié)果情景CBOSj轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)要素，有模糊概率值，取值區(qū)間為[-1,1]。當(dāng)0

在火災(zāi)發(fā)展中，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)多個(gè)前因情景在驅(qū)動(dòng)要素作用下生成一個(gè)結(jié)果情景，其轉(zhuǎn)化過程可能是一個(gè)模糊規(guī)則也可能是多個(gè)模糊規(guī)則。在矩陣中每一個(gè)驅(qū)動(dòng)要素Tsi×j對(duì)應(yīng)著一條情景演變的模糊規(guī)則Rsi×j，將這些模糊規(guī)則都用“IFxisATHENyisB”來表示。

Rule[ξ]: IFCBS1isCBIS1andCBS2isCBIS2and …andCBSxisCBISxTHENCBSyisCBOSy

Fact:CBSx→ Consequence:CBOSy

其中CBISx和CBOSy均為在模糊規(guī)則連接下的含有模糊值的前因情景和結(jié)果情景集合，x∈i，y∈j；其中產(chǎn)生的模糊規(guī)則的數(shù)量ξ=y，而驅(qū)動(dòng)要素的模糊概率值可以通過式(1)，(2)的計(jì)算和專家打分得到。

通過以上規(guī)則的情況，可以得到CBOSy的模糊概率值：

(9)

公式(9)適合于忽略專家對(duì)于知識(shí)的偏好程度，便于快捷進(jìn)行運(yùn)算，以利于后續(xù)工作進(jìn)行。

在商業(yè)綜合體火災(zāi)發(fā)生過程中，根據(jù)所獲得的實(shí)時(shí)情景要素、實(shí)時(shí)狀態(tài)及情景庫(kù)，利用模糊情景規(guī)則結(jié)合專家的決策經(jīng)驗(yàn)，不斷生成出火災(zāi)情景變遷規(guī)則，并與專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證、修正。

3.2　情景網(wǎng)絡(luò)鏈路的生成

在對(duì)商業(yè)綜合體火災(zāi)情景變遷規(guī)則進(jìn)行建立之后，根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)已經(jīng)發(fā)生的關(guān)鍵火災(zāi)情景在相應(yīng)的規(guī)則下進(jìn)行連接，以此形成已經(jīng)發(fā)生的火災(zāi)情景鏈路，如圖3所示。形成的整個(gè)火災(zāi)情景鏈路可以有助于指揮員清楚整個(gè)火災(zāi)的發(fā)展進(jìn)程，把握火災(zāi)情景變遷關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

在圖3中，以二重多維為例展示了可視化火災(zāi)情景發(fā)展網(wǎng)絡(luò)線路。其中，某一火災(zāi)情景可以在影響因素下向下一個(gè)火災(zāi)情景轉(zhuǎn)化(S3→S7)，可以在某一影響因素下發(fā)展成2種或以上火災(zāi)情景(S2→S4和S5)，也可以在某一影響因素下與另外一個(gè)或者幾個(gè)火災(zāi)情景共同生成下一個(gè)或幾個(gè)火災(zāi)情景(S4和S5→S6)。通過以上變化規(guī)則，形成了復(fù)雜的火災(zāi)發(fā)展鏈路。

圖3　商業(yè)綜合體火災(zāi)情景網(wǎng)絡(luò)鏈路Fig.3　The scenario network path of chain of commercial complex fire

4　結(jié)論

1)確定并分析了商業(yè)綜合體火災(zāi)情景的組成結(jié)構(gòu)，并在時(shí)間圈的范圍內(nèi)根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了此類火災(zāi)情景分層網(wǎng)絡(luò)模型。該模型清楚地展示了該類火災(zāi)的復(fù)雜性、多層次性、多維性等特點(diǎn)，為情景構(gòu)建提供了框架支持。

2)引入了模糊推理理論，分析了該理論應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)商業(yè)綜合體的特點(diǎn)確定了情景構(gòu)建的流程。該情景構(gòu)建流程是根據(jù)計(jì)算機(jī)編程模式設(shè)計(jì)的，使該方法可以應(yīng)用于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)輔助指揮決策系統(tǒng)，指揮員可以更加快速做出合理的決策。

3)將模糊推理理論的多維多重合成推理規(guī)則方法應(yīng)用于商業(yè)綜合體火災(zāi)的情景構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)綜合體已發(fā)生火災(zāi)情景的鏈路的生成。該方法為寫入輔助決策系統(tǒng)提供了算法，為進(jìn)行情景推演并實(shí)現(xiàn)可視化打下了基礎(chǔ)，為商業(yè)綜合體火災(zāi)“情景-應(yīng)對(duì)”模式?jīng)Q策提供了理論上的支持。

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