CN114021915A - 基于改进均衡权重和可变模糊集的电气火灾风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于改进均衡权重和可变模糊集的电气火灾风险评估方法,包括:建立高层建筑电气火灾风险评估体系,采用模糊层次分析法确定评估体系的指标常权重系数,引入基于均衡函数的变权综合理论并结合高层建筑电气火灾特点对变权综合原理进行改进,得到在某一指标评分下的评估体系指标变权重系数,采用动态变权重系数和可变模糊集理论相结合的方式获得动态高层建筑电气火灾风险评估体系综合评判向量,基于特征值级别判断准则将综合评判向量转化为风险评分及对应风险等级。本发明结合电气系统致火源的特点对均衡变权重公式进行改进,并创新性地将可变模糊集理论应用到高层建筑电气火灾风险评估中,具有准确性高、客观性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及建筑风险评估领域,具体是一种基于改进均衡权重和可变模糊集的电气火灾风险评估方法。
背景技术
随着我国城市化进程不断加快,高层建筑的数量也在迅速增加。高层建筑功能复杂,电气化程度高,火灾的危险性远大于普通火灾。在近十年的高层建筑火灾统计中显示电气因素成为引发高层建筑火灾的主要原因,但在现有高层建筑火灾评估体系往往只从建筑防火设计角度考虑,没有结合电气火灾特点科学系统地建立评估体系。
目前在高层建筑评估方法存在一些不足:一方面关于评估指标权重的确定大多使用层次分析法和模糊层次分析法。这些方法得到的权重系数受主观因素影响较大,且为定权重,而在实际生活,往往较小的影响因素比较严重时也会引发火灾事故;另一方面现有的灰色关联度法、模糊数学法、未确知综合评价模型等火灾风险评估评估方法存在着隶属度函数适用性不强、可调节性能差和判断结果不够明确问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷,本发明提供了一种基于改进均衡权重和可变模糊集的电气火灾风险评估方法,在高层建筑火灾风险评估相关准则规范的基础上,结合电气火灾特性建立更为科学、合理、系统的评估体系;并在模糊层次分析法求得高层建筑电气火灾风险评估体系常权重系数的基础上,结合高层建筑电气火灾特点对均衡函数进行改进得到动态评估指标的变权重系数;通过可变模糊集综合评估模型得到更符合评估对象实际情况的火灾风险水平及对应的风险等级,实现对高层建筑火灾进行预测性和危险性评估,对降低高层建筑火灾风险,减少人员伤亡和财产损失具有重要的社会经济意义。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提出一种基于改进均衡权重和可变模糊集的电气火灾风险评估方法,包括以下步骤:
步骤1:根据建筑防火设计规范及电气行业防火设计规范建立高层建筑电气火灾综合风险评估体系,将高层建筑电气火灾风险评估指标分为一级指标、二级指标和三级指标;并确定评估指标评分标准,将高层建筑电气火灾风险评估指标评分等级标准划分为安全、较安全、低风险、中风险和高风险五个等级;
步骤2:采用模糊层次分析法求步骤1所建立的高层建筑电气火灾风险评估体系中各级指标常权重系数;
步骤3:结合步骤1所确定的评估指标评分等级标准对待评估对象进行评分,得到指标评分特征值和统计评估指标异常个数并结合步骤2所计算得到评估体系常权重系数,采用均衡函数计算三级指标的动态变权重系数;
步骤4:根据步骤1确定的评估指标评分标准和步骤3所得出的指标评分特征值和动态变权重系数,运用可变模糊集理论计算确定评估体系风险水平综合隶属度及风险级别特征值;
步骤5:基于步骤4所计算得到的风险级别特征值,对照风险等级划分标准得到高层建筑电气火灾风险等级。
进一步的,步骤2中,采用模糊层次分析法求步骤1所建立的高层建筑电气火灾风险评估体系中各级指标常权重系数的过程是通过以下方法实现的:首先基于所述的高层建筑电气火灾风险评估体系构建两两比较判断矩阵其中,aij表示指标Xi与指标Xj相对于上一层指标Y进行比较时的相对重要性隶属度;其次对矩阵A按行求和,得到每行矩阵之和为两两比较矩阵第i行,第k列的元素值);最后建立模糊一致判断矩阵其中m为常数,m≥n,得到当前层指标相对于上一层指标的重要度,通过把多个重要度做乘积得到各个指标的常权重系数。
进一步的,步骤3中,结合步骤1所确定的评估指标评分等级标准对待评估对象进行评分,得到指标评分特征值和统计评估指标异常个数并结合步骤2所计算得到评估体系常权重系数,采用均衡函数计算三级指标的动态变权重系数的过程是通过以下方法实现的:
步骤3.1:首先结合步骤1所建立的评估指标评分等级标准对评估对象进行评分,将得到的评分值实测评分值进行标准化,根据建立的评估指标评分等级区间标准,采用极值标准化公式xi为第i个评估指标的评分,i=1,2,3,…,m(m为三级指标总数);xi′为评估指标评分标准化的值,xmax对应指标评分等级区间的最大值,xmin对应指标评分等级区间的最小值;其次对所述一级指标电气火灾固有风险和电气火灾危险源下的三级评估指标的异常数量进行标准化,对不同楼层或不同电气系统评估单元进行电气火灾固有风险和电气火灾危险源指标层评估指标进行评分时,当指标评分小于60时,认为该指标为异常状态,需记录其个数,对应的极值标准化公式xi为第i个评估指标的异常数量个数,i=1,2,3,…,m(m为三级指标总数);si′为评估指标异常个数标准化的值,smax对应指标评估总数量,smin对应指标异常个数在安全情况下的最小值;
步骤3.2:在确定所述的三级指标评分标准值和异常个数标准值后,采用改进的均衡函数变权公式si指标异常数量标准化后的值,为第i个指标的常权重,xi为第i个指标对应的标准化后评分值,wi为第i个指标对应的变权重,m为三级评估指标数量,均衡系数取a=0.2,b=0.2。对所述的一级指标高层建筑火灾危险性,不需要考虑评估指标的异常个数因素对变权重系数的影响,采用均衡函数变权公式算出三级评估指标在该评分值下对应的动态变权重系数。
进一步的,步骤4中,根据步骤1确定的评估指标评分标准和步骤3所得出的指标评分特征值和动态变权重系数,运用可变模糊集理论计算确定评估体系风险水平综合隶属度及风险级别特征值的过程是通过以下方法实现的:
步骤4.1:确定高层建筑电气火灾风险评估体系的点值矩阵,首先根据所述的指标评分等级标准确定评估指标的评分区间矩阵,将各指标按照m个级别划分为评价区间,按从最差到最好从一级到m级排列,区间等级按评估指标评分等级标准顺序由差到优分布,可得到指标评价区间矩阵Iab([a,b]ik)n×m,其中k(k=1,2…m;m为最大级别数)表示第k个级别标准,i(i=1,2…n;n为指标总数)表示第i个评估指标;通过公式将所述的指标评价区间矩阵进行转换得到指标可变区间范围矩阵Icd([c,d]ik)n×m,最后可确定高层建筑电气火灾风险评估的点值矩阵Mik,
步骤4.2:确定高层建筑电气火灾风险评估体系相对隶属度,将所述的评估指标特征值Xi与点值矩阵Mik的进行比较,若xi位于Mik的左侧,该指标相对隶属度的计算公式为若xi位于Mik的右侧,该指标相对隶属度的计算公式为最后通过将各指标对应的相对隶属度矩阵进行归一化,得到相对隶属度的矩阵μA(xi)k;
步骤4.3:确定高层建筑电气火灾风险评估体系综合隶属度和风险等级特征值,在步骤4.2计算得到各指标的相对隶属度矩阵后,通过公式其中wi为各指标权重,p为可变参数,p=1为海明距离,p=2为欧式距离;α为优化准则参数,α=1为最小一乘准则,α=2为最小二乘准则,因此存在四种参数组合,即得到不同参数组合的整体评估体系对级别等级k的非归一化综合相对隶属度U,进行归一化得到整体评估体系的综合隶属度令K为级别矩阵K=[1,2,…k],通过公式可求出评估对象风险级别特征值H,最后将四种参数情况得到的特征值通过公式(j=1,2,3,4,代表α、p的四种组合情况)取均值得到进行最终综合风险等级特征值。
进一步的,步骤5中,基于步骤4.3计算所得到的评估体系风险水平综合风险级别特征值,对照风险等级划分标准得到高层建筑电气火灾风险等级过程是通过以下方法实现的:根据所述的五个风险等级划分分别为高风险、中高风险、中风险、中低风险和低风险,结合判断准则:若归属于1级;若归属于k级,偏(k-1)级,且(k=2,3,…m-1);若归属于k级,偏(k+1)级,且(k=2,3,…m-1);若归属于m级,得出高层建筑电气火灾风险评估的风险等级,以进行下一步的火灾风险管控措施。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明针对高层建筑火灾起因占比最大的电气因素建立了更为科学系统的高层建筑电气火灾风险评估体系,并在模糊层次分析确定常权重系数的基础上,基于电气系统特点对均衡函数进行改进,得到更符合实际情况的指标动态变权重系数;同时创新性地在不确定性、复杂性对象评估效果较好的可变模糊集理论应用到高层建筑电气火灾风险评估中,得到更加准确的风险评估结果,为高层建筑火灾风险评估提供了一种新的评估方法,对降低高层建筑火灾风险,减少人员伤亡和财产损失具有重要的社会经济意义。
附图说明
图1为本发明基于改进均衡权重和可变模糊集的电气火灾风险评估方法其中一个实施例的流程图;
图2为本发明高层建筑电气火灾风险评估综合评价体系图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明实施例提供一种基于改进均衡权重和可变模糊集的电气火灾风险评估方法,包括以下步骤:
步骤1,根据《建筑设计防火规范》(GB50016—2014)、《火灾自动报警系统设计规范》(GB50116-98)、《供配电系统设计规范》(GB50052)等相关国家规定及行业规范和对近十年高层建筑电气火灾案例分析,建立高层建筑电气火灾风险评估体系和指标评分等级区间标准,高层建筑电气火灾风险评估体系分为一级指标A、二级指标B和三级指标C,与模糊层次分析法中的目标层、准则层和指标层对应,具体指标详见图2。并根据评估对象确定评估指标评分标准,将高层建筑电气火灾风险评估指标评分等级区间标准划分为安全、较安全、低风险、中风险和高风险五个等级。
表1高层建筑电气火灾评估指标评分等级区间标准
步骤2,采用模糊层次分析法求所建立的高层建筑电气火灾风险评估体系各指标常权重系数,具体步骤如下:
1)构建两两比较判断矩阵
2)两两比较判断矩阵按行求和
3)建立模糊一致判断矩阵
步骤3,基于步骤1所建立的评估指标评分等级标准,对待评对象实际情况进行评分,并进行评估指标评分标准化和异常数量标准化;结合步骤2所计算得到的评价体系评估指标常权重系数,根据改进均衡函数计算指标变权重,具体步骤如下:
1)指标评分特征值确定及异常数量统计
根据建立的高层建筑电气火灾风险评估指标评分等级区间标准,结合专家对评估指标进行定性或定量评分,同时对不同楼层或不同电气系统评估单元进行电气火灾固有风险和电气火灾危险源指标层评估指标进行评分时,当指标评分小于60时,认为该指标为异常状态,记录其个数。
2)评分特征值和异常数量标准化
根据得到的对待评对象的实际评分值,采用极值标准化公式xi为第i个评估指标的评分,i=1,2,3,…,m(m为三级指标总数);xi′为评估指标评分标准化的值,xmax对应指标评分等级区间的最大值,xmin对应指标评分等级区间的最小值;对于评估对象异常数量的标准化,采用极值标准化公式xi为第i个评估指标的异常数量个数,i=1,2,3,…,m(m为三级指标总数);si′为评估指标异常个数标准化的值,smax对应指标评估总数量,smin对应指标异常个数在安全情况下的最小值。
3)确定评估指标动态均衡变权重
在确定所述的三级指标评分标准值和异常个数标准值后,采用改进的均衡函数变权公式si指标异常数量标准化后的值,为第i个指标的常权重,xi为第i个指标对应的标准化后评分值,wi为第i个指标对应的变权重,m为三级评估指标数量,均衡系数取a=0.2,b=0.2。对所述的一级指标高层建筑火灾危险性,不需要考虑评估指标的异常个数因素对变权重系数的影响,采用均衡函数变权公式算出三级评估指标在该评分值下对应的动态变权重系数。
步骤4,根据步骤1确定的评估指标评分标准和步骤3所得出的指标评分特征值和动态变权重系数,运用可变模糊集理论计算确定评估体系风险水平综合隶属度及风险级别特征值,具体步骤如下:
1)确定高层建筑电气火灾风险评估体系的点值矩阵
根据所述的指标评分等级标准确定评估指标的评分区间矩阵,将各指标按照m个级别划分为评价区间,按从最差到最好从一级到m级排列,区间等级按评估指标评分等级标准顺序由差到优分布,可得到指标评价区间矩阵Iab([a,b]ik)n×m,其中k(k=1,2…m;m为最大级别数)表示第k个级别标准,i(i=1,2…n;n为指标总数)表示第i个评估指标;
将所述的指标评价区间矩阵进行转换得到指标可变区间范围矩阵Icd([c,d]ik)n×m,最后可确定高层建筑电气火灾风险评估的点值矩阵Mik,其计算公式为:
2)确定高层建筑电气火灾风险评估体系相对隶属度
将高层建筑电气火灾风险评估指标特征值Xi与点值矩阵Mik的进行比较,若xi位于Mik的左侧,该指标相对隶属度的计算公式为
若xi位于Mik的右侧,该指标相对隶属度的计算公式为
最后通过将各指标对应的相对隶属度矩阵进行归一化,得到相对隶属度的矩阵μA(xi)k。
3)确定高层建筑电气火灾风险评估体系综合隶属度和风险等级特征值
确定高层建筑电气火灾风险评估体系综合隶属度和风险等级特征值,在步骤4第2)步中计算得到各指标的相对隶属度矩阵后,通过公式
其中wi为各指标权重,p为可变参数,p=1为海明距离,p=2为欧式距离;α为优化准则参数,α=1为最小一乘准则,α=2为最小二乘准则,因此存在四种参数组合,即得到不同参数组合的整体评估体系对级别等级k的非归一化综合相对隶属度U,进行归一化得到整体评估体系的综合隶属度令K为级别矩阵K=[1,2,…k],通过公式可求出评估对象风险级别特征值H,最后将四种参数情况得到的特征值通过公式(j=1,2,3,4,代表α、p的四种组合情况)取均值得到进行最终综合风险等级特征值。
步骤5:基于步骤4所计算得到的风险级别特征值,对照风险等级划分标准得到高层建筑电气火灾风险等级,具体步骤如下:
1)风险等级划分
建立高层建筑电气火灾评估体系风险等级划分标准,具体见表2。
表2高层建筑电气火灾风险等级划分
2)根据判断准则确定风险等级
结合判断准则:若归属于1级;若归属于k级,偏(k-1)级,且(k=2,3,…m-1);若归属于k级,偏(k+1)级,且(k=2,3,…m-1);若归属于m级,判断高层建筑电气火灾风险等级,以进行下一步的火灾风险管控措施。
实施案例:
选取中国武汉某公司的办公大楼为案例,该楼建筑高度为32m,共9层,符合《建筑防火设计规范》民用高层建筑的定义。
步骤1,建立高层建筑电气火灾风险评估体系和评分等级区间,由图2可知建立的评估体系分为3个一级指标、8个二级指标和28个三级指标,根据建筑防火设计标准和电气行业防火规范建立及对照评估对象的实际情况确定评估指标评分等级区间,具体见表3。
表3高层建筑电气火灾评估指标评分等级区间
步骤2,模糊层次分析法求评估体系常权重见表4。
表4高层建筑电气火灾评估体系指标常权重系数
步骤3,评估指标评分特征值和异常数量标准化,求动态均衡权重,具体见表5。
表5评估指标对应标准值及变权重
步骤4,运用可变模糊集理论确定高层建筑电气火灾风险评估体系风险水平综合隶属度及风险级别特征值,由高层建筑电气火灾风险评估指标评分等级区间可得指标标准区间矩阵为可变区间矩阵为由公式(2)得到点值矩阵M,根据表6中的评估指标评分特征值及公式(3)、(4)可得到相对隶属矩阵μA(xi)k,
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于改进均衡权重和可变模糊集的电气火灾风险评估方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1:根据建筑防火设计规范及电气行业防火设计规范建立高层建筑电气火灾综合风险评估体系,将高层建筑电气火灾风险评估指标分为一级指标、二级指标和三级指标;并确定评估指标评分标准,将高层建筑电气火灾风险评估指标评分等级标准划分为安全、较安全、低风险、中风险和高风险五个等级;
步骤2:采用模糊层次分析法求步骤1所建立的高层建筑电气火灾风险评估体系中各级指标常权重系数;
步骤3:结合步骤1所确定的评估指标评分等级标准对待评估对象进行评分,得到指标评分特征值和统计评估指标异常个数并结合步骤2所计算得到评估体系常权重系数,采用均衡函数计算三级指标的动态变权重系数;
步骤4:根据步骤1确定的评估指标评分标准和步骤3所得出的指标评分特征值和动态变权重系数,运用可变模糊集理论计算确定评估体系风险水平综合隶属度及风险级别特征值;
步骤5:基于步骤4所计算得到的风险级别特征值,对照风险等级划分标准得到高层建筑电气火灾风险等级。
3.根据权利要求1所述的基于改进均衡权重和可变模糊集的电气火灾风险评估方法,其特征在于,所述的步骤3,结合步骤1所确定的评估指标评分等级标准对待评估对象进行评分,得到指标评分特征值和统计评估指标异常个数并结合步骤2所计算得到评估体系常权重系数,采用均衡函数计算三级指标的动态变权重系数具体包括以下步骤:
步骤3.1:首先结合步骤1所建立的评估指标评分等级标准对评估对象进行评分,将得到的评分值实测评分值进行标准化,根据建立的评估指标评分等级区间标准,采用极值标准化公式xi为第i个评估指标的评分,i=1,2,3,…,m(m为三级指标总数);xi′为评估指标评分标准化的值,xmax对应指标评分等级区间的最大值,xmin对应指标评分等级区间的最小值;其次对所述一级指标电气火灾固有风险和电气火灾危险源下的三级评估指标的异常数量进行标准化,对不同楼层或不同电气系统评估单元进行电气火灾固有风险和电气火灾危险源指标层评估指标进行评分时,当指标评分小于60时,认为该指标为异常状态,需记录其个数,对应的极值标准化公式xi为第i个评估指标的异常数量个数,i=1,2,3,…,m(m为三级指标总数);si′为评估指标异常个数标准化的值,smax对应指标评估总数量,smin对应指标异常个数在安全情况下的最小值;
4.根据权利要求1所述的基于改进均衡权重和可变模糊集的电气火灾风险评估方法,其特征在于,所述的步骤4,根据步骤1确定的评估指标评分标准和步骤3所得出的指标评分特征值和动态变权重系数,运用可变模糊集理论计算确定评估体系风险水平综合隶属度及风险级别特征值具体包括以下步骤:
步骤4.1:确定高层建筑电气火灾风险评估体系的点值矩阵,首先根据所述的指标评分等级标准确定评估指标的评分区间矩阵,将各指标按照m个级别划分为评价区间,按从最差到最好从一级到m级排列,区间等级按评估指标评分等级标准顺序由差到优分布,可得到指标评价区间矩阵Iab([a,b]ik)n×m,其中k(k=1,2…m;m为最大级别数)表示第k个级别标准,i(i=1,2…n;n为指标总数)表示第i个评估指标;通过公式将所述的指标评价区间矩阵进行转换得到指标可变区间范围矩阵Icd([c,d]ik)n×m,最后可确定高层建筑电气火灾风险评估的点值矩阵Mik,
步骤4.2:确定高层建筑电气火灾风险评估体系相对隶属度,将所述的评估指标特征值Xi与点值矩阵Mik的进行比较,若xi位于Mik的左侧,该指标相对隶属度的计算公式为若xi位于Mik的右侧,该指标相对隶属度的计算公式为最后通过将各指标对应的相对隶属度矩阵进行归一化,得到相对隶属度的矩阵μA(xi)k;
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