刘志浩胡定煜

（中国人民武装警察部队学院，河北 廊坊 065000）

基于FTA⁃AHP模型的动车组列车火灾风险分析

刘志浩，胡定煜

（中国人民武装警察部队学院，河北 廊坊 065000）

采用事故树分析（FTA）与层次分析（AHP）相结合的方法对动车组列车火灾风险进行分析，并求得各指标层对目标层的影响权重，同时还将单独的FTA方法与FTA⁃AHP方法进行了比较，总结出FTA⁃AHP方法的优点，解决了在动车组列车火灾风险分析中的什么是重点的问题。结果表明：对动车组列车火灾风险影响较大的因素依次为，列车材料耐火等级、火灾报警系统、防火巡查、电气系统的安全状况、消防设施的维护等，必须首先从这些因素入手来控制动车组列车火灾风险。

事故树分析；层次分析；动车组；火灾风险

0 引言

随着铁路交通技术的不断发展，动车组列车作为即经济快捷又安全舒适的出行方式为社会公众所喜爱，2017年1月5日我国铁路总公司发布了全国铁路最新列车运行图，数据显示全国铁路开行旅客列车总数达3570.5对，其中动车组列车2332.5对，比例已经超过了65%。据国务院新闻办公室于2016年12月29日发表的《中国交通运输发展》白皮书显示，到2020年，高速铁路营业里程达到3万公里，将覆盖80%以上的大城市［1］。动车已经进入加密时代，动车组的数量将不断增加，然而随着动车组数量的增加，其火灾事故风险发生的几率也会随之提升，虽然到目前为止国内尚未发现关于动车组列车火灾事故的报道，但作为高速运行（时速200km及以上）的列车一旦发生火灾事故，不仅会造成大量的人员伤亡和财产损失，同时还会导致我国铁路交通的局部瘫痪。为了保证人员、财产的安全以及交通要线的畅通，本文通过将事故树分析（FTA）与层次分析（AHP）相结合的方法来研究动车组列车的火灾危险性，并最终提出相应的防范建议。

1 国内外对动车组列车火灾研究动态

目前国际上动车组列车有多种型号，如中国的CHR、日本的新干线、法国的 TGV、比利时的HSL－1以及连接英法两国的欧洲之星等，因此国外相应领域的专家学者也在进行着积极地研究，如英国专家保罗·曼先生采用故障树和事件树相结合的方法建立模型，并用于预测高速列车上的火灾频率［2］。

2007年我国铁道部颁布了《动车组消防安全管理暂行规定》，标志着我国在动车组列车消防管理方面有了行业的标准。国内学者也从多个方面对动车组列车火灾进行了研究，如张山虎利用FDS软件模拟建立动车组列车存车场火灾三维实体模型，对4种不同火灾场景下动车组列车火灾时的烟气蔓延、热辐射通量变化进行研究［3］；梁君海等利用PyroSim火灾模拟软件对我国CRH2型动车组列车进行了火灾情况下车厢内部各处的烟雾浓度、温度及热释放速率等的数值分析研究［4］；宋悦菡等利用 BuildingEXODUS软件模拟了不同火灾条件下CRH1型动车组列车的人员疏散过程，并进行分析提出了优化方案［5］；丁江沨通过对国外高速列车防火标准、火灾起火原因、火灾危害识别三个方面的对比分析，提出了有效降低高速列车运行中火灾风险的控制措施［6］；孙少婧等针对高速动车组设计了智能化的火灾报警系统［7］。从这些文献中可以看出，我国学者对动车组列车火灾的研究多致力于火灾烟气、热释放、人员疏散以及火灾报警系统方面，缺乏较为体系的火灾风险分析。

2 动车组列车运行系统特点

目前我国运行的动车组列车主要有四种，且均为电力性动车组，分别是 CRH1、CRH2、CRH3和CRH5，在这些型号的动车组的装备大致相同，如配电系统、辅助供电系统、蓄电池与充电机、照明系统、火灾探测系统、制动系统、动车组常见电器、空调及电气设备等。在这些系统均依靠电力驱动，外加动车组列车的动力系统也来源于外部的高压、大电流电力供应，这就使得动车组车厢内聚集了大量的通电线路、设备，这些通电线路、设备的存在既是动车组列车引发火的重要风险因素之一。同时，高速行驶的动车组列车要求车厢要与外界保持良好的密封效果，这就使得车厢内一旦发生火灾事故，那么产生的热量、烟气很难向外释放从而加大了火势的扩展。同样，高速运行中的动车组列车车厢内外存在大气压差，如果车体密封性能不良，发生火灾后不仅不能起到排烟散热的作用，反而会因车厢内气流的形成助长火势的蔓延，这种现象会随着列车运行速度的提高而越加显著。

3 动车组列车火灾FTA分析

事故树分析FTA应用较为广泛，例如胡玉娟等通过FTA法定性分析了电动车火灾事故［8］，包丽雅通过FTA法对石油储罐区火灾风险进行了定量评估［9］。FTA分析的核心内容是定性分析，因该分析方法简便易算，结果可靠，所以能够满足本研究的研究需求，同时由于国内动车组列车火灾事故资料有限，因此本文仅对事故树做定性分析。

3.1 动车组列车火灾FTA模型构建

在动车组列车运行过程中容易引发火灾的首要内部因素就是电，包括供电系统、线路以及各种设备仪器，而一些外部因素主要包括雷击、吸烟、防火等。在火灾形成及发展阶段包括火灾的报警不及时和扑救不力原因，主要从人、物、环境三方面分析。例如人的因素包括乘客的警觉性差、工作人员巡查不到位以及火灾扑救能力不足，物的因素主要包括火灾报警器以及灭火器的质量差、数量不足和部署不合理，环境因素包括列车所处的位置环境以及火灾负荷。将动车组列车火灾作为事故树的顶事件，将以上基本原因作为事故树最底层的基本事件，结合不同因素交叉事故形态关系的统计分析结果进行分类分析，构建如图1所示的动车组列车火灾事故树模型。

3.2 动车组列车火灾FTA模型定性分析

（1）最小割集的求解和分析

由布尔代数化简法可求得最小割集，如表1所示。经计算动车组列车火灾事故树共有336个最小割集，最小割集的数目较多，因此，从模型看来火灾发生的途径有336种。

（2）最小径集的求解和分析

使顶端事件不发生的基本事件的集合成为径集，事故树的最小径集是指使顶上时间不发生的最低限度的基本事件的集合，最小径集越多，火灾可控的方法也就越多。车组列车火灾事故树的最小径集如表2所示。

由表2所示控制火灾发生的途径有五种：一是控制所有的引火源（X1、X2、X3、X8、X9、X10、X11、X12）；二是控制起火物（X4、X5、X6）；三是在工作人员巡查到位的前题下（控制X7）保证有扑救火灾的能力（控制 X18、X19、X20、X21、X22、X23、X24、X25）；四是在火灾报警器正常工作在前题下（控制X7、X18、X19）保证有扑救火灾的能力（控制 X18、X19、X20、X21、X22、X23、X24、X25）；五是在保证旅客安全警惕意识下（控制X16、X17）保证有扑救火灾的能力（控制 X18、X19、X20、X21、X22、X23、X24、X25）。

（3）结构重要度求解和分析

本文的基本事件较多，有25个，如果求结构重要系数则会产生225（即33554432）个状态值，数量过于庞大，因此本文根据已求得的最小割集来判断结构重要度顺序。动车组列车火灾事故树各基本事件结构重要度排序（表3）。

图1 动车组列车火灾事故树模型Fig．1 Fault tree model of the EMU train fire

表1 最小割集Tab．1 Minimal cut set

由表3可知，动车组列车火灾事故树各基本事件结构重要度共分为6个等级。第一等级是车厢内易燃起火物，有装修材料、旅客行李以及列车内各项设备线路，当动车组列车发生火灾时就是靠这些起火物不断蔓延发展的，因此对于火灾事故而言其危险性最大；第二等级是造成火灾的引火源，包括失火、放火、自燃、雷击，由于我国铁路营运管理的严格，放火、自燃、雷击等因素相对较小，因此火灾主要由失火造成，包括吸烟、电气设备的过载、线路老化以及短路；第三等级是扑救不利因素，主要有人为因素即灭火人员不足及不会使用灭火器，环境因素即列车远离市区扑救困难、通风对流好火势发展快以及火灾负荷大；物的因素及灭火器的数量、质量和配备；第四等级是工作人员巡查不到位；第五等级是旅客的警觉性问题，主要由列车消防宣传不足及旅客疲劳所致；第六等级是火灾报警器失效，作为防火功能设计的重要一部分，火灾报警器的数量、质量以及布置对火灾的发现都起着重要作用。

作为火灾发生的三个条件之中的起火物和引火源位于风险等级的前两名，这说明该事故树的模型与实际是相符合的，是比较成功的。但是从动车组列车火灾事故树各基本事件结构重要度排序表中我们可以看出，风险等级只是近似的判断，大多数等级中包含多个同等重要度的基本事件，因此为了更精确地判断，分析动车组列车火灾风险，本文又引入了层次分析法进行进一步分析。

对于FTA⁃AHP模型的分析方法，有些学者已经运用到了相应领域，并取得了较好的效果，如张村峰等人利用FTA⁃AHP模型对高校学生宿舍火灾风险进行了分析［10］，李小菊等人通过模糊FTA与区间AHP相结合的方法研究了高层建筑火灾风险［11］，耿利红等人通过 FTA⁃AHP模型分析了高炉波纹补偿器失效的主要原因［12］。

表2 最小径集Tab．2 Minimal path set

表3 结构重要度Tab．3 Structure important degree

4 动车组列车火灾事故的AHP分析

层次分析（AHP）由美国运筹学家 T．L．Saaty教授首次提出，近年一些学者热衷于对改进的模糊AHP进行研究，但Saaty认为模糊逻辑不适用于AHP，因为在AHP中用来比较同类元素的1－9标度本身已经是模糊的了，再度模糊化没有意义［13］，此外模糊在改进判断不一致性的同时，不一定能改进结果的有效性，只会增加操作的复杂性［14］，往往会导致不可取的，而不是更理想的结果。因此本文将继续采用Saaty教授经典的AHP方法对动车组列车火灾事故的危险性进行评价。

4.1 构造层析分析模型

为了使FTA模型中各基本事件能与AHP模型很好地结合起来，首先将FTA模型中对各基本事件的描述中性化后转为AHP模型的指标层因素，然后归纳分类，确定为准则层各因素（如消防管理、防火设计、灭火能力、列车安全行驶状况和安全疏散能力），目标层即为动车组列车火灾风险，以此构造的AHP模型（表4）。

表4 火灾风险指标体系Tab．4 Fire risk index system

4.2 构造判断矩阵

通过对AHP模型中同一层次各因素之间进行重要度的两两比较，可以构造AHP的判断矩阵，其表示符号为A＝（aij）。如本文中影响动车组列车火灾危险性有的准则有5个，则可以构造判断矩阵：

每层指标的层次分析法判断矩阵是通过专家评分而获得的，在评分过程中采用1－9的比例评分标度方法。

4.3 确定单一准则下的指标权重

本文通过几何平均法（根法）对权重ωi进行计算。

然后计算判断矩阵的最大特征根λmax：

每层指标的层次分析法判断矩阵及计算结果如下（表5～10）：

4.4 一致性检验

（1）计算一致性指标CI

表5 动车组列车火灾风险Tab．5 Tire risk of EMU train

表6 消防管理Tab．6 Fire management

表7 防火设计Tab．7 Fire protection design

表8 灭火能力Tab．8 Extinguishing ability

表9 列车安全行驶状况Tab．9 Safe running condition of train

表10 安全疏散能力Tab．10 Safe evacuation capacity

（2）查找相应的平均随机一致性指标RI。对n＝1，…，9，Saaty给出了通过随机方法构造500个样本矩阵而计算得到的RI值。

（3）计算一致性比例CR

当CR＜0.10时，可以接受的该判断矩阵的一致性，否则应对该判断矩阵作出适当的调整及修正。 经计算判断矩阵 A、B1、B2、B3、B4、B5 的CR 值分别为 0.0357、0.0437、0.0605、0.0433、0.0414、0.0379 且均小于 0.1，因而各判断矩阵的一致性是可以接受的。

4.5 层次总排序及一致性检

若上一层次A包含n个因素B1，B2……Bn，其层次权重值分别为 b1，b2……bn，如果C层次某些因素对于Bi单排序的一致性指标为CIi（i＝1，2……n），相应的平均随机一致性指标为RIi，则C层次的总排序随机一致性比率［15］为：

当CR＜0.10时，可认为层次总排序结果具有较满意的一致性，分析结果可以接受。

求得：CR ＝ 0.0568，小于 0.1，所以层次总排序结果合理可接受。

5 综合分析

由表11可知，是动车组列车火灾高风险的因素（前6位）主要有：列车材料耐火等级、火灾报警系统、防火巡查、电气系统的安全状况、消防设施的维护和火灾荷载。从消防工作阶段来看，这些因素属于防火工作的主要内容，这与消防部门“预防为主，防消结合”的工作原则相吻合。这些主要因素中列车材料耐火等级与火灾荷载属于动车组列车在生产时的防火设计，是运营前期的消防投入，而火灾报警系统、防火巡查、电气系统的安全状况和消防设施的维护工作属于动车组列车在运营期间定期进行的消防安全管理工作，因此这些因素随人员素质的影响较大。

表11 层次总排序Tab．11 Hierarchical total ordering

火灾一旦发生，影响动车组列车火灾高风险的因素则主要是火灾扑救工作，然而从层次总排序中我们可以看出，列车消防人员的灭火能力仅处在第11位，这与排在第9位的灭火器因素有直接关系，由《动车组消防安全管理暂行规定》可知，动车组列车的消防器材配备为：车厢配备手提式2kgABC干粉灭火器和2L水型灭火器各2具，驾驶室配备5Kg二氧化碳或5KgABC干粉灭火器1具［16］。这些灭火剂量只能用于火灾的初期扑救，而很难对充分发展阶段的火灾起到扑灭的效果。对于火车之外消防组织的灭火能力，其权重排位则更低，处于第21位。这与第15位列车所处位置及第17位列车与消防组织的距离有较大的关联，由于火车很大程度上会远离城市，会经过隧道、高架桥梁、山脉、河流湖泊等特殊区域，受距离和地势的影响消防组织很难及时到达，因此其发挥的能力有限。火灾发生时人员疏散能力同样重要，如排在第7位的旅客数量及逃生能力，主要从人员伤亡方面影响动车组列车火灾风险。

环境因素对动车组列车火灾风险影响较小，如处于第22位的天气状况因素，但是从往年的新闻报道来看，高速行驶的动车遭受雷击的事故时有发生，而雷击会使列车配电、供电系统的高压电路发生故障会大大提高火灾发生的几率。

6 结论

对比表11与表3可知：利用FTA⁃AHP法可以弥补事故树因缺乏基本事件发生概率数据而很难进行定量分析的不足，同时可以避免在FTA分析阶段因部分基本事件结构重要度相同而无法进行针对性预防的弊端，对制定动车组列车火灾的防范措施具有一定的指导意义。

综合表11与表3分析，动车组列车火灾风险较高，火灾引发及蔓延的途径高达336种，要想降低动车组列车的火灾风险则要从以下几点入手：在设计生产阶段，首要任务是要确定合理的耐火等级、器材配置，优化动车组列车消防系统及应急疏散设计，加强动车组列车自身的防火性能，因此必须严格按照我国相关标准，TB／T 3237《动车组用内装材料阻燃技术条件》、TB／T 2640《铁道客车防火保护的结构设计》并参考德国标准DIN5510《铁路车辆预防性防火》进行严格的防火设计；在运营阶段，严格落实消防管理制度，及时排除存在的隐患，同时优化火灾扑救方案为消防组织火灾扑救提供便利条件，发挥出消防组织在动车组列车火灾扑救中的应有的重要作用。

［1］ 国务院新闻办公室．《中国交通运输发展》白皮书［ EB／OL］． http：／／www．scio．gov．cn／zxbd／wz／Document／1537339／1537339．htm， 2016 －12 －29．

［2］ Paul Mann．Fire Risk Assessment Study For a High Speed Train ［J］．PMSC， 2011，1 －23．

［3］ 张山虎．动车组列车火灾安全分析与评估研究［D］．成都：西南交通大学，2011．

［4］ 梁君海．基于PyroSim的高速动车火灾分析［J］．重庆理工大学学报（自然科学），2014，28（10）：35－37．

［5］ 宋悦菡，朱杰．高速列车二等车不同火源位置人员疏散分析及优化［J］．消防科学与技术，2016，3（1）：55 －58．

［6］ 丁江沨．高速列车火灾风险分析［J］．保险职业学院学报（双月刊），2015，29 （1）：74 －77．

［7］ 孙少蜻，苑丰彪，张凯荣，等．高速动车组智能火灾报警系统设计［J］．中国铁路，2013，4（1）：60 －63．

［8］ 胡玉娟，钱伟．基于FTA法的电动车火灾事故的分析［J］．防灾科技学院学报，2011，13（1）：23 －26．

［9］ 包丽雅．基于事件树的石油储罐区火灾风险的定量评估［J］．防灾科技学院学报，2013，15（1）：82－87．

［10］ 张村峰，卞奇侃，蒋军成．基于“事故树—层次分析法”的高校学生宿舍火灾风险分析［J］．中国安全生产科学技术，2011，7（10）：100 －105．

［11］ 李小菊，程奉梅，宋云龙．基于模糊事故树与区间层次分析法耦合的高层建筑火灾风险研究［J］．消防技术与产品信息，2013（3）：7 －11．

［12］ 耿利红，孟祥春，魏新利．基于“事故树—层次分析法”的高炉波纹补偿器失效分析［J］．冶金设备，2013（3）：25 －29．

［13］ Saaty T L， Tran L T．On the invalidity of fuzzifying numerical judgments in the analytic hierarchy process［J］．Mathematical and Computer Modelling， 2007，46（7－8）：962－975．

［14］ Saaty T L，Tran L T．Fhzzy judgments and fuzzy sets［J］．International Journal of Strategic Decision Sciences，2010， 1（1）： 23 －40．

［15］ 邓雪，李家铭，曾浩健，等．层次分析法权重计算方法分析及其应用研究［J］．数学的实践与认识，2012，42（7）：93 －100．

［16］ 中华人民共和国铁道部．《动车组消防安全管理暂行规定》［S］．北京：中国标准出版社，2007．

Train Based on FTA⁃AHP Model Analysis on Fire Risk of Electric Multiple Unit

Liu Zhihao，Hu Dingyu
（The Chinese People’s Armed Police Academy，Langfang065000，China）

The fire risk of electric multiple unit（EMU） train is analyzed by using the methods of fault tree analysis（FTA） and analytic hierarchy process（AHP）， and the influence weight of each index layer on target layer is obtained．Further， the paper， through a comparison between the FTA method and the FTA⁃AHP method， summarizes the advantages of the latter and identifies the key problem of the train fire risk analysis in EMU train．The results show that the factors influencing the fire risk of EMU train are fire⁃protection rating of train material， fire alarm system， fire prevention patrol， safety status of electrical systems， and maintenance of fire fighting facilities etc．Therefore， those above⁃mentioned factors should be given priority in controlling the risk of EMU train fire．

fault tree analysis； analytic hierarchy process； electric multiple unit； fire risk

X932 文献标识码：A 文章编号：1673－8047（2017）03－0057－09

2017－04－21

公安部技术研究计划项目（2016JSYJC55）．

刘志浩（1990—），男，硕士研究生，主要从事火灾风险评估、火灾调查方面研究。

胡定煜（1969—），男，博士，教授，主要从事消防功能材料、灾害事故应急救援方面研究。