【摘要】 依據(jù)建筑物火災(zāi)危險(xiǎn)性的影響因素，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及系統(tǒng)安全方法，建立了建筑物火災(zāi)危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，該方法擺脫了評(píng)價(jià)過程中的隨機(jī)性和參評(píng)人員主觀上的不確定性及其認(rèn)識(shí)上的模糊性等缺點(diǎn)，大大提高了準(zhǔn)確性。為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確性，將該理論應(yīng)用到某高校圖書館火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，快速、準(zhǔn)確地得到了安全評(píng)價(jià)結(jié)果，取得了滿意效果，為建筑物防火設(shè)計(jì)以及安全管理提供了可行的依據(jù)。

　　【關(guān)鍵詞】 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)；建筑物火災(zāi)；安全評(píng)價(jià)；訓(xùn)練；系統(tǒng)誤差

　　0 引言

　　20世紀(jì)世界各國都經(jīng)歷了大規(guī)模城市化的過程，建筑業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，不僅各種建筑物的數(shù)量大大增加，而且這些建筑的使用功能和所使用的建筑材料也發(fā)生了巨大的變化，建筑物內(nèi)使用的電力、熱力設(shè)施大大增加，從而使火災(zāi)危險(xiǎn)程度發(fā)生了很大變化。城市化的加快，造成城市建設(shè)急功近利，盲目性很大，因而使城市規(guī)劃缺少理性支撐，缺少系統(tǒng)防災(zāi)計(jì)劃，安全防范水平不高，導(dǎo)致了大部分城市抗御火災(zāi)的能力極差，存在大量的火災(zāi)隱患。所以火災(zāi)起數(shù)及損失隨著城市化和現(xiàn)代化城市進(jìn)程的加快呈上升趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1991-2000年10年間，我國的城市數(shù)量上升48.7%，建制鎮(zhèn)數(shù)量上升83.7%，城鎮(zhèn)總?cè)丝谏仙?3.3%。與此同時(shí)，城市火災(zāi)起數(shù)上升82%，死、傷人數(shù)分別上升59%和13%，直接財(cái)產(chǎn)損失上升58%。

　　隨著城市化建設(shè)的飛速發(fā)展，安全管理評(píng)價(jià)工作在城市綜合防災(zāi)減災(zāi)方面，占有越來越重要的地位，目前，安全管理的評(píng)價(jià)方法有很多。如層次分析法、灰色系統(tǒng)評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，并取得了較好的評(píng)價(jià)效果。但是由于上述方法都缺乏自學(xué)習(xí)的能力，而且很難擺脫評(píng)價(jià)過程中的隨機(jī)性和參評(píng)人員主觀上的不確定性及其認(rèn)識(shí)上的模糊性等，使得這些方法在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制，已遠(yuǎn)不能適應(yīng)新形勢(shì)的需要。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人的大腦活動(dòng)，具有極強(qiáng)的非線性轉(zhuǎn)換能力、大規(guī)模并行處理、自訓(xùn)練學(xué)習(xí)、自組織、內(nèi)部有大量可調(diào)參數(shù)而使系統(tǒng)靈活性強(qiáng)等能力。它不僅能較好地吸取領(lǐng)域?qū)＜业脑u(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)，并且還具備評(píng)價(jià)方法的規(guī)范性，較高的抗噪聲干擾能力和容錯(cuò)性，一定的自組織、自適應(yīng)性，具有較高的求解效率，表現(xiàn)出多種優(yōu)越性能，所以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于建筑物火災(zāi)安全評(píng)價(jià)之中，能克服上述安全評(píng)價(jià)方法的一些缺陷，大大提高其準(zhǔn)確性，并能快速、準(zhǔn)確地得到安全評(píng)價(jià)結(jié)果，為建筑物安全管理與控制提供快捷和科學(xué)的決策信息，從而及時(shí)預(yù)測、控制事故，減少事故損失。

　　1 建筑物火災(zāi)危險(xiǎn)性的影響因素及指標(biāo)體系的建立

　　建筑物火災(zāi)是由多個(gè)火災(zāi)誘發(fā)系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。其主要影響因素如下：

　　1)消防安全管理，完善的規(guī)章制度和火災(zāi)疏散預(yù)案、設(shè)置專門值班人員、定期對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行檢修，是提前發(fā)現(xiàn)問題的最好手段。

　　2)建筑物自身狀況，建筑物的墻體、構(gòu)件、內(nèi)部裝修的燃燒物質(zhì)性質(zhì)、室內(nèi)火災(zāi)載荷等，對(duì)其控火能力有重要的影響。

　　3)建筑物的防火設(shè)計(jì)，合理的防火結(jié)構(gòu)與布局，防火、防煙分區(qū)，以及通風(fēng)空調(diào)體系采用良好的防火設(shè)計(jì)，能夠在火災(zāi)發(fā)生的初期階段截?cái)嗥渎�延，將火�?zāi)控制在一定的范圍之內(nèi)。

　　4)安全疏散設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)合理的疏散通道和疏散指示標(biāo)記以及應(yīng)急照明，足夠數(shù)量的安全出口以及足夠?qū)挸ǖ陌踩�通道，能夠使人員傷亡降到最低。

　　5)商品性質(zhì)，建筑物發(fā)生火災(zāi)，很大程度上是由于建筑物內(nèi)設(shè)備(商品)的易燃性引起，因此。把握易燃物品的數(shù)量及其燃燒性能，定期檢查違章使用狀況。是預(yù)防建筑火災(zāi)的重要途徑之一。

　　6)群集特性，合理限制建筑物內(nèi)單位時(shí)間的人流量，人的良好安全意識(shí)與安全行為、人的身體狀況與逃生技能，是減少火災(zāi)發(fā)生后人員傷亡程度的主要途徑。

　　根據(jù)以上分析，筆者認(rèn)為，可以建立如下的建筑火災(zāi)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見表1)。

　　表1 建筑物火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

 

　　2 用于安全評(píng)價(jià)問題求解的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡單的基本元件——神經(jīng)元相互聯(lián)結(jié)，模擬人的大腦神經(jīng)處理信息的方式，進(jìn)行信息并行處理和非線形轉(zhuǎn)換的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息是通過信息樣本對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，使其具有人的大腦的記憶、辨識(shí)能力，完成各種信息處理功能。該理論具有良好的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、聯(lián)想記憶、并行處理和非線形轉(zhuǎn)換的能力，避免了復(fù)雜數(shù)學(xué)報(bào)導(dǎo)，在樣本缺損和參數(shù)漂移的情況下，仍能保證穩(wěn)定的輸出。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種模擬人腦智力的特性，受到學(xué)術(shù)界的高度重視和廣泛研究，已經(jīng)成功地應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，如模式識(shí)別、圖像處理、語音識(shí)別、智能控制、虛擬現(xiàn)實(shí)、優(yōu)化計(jì)算、人工智能等領(lǐng)域。

　　2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)價(jià)過程圖

　　根據(jù)前饋多層式網(wǎng)絡(luò)中的取反向傳播模型原理，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)價(jià)過程圖(見圖1)，簡要地說明了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)過程。

 

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)價(jià)過程圖

　　起初評(píng)價(jià)時(shí)輸入分為3部分：①啟動(dòng)樣本(通過灰色聚類獲得的樣本)；②安全標(biāo)準(zhǔn)值樣本(經(jīng)處理后的安全標(biāo)準(zhǔn)樣本)；③輸入對(duì)應(yīng)的樣本訓(xùn)練目標(biāo)值。經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)后得到了安全評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu))，基于安全評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫，輸入評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)處理，經(jīng)處理后可得到安全評(píng)價(jià)結(jié)果。同時(shí)又可以將新得到的安全評(píng)價(jià)結(jié)果生成新的樣本，再次進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，更新數(shù)據(jù)庫。隨著網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練使評(píng)價(jià)的結(jié)果更加精確。當(dāng)訓(xùn)練樣本得到一定數(shù)量時(shí)，會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練收斂難度，可采取隨機(jī)從數(shù)據(jù)庫中提取一定的訓(xùn)練樣本的辦法，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，更新數(shù)據(jù)庫。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)、各層的節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)的連接方式等組成。在以BP網(wǎng)絡(luò)為代表的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，只有相鄰層上的節(jié)點(diǎn)相連接，節(jié)點(diǎn)間的連接強(qiáng)度用權(quán)值來表示，因此，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)只涉及網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)和各層的神經(jīng)元數(shù)。

　　前饋網(wǎng)絡(luò)采用典型、應(yīng)用領(lǐng)域最多的BP網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)層數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能具有重要的影響。嚴(yán)格意義上講，確定網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的方法是通過大量實(shí)際問題的求解來尋求最合適的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。

　　在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的層數(shù)確定以后，各層數(shù)的神經(jīng)元數(shù)同樣是關(guān)鍵參數(shù)，其神經(jīng)元數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練及其收斂速度有顯著的影響。在筆者所需要解決的建筑物火災(zāi)安全評(píng)價(jià)問題上，對(duì)應(yīng)于各評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出層的神經(jīng)元數(shù)是確定的，可以調(diào)整的參數(shù)是隱含層的神經(jīng)元數(shù)量。

　　綜合考慮了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的安全評(píng)價(jià)問題，選定了如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用4層網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)描述為(P-S1-S2-A)，其中輸入矢量P、第一隱含層的神經(jīng)元數(shù)S1、第二隱含層的神經(jīng)元數(shù)S2以及輸出層A。由于建筑物火災(zāi)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各單元體系的指標(biāo)數(shù)不同，輸入矢量數(shù)P不同；輸出層的單元數(shù)在文中的問題求解中，由于只有一個(gè)輸出，故輸出層只有一個(gè)神經(jīng)元。兩個(gè)隱含層的神經(jīng)元數(shù)將根據(jù)各評(píng)價(jià)單元的訓(xùn)練收斂情況進(jìn)行調(diào)整。

 

圖2 建筑物火災(zāi)安全評(píng)價(jià)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　原始數(shù)據(jù)的訓(xùn)練結(jié)果期望目標(biāo)值與評(píng)價(jià)結(jié)果的輸出格式如表2所示。

表2 安全評(píng)價(jià)輸出結(jié)果等級(jí)的劃分對(duì)照表

 

　　3 建筑物火災(zāi)安全評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)能力的訓(xùn)練

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本輸入數(shù)據(jù)的初始化方法

　　由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，傳遞激活函數(shù)是訓(xùn)練的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而傳遞函數(shù)的特性要求其信息的輸人數(shù)據(jù)在[0，1]區(qū)間內(nèi)，因此，必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練所需的原始樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，轉(zhuǎn)化為分布于[0，1]區(qū)間范圍的數(shù)據(jù)，這是網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過程的基礎(chǔ)工作。初始化的具體方法取決于原始數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)，根據(jù)每個(gè)輸入數(shù)據(jù)中的最大值來確定初始化的數(shù)量級(jí)，根據(jù)式(1)進(jìn)行。

 

式中，

　　Pij——初始化后的用于網(wǎng)絡(luò)輸入的數(shù)據(jù)；

　　Xij——原始采集數(shù)據(jù)；

　　N——使原始數(shù)據(jù)中各指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的最大值max(Xij)轉(zhuǎn)化為[0，1]范圍的數(shù)據(jù)的值，通過試算得到。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)和待評(píng)建筑物安全數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

　　根據(jù)某高校圖書館提供的建筑物火災(zāi)原始數(shù)據(jù)分析和整理而得到的27個(gè)實(shí)例樣本作為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的安全評(píng)價(jià)模型的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，并分別對(duì)安全管理因素訓(xùn)練樣本、群集特性因素訓(xùn)練樣本、商品性質(zhì)因素訓(xùn)練樣本、安全疏散因素訓(xùn)練樣本、防火設(shè)計(jì)因素訓(xùn)練樣本、建筑情況因素訓(xùn)練樣本各個(gè)分級(jí)單元指標(biāo)的27個(gè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。為了使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到較小的系統(tǒng)總誤差，訓(xùn)練最大步數(shù)選擇要大一些，評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的好壞也都用系統(tǒng)誤差來刻畫。在計(jì)算機(jī)試算過程中發(fā)現(xiàn)，并不是網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)誤差越小，網(wǎng)絡(luò)的推理能力也越強(qiáng)。也就是說，網(wǎng)絡(luò)存在最佳的訓(xùn)練步數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差和評(píng)價(jià)誤差都達(dá)到要求，避免網(wǎng)絡(luò)過度訓(xùn)練而出現(xiàn)“麻痹”現(xiàn)象，最佳的訓(xùn)練步數(shù)需要多次運(yùn)算才能得到。

　　3.3 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程及其建筑物火災(zāi)安全評(píng)價(jià)結(jié)果

　　根據(jù)單元評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)確定，并根據(jù)上述的各個(gè)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)完全識(shí)別了所給的學(xué)習(xí)樣本，達(dá)到要求的誤差并確定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)權(quán)值后，訓(xùn)練結(jié)果表明了網(wǎng)絡(luò)汁算值與期望輸出值的分布情況，訓(xùn)練過程的誤差、學(xué)習(xí)率、最大迭代次數(shù)以及實(shí)際所用的循環(huán)次數(shù)，各個(gè)單元指標(biāo)的訓(xùn)練特征分別如圖3～圖8所示。所有圖的上半部分為訓(xùn)練誤差的變化情況，下半部分為學(xué)習(xí)率動(dòng)態(tài)調(diào)整的變化狀態(tài)，圖形表明網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練均達(dá)到收斂狀態(tài)。

 
圖3 安全管理因素訓(xùn)練過程監(jiān)測

 
圖4 群集特性因素訓(xùn)練過程監(jiān)測

 
圖5 商品性質(zhì)因素訓(xùn)練過程監(jiān)測

 
圖6 安全疏散因素訓(xùn)練過程監(jiān)測

 
圖7 防火設(shè)計(jì)訓(xùn)練過程檢測

 

  圖8 建筑情況因素訓(xùn)練過程監(jiān)測

　　經(jīng)過大量計(jì)算后，由訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)得到完成訓(xùn)練并達(dá)到收斂條件后的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重參數(shù)，作為待評(píng)建筑物火災(zāi)各單元指標(biāo)體系參數(shù)計(jì)算的依據(jù)，安全評(píng)價(jià)的計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

　　從表3所示的評(píng)價(jià)結(jié)果可知，待評(píng)建筑物安全狀況的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符。結(jié)合該圖書館的特點(diǎn)及安全狀況，由于客觀條件限制，沒有真正處于完全安全狀態(tài)的建筑物，存在導(dǎo)致事故的隱患，但完全消除隱患在我國消防技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下還是可能的。因此，評(píng)價(jià)結(jié)果大部分處于“較安全”狀態(tài)，該結(jié)果在我國建筑物中具有普遍性，同時(shí)也證明了安全評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

　　4 結(jié)論

　　1)把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論引入建筑物火災(zāi)安全管理評(píng)價(jià)中，建立建筑物火災(zāi)安全管理新的評(píng)價(jià)模型，在一定程度上彌補(bǔ)了現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法的不足，并且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論將為建筑物火災(zāi)的安全管理提供科學(xué)的決策信息，從而避免事故的發(fā)生。

　　2)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的建筑物火災(zāi)安全評(píng)價(jià)，有利于城市的防火規(guī)劃的制定，有利于城市消防的宏觀調(diào)控，有利于城市消防防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策的完善。因此，該研究對(duì)城市生命線系統(tǒng)的日常管理、工程監(jiān)控及減災(zāi)對(duì)策的綜合研究以及適合于區(qū)域發(fā)展的使用系統(tǒng)的建立和完善具有積極的意義，并且還可為城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供現(xiàn)代化的管理和決策方法。

　　表3 待評(píng)建筑物安全評(píng)價(jià)結(jié)果匯總表