基于贝叶斯网络的商场单樘防火卷帘可靠性分析_刘伯禹.pdf

第 44 卷 第 3 期安全Vol44 No32023 年 3 月Safety SecurityMar 2023引用格式:刘伯禹，李孝斌，李晨尧，等基于贝叶斯网络的商场单樘防火卷帘可靠性分析 J 安全，2023，44(3):3135作者简介:刘伯禹(1997)，男，甘肃白银人，硕士研究生，主要从事建筑防火研究。Email:2535146970qqcomDOI:1019737/jcnkiissn10023631202303005基于贝叶斯网络的商场单樘防火卷帘可靠性分析刘伯禹李孝斌教授李晨尧崔裕田(中国人民警察大学 防火工程学院，河北 廊坊 065000)【摘要】为得出我国商场单樘防火卷帘的可靠度，本文根据已掌握的防火卷帘故障数据，结合单樘防火卷帘启动原理，建立贝叶斯网络拓扑结构，通过 Netica 软件计算得出我国商场中常见的单樘防火卷帘可靠度为 713%。然后，对贝叶斯网络拓扑结构中的各节点进行敏感度分析，得出现阶段影响我国商场单樘防火卷帘可靠度的主要因素是防火卷帘降落过程中是否有物品遮挡和机械控制系统是否故障，并提出提高其可靠度的相关方案。【关键词】商场;防火卷帘;可靠性;贝叶斯网络中图分类号:X932文献标识码:A文章编号:10023631(2023)03003105eliability Analysis on Singleframe Fire esistant Shutter inShopping Mall Based on Bayesian NetworkLIU BoyuLI XiaobinLI ChenyaoCUI Yutian(Department of Fire Engineering，China Peoples Police University，Langfang Hebei 065000，China)Abstract:In order to obtain the reliability of singleframe fireresistant shutters in shopping malls in China，in this paper，a Bayesian network topology was established based on the fault data of fireresistant shuttersand the startup principle of singleframe fireresistant shutters The reliability of singleframe fireresistantshutters that are common in shopping malls in China was calculated to be 713%by using Netica softwareThe sensitivity analysis of each node in the Bayesian network topology was carried out It is concluded thatthe main factors affecting the reliability of singleframe fireresistant shutters in shopping malls in China arethe item blocking and the fault of the mechanical control system during the falling of the fireresistant shutterelevant schemes to improve the reliability of fireresistant shutters were proposedKeywords:shopping mall;fireresistant shutter;reliability;bayesian network0引言随着我国城市基础设施建设的快速发展，越来越多的中庭商场建筑在各地应运而生，设计师们为了追求中庭空间上的开阔性、整体性及通透性，通常选用防火卷帘代替防火墙作防火分隔。然而，防火卷帘由于各种原因，其可靠性一直让人担忧1。例如，发生在 2022 年 6 月 13 日的鄂尔多斯购物中心火灾，由于发生火灾时，位于中庭的防火卷帘大多数未降落，导致火灾蔓延范围进一步扩大，最终造成不可估量的经济损失。因此制定提高防火卷帘可靠度的措施是很有必要的。除此之外，现阶段13风险2023 年第 3 期基于贝叶斯网络的商场单樘防火卷帘可靠性分析我国对中庭商场建筑进行消防性能化设计时，设计师们大多并没有考虑防火卷帘的可靠度，而这样确定出来的建筑消防安全水平是不够精准的，所以本文拟通过研究商场中的单樘防火卷帘的可靠度，为商场的消防安全水平提供更详细的定量化分析，为消防管理人员改进消防系统的维护工作、开展火灾风险评估，提供统计管理模型和数据支持。消防设施可靠性研究是建立在安全系统可靠性研究的基础上。Daniel 等2 对20062007 年瑞典的自动喷水灭火系统故障进行统计，确定瑞士建筑的自动喷水灭火系统的可靠性;Hall3 调查美国20032007 年的火灾事故，根据统计理论研究消防系统的可靠性和灭火性能;Khalid 等4 通过故障树分析得到澳大利亚高层写字楼自动喷水灭火系统的可靠性;Mohammad 等5 通过故障树分析法确定火灾报警系统故障的根本原因，结合模糊集理论及专家评测得到故障概率，最后利用动态贝叶斯网络评估火灾报警系统的可靠性。在国内，重庆大学的范海英6 通过数据统计分析得出消防给水系统中各类元件的可靠性;屈连松7 通过建立可靠性模型，研究喷淋、雨淋等系统的可靠性;潍坊大学的Chen8 通过工艺流程图(Process Flow Diagram，PFD)计算并结合共因失效，采用 PDS(Plant DesignSystem)方法对某学生公寓火灾预警系统火灾报警系统进行可靠性分析。以上成果大多要求得出的各个基本事件发生概率信息完整，然后通过可靠性框图、故障模式、影响和危害性分析(Failure Modeand Effect Analysis，FMEA)、故障树分析、事件树分析等方法，得到消防设施可靠性。但是要想获得某一系统中所有基本事件的概率是相当困难的，所以以上方法具有一定局限性。相比其他消防设施来说，防火卷帘可靠性研究及故障统计的相关数据比较少。英国著名保险公司 Aviva9 在其计划书中将防火卷帘的启动成功率默认为 50%70%，并将故障模式划分为启动延迟、没有启动、卷帘未成功关闭、在关闭前火灾已蔓延 4种情况;韩国的权荣珍等10 根据消防队员对防火卷帘检查的结果统计得出防火卷帘运行成功的概率为82%;在我国，李莹等11 结合贝叶斯基本理论，计算在控火成功条件下自动喷水灭火系统和卷帘系统的可靠度;荆州支队的余后从12 通过一次对防火卷帘安全检查的结果，得出在受检的 202 组防火卷帘中，有 45 组存在问题不能下降，并按照电源系统故障、机械系统故障、火灾报警系统故障、防火卷帘被物 品 遮 挡 的 概 率 进 行 分 类，分 别 是 20 0%、133%、267%、400%;随后谭世立、梁海军13 在前人研究的基础上探究防火卷帘失效的相关原因，并就提高其可靠性给出建议。对于防火卷帘的可靠性研究，国内外学者只是基于不多的统计数据及故障率，对其可靠性进行分析，没有考虑到部件与部件之间的故障关联性，所以并不具有代表性。鉴于此，笔者希望通过已掌握的防火卷帘故障数据结合单樘防火卷帘的启动原理，通过建立贝叶斯网络拓扑结构，得出商场单樘防火卷帘门在发生火灾时启动概率，以期为相关性能化消防设计等提供设计依据。1贝叶斯网络的基本概念和原理1 1定理贝叶斯定理是 1985 年由英国数学家 JudeaPearl 首次提出，他将人类已掌握的先验概率及条件概率巧妙地结合在一起，根据新的证据变化，推算出后 验 概 率 的 过 程。并 以 一 种 有 向 无 环 图(Directed Acyclic Graph，DAG)呈现出来，贝叶斯定理具体表现如下14:p(A B)=P(AB)P(B)(1)可以转化为下列形式:p(AB)=P(A B)P(B)(2)p(AB)=P(B A)P(A)(3)由公式(1)(3)可以推导出贝叶斯公式:P(B A)=P(A B)P(B)P(A)(4)式中:P(A)事件 A 发生的全概率;P(B)事件 B 的先验概率;P(A B)条件概率;P(B A)后验概率;P(AB)联合概率，事件 A 和 B 同时发生的概率大小。1 2基本概念先验概率是指根据以往的经验或者是客观数据等反映出事件发生概率，其并未得到实验验证所以是一种估算概率，如 P(B)为先验概率。条件概率是指某个时间在特定条件下发生的概率或者可能性。如 P(A B)为条件概率，表示事件 A 在事件 B 发生条件下的概率。联合概率是指任意 2 个事件同时发生的概率，232023 年第 3 期风险基于贝叶斯网络的商场单樘防火卷帘可靠性分析如 P(AB)为联合概率，表示事件 A 和 B 同时发生的概率大小。全概率公式是指影响事件 A 发生的所有事件B1，B2，Bn全部发生时，事件 A 发生的概率，其中B1，B2，Bn应当满足如下关系:BiBj=(i，j=1，2，n;i j)(5)而且当 P(Bi)=1，P(Bi)0(i=1，2，n)，则必有:P(A)=P(Bi)P(A Bi)(6)后验概率是指在得到某些新的证据后，获得的更加符合实际情况的概率估计。如 P(B A)为后验概率，P(B)为先验概率，P(A B)在先验概率的条件下，在新的证据(A)出现的情况下获取的似然概率，P(A)为事件 A 发生的全概率。2防火卷帘的贝叶斯分析步骤根据贝叶斯网络原理，单樘防火卷帘可靠性的贝叶斯分析步骤为:确定节点;建立贝叶斯网络模型;确定网络结构中节点的概率分布;分析计算。2 1模型建立211确定节点根据 GB 141022005 防火卷帘 中的规定，得出防火卷帘的启动方式主要分为:火灾自动联控装置启动、温控启动、人工启动 3 种方式15。火灾自动联控装置，防火卷帘门一般都是要求连接消防中央控制系统，在发生火灾时，防火分区的烟感探测器会探测到烟雾信号，向消防中央控制系统发送报警信号，中央控制系统在识别火情后，向相应区域的防火卷帘门发出指令，使该区域的防火卷帘门按照预先设置的工作模式下降。温控启动是指当火灾烟气蔓延至卷帘处，感温元件温度上升到 73附近时，温控装置通过控制熔断器并依靠卷帘自重使卷帘下降。人工启动是指发生火灾时，人们通过防火卷帘两侧设置的手动控制按钮使防火卷帘下降的方式。综上，本文根据单樘防火卷帘的启动原理，画出单樘防火卷帘启动流程图，如图 1。根据图 1 可以确定贝叶斯网络中的节点，对于影响防火卷帘启动的每个因素都应被视作一个节点。但是出于简化计算的目的，性质接近的节点应合并为一个节点，如卷门控制器、卷门机、传动装置都是影响防火卷帘启动的原因，由于它们都是属于机械系统，因此把其合并为一个节点 机械控制。图 1单樘防火卷帘启动流程图Fig1The startup flow chart of the singleframe fireresistant shutter212建立模型根据图 1 得到的贝叶斯网络中的各节点，建立贝叶斯网络模型，如图 2。图 2单樘防火卷帘启动的贝叶斯网络模型Fig2The Bayesian network model for the startup of thesingleframe fire resistant shutter注:X1电源正常启动;X2感烟探测器启动;X3火灾联动控制正常;X4感温探测器启动;X5熔断器工作正常;X6人工手动打开控制阀;X7机械无故障;X8运行过程中无物品遮挡;X9防火卷帘启动2 2分析计算221确定网络结构中各节点的概率分