基于“随机安全系数”的火灾安全系数计算方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了基于“随机安全系数”的火灾安全系数计算方法及系统，建立随机安全系数指数体系：定义随机安全系数，确定随机安全系数与失效概率的关系及随机安全系数与安全系数之间的关系；根据建立的随机安全系数指数体系辨识可能的火灾场景及其发生概率的计算；根据火灾场景及其发生概率确定火灾场景目标失效概率；火灾场景及其发生概率、火灾场景目标失效概率的基础上计算火灾安全系数。本发明改进了传统安全系数的概念，定义随机安全系数的概念，将火灾安全设计的安全系数与目标失效概率相对应，得到确定的失效概率，避免设计的二值化结果。
【专利说明】
基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法及系统
技术领域
[0001] 本发明设及建筑防火技术领域，具体设及一种基于"随机安全系数"的火灾安全系 数计算方法及系统。
【背景技术】
[0002] 建筑物内一旦发生火灾，最重要的一个目标就是保证人员能够成功撤离。为实现 运一目标，需要进行合理的防火设计。防火设计主要包括处方式防火设计和性能化防火设 计，运两种方法都是通过比较两类时间来评判人员生命安全水平:火灾发展到人员无法承 受状态的时间，即可用安全疏散时间（Available Safe Egress Time,ASET);人员撤离至安 全区域所需要的时间，即必须安全疏散时间（Required Safe Egress Time,RSET)。如果 ASET大于RSET，表示在火灾发展到人员无法承受的状态之前人员已经安全撤离，人员安全 能够得到保证，反之，则认为会出现人员伤亡。
[0003] ASET和RSET的计算设及到火灾动力学和人员疏散行为两个过程，由于运两个过程 的高度复杂性，实际的设计中往往设及到大量的不确定性参数。如果设计过程中没有意识 到不确定性的存在或者忽视其对设计结果的影响，那么得出的设计结果就会受到质疑，可 信度也会降低。因此，如何准确有效地处理参数不确定性对于最终的防火设计结果具有重 要影响，是火灾安全设计中必须解决的问题。
[0004] 在传统的防火设计中，安全系数法是一种设计者常用的处理参数不确定性的方 法:设计者通常首先选定一系列具有代表性的火灾场景，对每个场景中设及到的不确定性 参数视为定值，运些参数的不确定性最终用安全系数来表示，该方法虽然考虑了参数的不 确定性，但是还存着W下几个问题：
[0005] 1、由于安全系数是依据设计人员的经验来设定的，导致安全系数的选定具有很大 的主观性，运样选出的安全系数很难判断是对还是错；
[0006] 2、使用该方法得到的结论是"二值性"的，即设计要么是安全的，要么是危险的，而 不能对设计存在的危险进行等级划分与量化；
[0007] 3、即便能够选出足够准确的安全系数，设计人员并不能从运一安全系数中得知其 所对应的失效概率，相应的火灾风险水平无从得知，设计者也就无法针对目前的设计进行 改进。
[000引而概率方法开始作为安全系数法的一种替代方法，用W处理火灾安全设计的参数 不确定性，概率方法充分考虑了影响ASET和REST的不确定性参数，最终得到的结论是"ASET 小于RESE"的概率(失效概率），而非"非安全即危险"的二值性结论。如果失效概率小于可 接受的失效概率，即认为设计是合理的，运样的结论要比安全系数法的"二值性"结论更为 合理。然而由于该方法设及到了复杂的数学运算，因此并未在防火设计中得到广泛应用。
[0009] 因此，有必要将安全系数法及概率方法运两种方法联系起来进行火灾安全计算， 但是在火灾安全计算过程中，关于两者的关系，还存在着两个问题尚未解决：
[0010] 1、对于给定的安全系数，其对应的失效概率如何计算
[0011] 2、对于给定的目标失效概率，应该选取多大的安全系数来实现。
【发明内容】
[0012] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了基于"随机安全系数"的火灾安全系数 计算方法及系统，本发明将安全系数与目标失效概率进行对应，并确定防火设计安全系数。
[0013] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0014] 基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，包括
[0015] 建立随机安全系数指数体系：定义随机安全系数，确定随机安全系数与失效概率 的关系及随机安全系数与安全系数之间的关系；
[0016] 根据建立的随机安全系数指数体系辨识可能的火灾场景及其发生概率的计算；
[0017] 根据火灾场景及其发生概率确定火灾场景目标失效概率；
[0018] 火灾场景及其发生概率、火灾场景目标失效概率的基础上计算火灾安全系数；
[0019] 其中，确定随机安全系数与失效概率的关系时，考虑ASET和RSET计算过程中参数 不确定性的情况下，随机安全系数的不确定性可W用其概率分布来表征，当随机安全系数 小于1时，ASET小于RSET，对于小于1的随机安全系数，其概率密度函数上任一点左侧的面积 均对应某一失效概率。
[0020] 进一步的，随机安全系数为ASET和RSET的比值。
[0021] 进一步的，随机安全系数已知的情况下，根据随机安全系数与失效概率的关系计 算得到该随机安全系数所对应的失效概率。
[0022] 进一步的，某一失效概率已知的情况下，根据随机安全系数与失效概率的关系计 算得到某一失效概率所对应的随机安全系数。
[0023] 进一步的，在得到随机安全系数后，实际火灾安全中所需要设定的安全系数则可 W通过相应的计算得到。
[0024] 进一步的，辨识可能的火灾场景并计算其发生概率时采用的是基于火灾事故事件 树分析方式。
[0025] 进一步的，"可能的火灾场景"是建筑一旦发生火灾事故，可能出现的不同火灾场 景，在火灾事故的事件树分析过程中，事件树结构中末端的每一个分支都对应着一种可能 的火灾场景。
[0026] 进一步的，"每个火灾场景的发生概率"是指特定的火灾场景发生的可能性的大 小，在火灾事故事件树分析结构中，事件树每个环节都对应一定的概率，把每一个分支上对 应的环节事件的发生概率相乘可W得到相应火灾场景的发生概率。
[0027] 进一步的，火灾场景目标失效概率是指在人员伤亡目标预期风险的基础上，根据 火灾发生频率、火灾场景风险与建筑面积确定每个火灾场景的目标失效概率。
[002引进一步的，计算火灾安全系数时采用Monte Carlo模拟，根据ASET和RSET的输入参 数分布进行抽样，代入到ASET和RSET的计算模型中计算得到相应的ASET和RSET样本，进而 根据ASET和RSET计算得到火灾场景的随机安全系数的样本，样本容量为N，将运N个随机安 全系数进行升序排列，序列中第n个随机安全系数即为该火灾场景目标失效概率对应的随 机安全系数，再计算得到该场景目标失效概率对应的火灾安全系数，n为样本中ASET和RSET 的比值小于1的样本个数。
[0029] 基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算系统，包括：
[0030] 随机安全系数指数体系模块:定义随机安全系数，确定随机安全系数与失效概率 的关系及随机安全系数与安全系数之间的关系；
[0031] 辨识可能的火灾场景及其发生概率计算模块:根据建立的随机安全系数指数体系 辨识可能的火灾场景及其发生概率的计算；
[0032] 火灾场景目标失效概率计算模块:根据火灾场景及其发生概率确定火灾场景目标 失效概率；
[0033] 火灾安全系数计算模块:火灾场景及其发生概率、火灾场景目标失效概率的基础 上计算火灾安全系数；
[0034] 其中，确定随机安全系数与失效概率的关系时，考虑ASET和RSET计算过程中参数 不确定性的情况下，随机安全系数的不确定性可W用其概率分布来表征，当随机安全系数 小于1时，ASET小于RSET，对于小于1的随机安全系数，其概率密度函数上任一点左侧的面积 均对应某一失效概率。
[0035] 本发明的有益效果：
[0036] 1、本发明改进了传统安全系数的概念，定义随机安全系数的概念，将火灾安全设 计的安全系数与目标失效概率相对应，得到确定的失效概率，避免设计的二值化结果。
[0037] 2.通过Monte Carlo模拟，在抽样基础上确定随机安全系数的分布形式，降低了安 全系数确定过程中，参数不确定性W及人为设定的主观性。
【附图说明】
[0038] 附图1是基于"随机安全系数"理念的火灾安全设计安全系数计算方法的框架图；
[0039] 附图2是安全系数与目标失效概率的关系示意图；
[0040] 附图3(a)是基于事件树法确定可能的火灾场景的流程示意图；
[0041] 附图3(b)是通用的基于事件树法确定可能的火灾场景的流程示意图；
[0042] 附图4是基于Monte化rlo模拟计算火灾安全系数的流程示意图。
[0043] 附图5(a)是火灾场景1由给定的安全系数、依据随机安全系数理念确定对应失效 概率的示意图；
[0044] 附图5(b)是火灾场景2由给定的安全系数、依据随机安全系数理念确定对应失效 概率的示意图；
[0045] 附图5(c)是火灾场景3由给定的安全系数、依据随机安全系数理念确定对应失效 概率的示意图。
【具体实施方式】：
[0046] 下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0047] 如图1所示，基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，包括：
[0048] (1)随机安全系数指数体系的建立。依据式1~5(具体的公式在下面进行介绍）确 定随机安全系数的评价体系，包括随机安全系数的定义，随机安全系数与失效概率之间的 关系，确定随机安全系数与安全系数之间的关系；
[0049] (2)辨识可能的火灾场景及其发生概率的计算。基于火灾事故事件树分析过程，确 定所分析建筑物可能的火灾场景i与每个火灾场景的发生概率Pi;
[0050] (3)确定火灾场景目标失效概率。在根据事件树分析得到的火灾场景i及其发生概 率Pi的基础之上，依据式6~9(具体的公式在下面进行介绍)计算各火灾场景的目标失效概 率.
[0化1] (4)基于Monte Carlo模拟计算火灾安全系数。利用Monte Carlo模拟，在确定的火 灾场景及其发生概率、目标失效概率的基础上，确定各个火灾场景的随机安全系数及对应 的安全系数。
[0052] 另外，本发明还公开了基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算系统，包括：
[0053] 随机安全系数指数体系模块:定义随机安全系数，确定随机安全系数与失效概率 的关系及随机安全系数与安全系数之间的关系；
[0054] 辨识可能的火灾场景及其发生概率计算模块:根据建立的随机安全系数指数体系 辨识可能的火灾场景及其发生概率的计算；
[0055] 火灾场景目标失效概率计算模块:根据火灾场景及其发生概率确定火灾场景目标 失效概率；
[0056] 火灾安全系数计算模块:火灾场景及其发生概率、火灾场景目标失效概率的基础 上计算火灾安全系数；
[0057] 其中，确定随机安全系数与失效概率的关系时，考虑ASET和RSET计算过程中参数 不确定性的情况下，随机安全系数的不确定性可W用其概率分布来表征，当随机安全系数 小于1时，ASET小于RSET，对于小于1的随机安全系数，其概率密度函数上任一点左侧的面积 均对应某一失效概率。
[0058] 基于上述基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法及系统中设及到的技术 进行详细介绍如下：
[0059] (1)随机安全系数指数体系的建立：
[0060] 通过定义随机安全系数的概念，确定随机安全系数与失效概率之间的对应关系， 将防火设计中的安全系数与目标失效概率相联系。
[0061 ] 随机安全系数(Random Safety化Ctor,RSF)，其定义为ASET和RSET的比值，即：
[0062]
式]
[0063] 其中，A为随机安全系数，tA和tB分别为ASET和RSET。
[0064] 在考虑ASET和RSET计算过程中参数不确定性的情况下，随机安全系数A的不确定 性可W用其概率分布来表征，即：
[00化]
式2
[0066] 其中，D是随机安全系数A的分布形式，如正态分布、均匀分布、对数正态分布等。y 和曰分别为A的均值和标准差。
[0067] 因此，当A小于1时，ASET小于RSET，此时安全设计就会失效。因此，对于小于1的随 机安全系数其概率密度函数上任一点左侧的面积均对应某一失效概率，表示为：
[006引
式3
[0069] 其中，Fa为A的累积概率函数，fA为A的概率密度函数。
[0070] 因此，在随机安全系数已知的情况下，可W利用式3计算得到该随机安全系数所对 应的失效概率。
[0071 ]同样的，可W得到某一失效概率所对应的随机安全系数，即：
[0072]
请斗
[0073] 在根据式4得到随机安全系数后，实际火灾安全设计中所需要设定的安全系数S则 可W通过式5得到：
[0074]
式5
[0075] 因此，对于给定的目标失效概率，依据式4、式5计算得到需要设定多大的安全系数 来实现运一目标失效概率;对于火灾设计人员所选定的安全系数，可W依据式3、式5计算得 到该安全系数对应的失效概率，从而判断所选的安全系数是否合理，若不合理，则可通过采 取措施来改变ASET或RSET的值，来达到目标安全目标。
[0076] (2)辨识可能的火灾场景并计算其发生概率
[0077] 基于火灾事故事件树分析过程，确定所分析建筑物"可能的火灾场景"（用i表示） 与"每个火灾场景的发生概率"（用Pi表示）。
[0078] 所谓的"可能的火灾场景"是建筑一旦发生火灾事故，可能出现的不同火灾场景， 如火灾大小及位置等，在火灾事故的事件树分析过程中，事件树结构中末端的每一个分支 都对应着一种可能的火灾场景；
[0079] 所谓的"每个火灾场景的发生概率"是指特定的火灾场景发生的可能性的大小，在 火灾事故事件树分析结构中，事件树每个环节都对应一定的概率，把每一个分支上对应的 环节事件的发生概率相乘可W得到相应火灾场景的发生概率Pi。
[0080] 基于事件树法确定可能的火灾场景的流程示意图如附图3(a)所示:考虑常用的消 防设施及其可靠性，根据各节点不同作用后果，得到不同的火灾场景，如在仅考虑水喷淋和 感烟探测报警两种消防设施可靠性的前提下，当发生火灾事故时，若水喷淋设施启动成功， 则对应的为火灾场景1;若水喷淋设施失效，而烟雾探测报警设施成功报警，而对应火灾场 景2;若水喷淋及烟雾探测报警设施全部失效，则对应的为火灾场景3。通用的确定火灾场景 的流程示意图如附图3(b)所示。
[0081] (3)确定火灾场景目标失效概率
[0082] 确定火灾场景目标失效概率，是指在人员伤亡目标预期风险化化1,0的基础上，根 据火灾发生频率fig、火灾场景风险Ri与建筑面积A确定每个火灾场景的目标失效概率 Pi'f't。
[0083] 所谓的人员伤亡目标预期风险是指在特定的火灾场景下，人们可接受的人员伤亡 后果大小，一般而言，该指标与阻止火灾场景出现的对应防护措施的投入相关，投入越大， 可接受的人员伤亡预期风险越大。场景i的人员伤亡目标预期风险计算公式为：
[0084]
式 6
[0085] 其中，fig为建筑物发生火灾的频率(可通过查询（国家统计局)火灾统计年鉴获得 火灾发生频率）;R功火灾场景i的风险;A为建筑面积;Np为建筑物内的人员数目。
[0086] 火灾场景风险Ri:火灾风险量化=因素为:火灾场景、火灾场景发生概率和后果； 对于火灾场景i而言，其火灾风险为：
[0087] Ri = Pi . Ci = Pi ? Np ? Pi,f 式7
[0088] 其中，C功火灾伤亡人数，Pi,f为火灾场景的失效概率。
[0089] 因此场景i的人员伤亡目标预期风险可表示为：
[0090] ERLi't = fi'g ? Pi ? Pi'f't ? A 式8
[0091] 其中，Pi,f,g为场景i的目标失效概率。
[0092] 因此，场景i的目标失效概率的计算公式为：
[0093]
式 9
[0094] (4)基于Monte化rlo模拟计算火灾安全系数
[00M]利用提出的随机安全系数理念，利用Monte Carlo模拟，计算所需要的火灾安全设 计安全系数。
[0096] 在Monte Carlo模拟中，根据ASET和RSET的输入参数分布进行抽样，代入到ASET和 RSET的计算模型中计算得到相应的ASET和RSET样本，进而根据式1计算得到火灾场景i的随 机安全系数A的样本，样本容量为N，将运N个随机安全系数进行升序排列，序列中第n个随机 安全系数An即为该火灾场景目标失效概率对应的随机安全系数为样本中A<1的样本个 数），根据式5计算得到该场景目标失效概率对应的火灾安全设计安全系数S。
[0097] 具体的计算流程如图4所示:基于事件树构建可能的火灾场景，然后确定基本事件 的发生概率，确定ASET和RSET计算过程中参数的不确定性，设定每个可能的火灾场景可接 受的邸k，计算场景发生概率，确定目标失效概率，对于j = lto N，计算随机安全系数Al.J， 判断j是否等于N，否则，继续计算随机安全系数，如是，进行下一步，计算目标失效概率对 应的安全系数S，判断i是否等于M，若是，则结束，否则，进行下一个场景的计算。
[0098] 为了更好的解释本发明的技术方案，下面W-个实例进一步具体说明本发明具体 实施方式：
[0099] 现有一单层商业建筑，高度为6m，建筑面积为2500m2，出口有效宽度为7m;考虑水 喷淋和烟雾探测两类消防设施的可靠性，可靠性概率依次为0.93、0.72;现对该单层建筑进 行安全系数计算。
[0100] (1)确定可能的火灾场景及其发生概率
[0101] 利用附图3(a)中，事件树分析法，确定可能的火灾场景；同时，在事件树分析之上， 根据两类消防设施的可靠性概率，计算得出每一可能火灾场景的发生概率，各火灾场景的 发生概率如表1所示：
[0102] 表1可能的火灾场景及其发生概率
[0103]
[0104] (2)确定火灾场景目标失效概率
[0105] 依据表2中的各火灾场景的发生概率，利用式5~9计算各火灾场景的目标失效概 率，各火灾场景的目标失效概率如表2所示：
[0106] 表2各火灾场景的目标失效概率
[0107]
[010引（3)基于Monte化rlo模拟计算火灾安全系数：
[0109] 对影响ASET和RSET的参数不确定性进行分析，确定二者的概率分布形式。主要考 虑W下几个参数的不确定性:火灾增长系数、人员预动作时间、人员密度和出口流量系数， 根据资料得到运几个不确定参数的统计特征如表3所示：
[0110] 表3不确定性参数的统计特征
[0111]
[0112] 由表2得知火灾场景的目标失效概率非常小，为了得到相对准确的安全系数， Monte化rIo抽样样本就需要足够大。本例中抽样次数为N=200000。
[0113] 依据图4中Monte Carlo计算方法，计算各火灾场景所需要设定的安全系数，同时 根据式5可计算得到各火灾场景在未达到目标安全水平需要改进的ASET或RSET值。最终各 火灾场景所需要设定的安全系数如表4所示：
[0114] 表4个火灾场景的目标失效概率及所需设定的安全系数
[0115]
[0116] 此外，依据本专利图2中安全系数与失效概率间的关系，在给定安全系数的条件 下，依据式3、式5确定其对应的失效概率。在安全系数分别取1.5和2.0时，火灾场景1、场景 2、场景3所对应的失效概率如图5 (a)-图5 (C)所示。
[0117] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不
【主权项】
1. 基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，其特征是，包括 建立随机安全系数指数体系：定义随机安全系数，确定随机安全系数与失效概率的关 系及随机安全系数与安全系数之间的关系； 根据建立的随机安全系数指数体系辨识可能的火灾场景及其发生概率的计算； 根据火灾场景及其发生概率确定火灾场景目标失效概率； 火灾场景及其发生概率、火灾场景目标失效概率的基础上计算火灾安全系数； 其中，确定随机安全系数与失效概率的关系时，考虑ASET和RSET计算过程中参数不确 定性的情况下，随机安全系数的不确定性可以用其概率分布来表征，当随机安全系数小于1 时，ASET小于RSET，对于小于1的随机安全系数，其概率密度函数上任一点左侧的面积均对 应某一失效概率。2. 如权利要求1所述的基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，其特征是，随机 安全系数为ASET和RSET的比值； 随机安全系数已知的情况下，根据随机安全系数与失效概率的关系计算得到该随机安 全系数所对应的失效概率。3. 如权利要求2所述的基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，其特征是，某一 失效概率已知的情况下，根据随机安全系数与失效概率的关系计算得到某一失效概率所对 应的随机安全系数。4. 如权利要求3所述的基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，其特征是，在得 到随机安全系数后，实际火灾安全中所需要设定的安全系数则可以通过相应的计算得到。5. 如权利要求1所述的基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，其特征是，辨识 可能的火灾场景并计算其发生概率时采用的是基于火灾事故事件树分析方式。6. 如权利要求5所述的基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，其特征是，"可 能的火灾场景"是建筑一旦发生火灾事故，可能出现的不同火灾场景，在火灾事故的事件树 分析过程中，事件树结构中末端的每一个分支都对应着一种可能的火灾场景。7. 如权利要求5所述的基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，其特征是，"每 个火灾场景的发生概率"是指特定的火灾场景发生的可能性的大小，在火灾事故事件树分 析结构中，事件树每个环节都对应一定的概率，把每一个分支上对应的环节事件的发生概 率相乘可以得到相应火灾场景的发生概率。8. 如权利要求1所述的基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，其特征是，火灾 场景目标失效概率是指在人员伤亡目标预期风险的基础上，根据火灾发生频率、火灾场景 风险与建筑面积确定每个火灾场景的目标失效概率。9. 如权利要求1所述的基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算方法，其特征是，计算 火灾安全系数时采用Monte Carlo模拟，根据ASET和RSET的输入参数分布进行抽样，代入到 ASET和RSET的计算模型中计算得到相应的ASET和RSET样本，进而根据ASET和RSET计算得到 火灾场景的随机安全系数的样本，样本容量为N，将这N个随机安全系数进行升序排列，序列 中第η个随机安全系数即为该火灾场景目标失效概率对应的随机安全系数，再计算得到该 场景目标失效概率对应的火灾安全系数，η为样本中ASET和RSET的比值小于1的样本个数。10. 基于"随机安全系数"的火灾安全系数计算系统，其特征是，包括： 随机安全系数指数体系模块:定义随机安全系数，确定随机安全系数与失效概率的关 系及随机安全系数与安全系数之间的关系； 辨识可能的火灾场景及其发生概率计算模块:根据建立的随机安全系数指数体系辨识 可能的火灾场景及其发生概率的计算； 火灾场景目标失效概率计算模块:根据火灾场景及其发生概率确定火灾场景目标失效 概率； 火灾安全系数计算模块:火灾场景及其发生概率、火灾场景目标失效概率的基础上计 算火灾安全系数； 其中，确定随机安全系数与失效概率的关系时，考虑ASET和RSET计算过程中参数不确 定性的情况下，随机安全系数的不确定性可以用其概率分布来表征，当随机安全系数小于1 时，ASET小于RSET，对于小于1的随机安全系数，其概率密度函数上任一点左侧的面积均对 应某一失效概率。
【文档编号】G06F17/50GK106021656SQ201610302423
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】孔得朋, 刘鹏翔, 陆守香, 陈国明, 平平, 王克
【申请人】中国石油大学(华东)