基于组合赋权灰色关联法的木质板材火灾危险性研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 于志金,宋佳妮,徐澜,等 基于组合赋权灰色关联法的木质板材火灾危险性研究 西安科技大学学报,():,():收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();陕西省自然科学基础研究计划项目()通信作者:于志金,男,黑龙江双鸭山人,博士,副教授,:基于组合赋权灰色关联法的木质板材火灾危险性研究于志金,宋佳妮,徐澜,李茜(西安科技大学 安全科学与工程学院,陕西 西安 )摘要:为探究木质板材火灾危险性综合评价,选用 种常用木质板材(杉木板、松木板、榆木板、密度板、胶合板、刨花板),采用锥形量热仪与火蔓延试验平台测试 种板材的燃烧行为。将测得的燃烧反应特性参数分为燃烧特
2、性、生烟特性、一般烟气毒性与火焰蔓延特性 种指标因素,以构建木质板材火灾危险性综合评价指标体系,并提出一种基于博弈法组合赋权的改进灰色关联法,与火灾增长速率指数评价法进行对比,发现火灾增长速率指数评价法主要反映热释放速率快速增长阶段的热危险性,而改进灰色关联法在评价各指标因素上更全面。结果表明:组合赋权的改进灰色关联法能有效评价各指标因素对木质板材火灾危险性的影响,最终得到 种木质板材火灾危险性由小到大为:榆木板()松木板()刨花板()杉木板()密度板()胶合板()。组合赋权的改进灰色关联法在评价材料火灾危险性时可以更科学、更全面地反映整个受火过程中的火灾危险性大小,是一种评价结果可信度高的思
3、路。关键词:熵权法;法;博弈论;灰色关联度;木质板材;燃烧特性中图分类号:文献标志码:文章编号:():开放科学(资源服务)标识码():,(,):,(,),第 期于志金,等:基于组合赋权灰色关联法的木质板材火灾危险性研究 ,:()()()()()(),:;引言 年,中国人造板总产量达到 亿,同比增长 ,各类木质板材被广泛应用于室内装潢、家具制造及船舶制造、车厢制造、军事工业等 。同时,作为一种可燃材料,木质板材一旦失控燃烧,会释放大量热及烟雾毒气,对人民生命健康和财产安全产生严重威胁 。因此,评估木质材料的潜在火灾危险性具有重要意义。国内外学者对木质材料燃烧特性研究较多 ,但其研究手段大多基于锥
4、形量热试验,主要从热、烟、毒个方面对材料火灾危险性进行评价,而没有考虑到材料的其他燃烧特性。仅通过单一试验对木质板材的燃烧情况进行分析,很难有效地整体评价木质板材在真实火灾场景中的危险性。目前,材料多属性火灾危险性评价方法尚未有统一遵循标准。王红双等发现火灾增长指数分析(,)与 风险矩阵更适用于软垫座椅材料的火灾危险性评估,而火灾增长速率指数评估(,)仅考虑材料热释放速率峰值与到达峰值时间,存在一定局限性 ;刘术敬等通过火灾危险综合指数()及闪燃特性指数来评价锂离子电池电解液火灾危险性 ,涉及评价指标较少,存在一定局限性;高飞、王文和等运用层次分析法定量计算电池火灾风险 ;刘立宪借助模糊层次分
5、析法对聚苯乙烯泡沫芯材火灾危险性进行评估 ;李晖等利用模糊综合评价法对改性竹丝装饰材料的性能进行综合评价 ;张丁然等建立合适的 神经网络模型对聚合物火灾危险性进行评价 ,评价过程中存在权重确定时主观性强,数据偏倚等问题。总结归纳现有方法,发现目前的火灾危险性评估方法主要存在以下问题:常用方法如 与 的火灾危险性评价指标比较单一,仅考虑了热危险性;常用专家打分法确定指标权重,该方法存在主观性强,过于依赖专家水平等问题;而单一使用定量方法确定指标权重(如熵权法)会带来数据标准化过程造成数据偏倚和信息损失,或者对数据量要求高等问题。因此,结合熵权法考虑到指标之间的差异性与 法考虑到指标之间的相关性的
6、特点,在传统灰色关联法基础上,提出可区分不同评价指标权重大小的改进灰色关联法,使得材料间的火灾危险性评价可进行横向比较。基于锥形量热仪试验与火蔓延试验测试结果建立多因素火灾危险性评价模型,并用熵权法与 法的组合赋权结果改进灰色关联法引入材料火灾危险性评价中,为常用木质品火灾危险性评估提供新的思路。燃烧试验 锥形量热仪试验 试验材料试验材料选择 种常见木质板材,即杉木板、松木板、榆木板、密度板、胶合板和刨花板。试件尺寸为 (长 宽 厚)。将试件放置于 的真空干燥箱内,通过烘干法测算材料含水率 。具体材料参数见表 。试验仪器与方法试验采用英国 公司制造的锥形量热仪(),参考 标准进行试验。为保证设
7、备正常运转及测量准确性,试验前需对仪器装置进行校准工作。将样品放入边长为 的正方形托盘中,所有样品均使用铝箔纸包住样品的侧面和底面,试验过程中环境温度约为 ,相对湿度为 。在热辐射强度为 的条件下对试样进行测试。打开气体流量开关,开始测试。测试开始前需扫描 基线,并打开隔离板,使样品暴露在锥形加热器下,通过电火花点火器引燃材料,样品点燃后移开,若样品未在 内点燃,则测试结束。测试完成后,关闭气体流量开关,保存测试数据并进行数据分析和处理。同种工况试验重复进行至少次以上,取其平均值进行分析。表 试验材料性质参数 材料密度()含水率 杉木板 松木板 榆木板 胶合板 密度板 刨花板 火蔓延试验 试验
8、样品试验样品选择 种常见木质板材,即杉木板、松木板、榆木板、密度板、胶合板和刨花板作为研究对象。挑选质量均匀、无裂缝、表面平整光滑的样品,样品尺寸为 (长 宽 厚)。为降低材料含水量对试验精确度的影响,将试验样品置于()的真空干燥箱内烘至 后,每隔 测量其重量,直至绝干。试验装置与方法试验装置主要由视频采集系统和燃烧台 个部分组成。燃烧台整体由不锈钢制成,保证试样水平悬空进行自由双面燃烧。表面火蔓延情况采用数字摄像仪进行图像采集。为方便后期处理,在燃烧架横纵向分别贴有粘性刻度标尺。试验开始时使用线性点火器点燃材料一端后移开点火器,如果火焰蔓延距离低于 ,则认为火蔓延不能够维持。将所得视频利用
9、进行图像处理。最终得到 种材料的表面火在室温及水平角度下的火焰蔓延速度。结果与分析种木质板材的燃烧测试结果见表。指标因素中 浓度与 浓度为试件从受热分解到反应结束时的气体平均浓度。从易燃程度来看,种材料中杉木板与密度板点燃时间较短;从热危险性来看,胶合板与榆木板总释放热较大;从发烟量来看,松木板与刨花板的总产烟量较大。根据火蔓延试验结果,胶合板是几种材料中最难持续燃烧的。由此可见,根据单一参数评价材料火灾危险程度,评价结果可能存在差异甚至相悖,难以判断出试样整体的火灾危险程度。因此,应该综合考虑多方面指标,通过合理方法将所得数据进行整合考量。表 种材料的燃烧反应特性参数 材料点燃时间 热释放速
10、率峰值()总释放热()产烟率峰值()总产烟量 浓度 浓度 平均火焰蔓延速度()杉木板 松木板 榆木板 胶合板 密度板 刨花板 组合赋权的改进灰色关联法火灾危害性评价 综合评价指标体系依据中国 建筑材料及制品燃烧性能分级()、材 料 产 烟 毒 性 危 险 分 级()标准与要求并结合已有研究 ,选择指标按属性分组构建木质板材评价指标体系。该综合评价体系的目标层为木质板材火灾危险性综合评价,将测得种材料燃烧反应特性参数分为燃烧 西 安科技大学学报 年第 卷第 期于志金,等:基于组合赋权灰色关联法的木质板材火灾危险性研究特性、生烟特性与一般烟气毒性、火焰蔓延特性 种指标因素,以构建木质板材火灾危险性
11、综合评价指标体系,如图 所示。?图 木质板材火灾危险性综合评价指标体系 组合权重 数据规范化处理由于原始数据的大小及单位对信息影响效果不同,即存在量纲差异,现需要对数据进行标准化处理。熵权法标准化处理公式如下。正向指标如下 ()()()()反向指标如下 ()()()()式中 为归一化处理后的第 个样本对象的第 项指标;()为原始数据中的最小值;()为原始数据中的最大值。熵权法计算权重熵原本是一种源于热力学的概念 。年,麦克劳香农将熵的概念引入信息论中,作为体系混乱程度的度量。作为一种客观赋权方法,熵权法通过各指标的变异程度,利用信息熵计算指标的权重 。将规范化处理后的数据通过以下步骤进行计算。
12、指标熵值 如下 ()()式中 为指标比重,若 ,则定义 。各评价指标熵权如下 (),()法计算权重 法是由 提出的一种用于处理多属性决策的综合赋权方法,该方法围绕评价指标间的对比度和矛盾性计算权重 。将规范化处理后的数据通过以下步骤进行计算。指标内变异性如下 (珔)槡;,()珔 ;,()式中 为第 项的标准差;珔为第 项的平均数。指标内冲突性如下 ();,()式中 为第 个指标和第 个指标间的相关系数,为指标的冲突性,其具体计算公式如下 ,(珔)(珔)(珔)(珔)槡;()式中 珔和珔为 个对象中第 个指标和第 个指标的均值。指标信息量如下;,()指标权重如下 ()越大,第 个评价指标所包含的信
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