火灾自动报警系统模拟与可靠性解算作品说明书.docx

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火灾自动报警系统模拟与可靠性解算作品说明书

火灾自动报警系统模拟与可靠性解算

摘要

本作品由以火灾自动报警系统为主题的虚拟公寓模型和可靠性解算程序两部分组成。

前者以游戏软件“我的世界”为平台实现模型搭建与情景模拟，具有真实还原度高，可操作性强的特点。

后者通过对火灾自动预警系统正常、失效（误报、漏报）状态的模拟与分析，应用系统安全及可靠性理论，确定了火灾自动报警系统应用效能评价指标体系，并根据层次分析法确定了各指标的量化方法，最终建立火灾自动报警系统可靠度计算模型。

另外，我小组以VisualBasic为工具，编写了系统各部分对整体可靠性影响的定量解算软件，希望能对今后火灾报警系统可靠性能的改善与提升提供指导意义。

为验证该模型的合理性与软件的适用性，在统计分析及专家评判的基础上，以模型为背景，该系统确定了6个目标层指标和3个选择层指标，分别赋予权重并进行解算和一致性检验，解算结果如表1所示。

表1数据输出表

探测器

报警控制器

灭火装置

量化结果

0.4402

0.1590

0.3657

因此：

探测器对整个系统的可靠性影响最大

本作品的创新点在于：

1）虚拟模型的外观设计新意；2）利用游戏软件创建模型、进行情景模拟的实用新意；3）火灾自动报警系统可靠度定量解算软件的编写新意。

说明书

技术领域

本作品涉及一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程，适用范围较广，不仅可用于火灾自动报警系统可靠性能的定量解算，还可为其他问题最佳方案的选择提供依据。

创新背景

火灾是无情的，它吞噬生命、毁坏财富，给人们带来的损失是无法估量的，据最新调查，当前全球每年约发生火灾600至700万次，约有6至7万人死于火灾，其中吸入有毒烟气致死的人数占死亡总人数的70%~75%。

因此，如何在火灾初期阶段及时有效地提醒人员尽快逃离现场对于减少火灾中的人员伤亡具有极大的实用价值和社会效益。

随着科学技术发展，火灾自动报警系统发展如火如荼，并取得了较好的防范效果。

火灾自动报警系统是由触发器件、火报警装置、火灾警报装置以及具有其他辅助功能装置组成的火灾报警系统。

它是为早发现和通报火情并及时采取有效措施，控制和扑灭火灾而设置在建筑中或其他场所的一种自动消防设施。

火灾初期，系统里各种自动探测装置，如感温探测器、感烟探测器等，都及时地给出火灾报警电信号，传送到火灾报警控制器开启声光报警来警示相关工作人员，同时控制主机上还显示出火灾发生的部位及时问等信息，工作人员确认后便可以进行联动控制以及其他辅助功能的控制。

倒如启动消火栓泵、喷淋泵、防火卷帘等消防用的灭火、减灾设备，及时扑灭火灾，防止火势蔓延，最大限度地减少生命和财产损失。

可见，火灾自动报警系统是同火灾做斗争的有力工具，在消防安全保卫工作中发挥着重要作用。

但是，由于火灾自动报警系统长期处于备战状态，而且其探测装置对环境的变化及其他干扰又十分敏感，所以导致系统的误报率较高。

为了明晰系统的运行情况，保障系统的正常运行，合理对系统进行维护保养并提高其性能，这就要求对实际应用中的火灾自动报警系统可靠性进行分析。

由此可见，系统的可靠性分析具有重大意义。

创新内容

本作品要解决的问题，是采用一种方法使模型操作简单方便，模拟效果直观明朗，并编写一个软件用以解算火灾预警系统各组成部分的可靠度，呈现客观、准确、实时、可靠的定量分析结果。

为解决上述问题，本作品采用的方法步骤如下：

1、虚拟模型部分

1）利用“我的世界”游戏软件。

“我的世界”是一款沙盒游戏，以让每一个玩家在三维空间中自由地创造和破坏不同种类的方块为主体。

这款游戏最大的特色在于其颇具自由性，使之更加适合于用作模型的搭建与情景的模拟；

2）本作品中，社区及公寓部分均由方块组合搭建，并通过安装一些特殊模组实现了火灾预警系统模拟模型的高真实度、高还原度。

其模拟性之强，模拟效果之好，可操作性之高，使界面颇具身临其境之感；

3）分别对火灾自动预警系统正常、失效（误报、漏报）状态的模拟与分析。

2、解算软件部分

1）通过应用系统安全及可靠性理论，运用数学建模思想，确定火灾自动报警系统各部分可靠度计算模型；

2）根据层次分析法确定了各指标的量化方法，最终建立火灾自动报警系统可靠度计算模型；

3）以VisualBasic为工具，编写了系统各部分对整体可靠性影响的定量解算软件；

4）在统计分析及专家评判的基础上，以模型为背景，确定了6个目标层指标和3个选择层指标，分别赋予权重进行解算和一致性检验。

具体实施方式

1、虚拟模型部分

1）准备过程：

下载“我的世界”游戏软件和模型创建所需要的各个模组；

2）创建过程：

通过组合搭建各种方块实现社区及公寓的结构设计，另外。

通过特殊模组中的元素对模型加以修饰与完善；

3）情景模拟与录制：

情景一：

火灾发生时，火灾自动报警系统正常工作；

情景二：

火灾发生时，火灾自动报警系统延迟报警；

视频录制采用KK录像机。

2、解算软件部分

1）理论准备过程

（1）建模方法选择

通过对本问题的分析与查找文献，最后确定采用层次分析法对该问题进行建模，以下对其进行简单介绍。

层次分析法，简称AHP方法，是一种定性与定量相结合的决策分析方法。

它是一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化、数量化的过程。

应用这种方法，决策者通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，在各因素之间进行简单的比较和计算，就可以得出不同方案的权重，为最佳方案的选择提供依据。

层次分析法（AHP）基本原理：

AHP法首先把问题层次化，按问题性质和总目标将此问题分解成不同层次，构成一个多层次的分析结构模型，分为最低层（供决策的方案、措施等），相对于最高层（总目标）的相对重要性权值的确定或相对优劣次序的排序问题。

（2）分析火灾自动预警及响应系统各部分组成

火灾自动报警系统一般由触发器件、火灾报警装置、火灾警报装置和电源组成，复杂系统还包括消防控制设备。

可将系统功能组件归类和简化为四类单元：

a.触发单元（T），包括手动报警按钮、火灾探测器、状态输入接口等，作为输入信号源；

b.处理与控制单元（C），主要为火灾报警控制器（含区域报警控制器）；

c.警报与联动控制单元（A），包括警报装置、火灾应急照明、火警电话、应急广播、联动控制接口等；

d.供电单元（P），包括双电源互投箱、交直流转化单元、备用电源；

（3）确定指标体系

选择层（方案层）：

探测器、报警控制器、灭火装置

目标层：

灵敏度、误动作率（误报率）、动作有效性、环境稳定性、可维修性、寿命时长

如下图所示：

图1指标体系结构图

（4）建立判断矩阵

在层次分析法中，为了使判断定量化，关键在于设法使任意两个方案对于某一准则的相对优越程度得到定量描述。

一般对单一准则来说，两个方案进行比较总能判断出优劣，层次分析法采用1-9标度方法，对不同情况的评比给出数量标度。

如表2所示。

表2标度表

标度

定义与说明

1

两个元素对某个属性具有同样重要性

3

两个元素比较，一元素比另一元素稍微重要

5

两个元素比较，一元素比另一元素明显重要

7

两个元素比较，一元素比另一元素重要得多

9

两个元素比较，一元素比另一元素极端重要

2、4、6、8

表示需要在上述两个标准之间拆衷时的标度

1/bij

两个元素的反比较

（5）用和积法计算最大特征向量

①将判断矩阵的每一列元素作归一化处理，其元素的一般项为：

②将每一列经归一化处理后的判断矩阵按行相加为：

③对向量W=（W1，W2……Wn）归一化处理：

④W=（W1，W2……Wn）即为所求的特征向量的近似解。

（6）计算判断矩阵最大特征根

（7）计算判断矩阵一致性指标

（8）一致性检验

当C.R<0.10时，便认为判断矩阵具有可以接受的一致性。

当C.R≥0.10时，就需要调整和修正判断矩阵，使其满足C.R.<0.10，从而具有满意的一致性。

表3一致性指标R.I表

矩阵阶数

2

3

4

5

6

7

8

9

RI

0

0.58

0.90

1.12

1.24

1.32

1.41

1.45

（9）层次总排序

2）程序编写过程

①数据输入：

利用excel数据库，创建两个excel文件以存放数据；

②利用VB6.0软件进行程序的编写，具体程序见附件1。

3）调试完善过程

4）检验阶段

将这六个因素灵敏度；误动作率（误报率）；动作有效性；环境稳定性；可维修性；寿命时长分别记为P1、P2、P3、P4、P5、P6。

将三家公司探测器、报警控制器、灭火装置（干粉喷洒装置、灭火机器人、灭火弹）分别记为A、B、C。

程序解算结果如下：

A——0.4402；B——0.1590；C——0.3657，与计算和实际相符。

因此得到结论：

A即探测器对整个系统的可靠性影响最大。

注明：

原始数据及计算过程可见附件2。

附件1：

火灾自动报警系统各组成部分可靠度解算程序

PrivateSubCommand1_Click（）

DimVBExcelAsExcel.Application

DimVBExcel2AsExcel.Application

Dimxlbook,xlbook2AsExcel.Workbook

Dimxlssheet,xlssheet2AsExcel.Worksheet

SetVBExcel=CreateObject（"Excel.Application"）

SetVBExcel2=CreateObject（"Excel.Application"）

Setxlbook=VBExcel.Workbooks.Open（"C:

\Users\zj\Desktop\创新比赛数据输入表1.xlsx"）'指定你的路径

Setxlssheet=xlbook.Worksheets

（1）'指定工作表，也可以使用"sheet1"

Setxlbook2=VBExcel.Workbooks.Open（"C:

\Users\zj\Desktop\创新比赛数据输入表2.xlsx"）'指定你的路径

Setxlssheet2=xlbook2.Worksheets

（1）'指定工作表，也可以使用"sheet1"

VBExcel.Visible=True

m=InputBox（"请输入选择层因子个数","输入数据"）

n=InputBox（"请输入目标层因子个数","输入数据"）

Dimp1（）

ReDimp1（1Ton,1Ton）

Dimp2（）

ReDimp2（1Ton,1Ton）

'p1为原始数据矩阵

'p2为归一化后数据矩阵

Fori=1Ton

Forj=1Ton

p1（i,j）=xlssheet.Cells（i+1,j+1）

Nextj

Nexti

'输入P1矩阵

Dimsum（）AsDouble

ReDimsum（1Ton）

Forj=1Ton

sum（j）=0

Fori=1Ton

sum（j）=p1（i,j）+sum（j）

Nexti

Nextj

Forj=1Ton

Fori=1Ton

p2（i,j）=p1（i,j）/sum（j）

Nexti

Nextj

'归一化后的P2矩阵

Dimsum2（）AsDouble

ReDimsum2（1Ton）

sall=0

Fori=1Ton

sum2（i）=0

Forj=1Ton

sum2（i）=p2（i,j）+sum2（i）

Nextj

sall=sum2（i）+sall

Nexti

Dimw0（）AsSingle

ReDimw0（1Ton）

Fori=1Ton

w0（i）=sum2（i）/sall

Nexti

'P矩阵的最大特征向量求出

Dimjzj（）AsDouble

ReDimjzj（1Ton）

Fori=1Ton

jzj（i）=0

Forj=1Ton

jzj（i）=jzj（i）+p1（i,j）*w0（j）

Nextj

Nexti

'矩阵的积

DimfAsDouble

f=0

Fori=1Ton

f=f+jzj（i）/（n*w0（i））

Nexti

'计算矩阵最大特征根

fci=（f-n）/（n-1）

Ifn=15Thenri=1.59Else

Ifn=14Thenri=1.58Else

Ifn=13Thenri=1.56Else

Ifn=12Thenri=1.54Else

Ifn=11Thenri=1.52Else

Ifn=10Thenri=1.49Else

Ifn=9Thenri=1.46Else

Ifn=8Thenri=1.41Else

Ifn=7Thenri=1.32Else

Ifn=6Thenri=1.24Else

Ifn=5Thenri=1.12Else

Ifn=4Thenri=0.9Else

Ifn=3Thenri=0.58Else

Ifn=2Orn=1Then

ri=0

Else

EndIf

fcr=fci/ri

'计算随机一致性比率

Iffcr>=0.1Then

MsgBox（请调整和修正判断矩阵）

Else

Fori=1Ton

w0（i）=Format（w0（i）,"0.000"）

Nexti

EndIf

'选择层部分

DimKAsInteger

Dimh（）AsDouble

ReDimh（1Ton,1Tom,1Tom）

ForK=1Ton

Fori=1Tom

Forj=1Tom

h（K,i,j）=xlssheet2.Cells（4*（K-1）+i+1,j+1）

Nextj

Nexti

NextK

'输入各个H矩阵

Dimhsum（）AsDouble

ReDimhsum（1Ton,1Tom）

ForK=1Ton

'h矩阵个数

Forj=1Tom

hsum（K,j）=0

Fori=1Tom

hsum（K,j）=h（K,i,j）+hsum（K,j）

Nexti

Nextj

NextK

Dimh1（）AsDouble

ReDimh1（1Ton,1Tom,1Tom）

ForK=1Ton

Forj=1Tom

Fori=1Tom

h1（K,i,j）=h（K,i,j）/hsum（K,j）

Nexti

Nextj

NextK

'归一化后的h1矩阵

Dimhsall（）AsDouble

ReDimhsall（1Ton）

Dimhsum2（）AsDouble

ReDimhsum2（1Ton,1Tom）

ForK=1Ton

hsall（K）=0

Fori=1Tom

hsum2（K,i）=0

Forj=1Tom

hsum2（K,i）=h1（K,i,j）+hsum2（K,i）

Nextj

hsall（K）=hsum2（K,i）+hsall（K）

Nexti

NextK

Dimhw（）AsDouble

ReDimhw（1Ton,1Tom）

ForK=1Ton

Fori=1Tom

hw（K,i）=hsum2（K,i）/hsall（K）

Nexti

NextK

'h矩阵的最大特征向量求出

Dimhjzj（）AsDouble

ReDimhjzj（1Ton,1Tom）

'hjzj指h矩阵的矩阵积

ForK=1Ton

Fori=1Tom

hjzj（K,i）=0

Forj=1Tom

hjzj（K,i）=hjzj（K,i）+h1（K,i,j）*hw（K,j）

Nextj

Nexti

NextK

'矩阵的积

Dimhf（）AsDouble

ReDimhf（1Ton）

Dimhfci（）AsDouble

ReDimhfci（1Ton）

Dimhfcr（）AsDouble

ReDimhfcr（1Ton）

ForK=1Ton

hf（K）=0

Fori=1Tom

hf（K）=hf（K）+hjzj（K,i）/（n*hw（K,i））

Nexti

hfci（K）=（hf（K）-n）/（n-1）

Ifn=15Thenri=1.59Else

Ifn=14Thenri=1.58Else

Ifn=13Thenri=1.56Else

Ifn=12Thenri=1.54Else

Ifn=11Thenri=1.52Else

Ifn=10Thenri=1.49Else

Ifn=9Thenri=1.46Else

Ifn=8Thenri=1.41Else

Ifn=7Thenri=1.32Else

Ifn=6Thenri=1.24Else

Ifn=5Thenri=1.12Else

Ifn=4Thenri=0.9Else

Ifn=3Thenri=0.58Else

Ifn=2Orn=1Then

ri=0

Else

EndIf

hfcr（K）=hfci（K）/ri

NextK

'计算矩阵最大特征根、随机一致性指标、随机一致性比率

ForK=1Ton

Ifhfcr（K）>=0.1Then

MsgBox（请调整和修正判断矩阵）

Else

Fori=1Tom

hw（K,i）=Format（hw（K,i）,"0.000"）

Nexti

EndIf

NextK

'计算各个目标得分

Dimzf（）AsDouble

'zf表总分

ReDimzf（1Tom）

Forj=1Tom

zf（j）=0

Fori=1Ton

zf（j）=zf（j）+w0（i）*hw（i,j）

Nexti

zf（j）=Format（zf（j）,"0.0000"）

Nextj

'求最大值并记录位置

Dimp,qAsInteger

Max=zf

（1）

q=1

Forp=2Tom

Ifzf（p）>MaxThen

Max=zf（p）

q=p

EndIf

Nextp

Picture6.Print"最高得分为第";q;"个目标，得分为";Max

xlbook.Close（True）

xlbook2.Close（True）

Setxlssheet=Nothing

Setxlbook=Nothing

SetVBExcel=Nothing

Setxlssheet2=Nothing

Setxlbook2=Nothing

SetVBExcel=Nothing

EndSub

PrivateSubCommand2_Click（）

DimVBExcelAsExcel.Application

DimVBExcel2AsExcel.Application

Dimxlbook,xlbook2AsExcel.Workbook

Dimxlssheet,xlssheet2AsExcel.Worksheet

SetVBExcel=CreateObject（"Excel.Application"）

SetVBExcel2=CreateObject（"Excel.Application"）

Setxlbook=VBExcel.Workbooks.Open（"C:

\Users\zj\Desktop\创新比赛数据输入表1.xlsx"）'指定你的路径

Setxlssheet=xlbook.Worksheets

（1）'指定工作表，也可以使用"sheet1"

Setxlbook2=VBExcel.Workbooks.Open（"C:

\Users\zj\Desktop\创新比赛数据输入表2.xlsx"）'指定你的路径

Setxlssheet2=xlbook2.Worksheets

（1）'指定工作表，也可以使用"sheet1"

VBExcel.Visible=True

m=InputBox（"请输入选择层因子个数","输入数据"）

n=InputBox（"请输入目标层因子个数","输入数据"）

Dimp1（）

ReDimp1（1Ton,1Ton）

Dimp2（）

ReDimp2（1Ton,1Ton）

'p1为原始数据矩阵

'p2为归一化后数据矩阵

Fori=1Ton

Forj=1Ton

p1（i,j）=xlssheet.Cells（i+1,j+1）

Nextj

Nexti

'输入P1矩阵

Dimsum（）AsDouble

ReDimsum（1Ton）

Forj=1Ton

sum（j）=0

Fori=1Ton

sum（j）=p1（i,j）+sum（j）

Nexti

Nextj

Forj=1Ton

Fori=1Ton

p2（i,j）=p1