基于模糊綜合評價法的地鐵防雷安全評價＊

秦 健 袁 媛

（1.重慶市防雷中心，401147，重慶；2.重慶市雷電災害鑒定與防御工程技術研究中心，401147，重慶；3.重慶大學建筑設計研究院，400045，重慶∥第一作者，工程師）

我國城市軌道交通建設較發達國家起步較晚，人員意識、設備技術和安全管理等方面都存在一些薄弱環節。雖然地鐵系統是一個相對獨立的、封閉的系統，但電氣設備、供電系統和電子系統等的耐受雷電壓能力弱，一旦因雷電災害造成地鐵故障，會引起較大的社會影響，造成嚴重的經濟損失。

文獻［1］等對城市軌道交通工程安全預評價、試運營前安全評價、安全驗收評價及運營安全現狀評價工作的主要內容及評價重點進行了分析研究，文獻［2］等分析了城市軌道交通在建設及運營過程中存在的各種危險因素，文獻［3］等對地鐵施工安全進行了評價。雷電災害可能導致地鐵發生嚴重的事故，防雷安全問題已成為保障地鐵安全運營的重要一環，有必要對地鐵的防雷安全進行評價。地鐵系統防雷安全評價是以實現地鐵防雷安全為目的，辨識與分析系統中的危險有害因素，并評價其安全易損性程度［4］，這對于最大程度地減少、預防雷電災害事故，保障地鐵安全運營具有重要的現實意義。

1 防雷安全評價指標體系

地鐵防雷安全涉及面廣，影響因素較多，通過整理和分析相關文獻［5－8］，建立了防雷安全措施、防雷安全管理、設備因素和自然因素4個主因素及19個子因素組成的評價指標體系（見圖1），指標體系較為全面地涵蓋了影響地鐵防雷安全的因素。

1.1 防雷安全措施

按照新建、改建、擴建工程項目防雷設施“三同時”原則，防雷安全措施主要包括項目選址的雷電風險評估、防雷裝置設計、防雷裝置施工、防雷系統運行情況以及雷電災害預警信息的接收。安全措施貫穿了項目的整個施工過程，其中某個環節留下不安全因素和事故隱患，在地鐵運營過程中就可能釀成防雷安全事故。

圖1 地鐵防雷安全評價指標體系圖

1.2 防雷安全管理

防雷安全管理因素主要包括：規范、完備的安全管理組織和規章制度，落實到個人的安全管理責任制，發生雷電災害突發事故時的應急預案體系［9］，按照相關技術標準的要求開展防雷裝置檢查及定期對有關人員開展防雷安全教育與技術培訓。

1.3 設備因素

地鐵系統的設備因素主要包括車輛系統、電氣系統、通風／排煙系統、給／排水系統、通信／信號系統等，這些系統在運行過程中都可能存在一定的雷電災害風險。車輛在運營過程中可能存在列車失控、列車脫軌、列車相撞以及車內各種設施故障等危險因素；地鐵接觸網接觸網斷線或絕緣子損壞，接觸到金屬結構物就會使其帶電，危及人身安全［10］；通風系統無法正常工作，當地鐵發生火災，積聚的高溫濃煙很難自然排除，嚴重威脅人員的生命安全［11］；給／排水系統不運轉，將無法排放侵入的地表水；通信／信號系統發生故障，不能保證各種行車信息及控制信息可靠傳輸。

1.4 自然因素

自然因素是影響雷電災害事故的重要因素，包括氣象因素、地理地質因素和土壤因素等［12］。致災因子雷電屬于強對流天氣的一種。重慶特殊的氣象環境導致它成為全國高雷暴地區之一，每年的雷暴日多達51 d，一年中各月均有雷電發生，雷電的時空分布特征很大程度上決定了雷電災害發生的概率和后果。重慶轄區以丘陵、山地為主，坡地面積較大，丘陵地帶的地形抬升是造成雷電災害事故多發的原因之一。不同土壤類型有不同的土壤電阻率，它影響雷電流散流的效果。

2 模糊綜合評價模型

模糊綜合評價法是建立在模糊數學理論基礎上的一種預測和評價方法，它適合于將某些不易定量的因素定量化，解決那些只能用模糊的、非定量的、難以明確定義的實際問題。在確定評價因素、因子的評價等級標準和權值的基礎上，運用模糊集合變換原理，以隸屬度描述各因素及因子的模糊界線，構造模糊評價矩陣，通過多層復合運算，最終確定評價對象所屬等級［13－14］。

2.1 評價指標權重

評價工作中，各評價因素的重要程度往往是不相同的，為此需要確定各因素集的模糊權重。本文采用層次分析法確定各因素權重。根據建立的防雷安全評價指標體系構造判斷矩陣，計算最大特征根及對應特征向量并做一致性檢驗，通過檢驗的特征向量作為指標權重值。

2.2 評價集

評價集是評價者對評價對象可能做出的各種評價結果所組成的集合，通常用評價集V＝｛v1，v2，…，vm｝表示。可以根據實際情況，用不同的等級、評語或數字來表示評價因素對地鐵防雷安全影響程度大小，具體評價集為V＝｛高易損性／1級，次高易損性／2級，中易損性／3級，低易損性／4級｝。

2.3 模糊判斷矩陣

利用專家評分法確定單因素對各等級模糊子集的隸屬度，建立模糊評價矩陣R。先由業內專家填寫評價卡，根據所評因素的具體情況，給出相應的等級；然后統計評價情況，列出評價結果統計表；由評價結果統計表求出各因素屬于不同等級評語的隸屬度，建立模糊評價矩陣Ri［15］。

2.4 綜合評價

利用模糊評價矩陣R和權重集A，通過模糊變換將U上的模糊向量A變為V上的模糊向量B，即得到綜合評價模型：

其中，“?”是模糊算子，這里采用“乘與和”算子。

2.5 評價結果

將模糊集B歸一化處理，得到B′＝（b′1，b′2，…，b′n），其中常用的易損等級判定方法時按照最大隸屬度原則，根據其在評價集中所處等級取得評價等級。但是，該方法不能充分利用模糊集B所帶來的所有信息。這里采用加權和對模糊綜合評價結果進行處理，已達到更真實地反應評價對象的易損性等級的目的。加權和模式如下16：

式中：

H——受災體易損性指數；

j——評價因子評價級別；

b′j——歸一化的模糊集B′向量。

3 案例應用

應用上述模型對重慶某地鐵線的防雷安全等級進行評價。

3.1 確定模糊權重集

利用層次分析法確定權重。邀請地鐵行業相關單位和防雷技術機構的多位專家，根據地鐵防雷安全評價指標體系，對各指標的重要性進行打分；然后對所打的分值進行歸一化處理后構造判斷矩陣，采用和法計算最大特征根及對應特征向量，并對計算結果利用一致性指標為特征根的最大值；n為向量個數）、隨機一致性指標IR（查表得到）和一致性比率做一致性檢驗，以判斷不一致程度是否在容許范圍0.1內；如在容許范圍內，則認為判斷矩陣賦值是合理的，否則需要重新進行成對比較。計算結果見表1～表5。

表1 主因素層Ui對目標層U的判斷矩陣及權重（i＝1，2，3，4）

表2 子因素層u1j對準則層U1的判斷矩陣及權重（j＝1，2，3，4，5）

表3 子因素層u2j對準則層U2的判斷矩陣及權重（j＝1，2，3，4，5，6）

表4 子因素層u3j對準則層U3的判斷矩陣及權重（j＝1，2，3，4，5）

表5 子因素層u4j對準則層U4的判斷矩陣及權重（j＝1，2，3）

3.2 建立模糊評價矩陣

利用專家評分法。咨詢了10位專家，根據劃分的4個等級分別對圖1的子因素進行評價，評價結果統計見表6。專家評價后，分別計算各子因素的隸屬度，構造模糊評價矩陣。以u11為例，10名專家中沒有人認為是“高易損性”，1人認為是“次高易損性”，4人認為是“中易損性”，5人認為是“低易損性”，則對u11的評價為（0.0，0.1，0.4，0.5）。同理可得到其它因素的隸屬度，則防雷安全措施U1各子因素評價矩陣為：

表6 評價結果統計表

防雷安全管理U2各子因素評價矩陣為：

設備因素U3各子因素評價矩陣為：

自然因素U4各子因素評價矩陣為：

3.3 建立綜合評價模型

首先從最低層開始進行評價，評價算法依據模糊運算公式B＝A?R進行，得到各個指標的二級模糊評價向量，再根據二級模糊運算結果和一級指標權重進行一級模糊綜合運算。

3.3.1 第二層模糊評價

同理，可得B2＝A2?R2＝ （0.247 5，0.258 4，0.323 0，0.178 2），B3＝A3?R3＝（0.224 3，0.260 7，0.304 0，0.211 1），B4＝A4?R4＝（0.345 5，0.229 7，0.275 7，0.149 0）。

將B1、B2、B3、B4分別歸一化得：B′1＝ （0.135 2，0.376 0，0.245 1，0.243 8），B′2＝（0.247 5，0.258 4，0.323 0，0.178 2），B′3＝（0.224 3，0.260 7，0.304 0，0.211 1），B′4＝（0.345 5，0.229 7，0.275 7，0.149 0）。

3.3.2 第一層模糊評價

將B進行歸一化，得B′＝（0.284 2，0.257 0，0.282 1，0.177 0）。

3.4 防雷安全評價結果及分析

根據式（3）計算得到地鐵雷電易損性指數H＝2.350 6，它的數值接近2，所以判斷易損性等級為2級，屬于次高易損性，偏向于高易損性。

4 結語

本文通過合理選取地鐵防雷安全評價影響因素建立了評價指標體系，運用層次分析法確定了指標權重集；然后利用模糊綜合評價模型對地鐵防雷安全易損性進行了綜合評價；最后根據加權和原則確定了重慶某地鐵線的防雷安全易損性等級為2級，屬于次高易損性，需要采取安全、合理的雷電防護措施，以降低地鐵運營過程中存在的雷電災害風險。

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