基于多級可拓評價方法的大客流擾動下地鐵脆弱性研究*

宋守信 姚德志 肖楚陽

(北京交通大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院,100044,北京//第一作者,教授)

基于多級可拓評價方法的大客流擾動下地鐵脆弱性研究*

宋守信 姚德志 肖楚陽

(北京交通大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院,100044,北京//第一作者,教授)

根據(jù)地鐵運營的特點及國內(nèi)外脆弱性相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,構(gòu)建地鐵在大客流擾動下脆弱性的評價指標體系。運用多級可拓理論,建立地鐵在大客流擾動下脆弱性的多級可拓評價模型。以北京地鐵為例,確定北京某地鐵站在大客流擾動下脆弱性的風(fēng)險等級,并根據(jù)所得結(jié)果提出優(yōu)化措施,為我國地鐵在大客流擾動下脆弱性評價提供一種新的評價方法。

地鐵; 大客流擾動; 脆弱性; 評價指標體系; 多級可拓評價方法

Author′s address School of Economics and Management,Beijing Jiaotong University,100044,Beijing,China

隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)的不斷擴展,地鐵系統(tǒng)的客運量急劇增加。在此情況下,地鐵車站日益暴露出自身的脆弱性,其所產(chǎn)生的影響也越來越引起社會廣泛關(guān)注。因此,研究大客流條件下地鐵車站的脆弱性問題顯得極具意義。本文力求在建立科學(xué)合理的評價指標體系的基礎(chǔ)上,采用專家訪談法結(jié)合層次分析法確定指標權(quán)重;以可拓評價為核心,將可拓學(xué)中的物元理論與關(guān)聯(lián)函數(shù)等概念運用于大客流條件下地鐵車站的脆弱性評價中,構(gòu)建了地鐵在大客流條件下脆弱性評價的多級可拓評價模型。

1 有關(guān)文獻綜述

脆弱性作為學(xué)術(shù)界研究的熱門話題,早期出現(xiàn)在自然科學(xué)領(lǐng)域。1968年Margat首次提出了“地下水脆弱性”這一術(shù)語,他認為地下水脆弱性是地下水對外來污染物的自我保護[1]。其后脆弱性逐漸從自然科學(xué)領(lǐng)域向各個學(xué)科拓展,包括災(zāi)害學(xué)、計算機科學(xué)和社會科學(xué)等。由于學(xué)科背景、研究對象的差異,對脆弱性概念的界定也迥然不同。文獻[2]對脆弱性的概念進行總結(jié)歸納后提出,脆弱性是指由于系統(tǒng)(子系統(tǒng)、系統(tǒng)的組分)對系統(tǒng)內(nèi)外部擾動的敏感性以及缺乏應(yīng)對能力從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能容易發(fā)生改變的一種屬性。雖然目前學(xué)術(shù)界對脆弱性這一概念的認知日漸統(tǒng)一,但就其具體構(gòu)成因素依然存在較大分歧。文獻[3]指出系統(tǒng)所承受的壓力及其敏感性和適應(yīng)能力是構(gòu)成系統(tǒng)脆弱性的重要組成部分。文獻[4]則認為脆弱性構(gòu)成因素主要包括敏感性和響應(yīng)能力,而暴露不是脆弱性的組成成分,應(yīng)將其看作是系統(tǒng)與外力干擾之間聯(lián)系的一種特征。

地鐵車站為典型的人員密集場所,而且處于地下空間,形成相對獨立、封閉的系統(tǒng)，遇到緊急情況時,進行大規(guī)模的人員疏散易受到限制。在地鐵實際運營中一旦遇到大客流擾動,如節(jié)假日或地鐵沿線舉行大型活動時，易造成突發(fā)大客流,大量乘客涌入車站,使得站內(nèi)通道、扶梯等空間狹小區(qū)域內(nèi)的人員密度驟然增加,超過其設(shè)計最大人員荷載度,甚至可能引發(fā)踩踏事故,造成嚴重的生命財產(chǎn)損失。因而地鐵在大客流條件下的脆弱性研究逐漸興起。但現(xiàn)階段已有的脆弱性研究主要集中在地鐵網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)方面,以大客流為背景從運營組織角度進行分析的較少。[5]采用層次分析法對地鐵在大客流條件下的脆弱性進行研究,并提出有關(guān)對策;文獻[6]提出地鐵車站在超大客流下的疏散策略;文獻[7]從系統(tǒng)的角度出發(fā),提出了大客流情況下的行車組織和車站客流控制方式;文獻[8]將地鐵車站運營脆弱性構(gòu)成要素定義為暴露度、敏感度和適應(yīng)度,以此構(gòu)建脆弱性評價體系。在現(xiàn)有大客流脆弱性研究方面,文獻[5]將地鐵車站大客流下脆弱性要素分為暴露性、敏感性、適應(yīng)性,應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法和模糊綜合分析法進行分析,得到了車站具體的暴露度、敏感度和適應(yīng)度,并利用這三個值得到地鐵綜合脆弱度,編制脆弱度分級量表。文獻[5]充實了我國在這方面的研究,有利于在大客流下地鐵脆弱性評價工作的展開。但文獻[5]也存在缺陷與不足,如采用的評價方法為綜合賦值法,忽略了某些單一因素或單項部分在整個評價體系中的重要性。考慮到地鐵大客流情況下脆弱性影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系,有必要建立一套完備的脆弱性評價指標體系，并采用更加合理的評價方法對其進行評價,確定其脆弱性等級。

本文嘗試在地鐵脆弱性評價中引入多級可拓評價方法。可拓評價方法是可拓學(xué)在實際研究中的主要應(yīng)用之一。可拓學(xué)的核心觀點為物元理論,物元是以事物、特征及事物關(guān)于該特征的量值三者所組成的有序三元組,記為R=(事物,特征,量值)=(N,C,V),這與脆弱性評價中要建立指標和被評價事物之間映射關(guān)系的思想是一致的。該方法既能表達被評價對象狀態(tài)等級的關(guān)聯(lián)度,也可以反映被評價對象質(zhì)變的動態(tài)過程[9]。文獻[9-10]將可拓評價方法應(yīng)用在地鐵運營安全評價中,并取得了與實際情況相一致的評價結(jié)果。本文引入多級可拓評價方法,在于完善大客流下地鐵脆弱性評價指標體系。

2 多級可拓評價模型

設(shè)R表示物元,C為評判因素集,C={C1,C2,…,Cn},其中n為評判因素的個數(shù)。評判因素集是脆弱性的特征指標。根據(jù)影響被評價對象的各因素的特征及其風(fēng)險等級,建立脆弱性等級域U[8]。

2.1 確定經(jīng)典域和節(jié)域

經(jīng)典域指各指標在評價指標中所確定的量值范圍。節(jié)域則指各指標的實際取值范圍。

令

(1)

式中:

Rj——地鐵車站大客流擾動下脆弱性等級經(jīng)典域;

Vj——脆弱性評價指標C關(guān)于脆弱性等級Uj所確定的取值范圍。

令

(2)

式中：

Ru——節(jié)域;

U——脆弱性級別的全體;

Vu——評價指標C關(guān)于U所確定的取值范圍。

2.2 確定待評物元

由于設(shè)置的評價指標層級較多，這里以第i個待評的一級指標為例確定其評級物元。對待評價對象,將實際所評分數(shù)用Ri(i表示指標的級數(shù)，i={1,2,3})表示:

(3)

式中:

N——待評對象,即地鐵車站大客流擾動下脆弱性;

Vp——待評對象N在評價指標Cp下所得的具體分值,其中p為第i+1級指標中所包含的隸屬于上級指標的子指標的個數(shù)。

2.3 構(gòu)建關(guān)聯(lián)函數(shù)

(4)

其中

(5)

(6)

式中:

kj(ci)——隸屬于Ci的下一級指標關(guān)于脆弱性等級j(j={1,2,…,m})的關(guān)聯(lián)度。

2.4 多級可拓評價

2.4.1 一級評價

一級評價的評價對象為二級指標。二級指標對各脆弱度等級的關(guān)聯(lián)矩陣k(bi)由三級指標對脆弱度各等級的關(guān)聯(lián)矩陣k(ci)與三級指標的權(quán)重向量wci相乘得到。即：

(7)

2.4.2 二級評價

二級評價的評價對象為一級指標。一級指標對各脆弱度等級的關(guān)聯(lián)矩陣k(ai)由二級指標對脆弱度各等級的關(guān)聯(lián)矩陣k(bi)與二級指標的權(quán)重向量wbi相乘得到。即：

(8)

2.4.3 三級評價

將一級指標對脆弱度各等級的關(guān)聯(lián)矩陣k(ai)與一級指標的權(quán)重向量wai相乘,確定待評價對象對各脆弱度等級的關(guān)聯(lián)矩陣k(N)。

(9)

2.5 脆弱性等級確定

若kj(N)=maxj={1,2,…,m}kj(N),則稱待評價對象N的脆弱性等級屬于等級j。

(10)

(11)

稱j*為地鐵在大客流下脆弱性的級別變量特征值,即屬于某脆弱級別程度。

3 大客流下地鐵脆弱性評價體系構(gòu)建

采用多級可拓評價法對大客流下地鐵的脆弱性進行評價,以確定其脆弱性等級。筆者認為,大客流下地鐵脆弱性應(yīng)包括運營系統(tǒng)的暴露度、敏感度和適應(yīng)度三個方面。其中，暴露度是指承載體暴露于致災(zāi)環(huán)境中的時間、頻率與強度;敏感度為承載體對外界環(huán)境的感知與承受能力;適應(yīng)度則指承載體的自我調(diào)整與恢復(fù)能力。對15位來自高校、設(shè)計院、地鐵運營公司從事安全管理、安全設(shè)計、地鐵安全管理等領(lǐng)域的專家進行問卷調(diào)查和指標篩選,結(jié)合文獻[11]建立地鐵在大客流下的脆弱性評價指標體系,進行車站脆弱性評價工作。指標共涉及37項,每項滿分為100分,根據(jù)專家對每項指標打分情況,依據(jù)貢獻度的計算方法,計算出每一項指標的綜合脆弱性得分。以北京市某地鐵為待評價對象進行打分,結(jié)果見表1。

目前對地鐵脆弱性的研究尚處于起步階段,對于脆弱性的定量分析和等級劃分還沒有權(quán)威性的定論和標準。本文結(jié)合已討論出的各項指標評價標準以及相關(guān)專家的意見與建議,參考文獻[12]劃定大客流下地鐵脆弱性等級(見表2)。

4 實例分析

以北京某地鐵站為例，對其在大客流擾動下的脆弱性進行可拓綜合評價,檢驗該方法在相關(guān)研究領(lǐng)域中運用的可行性及合理性。根據(jù)表 1 和表 2,建立多級可拓脆弱性等級域U={U1,U2,U3}={重度脆弱區(qū),中度脆弱區(qū),輕度脆弱區(qū)}。一級評價因素集為A={A1,A2,A3}。

限于篇幅,以“設(shè)備”及其下屬的三級指標為例演示計算的過程。

(1) 根據(jù)表2和式(1)、(2)確定“設(shè)備的暴露性B4”及其三級指標的經(jīng)典域和節(jié)域。其經(jīng)典域為:

表1 大客流下北京某地鐵站脆弱性評價指標體系及評分值

表2 大客流下地鐵脆弱性等級表

其節(jié)域為:

(2) 確定“設(shè)備的暴露性B4”的待評物元為R2,其下三級指標B4={C20,C21,…,C24},V4={v20,v21,…,v24}為評分分值。

(3) 計算關(guān)聯(lián)度。待評價物元R2中三級指標“高峰期持續(xù)時間”的評分值v20=78,運用式(4)～式(6)可計算該三級指標的關(guān)聯(lián)度。

則可得關(guān)聯(lián)度:

同理可得“設(shè)備”其他三級指標的關(guān)聯(lián)度,見表1。其余三級指標的實際評分、關(guān)聯(lián)度等參數(shù)見表1。

(4) 多級可拓評價。根據(jù)表1中的三級指標關(guān)聯(lián)度和一、二、三級指標權(quán)重進行多級可拓評價,并確定評價結(jié)果。

①一級評價,確定二級評價指標針對各脆弱性等級的關(guān)聯(lián)度。以二級指標中的“設(shè)備暴露度B4”為例,計算二級指標脆弱性關(guān)聯(lián)度。

K(B4)=[0.024 0,0.067 1,0.023 3,0.235 1,0.650 5]·

[0.378 3,-0.201 2,-0.424 3]

其余的二級評價指標針對各脆弱性等級的關(guān)聯(lián)度見表3。

②二級評價,確定一級評價指標針對各脆弱性等級的關(guān)聯(lián)度。以一級指標中的“設(shè)備A2”為例,計算一級指標脆弱性關(guān)聯(lián)度。

表3 北京某地鐵站脆弱性評價二級指標關(guān)聯(lián)度表

K(A2)=[0.081 1,0.576 9,0.342 0]·

[-0.112 9,0.070 3,-0.309 0]

其余的一級評價指標針對各脆弱性等級的關(guān)聯(lián)度見表4。

③三級評價,確定待評價對象對各脆弱性等級的關(guān)聯(lián)矩陣K(N)。

[0.185 5,-0.040 2,-0.393 0]

由于maxj={1,2,3}kj(N)=k1(N),即北京某地鐵站在大客流下脆弱性等級屬于1級(重度脆弱)。同時可求得j*=1.378 8,說明該站在大客流下脆弱性等級為1.378 8級。

表4 北京某地鐵站一級指標關(guān)聯(lián)度及評價目標計算結(jié)果

(5) 評價結(jié)果分析。由脆弱性可拓評價結(jié)果可知,該站脆弱性等級為1級,即屬于重度脆弱區(qū)。此結(jié)果基本符合實際調(diào)研時觀察到的客觀條件。應(yīng)立即整改,提出相關(guān)事故預(yù)防對策。

在人員子評價系統(tǒng)中,主要影響因素為車站的客流密度。車站被居民區(qū)環(huán)繞,客流量呈現(xiàn)無規(guī)律變化,由此車站在人員活動方面的暴露度和敏感度較高。同時,客流變化的不規(guī)律也使得適應(yīng)度降低。因此,地鐵運營方應(yīng)根據(jù)車站特點,引入志愿者對乘客進出車站進行引導(dǎo),實現(xiàn)對乘客的有效分流。同時，針對突發(fā)情況制定應(yīng)急預(yù)案，對現(xiàn)場一線人員進行相關(guān)應(yīng)急培訓(xùn),使得一線工作人員能具備處理突發(fā)事件的能力,提高緊急情況下的疏散效率。在設(shè)備子系統(tǒng)評價中,評價結(jié)果顯示該站設(shè)備的負荷強度大,冗余不足,待修率與帶病工作率高。地鐵運營方應(yīng)按照規(guī)程進行日常的檢修保養(yǎng)工作,提高設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性。安全標志效果不佳同樣是一個值得關(guān)注的問題,地鐵運營方需及時彌補安全標志數(shù)量上的不足,調(diào)整好安全標志與商業(yè)廣告的關(guān)系,提升標志的宣傳效果。在環(huán)境子系統(tǒng)評價中,針對事故疏散的快捷性較差這一問題,應(yīng)保障站廳、站臺和通道的暢通，為乘客疏散提供便利,減少其進出站、換乘的時間及距離。同時,為乘客乘車、等候創(chuàng)造良好的環(huán)境,提升車站自身形象。

5 結(jié)語

本文運用多級可拓理論,建立在大客流下地鐵脆弱性的多級可拓評價模型。以模型中的一、二級指標和三級指標為基礎(chǔ),對大客流下地鐵脆弱性的各個子系統(tǒng)進行系統(tǒng)性分析,計算其與各脆弱性等級的關(guān)聯(lián)度,確定大客流下地鐵脆弱性的總體水平。通過實際運用,說明該方法有較好的實操性。

通過建立大客流下地鐵脆弱性的多級可拓評價模型，可提出改善地鐵脆弱性水平的措施,從而為地鐵運營管理和地鐵脆弱性評價提供參考。

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Vulnerability of Subway Station Caused by Large Passenger Flow Disturbance Based on Multilevel Extension Assessment

SONG Shouxin, YAO Dezhi, XIAO Chuyang

According to the research status of the characteristics of subway operation and the vulnerable areas in subway both in China and abroad, an evaluation index system on subway vulnerability caused by large passenger flow disturbance is established. Then, based on the multilevel extension theory, a multilevel extension assessment model is set up. Taking Beijing subway as an example, the vulnerability risk degree of a subway station caused by large passenger flow disturbance is defined. According to the research, optimization measures are put forward, which could provide a new evaluation method for subway operation in China.

metro; large passenger flow disturbance; vulnerability; evaluation index system; multilevel extension assessment method

*國家社科基金重點項目(13AZD088)

F 530.7

10.16037/j.1007-869x.2017.01.006

2016-04-16)