基于證據理論的地鐵應急體系脆弱性評估研究*

李 磊， 倪鵬炯， 金段艷， 陳怡伶

(1.浙江師范大學 工學院,浙江 金華 321004;2.寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315100)

基于證據理論的地鐵應急體系脆弱性評估研究*

李 磊1， 倪鵬炯1， 金段艷1， 陳怡伶2

(1.浙江師范大學 工學院,浙江 金華 321004;2.寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315100)

為完善地鐵突發事件應急體系，提高地鐵應對突發事件的能力，針對地鐵突發事件應急體系脆弱性進行了研究，通過對地鐵應急體系脆弱性因素的分析，從法律法規脆弱性、應急組織脆弱性、應急預防脆弱性、應急救援脆弱性、應急資源脆弱性和災后處置脆弱性6個方面建立了地鐵應急體系脆弱性評估指標體系.利用層次分析法確定了指標的權重，提出了基于D-S證據理論的地鐵突發事件應急體系脆弱性評估方法.最后通過實例分析，驗證了該方法在評價地鐵突發事件應急體系脆弱性上的可行性和有效性.

地鐵；應急體系；脆弱性；證據理論；評估

0 引 言

地鐵突發事件應急體系涵蓋組織體系、預案預警、應急處置、應急恢復及災后總結等環節.完善的地鐵應急體系是實現公眾生命安全、系統設施安全、系統運轉穩定及降低突發事件帶來的損失的保障.根據聯合國國際減災戰略(UNISDR)對風險的定義[1]“風險(risk)=危險性(hazard)乘脆弱性(vulnerability)除以抗災能力(capacity)”,由此可見，風險很大程度上取決于源發事件與承災主體的脆弱性之間的相互作用.脆弱性也是地鐵軌道交通應急體系風險評估中的關鍵參數，評估脆弱性參數對應急管理體系功能的發揮和體系的完善起到很大的指導作用[2-5].

Sohn[6]用交通系統的績效來評估脆弱特性,并且確定了網絡的薄弱環節；Taylor[7]在此基礎上考慮社會經濟因素、出行者對行程時間的估計誤差對脆弱性的影響，構建了一定的路徑選擇模型，計算了路網可達性指標，以此評估路網脆弱性.國內對于交通網絡脆弱性評估的研究相對較少，特別是針對城市地鐵系統.目前的研究大多圍繞在抗災性方面,提出了應急能力指標體系并建立評估模型，或者通過風險分析衡量交通系統的應急能力.張銘等[8]從系統工程理論的角度，建立了應急救援評價指標體系，采用模糊層次分析法對影響應急救援過程的多個功能要素作定性和定量分析并進行了綜合評價；何珊珊等[9]利用粗糙集理論的相關知識，研究了地鐵災害應急能力的評價問題,從地鐵災害應急能力的特點出發，構建了準確、全面、有效的地鐵災害應急能力評價指標體系；盧文剛等[10]通過結合地鐵突發公共事件應急管理的現實情況和應急管理相關理論，設計了科學系統和實操性強的城市地鐵突發事件應急能力評價體系框架，提出了構建城市地鐵突發事件應急能力評價的方法及步驟；閻善郁等[11]建立的地鐵突發事件應急能力指標體系，基于可拓評價的物元模型進行了綜合評價；尹俊淞[12]通過分析軌道交通應急能力的影響因素，建立了多層次的評價指標體系，引入灰色聚類分析對城市軌道交通應急能力進行了綜合評價；文獻[13]提出運用案例推理方法(CBR)，結合其中案例表示及檢索對城市軌道交通突發事件進行風險分析.由風險定義可知，以上研究主要從城市軌道交通的應急能力方面作出分析或評價，缺乏對城市軌道交通應急體系本身抗干擾能力即對其脆弱性的評估.為此，本文研究了地鐵應急體系脆弱性評估，構建了其應急體系脆性評估指標；另外，考慮到評估中的不確定性[14]，本文將基于證據理論對地鐵突發事件應急體系脆弱性進行評估.

1 地鐵應急體系脆弱性評估指標

地鐵突發事件應急體系的作用是正確、及時處理地鐵突發事故，盡可能減少人員傷亡、財產損失.其建設指導思想是：以人為本、預防為先、防御為主、處置迅速，最大程度地保障公眾生命安全、系統設施安全、系統運轉穩定.其應急體系脆弱性內涵為系統處于存在風險或子系統受到攻擊和影響的狀態下，應急系統缺乏自我調整和適應的能力而導致系統故障甚至癱瘓的性質.研究地鐵應急體系脆弱性，降低系統暴露性和敏感性以提高系統適應性[15].

根據城市軌道交通系統特點、危害因素及突發事件的特征，以及應急體系自身功能要求，本文在指標選擇上遵循科學性、系統性、層次性、可操作性及可量化性相結合的原則，結合《地鐵運營安全評價標準》并參照文獻[16-18]制定評價指標.指標篩選是通過計算每個指標的集中度和離散度得到的，指標集中度和離散度如下：

指標集中度Ei定義為：

(1)

式(1)中：s為評估指標個數；t為咨詢專家個數;aj為第j位專家對某個指標的評分值.

指標離散度σi可用標準差計算，即

(2)

式(2)中,aj為第j位專家對某個指標的評分值.

根據地鐵突發事件應急體系的特點，以Ei≤3，σi≤0.62為條件[19]，篩選出滿足條件的指標.

最終從法律法規脆弱性、應急組織脆弱性、突發事件預防脆弱性、應急救援脆弱性、應急資源脆弱性、災后處置脆弱性6個方面對地鐵突發事件應急體系脆弱性進行有效衡量，構建地鐵應急體系脆弱性評估指標.

2 基于證據理論的地鐵應急體系脆弱性評估

2.1 證據理論基礎知識[20-21]

1)識別框架

證據理論中，把一個互不相容事件(或命題)的完備樣本集合Θ稱為識別框架，可表示為

2)基本信任分配函數

設Θ為識別框架，?為空集，若集函數m:2Θ→[0,1](2Θ為?的冪集)滿足

(3)

則稱m為框架Θ上的基本信任分配函數(mass函數)；?A?Θ，m(A)為A的基本信任分配值，其中，稱使得m(A)>0的A為焦元.

3)證據理論合成規則

①2個證據的合成

(4)

②多個證據的合成

(5)

2.2 脆弱性評估算法流程

步驟1：確定評價對象集及脆弱性評價指標C

評價對象集P={地鐵突發事件應急體系脆弱性}，評價指標有一級指Ci(i=1,2,…,n)和二級指標cij(i=1,2,…,n,cij為第i個一級指標下的第j個二級指標).

步驟2：確定脆弱性評語等級

評語等級集合V={V1,V2,…,Vl}，評語集所對應的值集p(V)={p(V1),p(V2),…,p(Vl)},l為評語等級個數.

步驟3：確定指標權重w

利用層次分析法，結合專家打分法對指標賦予權重[22]，計算各要素的相對重要性,利用方根法確定各級評價指標的權重.

步驟4：確定評價指標的基本信任度

由專家給出各底層因素關于評價集的基本信任度.

(6)

步驟7：計算目標層C、評語等級為Vk(k=1,2,…,l)的mass函數m(CVk)

根據一級指標Ci的權重數值，并規范化信任分配函數得m′(CVki)，即

(7)

式(7)中：wi為一級指標權重；wq為一級指標權重中的最大值.運用證據理論的合成規則計算目標層C的mass函數m(CVk).

步驟8：計算評估對象，得其綜合評估值E，即

(8)

3 實例分析

本文以Y市地鐵突發事件應急體系脆弱性作為評價對象，建立評價指標，如圖1所示.

圖1 地鐵突發事件應急體系脆弱性評估指標

邀請10位專家對該地鐵應急體系脆弱性指標進行評估，專家依據經驗給出二級指標在各評價等級上的信任度，如表1所示.其中,評語等級V分5個級別：{很低(V1)，較低(V2)，一般(V3)，較高(V4)，很高(V5)}，評語等級所對應的評語值集合p(V)={p(V1)，p(V2)，p(V3)，p(V4)，p(V5)}={9，7，5，3，1}.

表1 專家給出的二級指標在各評價等級上的信任度分配

根據專家打分，運用層次分析法，求得各級指標權重如下：

結合以上數據，以準則層指標“應急救援脆弱性”信任度計算為例，利用式(6)，求“應急救援脆弱性”二級指標的mass函數值,計算結果如表2所示.

表2 應急救援脆弱性二級指標信任度分配

運用證據理論合成規則，計算出“應急救援脆弱性”指標的信任度.同理，可計算出法律法規脆弱性、應急組織脆弱性、應急預防脆弱性、應急資源脆弱性和災后處置脆弱性的信任度值，結果見表3.

表3 地鐵應急體系一級指標信任度分配

根據步驟7計算目標層的總信任度分配，結果為m(CVk)=(0.085,0.657,0.061,0.004,0.000).

由計算結果可知，地鐵應急體系脆弱性屬于很低(V1)的信任度m(CV1)=0.085，較低(V2)的信任度m(CV2)=0.657，一般(V3)的信任度m(CV3)=0.061，較高(V4)的信任度m(CV4)=0.004，很高(V5)的信任度m(CV5)=0.000.

由步驟8，根據式(8)得到該地鐵應急體系脆弱性的總體評估值為

該系統的脆弱性處于較低和一般之間，總體趨于較低.從證據合成的過程來看，應急體系脆弱性的薄弱環節為法律法規和應急資源2個方面.在未來的地鐵應急體系脆弱性管理工作中，應加強對法律法規、應急資源2方面的建設和完善.應從以下兩方面展開:

1)圍繞《國家處置城市地鐵事故災難應急預案》，明確制定法律法規的責任主體，修訂完善各項規章制度，完善地鐵應急法律法規體系；

2)在應急資源上，應統籌考慮各項風險因素，科學規劃、優化應急救援網點和物資布局，提升應急救援能力.

4 結 語

本文以地鐵突發事件應急體系脆弱性為研究對象，通過對地鐵應急管理體系進行調查，綜合考慮影響地鐵系統安全的各類因素，建立了較為全面的地鐵突發事件應急體系脆弱性評價指標.通過實例的應用分析表明，D-S證據理論方法應用于地鐵突發事件應急體系脆弱性評估是有效的、實用的，評價結果可為地鐵運營相關部門發現應急體系中的薄弱環節提供理論依據，對提高地鐵突發事件的應急能力具有應用價值.

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(責任編輯 陶立方)

Research on vulnerability assessment of subway emergency system based on the evidence theory

LI Lei1, NI Pengjiong1, JIN Duanyan1, CHEN Yiling2

(1.CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China; 2.OperationBranchCompanyofNingboMetroCompanyLtd,Ningbo315100,China)

To enhance the metro traffic security and improve the ability of the metro coping with emergencies, it was conducted a research in view of the subway emergency system vulnerability by analyzing the factors of vulnerability of subway emergency system, the vulnerability assessment index system of the metro emergency system was established from six aspects including laws, regulations vulnerability, emergency organization vulnerability, emergencies prevention vulnerability, emergency rescue vulnerability, emergency resource vulnerability and the vulnerability of disposal of the disaster. The index weight was determined by the analytic hierarchy process (AHP), and evaluation method of the metro emergency system vulnerability based on the D-S evidence theory was proposed. The feasibility and effectiveness of assessment method was also validated through example.

subway; emergency system; vulnerability; evidence theory; assessment

10.16218/j.issn.1001-5051.2017.03.015

?2016-09-22；

2017-01-13

浙江省公益性技術應用研究計劃項目(2015C33015)；浙江省教育廳科研項目(Y201432259)

李 磊(1980-)，男，河南鶴壁人，講師，博士.研究方向：軌道交通安全及控制.>

U231

A

1001-5051(2017)03-0336-07