基于網絡層次分析法的高速公路應急預案評估

王順豪， 萬瑛瑩, 彭 引

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-10-13

近年來，我國的高速公路網正在快速建設，但是基本上都處于建設和運營的前期，而且有著較為嚴峻的安全問題，單位里程事故指標率和發達國家比起來顯得偏高，這是因為缺乏有關規劃、建設和運營方面的理論研究[1]。

因為高速公路事故都是突發性的，多數包含偶然性、突然性、破壞性強等特點，當沒有相對應的應急預案時通常會引發更大的人員傷亡，所以高速公路應急救援預案評估作為高速公路應急管理體系研究的重要組成部分，已經得到了眾多學者的重視。通過評估預案，我們可以在全方位檢查預案建立質量，實施和效果的過程中形成反饋，提出有針對性的審查和調整規劃的建議，來提高預案科學性和操作性。

實用性條款的匱乏對于應急預案的評價，標準也沒有統一，學術理解大多不一樣，評估相對混亂[2]。模糊綜合評價法、AHP法、能效系數法等方法是現在常用的預案評估方法。通過分析有用預案包含的因素以及突發事故的特點，覃燕紅在論文中準確評估了應急預案的有效性[3]。禹竹蕊從三個方面闡述了預案綜合評估，分別是動態綜合評估的實質性步驟、根本原則與關鍵內容還有指標[2]。張強、郭子雪在進行應急預案評估時采用了直覺模糊集和TOPSIS法[4]。池宏、于瑛英、高敏剛在表示應急預案時采用了網絡計劃方法，并利用關于資源保障率的新觀點在缺乏所有來源時評價，還提出了分別在運行應急預案的前后進行評估[5]。

本文在考慮到高速公路應急預案的指標之間是一個相互影響、互相依存的一個循環系統，而不是相對獨立的，提出了基于網絡層次分析法(ANP)高速公路應急預案評估模型，并利用超級決策(Super Decisions)軟件程序化ANP理論計算，提供依據來減少單位里程事故率并提升救援能力。

1 基于ANP高速公路應急預案模型

1.1 評價模型的建立

網絡層次分析法(ANP)是更加有效、靠近實際的評估方法，能比較精確地形容關于客觀事物之間的關系。系統指標元素在ANP結構圖中將會被劃成兩部分。第一，包含目的以及決策準則，稱為控制元素層。在這層中，目標元素支配所有的被認定為沒有相互聯系的決策準則。第二，網絡層，網絡結構由全部受控制層支配且相互影響的元素組成[6]。如圖1所示是一個典型的ANP結構圖。

圖1 ANP的典型結構

1.2 評價指標體系的構建

政府和管理部門為預防和控制突發事故，在基于事故種類、重大傷害的認識度、產生的幾率以及關聯程度而提前建立的一項處理計劃就叫做應急預案。所以應急救援的全面性和及時性將受到應急預案的直接影響。

指標體系是存在內部聯系、互相補充的一套指標集合，能夠全方位的反映高速公路應急預案特點。高速公路應急預案評價的成功關鍵是應急預案的科學編制。本文在既有研究的根本上，從救援處置時效性、救援方案完備性、救援責任明確性以及可操作性等四個方面對高速公路應急預案進行評估，形成網絡層次的關鍵過程層(即準則層，為一級指標)。控制層由一級指標和目標層構成，網絡層則由18個相互影響的二級指標構成，基于ANP的高速公路應急預案模型由控制層和網絡層一同建立[7]。具體的指標體系如表1所示。

表1 高速公路應急預案指標體系

1.3 基于ANP的指標賦權計算步驟

對高速公路應急預案運用常規的ANP開始評價。設控制層中目標層元素為A，控制層中準則元素為Bi(i=1,2,3,4),網絡層有元素組Ci(i=1,2,3,4),Ci中有元素Ci1，Ci2, ……,Cii其中j為網絡層每個元素組內元素的個數。

計算步驟如下[8]：

(1)兩兩比較ANP網絡模型中存在相互影響關系的各元素指標。

在網絡層中，不僅元素組內的元素存在相互影響的關系，而且元素組還與其他元素組相互影響。故由特定的標準準則，以控制層中準則元素Bi為準則，元素組中元素Cij為次準則，通過間接優勢比較各元素組內元素對Cjn的關系程度來得到兩兩比較判斷矩陣。

(2)確定未加權超矩陣。

歸一化的特征向量值可以利用特征根法根據兩兩判斷矩陣來得到：

(1)

(3)計算各元素組的權重在超矩陣中。

顯然不是歸一化矩陣的超矩陣W中每列的和為1，通過兩兩判斷矩陣得到的每一元素ωij都是歸一化特征向量，但是需要一個歸一化的排序向量，所以要以控制元素Bi為準則，比較控制元素Bi下的各元素組對各元素組Ci的重要性：

(2)

(4)計算加權超矩陣。

把矩陣A與W相乘得到加權超矩陣：

W*=aij×ωij

(3)

(5)計算極限超矩陣。

一直對超矩陣進行n次方到得到保持不變的各列向量才停止:

(4)

1.4 對評價指標的模糊綜合評判：

模糊綜合評價法用模糊數學總體評價受到多種元素影響的事物，把定性評價轉變為定量評價，結果清楚明確、完整性強。

模糊評判的基本步驟：

(1)確定評價因素集。

(2)確定評判集。

(3)確定各影響因子的權重。

(4)構造模糊綜合評價矩陣R。

(5)借助Fi=BiRi合成算子算出各指標的評價向量，最后通過評價集加權求出高速公路應急預案的綜合評分。

鑒于ANP困難的計算過程，本文將利用Super Decisions軟件較準確的給各評判指標進行賦權來計算指標權重，同時使ANP理論計算步驟變得更加實際、方便、具體[9]。

2 案例分析

Super Decision(超級決策)是一個典型的ANP計算軟件，它可以開展復雜的ANP運算操作來幫助用戶[9]。

以四川某一高速公路路段發生事故進行應急救援采用的應急預案A為例，參照上述建立的高速公路應急預案的ANP網絡結構，在SD軟件中首先通過菜單欄[Design][Cluster]指令創建集群(元素組)，再通過[Design][Node]指令創建集群內的元素，最后通過[Design][Node Connexions From]指令來連接目標和準則以及準則和元素，建立具有相互依存、反饋關系的網絡框架，為下一步進行兩兩比較提供方便(圖2)。

圖2 高速公路應急預案網絡框架

2.1 各級指標判斷矩陣的構造

點擊[Do Comparison]指令開始做比較過程，有四個兩兩比較的評估模式，本文采用問卷調查模式，尋找有關專家對各指標重要程度打分。利用專家在經驗上對兩種因素間的相對重要性進行定量評價的原理，采取九級梯度法確定判斷矩陣[10]。表2為判斷矩陣的評分標度。

當建立完成全部的元素組和元素之間的連接后，進行ANP中元素組與元素組以及元素與元素之間的比較判斷。分別以4個一級指標為準則，各相關元素為次準則，來建立判斷矩陣。然后通過 [Computations][Show new Priorities]指令來確定判斷矩陣一致性是否通過。

表2 判斷矩陣評分表度及其含義

本文選取了幾個具有代表性的矩陣，圖3所示是以“救援方案完備性”為評價準則、“明確應急指揮體系”為次準則、救援方案完備性元素組內各元素對明確應急指揮體系的兩兩判斷矩陣界面。圖4所示則為該準則下一致性查驗指標值和各元素的歸一化權重。

圖3 元素級兩兩判斷矩陣的錄入界面

圖4 歸一化權重和一致性檢驗指標值

圖5 各評價指標權重

圖4中一致性檢驗結果為0.009 0 < 0.1，說明該判斷矩陣被接受，同時還給出了各元素級指標的權重。

輸入所有的元素級判斷矩陣并完成一致性查驗后，按照ANP理論計算需要獲得未權重化超矩陣，這可以運用[Computations][Unweighted Super Matrix]指令來實現；再運用[A

2.2 各評價指標權重的確定

圖5是得到的穩定的權重，這可以運用[Computations][priorities]指令來實現。

由圖4可知一級指標權重向量A=[0.2860，0.2088，0.4076，0.0976]，二級指標權重向量B1=[0.071，0.6382，0.2908]，B2=[0.2573，0.0412，0.5023，0.1992]，B3=[0.1679，0.0253，0.1670，0.2505，0.1719，0.1360,0.0815]，B4=[0.4389，0.0897，0.3210，0.1504] 從一級指標權重可看出，救援方案完備性的權重最大，所以，其對應急預案的影響也最大。二級指標中權重較大的有應急響應、資源調配的及時性與補充性、明確物資和裝備、明確突發事件的分級情況等，因此這些指標都應當重點考慮在高速公路應急預案的建設和評價過程中。

2.3 對評價指標的模糊綜合評價

首先對評價模型確定評價集為V={4,3,2,1}={特別滿意，較為滿意，稍微滿意，很不滿意}。假定非常滿意為[100，90]分，較為滿意為[90，80]分，稍微滿意為[80,70]分，很不滿意為[70，60]分。4分為每個問題總分，4說明該指標評價為特別滿意，3說明該指標評價為較為滿意，2說明該指標評價為稍微滿意，1說明該指標評價為很不滿意[11]。

選擇5位專家以問卷調查的形式進行調查，對該項目評估模型評判打分，收回全部所發問卷進行統計，得到表3所示的評價成果。

表3 各指標歸一化的專家評價結果

模糊綜合評價矩陣R1為：

選用加權型的M(o，+)算子對R1開始計算，求得B1的綜合評價向量：

F1=B1·R1=[0.1362，0.4780，0.3858，0]

同理可得：

F2=B2·R2=[0.1602，0.5345，0.3053，0]

F3=B3·R3=[0.1806，0.5358，0.2836，0]

F4=B4·R4=[0.0910，0.3392，0.4788，0.091]

再計算高速公路應急預案能力的綜合評價向量：

D1=A[F1,F2,F3,F4]T=[0.1549，0.4998，0.3364，0.008 9]

2.4 結果分析

根據上文的評級準則，該高速公路預案能力后評價最終得分=95×0.1549+85×0.4998+75×0.3364+65×0.0089=83.007，所以該預案的最終評價為等級為較為滿意。對高速公路預案A的4個一級指標通過一樣的計算得到B1、B2、B3、B4的綜合得分分別為82.504、83.549、83.97、79.302，可以看出高速公路應急預案的可操作性、救援處置時效性、救援方案完備性屬中等水平，均為較為滿意，而可操作性在這三個里面分數最低，并且救援責任明確性分數最低，為稍微滿意。因此，在遇到同類事故進行應急救援預案的建立時，應著重提高救援責任明確性，提高可操作性，同時不斷完善救援方案完備性和救援處置時效性，才能降低高速公路事故造成的人員傷亡情況。

3 結束語

(1)提出了基于ANP的高速公路應急預案評估模型，并借用模糊綜合評價法評價高速公路應急預案，將其定量化，結果清晰明確。ANP彌補了AHP的不足，充分考慮指標間的相互依存和反饋關系，充分提升賦權準確度。

(2)ANP理論計算過程中計算量大、步驟復雜，利用SD軟件求解操作簡便，明顯提升評價效率。明確元素組內及元素組間各指標的互相影響關系是利用該軟件進行指標賦權的關鍵。

(3)ANP網絡結構模型中，4個一級指標權重從大到小依次為救援方案完備性>可操作性>救援處置時效性>救援責任明確性。因此，高速公路應急預案應以權重較大的指標為重心，其他指標盡量完善來建立。

(4)還應當指出的是，不是所有可能的因素都在網絡層次分析模型中體現。另外就是比較對照矩陣中的數字都由決策人員指定，受主觀因素決定影響較大，因此在全方位的考慮各種影響后，與現實相比可能會產生一定的偏差。

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