基于熵權物元可拓模型的京津冀城市群軌道交通應急能力評估

王景春，趙飛，侯衛紅，白雪

(1.石家莊鐵道大學 安全工程與應急管理學院,河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學 土木工程學院,河北 石家莊 050043)

一、引言

軌道交通是城市交通系統的重要分支，在城市的日常運行中發揮著重要作用。軌道交通作為京津冀城市群之間的紐帶，加強了京津冀的經濟文化交流、促進了京津冀協同發展，是京津冀城市群協同發展中的重要一環。然而軌道交通也存在著客流量大、設施種類多、空間狹小等特點，一旦遭遇突發事件，會造成救援難度大、乘客疏散困難等問題，對乘客的生命財產安全產生巨大的威脅，引發嚴重的社會影響[1]。在突發事件不能完全預測和控制的背景下，應急能力的高低直接關系著應急救援的成敗，對京津冀城市群軌道交通應急能力進行評估，找出不足之處并對其進行改進，既可以提高城市運行效率，降低突發事件所帶來的損失，也可以提高京津冀城市群針對突發事件的協同應急能力，對于京津冀城市群的協同發展具有重要意義。

近年來諸多學者對軌道交通應急能力展開了研究。李嶸等[2]提出AHP-TOPSIS法，從協調指揮、信息傳遞、關鍵流程控制、運營恢復4個層面對軌道交通應急演練現狀進行了分析；段海洋等[3]從人員因素、設備因素、管理因素、環境因素4個方面構建指標體系，采用層次分析法對軌道交通的運營安全進行分析；萬丹等[4]運用復雜網絡原理，應用干擾仿真策略，對北京、上海地鐵可能出現的故障進行模擬，對城市軌道交通的脆弱性進行了評價；黃克勇等[5]從設備安全、人員安全、管理安全、維修更新安全4個方面構建評價指標體系，并基于云模型對城市軌道信號系統安全保障能力進行評價。何靜等[6]通過對城市軌道交通的運營特點進行分析，構建軌道交通監管評價指標體系。曾慶文等[7]分析了對城市軌道交通銜接模式可能產生影響的因素，并構建AHP-RS評價模型對軌道交通跨制式銜接模式的適應性進行評價。濮海建等[8]從生存維、發展維2個維度構建了城市軌道交通建設適宜度評價指標體系，并根據生態位適宜度理論，基于歐式距離法和熵權法提出了城市軌道交通建設適宜度評價方法。武曉煒[9]依據《城市軌道交通運營安全風險分級管控和隱患排查治理管理辦法》，建立城市軌道運營安全風險評價體系，并構建AHP-DEMATEL評價模型對城市軌道運營安全風險進行評價；范喬等[10]依據地鐵車輛安全評價相關標準構建了軌道交通車輛可靠性評價體系，并且提出采用灰色綜合評估和粒子群算法優化反向傳播神經網絡預測相結合的評價方法，對城市軌道車輛可靠性狀態進行評價。

綜上所述，關于軌道交通應急能力已有一定的研究成果，對于城市軌道交通的各方面能力進行了評價分析，但在應急能力評價體系的建立中主要考慮的是單個城市內的軌道交通應急能力，很少考慮到城市應急能力對于軌道交通應急能力的影響，也缺乏城市群的應急能力對軌道交通應急能力影響的研究。本文在京津冀協同發展的基礎上，考慮到京津冀城市群協同應急能力對軌道交通應急管理能力的影響，從應急管理的預防、準備、響應、恢復4個階段構建京津冀城市群軌道交通應急能力評價指標體系，并將物元模型與可拓學理論相結合，引入熵權法，構建熵權物元可拓模型對京津冀城市群軌道交通應急能力進行評價，分析其存在的不足之處，為軌道交通應急能力的提升提供參考。

二、指標選取及數據來源

科學合理地構建京津冀城市群軌道交通應急能力評價指標體系是保證評價結果公正、有效的關鍵。根據應急管理的4個階段進行劃分，對軌道交通突發事件的特點以及救援過程進行分析[11]-[13]，總結可能對應急能力產生影響的重要指標，構建京津冀城市群軌道交通應急能力評價指標體系。指標體系包含3個一級指標以及13個二級指標，見表1。

表1 京津冀城市群軌道交通應急能力評價指標體系

由表1可知，根據時間關系，將應急管理的4個階段分為3個部分進行分析，分別為突發事件發生前的預防及準備階段、突發事件發生時的響應階段以及突發事件發生后的恢復階段。突發事件發生前的預防和準備階段可以有效對突發事件進行預警，盡可能地防止事故的發生，對于必定發生的事故也可以減少事故造成的損失，為應急響應做好充足的準備，提升應急響應的效率。應急響應是在突發事件發生后的各種緊急處置及救援工作，是應急管理階段的重中之重，應急響應可以有效保護人民群眾的生命安全，最大程度地降低突發事件所帶來的危害。恢復階段是在突發事件的威脅和危害得到控制后所采取的處置工作，在突發事件發生后使城市的生產生活恢復到正常狀態或得到進一步改善，總結當前應急管理工作的不足對其改進。同時指標體系考慮到京津冀城市群的應急能力對軌道交通應急能力的影響，將可能對應急能力產生影響的不確定性因素加入評價體系中，確保評價體系的準確性及完整性。

為了實現精確的定量評估，提高評估的準確性，使得評估結果直觀、可靠，同時便于專家對各指標做出評價，需對各指標的狀態進行分級，并給出對應的分值區間，共設立5個評價等級[14]，具體見表2。

表2 評價等級及分值區間

三、熵權物元可拓模型的構建

(一)基于可拓學理論的熵權物元可拓模型

可拓學理論是我國蔡文教授于20世紀80年代提出的，集數學、哲學、方法論為一體的理論模型，該理論以形式化模型描述物元、事元和關系元的關系，定性與定量相結合地綜合評價事物的性質，并探究其變化規律。物元可拓分析是將物元模型與可拓學理論相結合，把研究中的實際問題轉化為形式化問題模型以及描述問題解決過程的模型，從而有效地解決矛盾，為決策提供數據，將不相容問題轉化為相容問題，使問題得到合理解決，也可對問題的解決過程進行詳細的描述與評價[15]。物元可拓模型具體過程如下。

1.確定物元

將要評價的對象記作N，其特征記為c，特征量記為v，假設有N有多個特征c1,c2,…,cn，并且每個特征都有對應的量值v1,v2,…,vn，物元R表示為

(1)

其中R為目標層，c=(c1,c2,…,cn)為一級指標，v=(v1,v2,…,vn)表示其特征量值。

2.確定經典域

經典域是由評價的物元及其量值所在的區間確定，將評價等級分為m級，Nj表示第j個等級，j=(1,2,…,m)；ci表示第i個評價指標，i=(1,2,…,n)；vji表示在等級j下第i個指標的取值范圍，用(aji,bji)表示，三要素結合起來即為經典域物元Rj。

(2)

3.確定節域

節域用Rp表示，vpi=(api,bpi)為節域物元關于特征ci的量值范圍，其中(api,bpi)就是(aji,bji)指標范圍的合集。節域物元Rp表示為

(3)

4.關聯度計算

引入經典數學中距的概念來定義點與區間的關系，構建關聯度函數，計算確定指標對于各級風險的關聯度kj(vi)。設v0為實數域內任一點，v(a,b)為實數域內任一開、閉區間，則v0與區間v(a,b)的距可表示為

(4)

關聯度表達式為

(5)

其中kj(vi)為第i指標關于第j風險等級的關聯度，ρ(vi，Vji)為待評物元量值與經典域的距離，ρ(vi，Vpi)表示待評物元量值與節域的距離。

5.風險等級確定

關聯度表示待評物元偏向相鄰等級的程度，即評價指標對于評價等級的關聯程度。因評價對象為多層次組合的指標體系，故應逐步計算不同層次的綜合關聯度，組成總目標的評價結果。

通過熵權法對各指標的權重進行計算，各指標的關聯度與其對應權重的乘積之和可以作為各風險等級的加權關聯度，代表不同層次指標在各風險等級下的綜合關聯度，從而計算一級指標與目標層的綜合關聯度，得到目標的評價結果，計算公式為

(6)

根據關聯度最大原則[16]，評價指標在某一評價等級下關聯度最大，則確定該指標的評價等級為此等級，即若Kj=max{Kj(N)}，則確定評價指標的評價等級為j級。

(二)熵權法

熵權法是一種通過衡量數據之間的差異性來計算各指標權重的客觀賦權方法。熵是來源于熱力學的概念，用于度量系統的無序程度，熵權法將熵的概念擴展，構建了“信息熵”這一概念，信息熵是對序參量指標不確定性的一種度量[17]。熵權法對已知數據包含的信息量進行分析，得出各序參量的信息熵，并根據各序參量的信息熵進行賦權，使指標權重更加客觀、公正，在各領域都有著廣泛的應用。熵權法具體步驟如下。

1.構造判斷矩陣D

邀請p位專家對q個評估指標的重要度進行分析評判，構造賦分判斷矩陣D，vxy為專家評判值，則有

(7)

2.按指標計算各專家評判值的占比fxy

(8)

3.計算各指標的熵值hy

(9)

4.計算各指標的信息熵權重wy

(10)

四、實證分析與對策建議

(一)實證分析

為了對京津冀城市群軌道交通應急管理能力進行評價，邀請5位來自京津冀地區與軌道交通相關單位的應急管理方面的專家對京津冀城市群軌道交通應急管理工作進行調研，針對京津冀城市群內的京石城際、京霸城際、京唐城際、京濱城際等24條連接各城市城際軌道交通應急工作，結合過往軌道交通事故中已完成的應急救援行動進行評價，如“4·14大秦鐵路事故救援行動”①。同時參考表2中的評價等級分值區間，對各指標的重要度以及表現進行分析，并給出相應的評價分值。

根據專家對一級指標的評價，利用熵權法，對一級指標的權重值進行計算，首先構建判斷矩陣D。

計算指標的熵值，得出熵值所構成的向量H=(0.999 1,0.998 8,0.999 3)。

計算熵權權重Wy，熵權所構成的權重向量Wy=(0.327 2,0.419 1,0.253 6)。

同理可得出各二級指標權重值，根據關聯度公式對各二級指標與評價等級的關聯度進行計算，為了確保評價結果的準確性，取用專家評分的均值計算關聯度，計算結果見表3。

表3 二級指標權重評價等級關聯度

根據式(6)，將熵權法計算的二級指標權重與二級指標評價值相結合，計算各一級指標評價等級關聯度，結果見表4。

表4 一級指標權重評價等級關聯度

根據式(6)，對目標層京津冀城市群軌道交通應急能力與不同評價等級之間的關聯度進行計算，得K1=-0.669，K2=-0.421，K3=0.142，K4=-0.019，K5=-0.342。由于max{Kj(N)}=K3=0.142，故京津冀城市群軌道交通應急能力評價為較好。

(二)對策建議

雖然京津冀城市群軌道交通應急能力較好，但仍存在較大的改進空間，其主要原因是京津冀三地協同應急并沒有形成完整的體系，其本質依舊屬于“兩級政府、三級管理、條塊結合、以塊為主”的條塊管理體制，政府間屬于橫向關系。在某一行政區域發生突發事件時，三地應急管理機構無法及時進行溝通協調，臨近地區很難做到迅速救援。缺乏完善的應急預案也是京津冀城市軌道交通應急的一大阻礙。應急預案作為應急管理的基礎工作，是應急管理工作的重點，而京津冀城市群缺乏一套完善的跨區域應急管理預案，在應急管理的過程中應急管理單位不能立刻明確當前職責，難以與其他應急主體協調，對突發事件進行協同應急。同時由于缺乏法律法規的保障，京津冀三地的協同應急主要依據于三地簽署的合約，但合約對京津冀三地的權責劃分并不明確，進而導致京津冀應急部門協同應急能力不足。同時由于缺乏完善的協同應急體系與信息溝通平臺，無法做到應急資源的跨區域調度，而應急資源是應急管理的基礎，應急資源的充足與否對于應急管理的效果起到了決定性的作用。在應急響應過程中，由于軌道交通在車輛自身條件、地形、地貌以及環境條件的限制下，難以迅速地將受災人員轉移到安全的環境下；由于車廂內人員密度較大，疏散也較為困難；城市軌道跨度較大，遠離城市，在突發事件發生后應急隊伍可能需要較長的時間才能抵達現場，使應急救援難度增加。京津冀應急管理協同方面的不足以及軌道交通自身條件的限制是京津冀城市群軌道交通應急能力面對的兩大挑戰。針對目前京津冀城市群協同應急的不足之處，從構建協同應急體系、構建數字化應急信息平臺、構建應急資源分配機制、完善應急預案、制定京津冀利益補償方案等5個方面提出針對性的改進策略，以期為京津冀城市群軌道交通應急能力的建設與發展提供參考。

1.構建京津冀協同應急體系

目前京津冀城市群應急協同主要依據三地簽署的應急管理協議，初步形成了一套統籌協調、對口聯絡的工作機制，但并沒有形成完整的協同應急體系。為了提高京津冀協同應急的工作效率，應完善京津冀協同應急體制，充分發揮我國的體制優勢與組織優勢，打破京津冀三地分割的局面，加強應急管理過程中不同主體之間的協同應急合作；規范協同應急流程，由上而下構建一套完整的協同應急體系，形成制度化的應急組織結構；在突發事件發生時，分階段、分層次、分輕重地有序推進各項工作，協調各地的應急救援隊伍，突發事件發生時協助軌道交通應急隊伍的組織、協調、控制、善后工作，監督協同應急管理的執行情況，確保協同應急的順利進行。

2.構建數字化應急信息平臺

目前京津冀城市群軌道交通存在信息共享不及時、信息交流不充分的問題，成為了軌道交通應急工作中的障礙。對于突發事件，信息充分及時的溝通、共享可以有效提升應急管理的效率。利用5G、大數據、物聯網、云計算等技術，構建京津冀數字化應急信息平臺，通過該平臺京津冀三地可以共享城市軌道的相關監測數據與應急信息，并在應急管理的過程中通過該平臺實現信息的實時溝通；提高突發事件應急管理信息的收集、匯總分析、共享和協同等能力，確保在突發事件發生時京津冀各相關部門均可掌握充分的事故信息，快速共享有關突發事件的最新情況，同時明確各崗位職責，實時跟進應急管理工作，確保應急體系可以穩定、可靠的運行。

3.構建應急資源分配機制

應急管理離不開應急資源的支持，京津冀應急資源一體化是京津冀城市群應急協作的基礎，也是京津冀應急聯動的高級形式。在數字化信息平臺的基礎上建立一個應急資源調度系統，將現有的應急資源的數量、種類、存放地點、救援隊伍的地點以及數量等關鍵信息錄入系統之中。在突發事件發生后，應急管理部門對突發事件所需的應急物資進行分析，通過信息平臺上傳，調度系統對需求物資以及應急資源儲備進行分析，根據事件地點及事件特性對人員、物資做出相應的安排；通過數字化信息平臺對各單位進行調度，第一時間將所需要的人員、物資調度到災害現場進行應急救援，確保城市軌道發生突發事件后能夠快速響應，有效開展救援工作。

4.完善京津冀協同應急預案

應急預案是各類突發重大事故的應急基礎。科學、系統的預案體系才能保證跨區域應急工作的有效開展。京津冀城市群應急預案的編寫應從全局考慮，構建京津冀城市群協同應急框架，從當前的應急能力以及管理現狀出發，完善軌道交通應急協作的程序，制定完善的京津冀協同應急預案。同時京津冀三地地方政府結合地區應急管理現狀，對區域內應急管理流程與方案進行優化，使其與京津冀城市群協同應急預案適配。在制定了完善的應急預案后，京津冀三地還應加強對應急預案的演練，在演練過程中對應急預案中存在的不足進行分析，總結在執行過程中可能遇到的困難，并提出相應的解決辦法，進一步完善應急預案，同時確保在突發事件發生時可以熟練、完整的按照應急預案的內容展開應急管理，保證協同應急體系的有效運行。

5.判定京津冀利益補償方案

長遠的合作發展離不開經濟的支撐，完善的利益補償方案是協同應急的基礎。制定協同應急中的利益補償方案，完善協同應急中的補償機制，對于京津冀城市群協同應急具有重要的戰略意義。目前京津冀地區對于協同應急中的補充和補償制度并沒有明確的規定，國家對于協同應急中各地方的補償也沒有明確的要求，應急管理中的支出主要由各地方財政負責。建立起一個完善、合理的利益協同方案，在京津冀城市軌道的應急協作中，主要是兩方對另一方在人力、物力上的幫助，對于貢獻人力、物力的行政主體就需要給予一定的補償，以彌補在協同應急過程中行政主體的支出。所以京津冀城市群需要商議制定合理的利益協同方案，在明確三方權益的基礎上，確定合理的補償范圍、補償標準和補償方式，制定完善的利益補償方案。

五、結論與展望

第一，結合京津冀城市群以及軌道交通事故特點，選取預防和準備階段、響應階段、恢復階段3個一級指標以及13個二級指標構建京津冀城市群軌道交通應急能力評價指標體系。

第二，引入熵權法，將熵權法與物元可拓分析相結合，構建熵權物元可拓模型對評估對象進行分析，避免了在評價分析中的主觀因素的影響，使評價結果客觀、科學。

第三，將熵權物元可拓模型應用于京津冀城市群軌道交通應急能力評價中，得出京津冀軌道交通應急能力較好的結論，分析了京津冀軌道交通應急中的不足與挑戰，并針對不足之處提出了構建協同應急體系、構建數字化應急信息平臺、構建應急資源分配機制、完善應急預案、制定京津冀利益補償方案等五大對策。

同時本研究仍存在一些問題需要進一步完善，如指標體系中指標的選取仍需進一步論證；論文中數據采用專家打分法，主觀性較強；京津冀各地軌道交通應急能力不一，對京津冀三地的軌道交通應急能力分別進行評價，將三地應急能力作為考慮因素對城市群整體應急能力進行評價，分析各地存在的缺陷與不足，對薄弱處進行優化是今后研究的方向。

注 釋：

①在“4·14大秦鐵路事故救援行動”中，京津冀軌道交通應急部門派出6列救援列車和1 000多名應急救援人員趕赴現場，從區間停留貨車的兩端展開救援，疏解區間停留車輛，對脫線的車輛進行起復，于4月15日12時55分恢復通車。