基于云模型的城市軌道交通應急預案評價

吳金洪, 符運可, 權會芳, 代夏青, 張欣環

(浙江師范大學 工學院,浙江 金華 321004)

0 引 言

城市軌道交通作為一種運載能力大、高效便捷、綠色環保的客運交通系統,在滿足居民交通出行需求、緩解城市交通擁堵問題、促進經濟社會可持續發展等方面發揮了重要作用.由于城市軌道交通的客流大及其運行環境的特殊性等特點,運營中一旦發生突發事件,很容易造成財產損失或人員傷亡等不良后果.而城市軌道交通應急預案作為應對運營突發事件的救援方案,能夠為救援工作提供具體的指導.因此,為了能在發生突發事件時以最短的時間組織各單位高效、有序地開展針對性的救援工作,必須保證應急預案的科學合理性,才能使事故得到妥善處置,降低人員傷亡和財產損失.

不少學者針對應急預案的質量展開了研究.姜少涌等[1]運用模糊綜合評價法計算預案的最終得分和評級等級;曹繼翔等[2]運用屬性數學理論、模糊層次分析法、猶豫模糊集3種方法進行計算并比較,所得結果接近;孫延浩等[3]通過證據推理合成專家的評價數據,得到各預案評價等級并排序;張健[4]建立了模糊TOPSIS模型,并對電梯事故各應急預案進行排序.這些評價方法都有一個共同的問題,即所選擇的參數和評價指標不同,評價結果往往不同.相對于客觀世界,人類的感知容易受到模糊性和隨機性等不確定性的影響.然而,云模型[5]可以徹底整合這些不確定性,形成定性和定量的映射.云模型不通過顯式函數表達其定性概念,而是利用3個數字特征將模糊和隨機性定性概念結合起來.應用云模型可以提高評價的準確性.通過避免定性變量向定量變量轉換時對數據的過度負面影響,實現定性變量在域內的靈活表達,力求避免主觀誤差.云模型可以實現定性和定量指標之間的相互轉化,從而解決評價過程中出現的隨機問題,否則會影響科學客觀的評價.云模型不受模糊性和隨機性的干擾,可以有效地處理評價指標的不確定性和模糊性[6-7].因此,在城市軌道交通領域的應急預案評價中,為避免應急事件的模糊性和隨機性的影響,引入云模型,以此建立城市軌道交通應急預案評價模型,為軌道交通領域的應急預案質量研究提供新思路.

1 基于CRITIC法的評價指標權重確定

在應急預案評價中,常用的指標權重確定方法有熵值法[1-2]、層次分析法[3]、灰色關聯法[4]等,這些方法的共同問題是它們無法考慮指標的內部相關性和不一致性.CRITIC (criteria importance through intercriteria correlation)法是Diakoulaki等[8]提出的一種客觀加權方法,它考慮了指標間數據的相關性,利用指標的比較優勢和沖突來確定指標的權重,避免受到評價組織者確定的主觀因素的不當影響,更符合應急預案的動態性和綜合性特點.因此,將CRITIC法應用于城市軌道交通應急預案評價過程中,對各指標類別賦予適當的權重[9].

根據CRITIC法原理,確定指標權重如下[10]：

1)建構指標數據矩陣.根據城市軌道交通應急預案評價,可獲得p個評價者對m個評價指標的數據,組成初始評價指標數據矩陣R.

(1)

2)計算評價體系中第j項指標的標準差σj,即對比強度.

3)計算評價體系中第j項指標與其他指標間的沖突性yj.

(2)

式(2)中：Cov(j,l)為第j項指標和第l項指標之間的協方差;σl為第l項指標的標準差.

4)計算評價體系中各指標的綜合信息量Cj.

Cj=σj·yj,j=1,2,…,m.

(3)

5)計算各指標的權重Wj.

(4)

2 基于云模型的應急預案評價方法

2.1 云模型概念與數字特征

云模型理論是李德毅院士等[5]提出的一種基于實現自然語言定性定量不確定性轉換的模型.近年來,云模型理論在軌道交通領域不斷地得到了應用與拓展,包括客流預測和安全、可靠性與風險評估等[11-14].

云模型理論以U作為一個可以用精確數值表示的定量論域,B是U上的一個定性概念,若定量值x∈U,且x是定性概念B的一次隨機實現,x對B的隸屬度A(x)∈[0,1]是有穩定傾向的隨機數,

A：U→[0,1], ?x∈U,x→A(x),

(5)

則x在該論域U上的分布稱為云,每一個x稱為一個云滴.

云的數字特征[5]包括期望Ex、熵En和超熵He,Ex是云滴在論域空間分布的期望,En是定性概念的不確定性度量,He是熵的不確定性度量.通過云的期望、熵和超熵可以產生云滴,云滴積累到一定程度變成云,實現評價指標從定性到定量的映射與量化.2個云的接近程度通過相似度來反映,若2個狀態評價云越接近,則其狀態等級越接近.經過計算確定實際狀態云(Ex,En,He)及t個等級基準云(Exi,Eni,Hei)(i=1,2,…,t),根據正向云發生器求取定性概念到定量的映射,經過比較確定實際狀態云與等級基準云相接近的程度,從而獲得城市軌道交通應急預案的評價結果.

2.2 云模型的計算方法

定性概念與定量指標之間可以通過云模型來相互轉換,對應的云發生器法有正向和逆向2種方法[10].

2.2.1 正向法

單個云滴生成后進行計算得到一個云滴的隸屬度,所有云滴隸屬度又構成了一個隨機變量.

1)生成一個正態分布隨機數y,其期望值為熵En、標準差為超熵He.

2)生成一個正態分布隨機數x,其期望值為期望Ex、標準差為y.

3)計算隸屬度(高斯云).

A=e-(x-Ex)2/(2y2).

(6)

4)將x看成一個云滴,具有A的定性概念.

5)上述步驟重復K次,可以產生K個云滴,若要使Ex的誤差≤Δ(規定值),則生成的云滴數應滿足K≥9S2/Δ2,其中S2為方差.

在城市軌道交通應急預案評價中,根據得到的評價數據,通過其數字特征,采用云發生器正向法,可以生成評價結果云.

2.2.2 逆向法

1)計算云滴樣本的期望Ex和方差S2.

2)計算云滴樣本的熵En.

(7)

式(7)中：N為樣本數量;xi為第i個樣本值.

3)計算云滴樣本的超熵He.

(8)

4)云滴數字特征為(Ex,En,He).

在城市軌道交通應急預案評價中,根據專家的打分情況,運用云發生器逆向法,考慮指標權重,可以計算得到評價結果云的數字特征.

2.3 應急預案評價方法

根據云模型原理,將每位專家的評價看成一個云滴,應急預案評價指標體系看成論域,所有專家對所有指標的評價結果形成一朵云,其特征反映了城市軌道交通應急預案的評價情況.因此,對應急預案采用以下方法進行評價[10]：

1)確定因素集.根據建立的城市軌道交通應急預案評價指標體系確定因素集.

2)確定評價集和評價云.多個定性評語構成一個集合為評價集,在實際工作中,如果有k個應急預案定性評語,則評價集V可表示為

V={V1,V2,…,Vk}.

(9)

式(9)中,Vj(j=1,2,…,k)為第j個應急預案定性評語.如果應急預案定性評語的下限和上限分別為dmin和dmax,那么評價集中每個應急預案評語的云數字特征的具體計算公式為[15]：

(10)

式(10)中,根據不同的模糊程度確定g的值,本文取0.5.

3)確定權重集.根據專家打分數據,利用CRITIC法計算因素集內各個指標的權重,得到整個指標體系權重集W.

4)計算評價結果云.根據專家打分數據,利用逆向法計算每個指標云實際的數字特征,形成指標集的云特征矩陣Y,

(11)

則城市軌道交通應急預案評價的結果云為

C=W×Y.

(12)

5)確定評價結果.利用云發生器正向法,生成評價結果云,并將評價結果云與指標云進行比較,根據評價結果云在指標云中所處的范圍和形態,最終得到評價結果.

3 實證分析

3.1 城市軌道交通應急預案評價指標體系構建

編制城市軌道交通應急預案是為了及時、有序、高效、妥善地處置地鐵運營突發事件,規范預防、監測、預警和應急準備、應急處置與救援搶險、事后恢復與重建、信息報送與媒體應對等工作,最大限度地減少人員傷亡和財產損失等不良后果,保障運營安全,維護正常社會秩序.本文以某地鐵公司應急預案為例,從全面性、可操作性、經濟性3個方面進行評價,形成評價指標體系,具體如圖1所示.

圖1 城市軌道交通應急預案評價指標體系

結合實地調研分析,將城市軌道交通應急預案分級劃分為5個等級,具體等級及分值如表1所示.

表1 評價等級及分值

3.2 云模型評價

邀請20名城市軌道交通領域的專家,其中一部分來自城市軌道交通企業,另一部分來自高等院校或研究機構,對二級指標進行打分,得到初始評價指標數據矩陣,并計算出每項指標的對比強度,再根據式(2)～式(4)分別計算各指標的沖突性、綜合信息量及權重,具體如表2所示.

表2 評價指標的權重

Wj(j=1,2,3,4)為全面性維度二級指標的權重,Wj(j=5,6,7)為可操作性維度二級指標的權重,Wj(j=8,9)為經濟性維度二級指標的權重.全面性二級指標的權重除以全面性維度的權重即為二級指標在全面性維度內的權重;同理可以得到相應二級指標在可操作性維度和經濟性維度內的權重,具體如表3所示.

表3 維度權重和二級指標在維度內的權重

根據初始評價指標數據矩陣,運用云發生器逆向法,生成指標集的對應云特征矩陣Y,結果如表4所示.

表4 二級指標云參數

對全面性這一維度,其期望=94.100 0×0.175 0+86.150 0×0.301 3+86.650 0×0.258 1+88.900 0×0.265 6=88.400 7;熵=1.980 2×0.175 0+3.966 7×0.301 3+3.741 1×0.258 1+3.647 1×0.265 6=3.476 0;超熵=0.261 0×0.175 0+1.036 6×0.301 3+0.956 3×0.258 1+0.516 5×0.265 6=0.742 0.同理,可計算得出可操作性和經濟性維度的評價結果云參數,具體如表5所示.

表5 維度評價結果云參數

根據維度評價結果云參數,再結合維度權重,計算方法與維度評價結果云參數的計算方法相同,可得出綜合評價結果云參數為(81.191 1,3.933 8,1.290 7).根據表1和式(10),可得出各等級評價云參數(Ex,En,He)為：優秀(95,1.666 7,0.5),良好(85,1.666 7,0.5),一般(70,3.333 3,0.5),及格(45,5.000 0,0.5),不及格(15,5.000 0,0.5).

采用云發生器正向法,生成評價結果云,并放置于指標云中,可以更直觀地觀察評價結果的優劣程度.根據云模型理論,為了確保其誤差≤0.01,取3 000個云滴來生成指標云、各維度評價云和綜合評價云,結果如圖2～圖5所示.

天藍色為全面性評價云,其他從左到右分別為差、較差、一般、良好、優秀指標云

天藍色為可操作性評價云,其他從左到右分別為差、較差、一般、良好、優秀指標云

天藍色為經濟性評價云,其他從左到右分別為差、較差、一般、良好、優秀指標云

天藍色為綜合評價云,其他從左到右分別為差、較差、一般、良好、優秀指標云

3.3 最終評價結果分析

從圖2和圖3可以看出,全面性、可操作性維度評價處于“良好”與“優秀”之間,說明在這2個維度上評價處于良好狀態.從圖4可以看出,經濟性維度評價處于“較差”與“一般”之間,說明在這個維度上評價處于較差狀態,主要由于針對該部分沒有具體的打分標準,也缺少資料,有很大的不確定性.從圖5可以看出,某地鐵公司應急預案的綜合評價云處于“一般”與“良好”之間,說明對該應急預案來說,總體上有所欠缺,還有較大提升空間.從總體看,該項應急預案的評價結果雖然為一般,但還是能夠作為處置突發事件的準則,實現高效、及時、有序地處置突發事件.

3.4 建議措施

1)經濟性方面.盡快制定針對應急預案的打分標準,完善應急預案的評估方法和程序.明確突發事件所需要的應急物資種類,備品備件采購要合理,建議考慮同類別中相對經濟的應急物資類型,并且合理配置各區域應急響應點的應急物資數量,以減少應急費用的支出.

2)全面性方面.可從完整性和可行性角度出發,進一步優化突發事件應急管理全過程,以及應急預案的響應級別判斷、現場指揮設置、搶修隊伍設置等具備可行性.

3)可操作性方面.進一步明確各部門在突發事件處置過程中的職責,建議成立各應急處置功能組,明確各功能組的成員組成及職責所在;同時建議考慮應急預案中明確建立區域應急響應點,實現救援人員20 min內到達事故現場的響應要求.

4 結 語

相對于層次分析法及熵權法等,CRITIC法是一種同時兼顧指標的對比強度和沖突性對指標進行客觀綜合衡量的一種賦權方法,避免了評價者的主觀因素影響,應用CRITIC法對應急預案的各項指標進行賦權更加合理.通過建立的云模型對實例進行分析,得到評價結果,驗證了評價方法的可行性以及具有一定的推廣價值,為應急預案評價提供了參考依據.