基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的地鐵防雷安全評(píng)價(jià)＊

秦 健 袁 媛

（1.重慶市防雷中心，401147，重慶；2.重慶市雷電災(zāi)害鑒定與防御工程技術(shù)研究中心，401147，重慶；3.重慶大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，400045，重慶∥第一作者，工程師）

我國城市軌道交通建設(shè)較發(fā)達(dá)國家起步較晚，人員意識(shí)、設(shè)備技術(shù)和安全管理等方面都存在一些薄弱環(huán)節(jié)。雖然地鐵系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、封閉的系統(tǒng)，但電氣設(shè)備、供電系統(tǒng)和電子系統(tǒng)等的耐受雷電壓能力弱，一旦因雷電災(zāi)害造成地鐵故障，會(huì)引起較大的社會(huì)影響，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

文獻(xiàn)［1］等對(duì)城市軌道交通工程安全預(yù)評(píng)價(jià)、試運(yùn)營前安全評(píng)價(jià)、安全驗(yàn)收評(píng)價(jià)及運(yùn)營安全現(xiàn)狀評(píng)價(jià)工作的主要內(nèi)容及評(píng)價(jià)重點(diǎn)進(jìn)行了分析研究，文獻(xiàn)［2］等分析了城市軌道交通在建設(shè)及運(yùn)營過程中存在的各種危險(xiǎn)因素，文獻(xiàn)［3］等對(duì)地鐵施工安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)。雷電災(zāi)害可能導(dǎo)致地鐵發(fā)生嚴(yán)重的事故，防雷安全問題已成為保障地鐵安全運(yùn)營的重要一環(huán)，有必要對(duì)地鐵的防雷安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。地鐵系統(tǒng)防雷安全評(píng)價(jià)是以實(shí)現(xiàn)地鐵防雷安全為目的，辨識(shí)與分析系統(tǒng)中的危險(xiǎn)有害因素，并評(píng)價(jià)其安全易損性程度［4］，這對(duì)于最大程度地減少、預(yù)防雷電災(zāi)害事故，保障地鐵安全運(yùn)營具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 防雷安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

地鐵防雷安全涉及面廣，影響因素較多，通過整理和分析相關(guān)文獻(xiàn)［5－8］，建立了防雷安全措施、防雷安全管理、設(shè)備因素和自然因素4個(gè)主因素及19個(gè)子因素組成的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見圖1），指標(biāo)體系較為全面地涵蓋了影響地鐵防雷安全的因素。

1.1 防雷安全措施

按照新建、改建、擴(kuò)建工程項(xiàng)目防雷設(shè)施“三同時(shí)”原則，防雷安全措施主要包括項(xiàng)目選址的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防雷裝置設(shè)計(jì)、防雷裝置施工、防雷系統(tǒng)運(yùn)行情況以及雷電災(zāi)害預(yù)警信息的接收。安全措施貫穿了項(xiàng)目的整個(gè)施工過程，其中某個(gè)環(huán)節(jié)留下不安全因素和事故隱患，在地鐵運(yùn)營過程中就可能釀成防雷安全事故。

圖1 地鐵防雷安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖

1.2 防雷安全管理

防雷安全管理因素主要包括：規(guī)范、完備的安全管理組織和規(guī)章制度，落實(shí)到個(gè)人的安全管理責(zé)任制，發(fā)生雷電災(zāi)害突發(fā)事故時(shí)的應(yīng)急預(yù)案體系［9］，按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求開展防雷裝置檢查及定期對(duì)有關(guān)人員開展防雷安全教育與技術(shù)培訓(xùn)。

1.3 設(shè)備因素

地鐵系統(tǒng)的設(shè)備因素主要包括車輛系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、通風(fēng)／排煙系統(tǒng)、給／排水系統(tǒng)、通信／信號(hào)系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)在運(yùn)行過程中都可能存在一定的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。車輛在運(yùn)營過程中可能存在列車失控、列車脫軌、列車相撞以及車內(nèi)各種設(shè)施故障等危險(xiǎn)因素；地鐵接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)斷線或絕緣子損壞，接觸到金屬結(jié)構(gòu)物就會(huì)使其帶電，危及人身安全［10］；通風(fēng)系統(tǒng)無法正常工作，當(dāng)?shù)罔F發(fā)生火災(zāi)，積聚的高溫濃煙很難自然排除，嚴(yán)重威脅人員的生命安全［11］；給／排水系統(tǒng)不運(yùn)轉(zhuǎn)，將無法排放侵入的地表水；通信／信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障，不能保證各種行車信息及控制信息可靠傳輸。

1.4 自然因素

自然因素是影響雷電災(zāi)害事故的重要因素，包括氣象因素、地理地質(zhì)因素和土壤因素等［12］。致災(zāi)因子雷電屬于強(qiáng)對(duì)流天氣的一種。重慶特殊的氣象環(huán)境導(dǎo)致它成為全國高雷暴地區(qū)之一，每年的雷暴日多達(dá)51 d，一年中各月均有雷電發(fā)生，雷電的時(shí)空分布特征很大程度上決定了雷電災(zāi)害發(fā)生的概率和后果。重慶轄區(qū)以丘陵、山地為主，坡地面積較大，丘陵地帶的地形抬升是造成雷電災(zāi)害事故多發(fā)的原因之一。不同土壤類型有不同的土壤電阻率，它影響雷電流散流的效果。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)法是建立在模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上的一種預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)方法，它適合于將某些不易定量的因素定量化，解決那些只能用模糊的、非定量的、難以明確定義的實(shí)際問題。在確定評(píng)價(jià)因素、因子的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)值的基礎(chǔ)上，運(yùn)用模糊集合變換原理，以隸屬度描述各因素及因子的模糊界線，構(gòu)造模糊評(píng)價(jià)矩陣，通過多層復(fù)合運(yùn)算，最終確定評(píng)價(jià)對(duì)象所屬等級(jí)［13－14］。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

評(píng)價(jià)工作中，各評(píng)價(jià)因素的重要程度往往是不相同的，為此需要確定各因素集的模糊權(quán)重。本文采用層次分析法確定各因素權(quán)重。根據(jù)建立的防雷安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算最大特征根及對(duì)應(yīng)特征向量并做一致性檢驗(yàn)，通過檢驗(yàn)的特征向量作為指標(biāo)權(quán)重值。

2.2 評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集是評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的各種評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合，通常用評(píng)價(jià)集V＝｛v1，v2，…，vm｝表示。可以根據(jù)實(shí)際情況，用不同的等級(jí)、評(píng)語或數(shù)字來表示評(píng)價(jià)因素對(duì)地鐵防雷安全影響程度大小，具體評(píng)價(jià)集為V＝｛高易損性／1級(jí)，次高易損性／2級(jí)，中易損性／3級(jí)，低易損性／4級(jí)｝。

2.3 模糊判斷矩陣

利用專家評(píng)分法確定單因素對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬度，建立模糊評(píng)價(jià)矩陣R。先由業(yè)內(nèi)專家填寫評(píng)價(jià)卡，根據(jù)所評(píng)因素的具體情況，給出相應(yīng)的等級(jí)；然后統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)情況，列出評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表；由評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表求出各因素屬于不同等級(jí)評(píng)語的隸屬度，建立模糊評(píng)價(jià)矩陣Ri［15］。

2.4 綜合評(píng)價(jià)

利用模糊評(píng)價(jià)矩陣R和權(quán)重集A，通過模糊變換將U上的模糊向量A變?yōu)閂上的模糊向量B，即得到綜合評(píng)價(jià)模型：

其中，“?”是模糊算子，這里采用“乘與和”算子。

2.5 評(píng)價(jià)結(jié)果

將模糊集B歸一化處理，得到B′＝（b′1，b′2，…，b′n），其中常用的易損等級(jí)判定方法時(shí)按照最大隸屬度原則，根據(jù)其在評(píng)價(jià)集中所處等級(jí)取得評(píng)價(jià)等級(jí)。但是，該方法不能充分利用模糊集B所帶來的所有信息。這里采用加權(quán)和對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行處理，已達(dá)到更真實(shí)地反應(yīng)評(píng)價(jià)對(duì)象的易損性等級(jí)的目的。加權(quán)和模式如下16：

式中：

H——受災(zāi)體易損性指數(shù)；

j——評(píng)價(jià)因子評(píng)價(jià)級(jí)別；

b′j——?dú)w一化的模糊集B′向量。

3 案例應(yīng)用

應(yīng)用上述模型對(duì)重慶某地鐵線的防雷安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 確定模糊權(quán)重集

利用層次分析法確定權(quán)重。邀請(qǐng)地鐵行業(yè)相關(guān)單位和防雷技術(shù)機(jī)構(gòu)的多位專家，根據(jù)地鐵防雷安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)各指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分；然后對(duì)所打的分值進(jìn)行歸一化處理后構(gòu)造判斷矩陣，采用和法計(jì)算最大特征根及對(duì)應(yīng)特征向量，并對(duì)計(jì)算結(jié)果利用一致性指標(biāo)為特征根的最大值；n為向量個(gè)數(shù)）、隨機(jī)一致性指標(biāo)IR（查表得到）和一致性比率做一致性檢驗(yàn)，以判斷不一致程度是否在容許范圍0.1內(nèi)；如在容許范圍內(nèi)，則認(rèn)為判斷矩陣賦值是合理的，否則需要重新進(jìn)行成對(duì)比較。計(jì)算結(jié)果見表1～表5。

表1 主因素層Ui對(duì)目標(biāo)層U的判斷矩陣及權(quán)重（i＝1，2，3，4）

表2 子因素層u1j對(duì)準(zhǔn)則層U1的判斷矩陣及權(quán)重（j＝1，2，3，4，5）

表3 子因素層u2j對(duì)準(zhǔn)則層U2的判斷矩陣及權(quán)重（j＝1，2，3，4，5，6）

表4 子因素層u3j對(duì)準(zhǔn)則層U3的判斷矩陣及權(quán)重（j＝1，2，3，4，5）

表5 子因素層u4j對(duì)準(zhǔn)則層U4的判斷矩陣及權(quán)重（j＝1，2，3）

3.2 建立模糊評(píng)價(jià)矩陣

利用專家評(píng)分法。咨詢了10位專家，根據(jù)劃分的4個(gè)等級(jí)分別對(duì)圖1的子因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表6。專家評(píng)價(jià)后，分別計(jì)算各子因素的隸屬度，構(gòu)造模糊評(píng)價(jià)矩陣。以u(píng)11為例，10名專家中沒有人認(rèn)為是“高易損性”，1人認(rèn)為是“次高易損性”，4人認(rèn)為是“中易損性”，5人認(rèn)為是“低易損性”，則對(duì)u11的評(píng)價(jià)為（0.0，0.1，0.4，0.5）。同理可得到其它因素的隸屬度，則防雷安全措施U1各子因素評(píng)價(jià)矩陣為：

表6 評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

防雷安全管理U2各子因素評(píng)價(jià)矩陣為：

設(shè)備因素U3各子因素評(píng)價(jià)矩陣為：

自然因素U4各子因素評(píng)價(jià)矩陣為：

3.3 建立綜合評(píng)價(jià)模型

首先從最低層開始進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)算法依據(jù)模糊運(yùn)算公式B＝A?R進(jìn)行，得到各個(gè)指標(biāo)的二級(jí)模糊評(píng)價(jià)向量，再根據(jù)二級(jí)模糊運(yùn)算結(jié)果和一級(jí)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行一級(jí)模糊綜合運(yùn)算。

3.3.1 第二層模糊評(píng)價(jià)

同理，可得B2＝A2?R2＝ （0.247 5，0.258 4，0.323 0，0.178 2），B3＝A3?R3＝（0.224 3，0.260 7，0.304 0，0.211 1），B4＝A4?R4＝（0.345 5，0.229 7，0.275 7，0.149 0）。

將B1、B2、B3、B4分別歸一化得：B′1＝ （0.135 2，0.376 0，0.245 1，0.243 8），B′2＝（0.247 5，0.258 4，0.323 0，0.178 2），B′3＝（0.224 3，0.260 7，0.304 0，0.211 1），B′4＝（0.345 5，0.229 7，0.275 7，0.149 0）。

3.3.2 第一層模糊評(píng)價(jià)

將B進(jìn)行歸一化，得B′＝（0.284 2，0.257 0，0.282 1，0.177 0）。

3.4 防雷安全評(píng)價(jià)結(jié)果及分析

根據(jù)式（3）計(jì)算得到地鐵雷電易損性指數(shù)H＝2.350 6，它的數(shù)值接近2，所以判斷易損性等級(jí)為2級(jí)，屬于次高易損性，偏向于高易損性。

4 結(jié)語

本文通過合理選取地鐵防雷安全評(píng)價(jià)影響因素建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析法確定了指標(biāo)權(quán)重集；然后利用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)地鐵防雷安全易損性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；最后根據(jù)加權(quán)和原則確定了重慶某地鐵線的防雷安全易損性等級(jí)為2級(jí)，屬于次高易損性，需要采取安全、合理的雷電防護(hù)措施，以降低地鐵運(yùn)營過程中存在的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

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