基于IVM-AHP的人-機(jī)-環(huán)耦合系統(tǒng)應(yīng)急救援脆弱性分析

梁 偉，李威君，張來(lái)斌，唐 倩

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

應(yīng)急救援是防止事故擴(kuò)大、減少事故損失的有效措施，有效的應(yīng)急救援可以將事故損失降低到無(wú)應(yīng)急救援時(shí)的6%，而不當(dāng)?shù)膽?yīng)急救援會(huì)使事故擴(kuò)大蔓延［1］。我國(guó)青島“11·22”輸油管道泄漏爆炸特別重大事故的原因之一，就是在搶維修過(guò)程引入不安全因素?？梢?jiàn)，保障應(yīng)急救援工作的可靠性對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援具有重大意義。

脆弱性能夠反映出暴露在災(zāi)害下的系統(tǒng)、子系統(tǒng)或系統(tǒng)組分可能經(jīng)歷的損害程度［2］，因此許多學(xué)者從脆弱性的角度評(píng)價(jià)應(yīng)急救援。如唐士晟等［3］在研究鐵路交通事故應(yīng)急救援體系脆弱性時(shí)，從法律、調(diào)度、現(xiàn)場(chǎng)、通信、組織機(jī)構(gòu)等方面綜合評(píng)估了救援體系的脆弱性；程正剛等［4］用脆弱性的方法研究了電網(wǎng)應(yīng)急系統(tǒng)，編制了評(píng)估電力應(yīng)急體系脆弱性的指標(biāo)體系；趙偉娟等［5］根據(jù)國(guó)家相關(guān)預(yù)案要求，對(duì)城市突發(fā)公共事件應(yīng)急救援進(jìn)行了體系研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)急救援脆弱性的研究主要集中在應(yīng)急救援體系的研究上，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急救援影響因素的分析相對(duì)較少。其難點(diǎn)在于：絕大部分事故發(fā)生于人、設(shè)備、環(huán)境共同作用的場(chǎng)所，導(dǎo)致事故具有極大的復(fù)雜性和多變性，而以往的安全分析模型（如事故樹(shù)、事件樹(shù)、FMEA 等）適用性較低。本文提出構(gòu)建人-機(jī)-環(huán)耦合系統(tǒng)應(yīng)急救援脆弱性模型，并進(jìn)行定性和定量分析。首先通過(guò)改進(jìn)的脆弱性模型（Improved Vulnerability Model，IVM）定性分析出現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援過(guò)程的人、設(shè)備、環(huán)境的脆弱性影響因素，然后由專(zhuān)家評(píng)分確定各影響因素的權(quán)重，最后運(yùn)用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）計(jì)算不同因素對(duì)事故應(yīng)急救援脆弱性的影響大小，得到關(guān)鍵影響因素的排序，進(jìn)而指導(dǎo)事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援工作。

1 基于IVM-AHP 的應(yīng)急救援脆弱性分析原理

脆弱性分析的思想來(lái)自于20世紀(jì)60年代末期的自然災(zāi)害研究［6］，隨后，國(guó)外學(xué)術(shù)界又將脆弱性研究應(yīng)用到生態(tài)學(xué)、土地利用、氣候變化、公共健康、可持續(xù)性科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、工程學(xué)等領(lǐng)域［7-8］。脆弱性評(píng)估的目的就是通過(guò)識(shí)別和分析系統(tǒng)的脆弱性，找出系統(tǒng)中相對(duì)薄弱的要素［9］。脆弱性分析方法包含定性分析與定量評(píng)估兩大類(lèi)。脆弱性定性分析的方法主要 有RH 模 型、PAR 模 型、HOP 模 型、VF 模型［10-11］。脆弱性定量分析的方法主要有綜合指數(shù)法、圖層疊置法、模糊評(píng)價(jià)法、脆弱性函數(shù)模型分析法、模糊物元分析法［12-15］等，其中，綜合指數(shù)法由于其操作簡(jiǎn)單、適用領(lǐng)域廣，是目前脆弱性分析中常用的一種方法。綜合指數(shù)法中常用的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法有加權(quán)求和法、層次分析法、模糊綜合分析法［16］等。

鑒于事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援過(guò)程具有多目標(biāo)層級(jí)、多專(zhuān)家群體決策、人-機(jī)-環(huán)三大系統(tǒng)相互作用等特點(diǎn)，本文將定性與定量分析相結(jié)合，綜合運(yùn)用改進(jìn)的脆弱性模型和層次分析法構(gòu)建IVM-AHP 模型來(lái)分析該耦合系統(tǒng)的脆弱性。脆弱性定性分析方法中，Turner等［11］在利用脆弱性模型分析全球環(huán)境脆弱性時(shí)，考慮了人-環(huán)境耦合系統(tǒng)；而事故救援現(xiàn)場(chǎng)是一個(gè)典型的人-機(jī)-環(huán)耦合系統(tǒng)，因此在以往脆弱性模型的基礎(chǔ)上需加入設(shè)備因素，改進(jìn)后的應(yīng)急救援脆弱性模型框架如圖1所示。

圖1 改進(jìn)后的應(yīng)急救援脆弱性模型框架Fig.1 Framework of the improved vulnerability model of emergency rescue

從縱向結(jié)構(gòu)可知，脆弱性的構(gòu)成要素主要包括暴露性、敏感性和適應(yīng)性［17］。其中，暴露性反映的是系統(tǒng)遭遇災(zāi)害或危險(xiǎn)的程度，其決定了系統(tǒng)在災(zāi)害事件影響下潛在損失的大小，主要取決于人和區(qū)域暴露在危險(xiǎn)事件中的概率；敏感性反映的是系統(tǒng)對(duì)外部干擾易于感受的性質(zhì)，主要取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［18］；適應(yīng)性指的是系統(tǒng)對(duì)災(zāi)害事件的響應(yīng)與應(yīng)對(duì)能力，以及從災(zāi)害損失中的恢復(fù)能力，反映了系統(tǒng)可避免損害的程度［19］。因此，事故應(yīng)急救援的脆弱性可以表達(dá)成暴露性、敏感性和適應(yīng)性的函數(shù)。通常隨著暴露性和敏感性的增加，系統(tǒng)的脆弱性會(huì)增大，而適應(yīng)性的增加則會(huì)降低系統(tǒng)的脆弱性［20］。

從橫向結(jié)構(gòu)可知，在分析人-機(jī)-環(huán)耦合系統(tǒng)的脆弱性時(shí)，可將耦合系統(tǒng)的脆弱性按照其特征劃分三個(gè)準(zhǔn)則：暴露性、敏感性、適應(yīng)性，每個(gè)準(zhǔn)則下面可從人、機(jī)、環(huán)境三個(gè)角度確定描述系統(tǒng)脆弱性的指標(biāo)，從而構(gòu)成人-機(jī)-環(huán)耦合系統(tǒng)的脆弱性模型。因此，在對(duì)應(yīng)急救援脆弱性進(jìn)行定量層次分析時(shí)，可以通過(guò)脆弱性模型快速、準(zhǔn)確地構(gòu)建目標(biāo)層和準(zhǔn)則層，指標(biāo)層可通過(guò)專(zhuān)家與事故經(jīng)驗(yàn)獲得。其脆弱性分析原理如圖2所示。

圖2 基于IVM-AHP的人-機(jī)-環(huán)耦合系統(tǒng)應(yīng)急救援脆弱性分析原理Fig.2 Principle of the vulnerability analysis of the emergency rescue of coupled man-machineenvironment system based on IVM-AHP

2 人-機(jī)-環(huán)耦合系統(tǒng)應(yīng)急救援脆弱性分析

2.1 利用改進(jìn)的脆弱性模型定性分析脆弱性影響因素

依照脆弱性模型和層次分析法的原理，在目標(biāo)層“事故應(yīng)急救援脆弱性”下設(shè)“暴露性”、“敏感性”、“適應(yīng)性”構(gòu)成準(zhǔn)則層，進(jìn)一步結(jié)合德?tīng)柗品▽?zhuān)家判斷確定指標(biāo)層的具體指標(biāo)或因素，見(jiàn)圖3。

2.2 利用層次分析法定量計(jì)算各影響因素的權(quán)重

2.2.1 構(gòu)造判斷矩陣并賦值

在確定各層次因素之間的權(quán)重時(shí)，通過(guò)一致矩陣法對(duì)所有要素進(jìn)行兩兩比較，并構(gòu)造判斷矩陣。為了得到量化的判斷矩陣，引入經(jīng)典的1～9標(biāo)度法，并結(jié)合德?tīng)柗品▽?zhuān)家咨詢(xún)結(jié)果對(duì)所有因素賦值，分別構(gòu)建判斷矩陣A-B、B1-C、B2-C、B3-C，詳見(jiàn)表1至表4。

圖3 基于IVM 的應(yīng)急救援脆弱性模型的層次結(jié)構(gòu)Fig.3 Hierarchical structure of vulnerability evaluation of emergency rescue based on IVM

表1 A-B 判斷矩陣Table 1 Judgment matrix table of A-B

2.2.2 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

根據(jù)特征根法計(jì)算每一個(gè)判斷矩陣各因素針對(duì)其上一層因素的相對(duì)權(quán)重，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行層次單排序；然后利用MATLAB 軟件編程計(jì)算判斷矩陣的最大特征根及其對(duì)應(yīng)的特征向量，并對(duì)特征向量進(jìn)行歸一化處理。

表2 B1-C 判斷矩陣Table 2 Judgment matrix table of B1-C

判斷矩陣A-B 的最大特征向量為W=（w1，w2，w3），其中w1、w2、w3為準(zhǔn)則層B 中相對(duì)于目標(biāo)層A 的權(quán)重；判斷矩陣B1-C、B2-C、B3-C 的最大特征向量為P=（p1、p2、p3），其中p1、p2、p3分量為指標(biāo)層C 中指標(biāo)相對(duì)于準(zhǔn)則層B 的權(quán)重。

表3 B2-C 判斷矩陣Table 3 Judgment matrix table of B2-C

表4 B3-C 判斷矩陣Table 4 Judgment matrix table of B3-C

通常用一致性指標(biāo)CI對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，其計(jì)算式為

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根；n 為判斷矩陣的階數(shù)。

為了放寬對(duì)高維判斷矩陣的一致性要求，引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI（見(jiàn)表5），并取一致性比例CR 作為衡量判斷矩陣一致性的標(biāo)準(zhǔn)。一致性比例CR（Consistency Ratio）的計(jì)算式為

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)（RI）Table 5 Average random consistency index（RI）

按照式（2）計(jì)算得到的一致性比例CR 如表1至表4最后一列所示，可以看出所有的CR＜0.1，因此認(rèn)為每個(gè)判斷矩陣符合一致性檢驗(yàn)。

2.2.3 層次總排序

由以上計(jì)算結(jié)果可得準(zhǔn)則層B 相對(duì)于目標(biāo)層A 的權(quán)重W 和指標(biāo)層C相對(duì)于準(zhǔn)則層B的權(quán)重P。而指標(biāo)層C相對(duì)于目標(biāo)層A 的權(quán)重G 可按下式計(jì)算：

式中：當(dāng)i=1時(shí)，j=1，2，3，4，5，6，7；當(dāng)i=2時(shí)，j=8，9，10，11，12，13，14；當(dāng)i=3時(shí)，j=15，16，17，18，19，20，21，22。

按照式（3）計(jì)算得到的指標(biāo)層C 相對(duì)于目標(biāo)A的權(quán)重G 詳見(jiàn)表6。

表6 指標(biāo)層C 相對(duì)于目標(biāo)A 的權(quán)重值Table 6 Weight values of index layer Crelative to target A

由表6可以看出：C3（事故致死范圍）、C10（設(shè)備內(nèi)介質(zhì)危險(xiǎn)性）、C11（設(shè)備自身可靠性）、C13（周邊環(huán)境中的危險(xiǎn)源）、C17（緊急停車(chē)可靠性）、C18（設(shè)備安全屏障可靠性）等因素對(duì)事故應(yīng)急救援脆弱性的影響較大；而C6（周邊設(shè)施的密集程度）、C7（事故影響區(qū)域大?。?、C22（環(huán)境自愈能力）等因素對(duì)事故應(yīng)急救援脆弱性的影響較小。因此，在事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援過(guò)程中，決策者應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注事故致死范圍、設(shè)備內(nèi)介質(zhì)危險(xiǎn)性、設(shè)備自身可靠性、周邊環(huán)境中的危險(xiǎn)源等影響因素，全面地做出應(yīng)急救援計(jì)劃。

3 結(jié)論

（1）為了提高事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援過(guò)程的安全性，引入脆弱性的概念和方法，通過(guò)改進(jìn)并構(gòu)建脆弱性模型得到人-機(jī)-環(huán)耦合系統(tǒng)的脆弱性要素，能夠更加全面地掌握系統(tǒng)的影響因素，為事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援工作提供指導(dǎo)。

（2）結(jié)合脆弱性定性分析方法和層次分析定量方法構(gòu)建IVM-AHP模型，從暴露性、敏感性和適應(yīng)性三個(gè)準(zhǔn)則層面分析人-機(jī)-環(huán)境耦合系統(tǒng)的脆弱性，綜合考慮了造成應(yīng)急救援過(guò)程脆弱性的各個(gè)要素。

（3）通過(guò)層次分析計(jì)算出各個(gè)影響因素的權(quán)重大小及排序，得到對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救援影響較大的因素，在此基礎(chǔ)上可采取相應(yīng)的安全策略和控制措施來(lái)降低系統(tǒng)的脆弱性。

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