基于改進FAHP法的鐵路應急預案評價研究

湯兆平，劉 歡，孫劍萍

(1.華東交通大學 信息工程學院， 江西 南昌 330013；2.華東交通大學 軌道交通學院，江西 南昌 330013)

基于改進FAHP法的鐵路應急預案評價研究

湯兆平1，劉 歡2，孫劍萍2

(1.華東交通大學 信息工程學院， 江西 南昌 330013；2.華東交通大學 軌道交通學院，江西 南昌 330013)

運用改進的模糊層次分析法，對鐵路應急預案質(zhì)量狀況進行了評價研究。在分析鐵路應急預案現(xiàn)有研究的基礎上，結(jié)合實地走訪調(diào)查，從預案全面性、實用性、可操作性、可擴展性的角度出發(fā)，通過聚類分析，設計了包括4個一級指標，13個二級指標的評價指標體系。運用模糊層次分析法理論，以0.1～0.9的9級標度法為基礎，提出一種“二次標度轉(zhuǎn)換”的方法，獲得更為公正準確的指標權(quán)重，并構(gòu)建了鐵路應急預案模糊綜合評價模型。以某鐵路局專項應急預案為例，進行了預案評價的實證分析，并提出了具有針對性的建議，指導應急預案的改進、調(diào)整。

交通運輸工程；鐵路運輸；應急預案評價；標度轉(zhuǎn)換；改進模糊層次分析法；實證分析

0 引 言

在現(xiàn)代鐵路安全管理中，通常將鐵路運輸安全劃分為4個階段：事前預防，事發(fā)應對，事中處置和事后處理[1]，同時堅持“預防為主，安全第一”的原則。鐵路應急預案作為事前預防階段的安全管理機制，針對鐵路各類危險源和各種可能發(fā)生的事故，事先制定應急方針政策、方法策略及處置方案等，它對于保障鐵路運輸安全，維持鐵路正常運輸秩序具有十分重要的作用[2]。鐵路應急預案評價是針對應急預案的質(zhì)量狀況，包括編制質(zhì)量、實施過程、預期效果等進行總體評估，通過評估形成反饋，提出具有針對性的建議，指導應急預案的改進、調(diào)整，從而更好地滿足鐵路安全管理的需求。

薛元杰等[3]對國內(nèi)外突發(fā)事件應急預案進行了綜合分析，提出重點對預案的充分性、可行性、完整性、可接受性、符合性等方面進行評估，并舉例具體描述了評估過程；祝凌曦等[4]針對鐵路應急預案評價指標體系多輸入、多輸出的特點，提出基于改進數(shù)據(jù)包絡分析法的鐵路應急預案績效評價方法，并結(jié)合青藏鐵路應急預案實例進行了評價研究；邢鑫鑫[5]從鐵路應急預案的內(nèi)容、體系、流程3個方面出發(fā)，構(gòu)建了一個3級鐵路應急預案評價指標體系，并分別應用神經(jīng)網(wǎng)絡法、模糊評價法、遺傳算法3種方法，對鐵路應急預案進行了評價研究；程謙[6]從完整性、合理性、有效性、經(jīng)濟性4個方面，構(gòu)建了影響預案編制質(zhì)量的指標體系，并運用層次分析法建立了高鐵應急預案編制質(zhì)量評價模型。

目前在鐵路應急預案評價研究中，主要集中在指標體系和評估模型的構(gòu)建，采用的方法有數(shù)據(jù)包 絡分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、遺傳算法、層次分析法、模糊評價法等。評價方法較為單一，且定性評價研究較多，難以將預案質(zhì)量狀況準確量化，因此，筆者采用層次分析法和模糊評估理論相結(jié)合的綜合評價方法——模糊層次分析法(FAHP)。由于綜合了層次分析法和模糊數(shù)學的優(yōu)點，故它在處理難以完全用定量方法分析的復雜問題上具有顯著優(yōu)勢。且筆者針對指標權(quán)重難以合理確定的問題，對模糊層次分析法進行了改進，提出一種基于改進FAHP法的鐵路應急預案綜合評估模型。模型采用-4～4標度作為“二次標度轉(zhuǎn)換”的中間量，對模糊層次分析法的矩陣標度進行改進，更加科學地確定指標權(quán)重系數(shù)，減少主觀不確定性因素的影響，提高評價結(jié)果的準確性，對鐵路應急預案質(zhì)量狀況進行全面科學的評估，并結(jié)合某局某專項應急預案進行實證分析。

1 鐵路應急預案評價指標體系設計

應急預案評價指標體系是由影響鐵路應急預案的相互聯(lián)系、相互制約的因素所構(gòu)成的有機整體，是進行鐵路應急預案評價工作的基礎。評價指標選取的科學與否，指標體系構(gòu)建的合理與否，都會在很大程度上影響應急預案評價結(jié)果的精度。分析已有鐵路應急預案評價研究可知，評價指標體系多從預案全面性、預案可操作性、預案經(jīng)濟性和預案可拓展性等方面進行設計，而作為事前預防階段的預案實用性卻很少被考慮。

通過對某局應急預案實際狀況的調(diào)研、分析，結(jié)合已有應急預案評價研究資料，參考學者在應急預案評價指標體系方面的研究成果[5-6]，從全面性、實用性、可操作性、可擴展性4個角度出發(fā)，廣泛選取評價指標因子。利用聚類法對評價指標因子進行分析并歸類，通過計算每類指標因子與同類其他指標因子的相關(guān)系數(shù)均數(shù)，確定資源調(diào)配的快速性等16個評價指標因子，并以此構(gòu)建了鐵路應急預案綜合評價指標體系。該指標體系設計了4個一級指標，每個一級指標下設若干個不同的二級指標，如圖1。

2 基于改進模糊層次分析法的評價模型構(gòu)建

傳統(tǒng)的層次分析法在對指標權(quán)重賦值時，通常采用1～9標度法，在實際操作中往往帶有很強的主觀性，并且需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，需要構(gòu)造大量的判斷矩陣，大大增加了實際計算量和決策的復雜度[7]。筆者運用改進的模糊層次分析法進行分析、解決問題，采用0.1～0.9的9級標度法對指標權(quán)重進行標度，由模糊互補判斷矩陣構(gòu)造得到的模糊一致判斷矩陣滿足一致性條件，不需要進行一致性檢驗，計算量小且方法容易掌握。在準則層向指標層進行層次展開時，采用隸屬度函數(shù)和模糊加權(quán)變換法，充分考慮到各種因素的共同作用，更好地體現(xiàn)了評價的科學性。同時針對傳統(tǒng)方法直接將專家意見數(shù)據(jù)構(gòu)造成模糊互補判斷矩陣，可能存在數(shù)據(jù)異常的問題，提出一種二次標度轉(zhuǎn)換的方法，實現(xiàn)對專家意見數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，獲得更為準確公正的指標權(quán)重。

2.1 模糊層次分析法的改進

定義新的-4～4標度與0.1～0.9標度一一對應，作為二次標度轉(zhuǎn)換的中間量，實現(xiàn)專家意見數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，兩種標度對應關(guān)系如表1。

表1 對應標度轉(zhuǎn)換

具體實施步驟為：將初始判斷矩陣中的元素按照標度對應關(guān)系，依次轉(zhuǎn)換為-4～4標度元素，得到多個-4～4標度判斷矩陣，按照Grubbs檢驗準則，計算對應矩陣元素的殘差絕對值與標準差的比值，如式(1)：

(1)

下面舉例說明二次標度轉(zhuǎn)換法對模糊層次分析法的改進過程和效果。

假設針對某問題的一級指標(下屬3個二級指標)，有4位專家(分別為A,B,C,D)打分，得到4個0.1～0.9標度的初始判斷矩陣：

按照標度對應關(guān)系，將它們轉(zhuǎn)化為-4～4標度判斷矩陣，由于轉(zhuǎn)換后的矩陣元素沿對角線具有互反性，故只對各矩陣上三角元素值x12，x13，x23進行判定，判定之前的數(shù)據(jù)處理見表2。

表2 元素數(shù)據(jù)處理

2.2 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)應急預案評價指標體系的設計，將應急預案的評價劃分為3個層次，建立相應的遞階層次結(jié) 構(gòu)模型[8]。最上層為目標層，表示為目標層A={鐵路應急預案評價}，中間層為準則層B，最底層為指標層C。其中，準則層B共有4個一級指標，構(gòu)成一級指標因素類集，即U={u1,u2,u3,u4}={預案全面性，預案實用性，預案可操作性，預案可拓展性}；指標層的13個二級指標，隸屬于4個不同的一級指標，分別構(gòu)成4個二級指標因素集。

2.3 評價集的確定

表3 鐵路應急預案評價級度設計

2.4 指標權(quán)重的確定

根據(jù)評價指標體系，設計調(diào)查問卷，邀請5位專家評價，通過數(shù)據(jù)整理，分別得到準則層和目標層的模糊互補判斷矩陣，再進行一致性推導，得到模糊一致判斷矩陣。為了方便描述分析，以一級指標因素預案全面性u1為例，包括3個二級指標。具體的指標權(quán)重確定過程如下：

1)首先由調(diào)查問卷整理得到專家對于所有元素的賦值，得到5個0.1～0.9標度初始判斷矩陣，用X表示初始判斷矩陣，xij表示因素的重要度，s表示某個調(diào)查問卷，則有

(2)

式中：s=1,2,…,5；i=1,2,3；j=1,2,3。

(3)

(4)

3 實證分析

某鐵路局專項應急預案是為預防與處置局內(nèi)突發(fā)鐵路交通事故，以原鐵道部應急預案為基礎，參考其編制思想和流程，并結(jié)合該局實際特點進行編制，于2011年8月在全局范圍內(nèi)印發(fā)。該專項應急預案堅持以人為本，預防為主，以最大限度地減少人員傷亡、財產(chǎn)損失和公共安全影響，及時有效地處置鐵路交通事故，盡早恢復鐵路運輸正常秩序為原則。以此專項應急預案為評價對象，運用改進模糊層次分析法對其進行實證分析。

3.1 建立單因素評價矩陣

根據(jù)設計的評價指標體系和評價等級，制定指標層各因素的調(diào)查問卷，選取40位該鐵路局與鐵路交通事故救援有關(guān)的各部門、各工種的工作人員，按照優(yōu)秀、良好、合格、不合格4個評價等級，分別對各個二級指標進行評價，評分結(jié)果統(tǒng)計整理如表4。

表4 鐵路應急預案二級指標調(diào)查統(tǒng)計

(續(xù)表4)

二級指標uii評價集V優(yōu)秀良好合格不合格演練培訓的明確性u23161842資源配置的合理性u31515137物資調(diào)配的快速性u32316138現(xiàn)場處置的協(xié)同性u33713164保障措施的有力性u34181921事故分析的反饋性u41181750相似預案的類比性u42141592預案更新的及時性u431011163

根據(jù)評價集對應的模糊集U(V)=[μ(v1),μ(v2),…,μ(vn)]，對評價結(jié)果進行歸一化處理，即用評價等級人數(shù)的比例來表述以上評價結(jié)果，得到每個指標評價等級vi對應的模糊隸屬度μ(vi)，并將各二級指標因素的μ(vi)構(gòu)造成單因素評價矩陣。具體評價矩陣如下：

3.2 權(quán)重向量的計算

整理前面5位鐵路應急預案研究專家的調(diào)查問卷，得到一級指標u1下的3個二級指標u11，u12，u13構(gòu)成的5個模糊互補判斷矩陣：

根據(jù)2.1描述的方法和步驟，得到合成模糊互補判斷矩陣為

并構(gòu)造模糊一致判斷矩陣為

3.3 模糊綜合評價

單因素評判向量計算公式[10]為

Di=Wi×Ri

(5)

式中：Wi為一級指標權(quán)重因素i下的二級指標權(quán)重向量；Ri為一級指標權(quán)重因素i下的二級指標評價矩陣。

由式(5)分別計算單因素評判向量D1，D2，D3，D4，通過D=(Di)的組合構(gòu)造，得到單因素評判矩陣：

因素集評判向量為

F=E×V′=78.20

通過對某鐵路局專項應急預案的模糊綜合評價，得到78.20分的模糊綜合評價分值，根據(jù)之前設計的評價等級隸屬范圍，可知該專項應急預案屬于“良好”等級。

由以上評價分析結(jié)果可知：

1)該專項應急預案總體狀況良好。對于4個一級指標，評價最高的是預案實用性84.38分，這與本專項應急預案針對性強，是專門針對鐵路交通事故這一類鐵路突發(fā)事件有關(guān)。其次是預案可拓展性80.39分，預案全面性和預案可操作性得分較低，分別為75.73分和72.35分，說明在該預案編制時，沒有充分考慮各個方面的因素，預案整體性把握較差，缺乏實際可操作性。

2)對于該指標體系的13個二級指標，評價得 分最高的為突發(fā)事件設想的針對性88.10分，評分接近優(yōu)秀等級；較高的有事故分析的反饋性85.98分，保障措施的有力性85.80分，演練培訓的明確性83.10分，應當在以上方面繼續(xù)鞏固和保持。評價得分最低的是物資調(diào)配的快速性67.70分，較低的有資源配置的合理性69.65分，救援方案的完備性72.10分，現(xiàn)場處置的協(xié)同性73.08分，應該在這些方面采取相應措施進行加強和提高。適當加強資源配置和救援調(diào)度方面的研究，并提高鐵路和地方，各鐵路局之間的救援協(xié)同能力。

4 結(jié) 語

在對應急預案實地調(diào)查分析的基礎上，設計了較為完整科學的鐵路應急預案評價指標體系。綜合運用改進的層次分析法和模糊數(shù)學理論，提出一種“二次標度轉(zhuǎn)換”的方法，對傳統(tǒng)的指標權(quán)重的確定方法進行優(yōu)化改進，結(jié)合鐵路應急預案的特點，構(gòu)建鐵路應急預案模糊層次評價模型。針對某鐵路局專項應急預案，闡明了模糊綜合評價過程及計算方法，并對評價結(jié)果進行了簡要分析。研究成果對于保障鐵路運輸安全具有一定的參考價值和現(xiàn)實意義。

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Evaluation of Railway Emergency Plans Based on Improved Fuzzy Analytic Hierarchy Process

TANG Zhaoping1, LIU Huan2, SUN Jianping2

(1. School of Information Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, Jiangxi, P.R.China; 2. School of Railway Tracks and Transportation, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, Jiangxi, P.R.China)

Improved fuzzy analytic hierarchy process was used to evaluate the quality conditions of railway emergency plans. Based on the analysis of railway emergency plan in current research and combining with the field investigation, an evaluation index system consisting of 4 first-level indicators and 13 secondary indicators was designed by the method of clustering analysis, from the perspective of comprehensiveness, practicality, operability and scalability of the plan. Using the theory of fuzzy analytic hierarchy process and the 0.1 ～ 0.9 nine scaling method, a method of “twice scale conversion” was proposed to get the more fair and accurate index weight, and a fuzzy comprehensive evaluation model of railway emergency plan was also established. Taking a special emergency plan of one railway bureau for example, empirical analysis was carried out and some corresponding suggestions were proposed for the improvement and adjustment of the emergency plan.

traffic and transportation engineering; railway transportation; evaluation of emergency plans; scale conversion; improved fuzzy analytic hierarchy process; empirical analysis

2015-12-22；

2016-04-07

江西省科技廳軟科學重點基金項目(20161BBA10012)；江西省教育廳2015年度科技項目(GJJYB15014)

湯兆平(1970—)，男，江蘇常州人，教授，主要從事交通運輸規(guī)劃與管理方面的研究。E-mail: tzp@ecjtu.jx.cn。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.06.27

U298.6

A

1674-0696(2016)06-131-05