基于證據(jù)理論的地鐵應(yīng)急體系脆弱性評(píng)估研究*

李 磊， 倪鵬炯， 金段艷， 陳怡伶

(1.浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004;2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 寧波 315100)

基于證據(jù)理論的地鐵應(yīng)急體系脆弱性評(píng)估研究*

李 磊1， 倪鵬炯1， 金段艷1， 陳怡伶2

(1.浙江師范大學(xué) 工學(xué)院,浙江 金華 321004;2.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 寧波 315100)

為完善地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系，提高地鐵應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力，針對(duì)地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性進(jìn)行了研究，通過對(duì)地鐵應(yīng)急體系脆弱性因素的分析，從法律法規(guī)脆弱性、應(yīng)急組織脆弱性、應(yīng)急預(yù)防脆弱性、應(yīng)急救援脆弱性、應(yīng)急資源脆弱性和災(zāi)后處置脆弱性6個(gè)方面建立了地鐵應(yīng)急體系脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系.利用層次分析法確定了指標(biāo)的權(quán)重，提出了基于D-S證據(jù)理論的地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性評(píng)估方法.最后通過實(shí)例分析，驗(yàn)證了該方法在評(píng)價(jià)地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性上的可行性和有效性.

地鐵；應(yīng)急體系；脆弱性；證據(jù)理論；評(píng)估

0 引 言

地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系涵蓋組織體系、預(yù)案預(yù)警、應(yīng)急處置、應(yīng)急恢復(fù)及災(zāi)后總結(jié)等環(huán)節(jié).完善的地鐵應(yīng)急體系是實(shí)現(xiàn)公眾生命安全、系統(tǒng)設(shè)施安全、系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定及降低突發(fā)事件帶來的損失的保障.根據(jù)聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)戰(zhàn)略(UNISDR)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的定義[1]“風(fēng)險(xiǎn)(risk)=危險(xiǎn)性(hazard)乘脆弱性(vulnerability)除以抗災(zāi)能力(capacity)”,由此可見，風(fēng)險(xiǎn)很大程度上取決于源發(fā)事件與承災(zāi)主體的脆弱性之間的相互作用.脆弱性也是地鐵軌道交通應(yīng)急體系風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的關(guān)鍵參數(shù)，評(píng)估脆弱性參數(shù)對(duì)應(yīng)急管理體系功能的發(fā)揮和體系的完善起到很大的指導(dǎo)作用[2-5].

Sohn[6]用交通系統(tǒng)的績(jī)效來評(píng)估脆弱特性,并且確定了網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)；Taylor[7]在此基礎(chǔ)上考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、出行者對(duì)行程時(shí)間的估計(jì)誤差對(duì)脆弱性的影響，構(gòu)建了一定的路徑選擇模型，計(jì)算了路網(wǎng)可達(dá)性指標(biāo)，以此評(píng)估路網(wǎng)脆弱性.國(guó)內(nèi)對(duì)于交通網(wǎng)絡(luò)脆弱性評(píng)估的研究相對(duì)較少，特別是針對(duì)城市地鐵系統(tǒng).目前的研究大多圍繞在抗災(zāi)性方面,提出了應(yīng)急能力指標(biāo)體系并建立評(píng)估模型，或者通過風(fēng)險(xiǎn)分析衡量交通系統(tǒng)的應(yīng)急能力.張銘等[8]從系統(tǒng)工程理論的角度，建立了應(yīng)急救援評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊層次分析法對(duì)影響應(yīng)急救援過程的多個(gè)功能要素作定性和定量分析并進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；何珊珊等[9]利用粗糙集理論的相關(guān)知識(shí)，研究了地鐵災(zāi)害應(yīng)急能力的評(píng)價(jià)問題,從地鐵災(zāi)害應(yīng)急能力的特點(diǎn)出發(fā)，構(gòu)建了準(zhǔn)確、全面、有效的地鐵災(zāi)害應(yīng)急能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；盧文剛等[10]通過結(jié)合地鐵突發(fā)公共事件應(yīng)急管理的現(xiàn)實(shí)情況和應(yīng)急管理相關(guān)理論，設(shè)計(jì)了科學(xué)系統(tǒng)和實(shí)操性強(qiáng)的城市地鐵突發(fā)事件應(yīng)急能力評(píng)價(jià)體系框架，提出了構(gòu)建城市地鐵突發(fā)事件應(yīng)急能力評(píng)價(jià)的方法及步驟；閻善郁等[11]建立的地鐵突發(fā)事件應(yīng)急能力指標(biāo)體系，基于可拓評(píng)價(jià)的物元模型進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；尹俊淞[12]通過分析軌道交通應(yīng)急能力的影響因素，建立了多層次的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，引入灰色聚類分析對(duì)城市軌道交通應(yīng)急能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)[13]提出運(yùn)用案例推理方法(CBR)，結(jié)合其中案例表示及檢索對(duì)城市軌道交通突發(fā)事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析.由風(fēng)險(xiǎn)定義可知，以上研究主要從城市軌道交通的應(yīng)急能力方面作出分析或評(píng)價(jià)，缺乏對(duì)城市軌道交通應(yīng)急體系本身抗干擾能力即對(duì)其脆弱性的評(píng)估.為此，本文研究了地鐵應(yīng)急體系脆弱性評(píng)估，構(gòu)建了其應(yīng)急體系脆性評(píng)估指標(biāo)；另外，考慮到評(píng)估中的不確定性[14]，本文將基于證據(jù)理論對(duì)地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性進(jìn)行評(píng)估.

1 地鐵應(yīng)急體系脆弱性評(píng)估指標(biāo)

地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系的作用是正確、及時(shí)處理地鐵突發(fā)事故，盡可能減少人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失.其建設(shè)指導(dǎo)思想是：以人為本、預(yù)防為先、防御為主、處置迅速，最大程度地保障公眾生命安全、系統(tǒng)設(shè)施安全、系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定.其應(yīng)急體系脆弱性內(nèi)涵為系統(tǒng)處于存在風(fēng)險(xiǎn)或子系統(tǒng)受到攻擊和影響的狀態(tài)下，應(yīng)急系統(tǒng)缺乏自我調(diào)整和適應(yīng)的能力而導(dǎo)致系統(tǒng)故障甚至癱瘓的性質(zhì).研究地鐵應(yīng)急體系脆弱性，降低系統(tǒng)暴露性和敏感性以提高系統(tǒng)適應(yīng)性[15].

根據(jù)城市軌道交通系統(tǒng)特點(diǎn)、危害因素及突發(fā)事件的特征，以及應(yīng)急體系自身功能要求，本文在指標(biāo)選擇上遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、層次性、可操作性及可量化性相結(jié)合的原則，結(jié)合《地鐵運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》并參照文獻(xiàn)[16-18]制定評(píng)價(jià)指標(biāo).指標(biāo)篩選是通過計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的集中度和離散度得到的，指標(biāo)集中度和離散度如下：

指標(biāo)集中度Ei定義為：

(1)

式(1)中：s為評(píng)估指標(biāo)個(gè)數(shù)；t為咨詢專家個(gè)數(shù);aj為第j位專家對(duì)某個(gè)指標(biāo)的評(píng)分值.

指標(biāo)離散度σi可用標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，即

(2)

式(2)中,aj為第j位專家對(duì)某個(gè)指標(biāo)的評(píng)分值.

根據(jù)地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系的特點(diǎn)，以Ei≤3，σi≤0.62為條件[19]，篩選出滿足條件的指標(biāo).

最終從法律法規(guī)脆弱性、應(yīng)急組織脆弱性、突發(fā)事件預(yù)防脆弱性、應(yīng)急救援脆弱性、應(yīng)急資源脆弱性、災(zāi)后處置脆弱性6個(gè)方面對(duì)地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性進(jìn)行有效衡量，構(gòu)建地鐵應(yīng)急體系脆弱性評(píng)估指標(biāo).

2 基于證據(jù)理論的地鐵應(yīng)急體系脆弱性評(píng)估

2.1 證據(jù)理論基礎(chǔ)知識(shí)[20-21]

1)識(shí)別框架

證據(jù)理論中，把一個(gè)互不相容事件(或命題)的完備樣本集合Θ稱為識(shí)別框架，可表示為

2)基本信任分配函數(shù)

設(shè)Θ為識(shí)別框架，?為空集，若集函數(shù)m:2Θ→[0,1](2Θ為?的冪集)滿足

(3)

則稱m為框架Θ上的基本信任分配函數(shù)(mass函數(shù))；?A?Θ，m(A)為A的基本信任分配值，其中，稱使得m(A)>0的A為焦元.

3)證據(jù)理論合成規(guī)則

①2個(gè)證據(jù)的合成

(4)

②多個(gè)證據(jù)的合成

(5)

2.2 脆弱性評(píng)估算法流程

步驟1：確定評(píng)價(jià)對(duì)象集及脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)C

評(píng)價(jià)對(duì)象集P={地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性}，評(píng)價(jià)指標(biāo)有一級(jí)指Ci(i=1,2,…,n)和二級(jí)指標(biāo)cij(i=1,2,…,n,cij為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)下的第j個(gè)二級(jí)指標(biāo)).

步驟2：確定脆弱性評(píng)語(yǔ)等級(jí)

評(píng)語(yǔ)等級(jí)集合V={V1,V2,…,Vl}，評(píng)語(yǔ)集所對(duì)應(yīng)的值集p(V)={p(V1),p(V2),…,p(Vl)},l為評(píng)語(yǔ)等級(jí)個(gè)數(shù).

步驟3：確定指標(biāo)權(quán)重w

利用層次分析法，結(jié)合專家打分法對(duì)指標(biāo)賦予權(quán)重[22]，計(jì)算各要素的相對(duì)重要性,利用方根法確定各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重.

步驟4：確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的基本信任度

由專家給出各底層因素關(guān)于評(píng)價(jià)集的基本信任度.

(6)

步驟7：計(jì)算目標(biāo)層C、評(píng)語(yǔ)等級(jí)為Vk(k=1,2,…,l)的mass函數(shù)m(CVk)

根據(jù)一級(jí)指標(biāo)Ci的權(quán)重?cái)?shù)值，并規(guī)范化信任分配函數(shù)得m′(CVki)，即

(7)

式(7)中：wi為一級(jí)指標(biāo)權(quán)重；wq為一級(jí)指標(biāo)權(quán)重中的最大值.運(yùn)用證據(jù)理論的合成規(guī)則計(jì)算目標(biāo)層C的mass函數(shù)m(CVk).

步驟8：計(jì)算評(píng)估對(duì)象，得其綜合評(píng)估值E，即

(8)

3 實(shí)例分析

本文以Y市地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性作為評(píng)價(jià)對(duì)象，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖1所示.

圖1 地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性評(píng)估指標(biāo)

邀請(qǐng)10位專家對(duì)該地鐵應(yīng)急體系脆弱性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，專家依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出二級(jí)指標(biāo)在各評(píng)價(jià)等級(jí)上的信任度，如表1所示.其中,評(píng)語(yǔ)等級(jí)V分5個(gè)級(jí)別：{很低(V1)，較低(V2)，一般(V3)，較高(V4)，很高(V5)}，評(píng)語(yǔ)等級(jí)所對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)值集合p(V)={p(V1)，p(V2)，p(V3)，p(V4)，p(V5)}={9，7，5，3，1}.

表1 專家給出的二級(jí)指標(biāo)在各評(píng)價(jià)等級(jí)上的信任度分配

根據(jù)專家打分，運(yùn)用層次分析法，求得各級(jí)指標(biāo)權(quán)重如下：

結(jié)合以上數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)則層指標(biāo)“應(yīng)急救援脆弱性”信任度計(jì)算為例，利用式(6)，求“應(yīng)急救援脆弱性”二級(jí)指標(biāo)的mass函數(shù)值,計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 應(yīng)急救援脆弱性二級(jí)指標(biāo)信任度分配

運(yùn)用證據(jù)理論合成規(guī)則，計(jì)算出“應(yīng)急救援脆弱性”指標(biāo)的信任度.同理，可計(jì)算出法律法規(guī)脆弱性、應(yīng)急組織脆弱性、應(yīng)急預(yù)防脆弱性、應(yīng)急資源脆弱性和災(zāi)后處置脆弱性的信任度值，結(jié)果見表3.

表3 地鐵應(yīng)急體系一級(jí)指標(biāo)信任度分配

根據(jù)步驟7計(jì)算目標(biāo)層的總信任度分配，結(jié)果為m(CVk)=(0.085,0.657,0.061,0.004,0.000).

由計(jì)算結(jié)果可知，地鐵應(yīng)急體系脆弱性屬于很低(V1)的信任度m(CV1)=0.085，較低(V2)的信任度m(CV2)=0.657，一般(V3)的信任度m(CV3)=0.061，較高(V4)的信任度m(CV4)=0.004，很高(V5)的信任度m(CV5)=0.000.

由步驟8，根據(jù)式(8)得到該地鐵應(yīng)急體系脆弱性的總體評(píng)估值為

該系統(tǒng)的脆弱性處于較低和一般之間，總體趨于較低.從證據(jù)合成的過程來看，應(yīng)急體系脆弱性的薄弱環(huán)節(jié)為法律法規(guī)和應(yīng)急資源2個(gè)方面.在未來的地鐵應(yīng)急體系脆弱性管理工作中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)法律法規(guī)、應(yīng)急資源2方面的建設(shè)和完善.應(yīng)從以下兩方面展開:

1)圍繞《國(guó)家處置城市地鐵事故災(zāi)難應(yīng)急預(yù)案》，明確制定法律法規(guī)的責(zé)任主體，修訂完善各項(xiàng)規(guī)章制度，完善地鐵應(yīng)急法律法規(guī)體系；

2)在應(yīng)急資源上，應(yīng)統(tǒng)籌考慮各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素，科學(xué)規(guī)劃、優(yōu)化應(yīng)急救援網(wǎng)點(diǎn)和物資布局，提升應(yīng)急救援能力.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性為研究對(duì)象，通過對(duì)地鐵應(yīng)急管理體系進(jìn)行調(diào)查，綜合考慮影響地鐵系統(tǒng)安全的各類因素，建立了較為全面的地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo).通過實(shí)例的應(yīng)用分析表明，D-S證據(jù)理論方法應(yīng)用于地鐵突發(fā)事件應(yīng)急體系脆弱性評(píng)估是有效的、實(shí)用的，評(píng)價(jià)結(jié)果可為地鐵運(yùn)營(yíng)相關(guān)部門發(fā)現(xiàn)應(yīng)急體系中的薄弱環(huán)節(jié)提供理論依據(jù)，對(duì)提高地鐵突發(fā)事件的應(yīng)急能力具有應(yīng)用價(jià)值.

[1]UN/ISDR.Living with risk:A global review of disaster reduction initiatives[J].BioMed Central,2004,7(4):336-342.

[2]馬建華,陳安.應(yīng)急管理評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2011,13(5):31-36.

[3]盧文剛,田恬,舒迪遠(yuǎn).非傳統(tǒng)安全視角下的城市地鐵系統(tǒng)脆弱性應(yīng)急治理——以廣州城市地鐵系統(tǒng)突發(fā)事件為例[J].行政論壇,2016,23(3):103-106.

[4]張海波,童星.應(yīng)急能力評(píng)估的理論框架[J].中國(guó)行政管理,2009(4):33-37.

[5]李宇,吳新昱,劉雅璐.應(yīng)急單元的應(yīng)急管理體系構(gòu)建研究[J].中國(guó)減災(zāi),2015(15):54-57.

[6]Sohn J.Evaluating the significance of highway network links under the flood damage:An accessibility approach[J].Transportation Research Part A Policy & Practice,2006,40(6):491-506.

[7]Taylor M A P.Critical transport infrastructure in urban areas:Impacts of traffic incidents assessed using accessibility-based network vulnerability analysis[J].Growth & Change,2008,39(4):593-616.

[8]張銘,徐瑞華,李獻(xiàn)忠.城市軌道交通應(yīng)急救援能力的評(píng)價(jià)[J].都市快軌交通,2007,20(1):30-33.

[9]何珊珊,崔改娣.基于粗糙集理論的地鐵災(zāi)害應(yīng)急能力評(píng)價(jià)研究[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào),2010,12(3):13-19.

[10]盧文剛,彭靜.廣州城市地鐵突發(fā)公共事件應(yīng)急能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J].城市發(fā)展研究,2012,19(4):118-124.

[11]閻善郁,陳雪嬌.物元可拓法在地鐵突發(fā)事件應(yīng)急能力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(3):18-20.

[12]尹俊淞.基于灰色聚類分析的軌道交通應(yīng)急能力綜合評(píng)價(jià)[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2012,38(5):88-91.

[13]Lu Y,Li Q,Xiao W.Case-based reasoning for automated safety risk analysis on subway operation:Case representation and retrieval[J].Safety Science,2013,57(8):75-81.

[14]Liangzhou C,Wenkang S,Feng D.New weighting factors assignment of evidence theory based on evidence distance[J].Journal of Systems Engineering and Electronics,2005,16(2):273-278.

[15]程悅,宋守信.大客流擾動(dòng)下的北京地鐵脆弱性研究[J].都市快軌交通,2015(3):29-33.

[16]徐松鶴,韓傳峰,孟令鵬.城市防災(zāi)系統(tǒng)脆弱性評(píng)估及關(guān)鍵影響因素識(shí)別研究[J].軟科學(xué),2015(9):131-134.

[17]宋亮亮,李啟明,陸瑩.城市地鐵系統(tǒng)脆弱性影響因素研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2016,26(5):64-69.

[18]宋鍵,楊耀.城市軌道交通應(yīng)急體系研究[J].城市軌道交通研究,2009,12(9):7-9.

[19]羅文婷.鐵路應(yīng)急預(yù)案綜合評(píng)價(jià)方法研究[D].北京:北京交通大學(xué),2008:47.

[20]Shafer G.A mathematical theory of evidence[M].Princeton:Princeton Univ Press,1976.

[21]楊風(fēng)暴,王肖霞.D-S證據(jù)理論的沖突證據(jù)合成方法[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.

[22]張璽.高速鐵路調(diào)度系統(tǒng)的人機(jī)關(guān)系安全評(píng)估[J].交通科技與經(jīng)濟(jì),2015,17(2):30-34.

[23]Yang J B,Sen P.A general multi-level evaluation process for hybrid MADM with uncertainty[J].IEEE Transactions on Systems Man & Cybernetics,1994,24(10):1458-1473.

(責(zé)任編輯 陶立方)

Research on vulnerability assessment of subway emergency system based on the evidence theory

LI Lei1, NI Pengjiong1, JIN Duanyan1, CHEN Yiling2

(1.CollegeofEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China; 2.OperationBranchCompanyofNingboMetroCompanyLtd,Ningbo315100,China)

To enhance the metro traffic security and improve the ability of the metro coping with emergencies, it was conducted a research in view of the subway emergency system vulnerability by analyzing the factors of vulnerability of subway emergency system, the vulnerability assessment index system of the metro emergency system was established from six aspects including laws, regulations vulnerability, emergency organization vulnerability, emergencies prevention vulnerability, emergency rescue vulnerability, emergency resource vulnerability and the vulnerability of disposal of the disaster. The index weight was determined by the analytic hierarchy process (AHP), and evaluation method of the metro emergency system vulnerability based on the D-S evidence theory was proposed. The feasibility and effectiveness of assessment method was also validated through example.

subway; emergency system; vulnerability; evidence theory; assessment

10.16218/j.issn.1001-5051.2017.03.015

?2016-09-22；

2017-01-13

浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015C33015)；浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201432259)

李 磊(1980-)，男，河南鶴壁人，講師，博士.研究方向：軌道交通安全及控制.>

U231

A

1001-5051(2017)03-0336-07