基于熵模型的地下空間安全防范系統(tǒng)效能評估方法研究

尹柯

（南京森林警察學院 江蘇南京 210023）

1 引言

隨著城市的發(fā)展，地面空間日漸緊缺，特別是大型城市，樓房密集，交通擁堵，居住環(huán)境越來越差等。各級政府已開始注意到這一影響城市發(fā)展的瓶頸問題，特別是就針對城市這種密集型場所如何做好安全防范工作設立了許多專題和專項。人們圍繞智慧城市這一主題，利用大數(shù)據(jù)概念，進行各種城市安全防范的研究[1]。近年來，有學者將研究的重點從地上轉(zhuǎn)向發(fā)展地下空間探索。但在充分開發(fā)和利用地鐵、地下道路、地下商業(yè)、地下交通樞紐等地下空間相關(guān)功能的同時，城市大型地下空間的安全防范的有效性已經(jīng)成為人們普遍關(guān)注的重大問題。為了有效降低城市大型地下空間的安全隱患，減少災害造成的損失，城市地下公共空間通常配備安全監(jiān)管系統(tǒng)，這類安全系統(tǒng)具有風險探測與安全保障功能，主要體現(xiàn)的是安全防范，統(tǒng)稱為安全防范系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以在災害發(fā)生前起到預警作用，而且可以在災害發(fā)生的過程中通過采集到的信息分析出災害發(fā)生的趨勢和危害程度，最大程度地減少和降低災害對地下公共空間內(nèi)人員與建筑造成的損害。因此，有必要針對現(xiàn)有的城市安全防范系統(tǒng)的有效性進行長效的監(jiān)督和評估，以便為安全監(jiān)控系統(tǒng)及時提供有價值的判斷和預警。

2 地下空間安全防范系統(tǒng)效能評估的現(xiàn)狀

目前，對安全防范系統(tǒng)的監(jiān)控和評估多采用效能評估監(jiān)測方法。效能評估這個概念的提出最早是由美國海軍針對作戰(zhàn)系統(tǒng)提出的，即系統(tǒng)效能是指在規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定任務的程度指標，同時也是系統(tǒng)在規(guī)定條件下和在規(guī)定時間內(nèi)滿足作戰(zhàn)需求的概率。效能評估方法多應用在軍事領域[2～3]以評估作戰(zhàn)指揮及武器系統(tǒng)的應用效果。其最大特點就在于針對某一特殊人群或事件具有快速而準確的時效性。

對于安全防范系統(tǒng)效能的評估，國內(nèi)很多學者也從不同的研究角度作了大量的研究，如潘科，王洪德[4]研究監(jiān)控地鐵事故的安全防范系統(tǒng)的效能評估問題，提出一種多級可拓的評價方法對指標數(shù)據(jù)進行評估；正如Fenne11y，Lawrence[5]指出的那樣：沒有任何一個防范系統(tǒng)是百分之百安全的，如果一個安防系統(tǒng)需要能夠抵御大多數(shù)的威脅與入侵，這個安防系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)，如周界防護子系統(tǒng)、報警子系統(tǒng)、人力防范以及其他子系統(tǒng)，就需要相互協(xié)同運作。為了評估該安全防范系統(tǒng)的效果，有必要建立一個針對安全防范系統(tǒng)有效性的效能評估過程。

地下空間是一個較為復雜的場所，由于地下空間在地理位置上具有封閉性和隱蔽性的特點，其安全事故不管從發(fā)生次數(shù)，還是從死亡人數(shù)及經(jīng)濟損失方面，都大大高于地面建筑和高層建筑。有人認為，地下空間與地面空間本質(zhì)上存在著諸多的相似性。其實，這些相似性只能針對各類實體（比如建筑物、設施、材料等）而言是存在的，更多的區(qū)別還是在環(huán)境和條件方面。比如，地下空間使得內(nèi)部的防火防災變得復雜和困難，一旦發(fā)生災害，地下空間里的疏散和救援變得既突出又復雜。因此，其對安全防范系統(tǒng)的要求就與地面的安全防范系統(tǒng)有所區(qū)別，其預警性能就需要更高。

隨著安全防范系統(tǒng)在地下空間中的應用不斷增多，在地下空間安全中承擔的作用不斷提高。據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)在地下空間安全防范系統(tǒng)中就有兩個方面的問題，需要特別的重視和有效的解決方案：①設計中的或現(xiàn)有的安全防范系統(tǒng)是否能夠達到安全設計時所要達到的效果和目標；②現(xiàn)行的安全防范系統(tǒng)能否在需求和費用上找到一個平衡點，即不僅能夠較好地實現(xiàn)安全防范系統(tǒng)的功能和作用，又可以其實避免設備的重復使用。由于安全防范系統(tǒng)在地下空間安全管理中起著十分重要的作用，因此必須對地下空間安全防范系統(tǒng)進行實時監(jiān)控和更新。但如果沒有合適的檢測手段，只是根據(jù)產(chǎn)品的性能，定期更換設備，某種程度上是可以提高監(jiān)控效果，但實際上也會存在風險，比如設備沒有達到設計的性能，這樣就會提前失去檢測功能，而一些因保護等因素使設備的性能達到充分發(fā)揮的，即使到了規(guī)定期限也仍然具備檢測功能，這樣統(tǒng)一更換勢必也會造成不必要的浪費。因此，掌握設備的效能成為既節(jié)約成本又能夠提高監(jiān)控效率的有效路徑。效能評估方法就這樣應運而生。在各種生產(chǎn)過程以及工業(yè)化工程中，效能評估法被廣泛用來檢測設備運行的質(zhì)量和效率，提高安全預警的有效性和穩(wěn)定性。

3 基于熵模型的地下空間安防系統(tǒng)效能評估

云理論是李德毅院士開創(chuàng)的理論，該理論把模糊性和隨機性完全集成到一起，構(gòu)成定性和定量相互間的映射。目前云模型被成功地用于人工智能、軍事系統(tǒng)的效能評估中。因此云模型可以有效的提高對安全管理系統(tǒng)效能評估的準確性。云理論的優(yōu)勢在于可以將定性的描述轉(zhuǎn)換成定量的數(shù)據(jù)語言，這個特點正適用于安全管理系統(tǒng)節(jié)點效能評估的過程。云理論在效能評估與評價方面的應用主要體現(xiàn)在對熵值的計算模型的構(gòu)建上。

因此，本文借助熵值模型理論，嘗試構(gòu)建評估指標體系，對地下空間安防系統(tǒng)的效能進行模擬評估：

3.1 構(gòu)建地下空間安全防范系統(tǒng)效能評估的指標體系

地下空間安全防范系統(tǒng)的效能指的是地下空間安全防范系統(tǒng)的功效和功能，即安全防范系統(tǒng)在地下空間安全管理系統(tǒng)中達到或?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)預定目標的程度。確定地下空間安全防范系統(tǒng)效能評估指標是一項十分復雜的探索性科研工作，目前相關(guān)研究還沒有明確的統(tǒng)一標準。由于地下空間安全防范系統(tǒng)效能評估中任何一個評估因子之間都具有復雜的聯(lián)系，地下空間安全防范系統(tǒng)需要與警務管理系統(tǒng)、情報研判系統(tǒng)、調(diào)度指揮系統(tǒng)等融合關(guān)聯(lián)。因此，地下空間安全防范系統(tǒng)的評估指標體系的構(gòu)建不僅要以安全防范系統(tǒng)的基本評估模型為基礎，而且也要包含地下空間這類特定功能場所的特殊需求。

3.2 確定評語集

評語多數(shù)都是以一些沒有明確表示模棱兩可的語言來進行描述，地下空間安全防范系統(tǒng)效能評估指標多數(shù)為定性指標，無法直接進行量化計算，需要將其轉(zhuǎn)化為定量指標。因此要將評語用一維云模型來表示，這些就可以形成該指標體系的評價標準云模型集。采用如下公式來進行求解云模型的數(shù)字特征：

（Cmin，Cmax）是評語的取值范圍。式中k為常數(shù)，表示評語本身的模糊程度，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)確定，也可以由專家根據(jù)經(jīng)驗直接給出，但He的值不能取得過大，以免造成Ex誤差偏大，結(jié)果不準確。

3.3 指標權(quán)重的確定

評估指標體系中明確了各指標之間的隸屬關(guān)系，但同一層的指標相對于上級指標的重要程度仍需要運用科學方法加以確定。地下空間安全防范系統(tǒng)效能評估指標體系的遞階結(jié)構(gòu)，適用層次分析的方法計算各指標元素的權(quán)重值。本文運用層次分析法解決指標權(quán)重分配問題，其主要思路是：利用Santy的1～9級標度法，對同一層的指標項目的重要程度進行兩兩對比和評分，根據(jù)所得分值構(gòu)造相應的判斷矩陣。并對判斷矩陣進行一致性檢驗。不滿足一致性要求則需要進行重新構(gòu)造判斷矩陣，直到能夠滿足一致性要求。最后通過層次單排序和層次總排序，得到指標權(quán)值。

3.4 指標云模型的確定

根據(jù)專家組對每個指標評判的風險值，通過無須確定度的逆向云發(fā)生器公式計算每層指標的云模型：

先得到該組數(shù)據(jù)樣本的均值：

一階樣本絕對中心距：

樣本方差：

期望值：

同時由樣本均值可得熵：

由樣本方差和超熵可得：

3.5 綜合云模型圖，確定評價結(jié)果

二級指標云模型結(jié)合指標權(quán)值算出一級指標云模型，如公式（10）～（12），其中 Ex、En、He 為第 n-1 層指標的評價云模型；Ex1，Ex2，…Exn分別為第n層各指標評價云模型的期望值；Ex1，Ex2，…Exn為第n層各指標評價云模型的熵；He1，He2，…Hen為第n層各指標評價云模型的超熵；i為第n層指標的個數(shù)；?1，?2，…?n為第n層各指標的權(quán)重。以此類推，直至計算出目標層的綜合評價云模型。

最終，總模型通過計算得到云圖驗證整個系統(tǒng)的評價等級。

4 結(jié)語

一般而言，傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)風險評價方法只是對評價的技巧進行深入研究，很少考慮定性語言的自有屬性：即隨機性和模糊性。這會導致無論主觀多么努力分析，客觀上就會出現(xiàn)方法的弊端和缺陷，評價結(jié)果的可靠性和真實性始終受到質(zhì)疑。

本文嘗試從熵值與超熵的角度構(gòu)建評估模型，對地下空間的安防系統(tǒng)進行效能評估，解決了效能評估中所遇到的模糊性過高且評估結(jié)果不夠精確等問題，所夠建評估指標體系具有一定的應用意義和借鑒價值。由于篇幅所限，在模型的評價效度方面還需要做進一步的對比實證研究。