地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險評價研究

朱月月，李曉娟，李璐璐

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院， 福州350000)

地鐵網(wǎng)絡(luò)錯綜復(fù)雜，線路交叉，站點(diǎn)相連，在事故發(fā)生時，其產(chǎn)生的影響隨著站點(diǎn)線路而擴(kuò)散，這使得地鐵網(wǎng)絡(luò)的脆弱性增強(qiáng).對地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性進(jìn)行風(fēng)險因素評價，從而提高地鐵的安全性是城市軌道交通不可忽視的一個問題.

國內(nèi)外學(xué)者對地鐵脆弱性方面做了大量有價值的研究.Petersen等通過研究地鐵中站點(diǎn)從而分析其對脆弱性的重要程度[1]；Johansson等通過研究瑞典南部地鐵從基礎(chǔ)設(shè)施方面討論地鐵的脆弱性[2]；Jenelius通過對地鐵網(wǎng)絡(luò)連邊的研究分析，認(rèn)為構(gòu)成了脆弱性的因素主要由部件失效的概率及其導(dǎo)致的不利影響而產(chǎn)生的[3].Bell等的通過對道路交通系統(tǒng)與公交運(yùn)行網(wǎng)的脆弱性評價結(jié)果，分析公路交通的脆弱性[4].Chen BY 等將交通系統(tǒng)中的站點(diǎn)與路段這兩個因素作為研究對象，分析系統(tǒng)內(nèi)的站點(diǎn)與路段.研究兩個因素對地鐵脆弱性的影響[5].白亞飛通過從暴露性、敏感性、適應(yīng)性三個角度構(gòu)建了評價指標(biāo)體系，分析地鐵車站在大客流條件下的脆弱性情況[6].袁競峰提出根據(jù)運(yùn)營情況和事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，將地鐵脆弱性歸納為物理、結(jié)構(gòu)和社會功能三類，并認(rèn)為脆弱性對地鐵運(yùn)營的每個階段都造成不同的影響[7].許葭等在分析地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性時，使用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和AHP，選取11個指標(biāo)，構(gòu)建地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價模型[8].周珺等人以深圳軌道交通為研究對象，基于Matlab計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的平均度、網(wǎng)絡(luò)密度、平均路徑長度、聚類系數(shù)等指標(biāo)，研究了換乘車站故障情況下對軌道交通網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響[9].王志如的評價指標(biāo)體系是從最大連通始末節(jié)點(diǎn)數(shù)目、區(qū)間長度效率的故障規(guī)模和換乘效率三方面建立的，通過研究地鐵網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的脆弱性，從中得出在蓄意攻擊下地鐵具有脆弱性[10].李大愚通過研究乘客因素對地鐵網(wǎng)絡(luò)的影響，選取大客流量、乘客出行延誤時間兩個這方面，分析研究當(dāng)受到外部攻擊時地鐵網(wǎng)絡(luò)的脆弱性變化，研究表明地鐵的脆弱性是受乘客數(shù)量、可換乘性等因素的綜合影響[11].綜合來看，現(xiàn)有的研究主要是從地鐵網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和地鐵網(wǎng)絡(luò)的流量特征出發(fā)，缺乏對地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險因素的全面分析.

本文以福州地鐵二號線為研究對象，通過DEA對關(guān)鍵脆弱點(diǎn)的各風(fēng)險因素進(jìn)行評價分析.針對影響地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性的關(guān)鍵因素，提出了相關(guān)的建議，可以從預(yù)防角度有效的控制地鐵網(wǎng)絡(luò)的脆弱性.

1 地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價指標(biāo)體系的建立

1.1 地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險因素辨識

1.1.1 風(fēng)險因子辨識的概念

風(fēng)險因子稱為危險源.危險源是指可能導(dǎo)致人身傷害和(或)健康損害的根源、狀態(tài)或行為，而危險源辨識是指識別危險源的存在確定其特征的過程[12].因此，地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險因素的辨識可以認(rèn)為是確定地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險因素，并分析因素特性的過程.

1.1.2 風(fēng)險因子辨識的原則

進(jìn)行地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險因素識別時，應(yīng)該遵循以下原則[13].

1) 綜合性原則.地鐵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個交錯復(fù)雜的系統(tǒng)，因此對地鐵網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)險因素辨識的時候，要綜合考慮地鐵網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險因素，從多角度進(jìn)行地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性因素的辨識.

2) 系統(tǒng)性原則.在評價體系中，風(fēng)險源的辨識是一切的前提.辨識風(fēng)險源直接影響著評價的結(jié)果.所以，地鐵脆弱性的風(fēng)險辨識需要完整具體對地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性進(jìn)行分析，從而保證分析結(jié)果的正確.

3) 科學(xué)性原則.為了更好的對目標(biāo)進(jìn)行評價需要合理的選取風(fēng)險因子，因此在風(fēng)險因子的選取上需要體現(xiàn)準(zhǔn)確性、合理性、完整性，對目標(biāo)對象進(jìn)行客觀描述.選取的因子需要相互獨(dú)立，相互影響的因子會干擾評價結(jié)果，消除指標(biāo)存在聯(lián)系的可能，才能保證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1.1.3 風(fēng)險因子辨識方法

風(fēng)險因子辨識的目的是通過適當(dāng)?shù)姆椒?，找出潛在的風(fēng)險因素.目前，較為常見的辨識方法有：問卷調(diào)查法、頭腦風(fēng)暴法、數(shù)據(jù)分析法等.

1.2 地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性的風(fēng)險因素

地鐵的運(yùn)營過程具有規(guī)律性，且地鐵在空間上的分布很廣，會受到各種不利條件的作用.地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性的被激發(fā)而導(dǎo)致整個地鐵安全運(yùn)營受到影響必是因?yàn)榈罔F存在的某種因素而引起的.本文將地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性的影響因素分為“人、設(shè)、環(huán)、管”四大部分.

1.2.1 影響地鐵網(wǎng)絡(luò)的人員因素

1)地鐵網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部人為因素

地鐵運(yùn)營過程都離不開人員的管控，因此地鐵員工的行為可能導(dǎo)致地鐵意外的發(fā)生.地鐵員工因素也可分為由于自身因素導(dǎo)致的風(fēng)險和員工間配合發(fā)生問題從而產(chǎn)生的風(fēng)險.主要有：駕駛員操作不當(dāng)、調(diào)度員指揮不當(dāng)、監(jiān)控人員疲勞作業(yè)、站務(wù)人員玩忽職守等.

2)地鐵網(wǎng)絡(luò)外部人為因素

乘客是造成地鐵網(wǎng)絡(luò)中的重要不確定因素.乘車高峰期的客流量和乘客的危險行為等對地鐵網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)營有著巨大的考驗(yàn)，容易對設(shè)備設(shè)施造成損壞.如大客流條件下的擁堵、無序的上下車、觸碰緊急制動按鈕等都有極可能對地鐵造成不利影響.

1.2.2 影響地鐵網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備設(shè)施因素

地鐵網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營安全與設(shè)備設(shè)施的損耗程度及保養(yǎng)維修水平等方面相掛鉤.設(shè)備設(shè)施磨損程度越小，維修保養(yǎng)程度越高，則發(fā)生事故的概率就越低，脆弱性也就越低.

1)車輛系統(tǒng)：車輛直接與乘客交往，因此應(yīng)具備安全舒適美觀等特點(diǎn).車輛系統(tǒng)的選型和技術(shù)參數(shù)是安全運(yùn)營的基礎(chǔ).

2)通信信號系統(tǒng)：通信信號系統(tǒng)是確保地鐵運(yùn)營安全，對地鐵運(yùn)行進(jìn)行指揮關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備.無論是通號系統(tǒng)自身還是其供電出現(xiàn)問題，都會造成信息無法正常傳遞，影響地鐵的正常運(yùn)營，從而發(fā)生事故.車載信號故障是通號故障的主要原因.

3)線路軌道系統(tǒng)：線路軌道系統(tǒng)是保障地鐵網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營安全的子系統(tǒng)之一.若軌道出了問題，則一定會使得地鐵運(yùn)營中斷.線路影響因素主要為：軌道磨耗嚴(yán)重、整體道床沉降、道岔方向不良、尖軌與基本軌不密貼或較長距離不密貼等.

4)供電系統(tǒng)：地鐵供電系統(tǒng)引起的事故主要是觸電事故和電氣火災(zāi).火災(zāi)產(chǎn)生的因素主要有：線路出現(xiàn)短路、變壓器散熱不良或人為操作不當(dāng)導(dǎo)致失火.供電系統(tǒng)是向地鐵網(wǎng)絡(luò)供電，一旦發(fā)生故障，則會使得地鐵網(wǎng)絡(luò)停電，運(yùn)營中斷.

1.2.3 影響地鐵網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境因素

1)地鐵內(nèi)部環(huán)境

地鐵系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境是員工工作環(huán)境和企業(yè)文化構(gòu)成，工作環(huán)境主要是：地鐵站臺展廳環(huán)境以及地鐵的線路環(huán)境.工作的環(huán)境會直接影響工作人員的態(tài)度、心情以及積極性.

2)自然環(huán)境

影響地鐵運(yùn)營的自然災(zāi)害主要有：臺風(fēng)、洪水、地震等，這些災(zāi)害會對地鐵帶來影響從而導(dǎo)致地鐵運(yùn)營中斷或延誤，更嚴(yán)重的是由于自然災(zāi)害所引發(fā)的次生災(zāi)害.

1.2.4 影響地鐵網(wǎng)絡(luò)的管理因素

地鐵網(wǎng)絡(luò)的管理程度直接影響著地鐵運(yùn)營的安全與否.管理連接了員工、設(shè)備設(shè)施、環(huán)境以及管理各個影響因素.良好的管理水平對地鐵運(yùn)營起到至關(guān)重要的作用.影響管理的因素主要有：安全標(biāo)識的完善程度、員工安全管理水平、應(yīng)急機(jī)制完善程度等.

1.3 地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價指標(biāo)體系

通過對地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險因素分析，建立評價指標(biāo)體系，如圖1所示.

圖1 評價指標(biāo)體系Figure 1 Evaluation index system

2 地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險評價

2.1 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法(DEA)是運(yùn)籌學(xué)和研究經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)邊界的一種方法.它是通過數(shù)學(xué)規(guī)劃對各指標(biāo)進(jìn)行評價研究的分析方法.DEA大多用在評價多輸入和多輸出系統(tǒng)的相對有效性，并為決策中的安全風(fēng)險提供技術(shù)支持[14].

2.2 DEA評價的依據(jù)

根據(jù)輸入和輸出變量的定義，通過對變量的分析來評價系統(tǒng)的有效性，同時簡化了確定因素的復(fù)雜過程，基于輸入變量的輸出和線性規(guī)劃的DEA模型的權(quán)值，不需要設(shè)置數(shù)值權(quán)重，因此可以有效地消除主觀因素對結(jié)果的影響，具有很強(qiáng)的客觀性和適用性[15].因?yàn)榈罔F脆弱性受“人、設(shè)、環(huán)、管”的相互影響，且影響因素較多.因此，用DEA方法對地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險評價進(jìn)行研究分析.

2.3 DEA模型構(gòu)建PH

假設(shè)有n個決策單元DMU，并且DMU都有各自的評價指標(biāo)yi，yij，表示第j個DMU的第i個指標(biāo)，這有以下線性規(guī)劃.

(1)

(2)

(3)

其中:

λ=(λ1,λ2,…,λn)T≥0}

若(P)擁有最優(yōu)解μ，δ有μ>0，且Vp=0，則稱Yo對應(yīng)的決策單元為DEA有效(S).S表示只輸入或輸出的單一情況.

3 實(shí)例分析

3.1 評價分析

以福州地鐵已運(yùn)營的二號線為例進(jìn)行分析.將風(fēng)險因素單元看為一個決策單元，根據(jù)輸入輸出因素間的聯(lián)系，將風(fēng)險因子作為輸入變量，并且將“人-設(shè)-管-環(huán)”作為輸出變量.請10位福州地鐵二號線的管理人員填寫問卷(見表1)，指標(biāo)評價等級設(shè)為{低，較低，中，較高，高}，對應(yīng)分值為{1,3,5,7,9}.結(jié)果如表2.

表1 地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險等級評分表Table 1 Rating table of subway network vulnerability risk Grade

表2 風(fēng)險指標(biāo)數(shù)據(jù)表Table 2 Data table of risk indicators

將DEA-SOLVER Pro5.0的參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果見表3、4.

表3 指標(biāo)數(shù)據(jù)分析Table 3 Index data analysis

表4 指標(biāo)數(shù)據(jù)相關(guān)性Table 4 Correlation of indicator data

各決策單元的有效性計(jì)算結(jié)果見表5.

表5 有效性分析Table 5 Validity analysis

根據(jù)有效性分析表得出：對于地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險的影響，Risk2的指標(biāo)為1，為有效指標(biāo)，Riskl、Risk3和Risk4小于1，為無效指標(biāo).

3.3 分析結(jié)果與建議

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析得出了“人-設(shè)-管-環(huán)”與福州地鐵二號線的脆弱性風(fēng)險的相關(guān)性，確定了“設(shè)”對福州地鐵二號線的脆弱性風(fēng)險的影響最大.同時在風(fēng)險指標(biāo)的中，數(shù)據(jù)二級指標(biāo)乘客的行為與客流量大對地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險的評價分?jǐn)?shù)最高，也列入考慮因素中.

根據(jù)以上分析結(jié)果對地鐵二號線提出以下建議.

1)設(shè)施因素

保養(yǎng)維修地鐵設(shè)備，保持設(shè)備正常運(yùn)行，員工需對設(shè)備進(jìn)行有規(guī)劃的監(jiān)控管理，時刻監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)是否正常，設(shè)備功能的參數(shù)是否在指定范圍內(nèi).在設(shè)備使用一段時間后對設(shè)備進(jìn)行拆卸和清洗，使其能正常安全地繼續(xù)工作.

2)乘客和客流因素

在設(shè)計(jì)地鐵時應(yīng)該考慮到地鐵沿線的人口情況，避免因人口過多導(dǎo)致地鐵設(shè)施供給不足；應(yīng)加強(qiáng)對乘客調(diào)控與疏導(dǎo)，盡可能的降低客流量大對地鐵造成影響.同時需要對乘客的行為進(jìn)行監(jiān)管和引導(dǎo)，以減少乘客因不熟悉環(huán)境或從眾心理的不良行為對地鐵帶來的危險.

4 結(jié) 語

目前我國地鐵已進(jìn)入高速發(fā)展的階段，而保障地鐵網(wǎng)絡(luò)安全和運(yùn)營是首要解決的問題，這就突顯了地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險評價研究的重要性.本文基于DEA方法從“人、設(shè)、環(huán)、管”四方面對福州地鐵二號線的風(fēng)險因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一級指標(biāo)中“設(shè)”和二級指標(biāo)乘客的行為與客流量大等方面的脆弱性風(fēng)險影響較為顯著，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，有利于降低地鐵網(wǎng)絡(luò)的脆弱性.在本研究中，構(gòu)建地鐵網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價指標(biāo)體系能夠?yàn)榈罔F網(wǎng)絡(luò)脆弱性風(fēng)險研究提供了新的視角，有助于更好地保證地鐵網(wǎng)絡(luò)的安全性.