基于可拓云理论的地铁运营系统韧性评价

杨 苏， 霍巧芬

(1.安徽建筑大学 经济与管理学院，合肥 230000；2.安徽省建筑经济与房地产管理研究中心，合肥 230000)

一、引言

近年来，我国城市交通拥堵问题随着城市化的高速发展日益增加。城市地铁作为以地下运行为主的轨道交通，很大程度上缓解了高峰期地面交通易瘫痪的压力，同时带动城市经济发展，得到迅猛发展。与其他交通方式相比，地铁具有极高的安全性。但是短时间内大量人口聚集相对封闭的空间，一旦发生意外，不但会造成城市交通堵塞，甚至会造成大量人员伤亡。若将韧性理论引入地铁运营的安全管理，提高地铁运营系统韧性，即通过提升抗风险能力和应对事故的恢复能力，可以有效预防事故发生，减少地铁运营事故。因此，科学合理地评价地铁运营系统韧性水平将有利于地铁运营系统的安全管理与控制。

国外的韧性研究起步较早，韧性概念最早来源于拉丁语“resilio”，即恢复到原始状态[1]，随后应用到不同学科领域：19世纪中叶，用于机械学，用以描述金属在经历冲击或扰动发生形变之后复原的能力；20世纪50年代，用于心理学，即精神创伤之后的恢复状况；1973年，生态学家Holling首次提出生态系统韧性，用于描述生态系统稳定的特征[2]。相较于国外，我国的韧性研究起步较晚，主要分为三个方向：一是对韧性概念的定义。黄浪等提出系统安全韧性定义，基于鲁棒性、冗余性、迅速性和有源性四个特征要素，构建系统从初始安全到遭遇风险恢复安全的全过程系统安全韧性的概念框架[3]；陈群等提出地铁工程系统韧性定义，为地铁工程系统在遭遇风险后抵御、适应风险及迅速恢复提供一个系统性的新方法[4]。二是对韧性评估指标体系的研究。白莹通过研究高速铁路运营系统韧性的内涵和特征要素，构建恶劣天气高速铁路运营系统韧性评价指标体系[5]28；岳靖川通过文献研究、专家访谈和实地调研，建立城市复杂公共空间韧性影响因素的指标体系[6]。三是对韧性评价方法的研究。郭庆军等在地铁建设工程的安全管理中提到韧性理论，通过构建ANP-可拓云综合评价模型进行系统韧性评价[7]943；王景春等提出地铁车站的深基坑韧性理论概念，选用欧氏距离法来综合评估地铁车站深基坑韧性[8]。

本文以某市地铁项目为例，将韧性理论引入地铁运营系统，通过文献研究法和总结历年来地铁事故成因，分析影响地铁运营系统韧性的主要因素，归纳构建地铁运营系统韧性评价指标体系。通过Shapley值法确定指标体系中各级指标的权重，同时结合可拓云理论来评定地铁运营系统韧性情况，并作为地铁运营系统安全管理的理论依据，从而提高系统韧性，确保正常运营安全有序开展。

二、韧性概念及特征要素

(一)韧性定义

由于研究领域存在差异，不同学者对韧性概念的理解有差异，从最初的工程韧性到生态韧性，再到演进韧性[9]。对于地铁运营系统的韧性，目前没有统一的概念，本文根据不同学者多领域韧性概念的理解来界定地铁运营系统韧性。地铁运营系统韧性是指地铁在运营过程中，安全系统在正常情况下维持正常运营状态，受到风险因素扰动或突发事故袭击时可以运用自身韧性，对地铁运营系统进行一系列反应、应对、复原和优化，使运营系统恢复到事前安全状态或达到更优化的安全状态，并记录风险因素或突发事故的发生和应对过程，吸取经验，不断优化，在下一次风险或事故发生时能够快速完成复原过程。

(二)韧性构成要素

引入SREF模型来研究韧性的构成要素。SREF模型的由来分别对应韧性系统中四个元素的首字母，即稳定度(stability)、冗余度(redundancy)、效率度(efficiency)、适应度(fitness)[10]。该模型中居关键地位的是效率度，效率度是系统应对扰动干扰恢复安全状态的时长和减小扰动带来不利影响的程度。稳定度是系统在不被破坏的条件下所能承受和吸收的扰动强度，以及在应对扰动时最大限度维持系统安全状态的能力。冗余度是系统遭到破坏时存在可替代要素去维持系统的安全状态。适应度是系统已遭受威胁和扰动时的适应能力。在地铁运营韧性系统中，SREF模型是基于这四个构成要素与人员系统、环境系统和设备系统三个子系统之间相互作用形成的，如图1所示。

图1 地铁运营系统韧性SREF模型

三、地铁运营系统韧性指标体系构建

(一)韧性影响因素

通过文献研究法，并结合历年来我国各地发生地铁运营事故的成因，总结地铁运营系统韧性影响因素。郭庆军等从韧性特征要素角度出发，分析地铁施工现场安全系统韧性影响因素[7]944；席建锋等以长吉高速铁路为例，从系统整体出发，即从人—机—环境—管理分析核心风险因素[5]19；韩豫和成虎分析地铁运营事故的演化机理和致因要素的影响机理，提出地铁运营安全事故致因理论，通过国内研究成果，按照韧性特征要素稳定度、冗余度、效率度、适应度来识别韧性因素，最终确定26个影响因子，将这26个影响因子按人员系统、环境系统、设备系统三个方面再次分类，构建初步的地铁运营系统韧性影响因素集[11]，如表1所示。

表1 地铁运营系统韧性影响因素集

(二)韧性因素分析

人员系统。地铁运营系统涉及两类人员，一是地铁从业者，主要包括车站运营组织人员、事故应急处理人员、安保人员等；二是非从业人员，主要包括乘客和影响车站运营的其他社会人员等。作为地铁系统运营的主体，人的因素是车站运行的核心因素，人具有主动性和主导性，既可以是事故的造成者，也可以是解决问题的重要因素。地铁运营的每个环节都需要人去维持、协调和应对。因此，人员系统韧性因素是研究地铁运营系统韧性的关键因素。人员系统的稳定度需要考察员工的身心状态、职能技术水平和安全防护水平是否合格，以及乘客是否遵纪守法和车站的客流密度；冗余度应考虑车站应急组织人员的配备情况和应急医疗救援系统；效率度主要考察人员的应急指挥能力、疏导客流的效率以及乘客的心理因素；适应度应对工作人员应急抢险理论知识培训及实操演练和应急组织部门运营管理进行考察。

设备系统。地铁车站设备系统主要包括车辆、供电系统、通信与广播系统、通风系统、通行设备系统、机电系统以及售检票系统等。设备的质量是保证地铁运营安全的基础，任何一个子系统出现问题都会对地铁运营造成不利影响，只有保证地铁设备功能完善和性能良好，地铁才能安全运营。其稳定度应考虑设备维护合格率和负荷强度，以及设备性能是否完备和设备材质强度是否符合要求；冗余度主要考虑在原子系统设备遭到破坏时，是否存在备用设备来保持系统正常运行；效率度主要考虑设备的应急情况；适应度考虑设备的安全投入情况。

环境系统。环境系统分为内部环境和外部环境。内部环境主要是地铁的运营环境，外部环境包括自然环境和社会环境。其中自然环境是不可预见的，尤以地质灾害对地铁的破坏最大。社会环境主要包括政治环境、经济环境、技术环境和法律环境等，如恐怖分子袭击事件。虽然外部环境不可控制，但是可以通过构建一个良好的内部环境来应对外部环境，从而维持地铁运营的安全水平。其稳定度考察风险防护设施的配备情况和周边交通的接泊能力，效率度考察应急安全通道的实用性，适应度考察风险监测与预警技术。

四、地铁运营系统韧性评价模型

(一)Shapley值法确定指标权重

关于权重的确定方法很多，常见的赋权方法有层次分析法、熵值法、专家打分法、二项系数法等，但此类方法的评价结果往往不能反映各个指标组合之间的关联影响，各指标大多独立计算。在地铁运营系统韧性影响因素集中，各指标之间会存在一定的关联性，而这种关联性会对目标产生影响。Shapley值法可以相对准确地反映各指标组合的关联影响，Shapley于1953年提出Shapley值的概念，目的是解决动态合作联盟中的利益分配问题。近年来，学者们根据实际需要对该方法进行了相应的改进[12-13]。本文采用改进后的Shapley值法来确定权重，具体步骤如下。

对变量的定义：N={1，2，…，n}表示含有n个指标的集合，S是集合N中任意指标组成的子集，V(S)表示各指标组合对评价目标的影响值，[N，V(S)]表示相互间有关联性的指标组合集合。

1.计算各指标组合形式的影响值

(1)

2.计算各指标的权重wi

(2)

其中，shi表示去掉i的组合，s表示子集S中韧性指标的个数；S/i表示子集S中的韧性指标减去被计算指标的剩余指标组成的子集。

(二)可拓云评价模型

以蔡文教授提出的可拓理论[14-17]，通过定性和定量相结合的方法解决矛盾问题。地铁运营韧性系统包括人员、设备、环境三个子系统，每个子系统又包含多个定性和定量指标，单个指标和各指标组合的关联都会对评价结果产生不同的影响，可拓理论可以将定性指标定量化，从而准确体现地铁运营韧性系统中各个指标之间的相互影响和作用。基于物元对事物基本特征的描述，构建一个三元组，即R=(N，C，V)表示“对象、特征、特征值”。本文将地铁运营系统韧性等级表示为N，各项指标表示为C，评价值表示为V。云模型通过事物的数学特征期望Ex、熵En和超熵He来描述，用云模型(Ex，En，He)代替固定数值的特征值V，实现从定性到定量的转变，具体步骤如下。

1.确定研究对象的物元矩阵

对于研究对象，评分结果用物元Ri表示为

(3)

其中，i表示一级指标的个数；N表示待评对象即地铁运营系统韧性；C表示指标集，p表示各一级指标下二级指标的个数；V表示N关于C的具体数值。

2.计算云系数

将区间数值转化为云系数，首先构建经典域区间[Cmin，Cmax]，即各韧性等级对相应的评价指标所取的数据范围，通过指标近似公式转化，得

其中，He取0.1。

3.确定隶属度

第一，根据公式(4)～(6)计算二级指标的隶属度

(7)

得到总的隶属度矩阵K

(8)

第二，根据式(8)，一级指标通过二级指标的隶属度加权计算，得

K(bi)=(w1，w2，…，wp)·K

。

(9)

第三，目标层通过一级指标计算得出的K(bi)加权计算，计算步骤同上。

4.确定韧性等级

根据最大隶属度原则，若满足Kj(N)=maxKj(N)，j=(1，2，…，m)，则称评价对象N的韧性等级为j级。

(10)

(11)

其中，j*为目标层即地铁运营系统韧性的级别变量特征值，即某韧性级别程度。

5.测定地铁运营系统韧性等级

为实现定量化测定地铁运营系统韧性水平，需要测定其等级。根据地铁运营系统韧性的特征要素和影响因素的特点，结合大量文献与专家经验，参考《地铁运营安全评价标准》，将地铁运营系统韧性水平分为三个等级，如表2所示。

五、实证分析

(一)Shapley值确定权重

以某市地铁项目为例，邀请5位专家采用十分制分别对人员系统、设备系统和环境系统3个子系统下的26个韧性指标的影响程度打分，本文主要以环境系统为例打分，结果如表3所示。

表3 权重评分决策数据

利用公式(1)计算环境系统下各韧性指标组合关联影响度，结果如表4所示。

表4 各韧性指标组合关联影响度

由公式(2)计算环境系统各韧性指标权重，由于篇幅有限，本文只对C4展开计算。

一级韧性指标A、B、C以及26个二级韧性指标权重的计算过程同上，计算结果如下

w0=(0.324，0，562，0.114)，

wA=(0.064，0.109，0.074，0.097，0.056，0.085，0.089，0.097，0.061，0.059，0.104，0.105)，

wB=(0.151，0.102，0.127，0.104，0.057，0.064，0.079，0.104，0.115，0.097)，

wC=(0.315，0.171，0.125，0.389)。

(二)基于可拓云模型的地铁运营系统韧性评价

选取10名专家对各二级指标评分，取平均值作为各指标评分值，结果如表5所示。

表5 地铁运营系统韧性指标评分值

结合参考文献和专家评定意见，划分地铁运营系统各韧性指标的韧性等级，如表6所示。

表6 地铁运营系统各韧性指标的韧性等级划分

根据公式(4)～(8)和表6，计算云参数和二级指标隶属度矩阵，结果如表7所示。

表7 云模型和二级指标隶属度矩阵

根据公式(9)和表6，计算一级指标隶属度和目标层隶属度，结果如表8和表9所示。

表8 一级指标隶属度

表9 目标层隶属度

根据最大隶属度原则，针对该项目地铁运营系统而言，计算得到韧性评价等级为2级，即中韧性水平，韧性等级特征值为j*=1.53。

六、结语

从地铁运营系统韧性评价结果来看，该项目评价等级为2级，处于中韧性水平。地铁运营系统在应对风险时，反应能力、应对能力、复原能力有待提高，应采取相应的安全管理措施，具体分析如下。

人员系统方面表现为2级中韧性水平，说明人员系统在应对风险时，在一定时间内能够采取应急救援措施，使系统恢复到安全状态。在乘客遵纪守法度、乘客心理因素、员工身心状态、车站客流密度、疏导客流的效率和应急抢险知识培训及演练方面有待提高。对于地铁乘客来讲，有较强的文明素质，不仅可以降低事故风险的发生，而且在风险发生时能配合工作人员进行自救和互救。地铁车站可以多开展乘客安全素质教育宣传活动，让乘客了解乘坐地铁的礼仪和地铁应急运作流程。在疏导客流方面，设置间隔分流，在站台区设置人工引导，提高疏导客流的效率，减少事故发生的概率。

设备系统方面表现为2级中韧性水平，说明设备系统在应对风险时，反应能力、应对能力、复原能力、优化能力一般，在设备材质强度、设备负荷强度、供电系统冗余度、通信与广播系统冗余度、通风与空调系统冗余度、通行设备系统冗余度方面应加强管理。设备的安全运行是地铁安全运营的基本保障，做好地铁设备安全运行的各项工作十分重要。地铁车站设备种类繁多、维修复杂，对于较难运输的大型设备，需要在设备正常运行期间提前布置到相应的运行区，一旦遭到风险，可以立即投入使用，保障供电、空调和通风设备的运转率。通过降低设备的故障率和提高故障处理效率，提高各个子系统的冗余度，提高韧性。

环境系统方面表现为1级高韧性水平，说明运营系统在环境方面投入较多，在应对风险时，环境系统反应能力、应对能力、复原能力、优化能力较好，在短时间内能够快速采取应急措施，使系统恢复到安全状态。其中，风险监测与预警方面尤为突出，应全过程控制地铁运营系统，事前制定风险监测计划，实行风险预警策略；事中对风险进行评价、估量和测算；事后根据评估结果提出相应的风险控制措施。