基于云模型的城市轨道交通应急预案评价

吴金洪, 符运可, 权会芳, 代夏青, 张欣环

(浙江师范大学 工学院,浙江 金华 321004)

0 引 言

城市轨道交通作为一种运载能力大、高效便捷、绿色环保的客运交通系统,在满足居民交通出行需求、缓解城市交通拥堵问题、促进经济社会可持续发展等方面发挥了重要作用.由于城市轨道交通的客流大及其运行环境的特殊性等特点,运营中一旦发生突发事件,很容易造成财产损失或人员伤亡等不良后果.而城市轨道交通应急预案作为应对运营突发事件的救援方案,能够为救援工作提供具体的指导.因此,为了能在发生突发事件时以最短的时间组织各单位高效、有序地开展针对性的救援工作,必须保证应急预案的科学合理性,才能使事故得到妥善处置,降低人员伤亡和财产损失.

不少学者针对应急预案的质量展开了研究.姜少涌等[1]运用模糊综合评价法计算预案的最终得分和评级等级;曹继翔等[2]运用属性数学理论、模糊层次分析法、犹豫模糊集3种方法进行计算并比较,所得结果接近;孙延浩等[3]通过证据推理合成专家的评价数据,得到各预案评价等级并排序;张健[4]建立了模糊TOPSIS模型,并对电梯事故各应急预案进行排序.这些评价方法都有一个共同的问题,即所选择的参数和评价指标不同,评价结果往往不同.相对于客观世界,人类的感知容易受到模糊性和随机性等不确定性的影响.然而,云模型[5]可以彻底整合这些不确定性,形成定性和定量的映射.云模型不通过显式函数表达其定性概念,而是利用3个数字特征将模糊和随机性定性概念结合起来.应用云模型可以提高评价的准确性.通过避免定性变量向定量变量转换时对数据的过度负面影响,实现定性变量在域内的灵活表达,力求避免主观误差.云模型可以实现定性和定量指标之间的相互转化,从而解决评价过程中出现的随机问题,否则会影响科学客观的评价.云模型不受模糊性和随机性的干扰,可以有效地处理评价指标的不确定性和模糊性[6-7].因此,在城市轨道交通领域的应急预案评价中,为避免应急事件的模糊性和随机性的影响,引入云模型,以此建立城市轨道交通应急预案评价模型,为轨道交通领域的应急预案质量研究提供新思路.

1 基于CRITIC法的评价指标权重确定

在应急预案评价中,常用的指标权重确定方法有熵值法[1-2]、层次分析法[3]、灰色关联法[4]等,这些方法的共同问题是它们无法考虑指标的内部相关性和不一致性.CRITIC (criteria importance through intercriteria correlation)法是Diakoulaki等[8]提出的一种客观加权方法,它考虑了指标间数据的相关性,利用指标的比较优势和冲突来确定指标的权重,避免受到评价组织者确定的主观因素的不当影响,更符合应急预案的动态性和综合性特点.因此,将CRITIC法应用于城市轨道交通应急预案评价过程中,对各指标类别赋予适当的权重[9].

根据CRITIC法原理,确定指标权重如下[10]：

1)建构指标数据矩阵.根据城市轨道交通应急预案评价,可获得p个评价者对m个评价指标的数据,组成初始评价指标数据矩阵R.

(1)

2)计算评价体系中第j项指标的标准差σj,即对比强度.

3)计算评价体系中第j项指标与其他指标间的冲突性yj.

(2)

式(2)中：Cov(j,l)为第j项指标和第l项指标之间的协方差;σl为第l项指标的标准差.

4)计算评价体系中各指标的综合信息量Cj.

Cj=σj·yj,j=1,2,…,m.

(3)

5)计算各指标的权重Wj.

(4)

2 基于云模型的应急预案评价方法

2.1 云模型概念与数字特征

云模型理论是李德毅院士等[5]提出的一种基于实现自然语言定性定量不确定性转换的模型.近年来,云模型理论在轨道交通领域不断地得到了应用与拓展,包括客流预测和安全、可靠性与风险评估等[11-14].

云模型理论以U作为一个可以用精确数值表示的定量论域,B是U上的一个定性概念,若定量值x∈U,且x是定性概念B的一次随机实现,x对B的隶属度A(x)∈[0,1]是有稳定倾向的随机数,

A：U→[0,1], ∀x∈U,x→A(x),

(5)

则x在该论域U上的分布称为云,每一个x称为一个云滴.

云的数字特征[5]包括期望Ex、熵En和超熵He,Ex是云滴在论域空间分布的期望,En是定性概念的不确定性度量,He是熵的不确定性度量.通过云的期望、熵和超熵可以产生云滴,云滴积累到一定程度变成云,实现评价指标从定性到定量的映射与量化.2个云的接近程度通过相似度来反映,若2个状态评价云越接近,则其状态等级越接近.经过计算确定实际状态云(Ex,En,He)及t个等级基准云(Exi,Eni,Hei)(i=1,2,…,t),根据正向云发生器求取定性概念到定量的映射,经过比较确定实际状态云与等级基准云相接近的程度,从而获得城市轨道交通应急预案的评价结果.

2.2 云模型的计算方法

定性概念与定量指标之间可以通过云模型来相互转换,对应的云发生器法有正向和逆向2种方法[10].

2.2.1 正向法

单个云滴生成后进行计算得到一个云滴的隶属度,所有云滴隶属度又构成了一个随机变量.

1)生成一个正态分布随机数y,其期望值为熵En、标准差为超熵He.

2)生成一个正态分布随机数x,其期望值为期望Ex、标准差为y.

3)计算隶属度(高斯云).

A=e-(x-Ex)2/(2y2).

(6)

4)将x看成一个云滴,具有A的定性概念.

5)上述步骤重复K次,可以产生K个云滴,若要使Ex的误差≤Δ(规定值),则生成的云滴数应满足K≥9S2/Δ2,其中S2为方差.

在城市轨道交通应急预案评价中,根据得到的评价数据,通过其数字特征,采用云发生器正向法,可以生成评价结果云.

2.2.2 逆向法

1)计算云滴样本的期望Ex和方差S2.

2)计算云滴样本的熵En.

(7)

式(7)中：N为样本数量;xi为第i个样本值.

3)计算云滴样本的超熵He.

(8)

4)云滴数字特征为(Ex,En,He).

在城市轨道交通应急预案评价中,根据专家的打分情况,运用云发生器逆向法,考虑指标权重,可以计算得到评价结果云的数字特征.

2.3 应急预案评价方法

根据云模型原理,将每位专家的评价看成一个云滴,应急预案评价指标体系看成论域,所有专家对所有指标的评价结果形成一朵云,其特征反映了城市轨道交通应急预案的评价情况.因此,对应急预案采用以下方法进行评价[10]：

1)确定因素集.根据建立的城市轨道交通应急预案评价指标体系确定因素集.

2)确定评价集和评价云.多个定性评语构成一个集合为评价集,在实际工作中,如果有k个应急预案定性评语,则评价集V可表示为

V={V1,V2,…,Vk}.

(9)

式(9)中,Vj(j=1,2,…,k)为第j个应急预案定性评语.如果应急预案定性评语的下限和上限分别为dmin和dmax,那么评价集中每个应急预案评语的云数字特征的具体计算公式为[15]：

(10)

式(10)中,根据不同的模糊程度确定g的值,本文取0.5.

3)确定权重集.根据专家打分数据,利用CRITIC法计算因素集内各个指标的权重,得到整个指标体系权重集W.

4)计算评价结果云.根据专家打分数据,利用逆向法计算每个指标云实际的数字特征,形成指标集的云特征矩阵Y,

(11)

则城市轨道交通应急预案评价的结果云为

C=W×Y.

(12)

5)确定评价结果.利用云发生器正向法,生成评价结果云,并将评价结果云与指标云进行比较,根据评价结果云在指标云中所处的范围和形态,最终得到评价结果.

3 实证分析

3.1 城市轨道交通应急预案评价指标体系构建

编制城市轨道交通应急预案是为了及时、有序、高效、妥善地处置地铁运营突发事件,规范预防、监测、预警和应急准备、应急处置与救援抢险、事后恢复与重建、信息报送与媒体应对等工作,最大限度地减少人员伤亡和财产损失等不良后果,保障运营安全,维护正常社会秩序.本文以某地铁公司应急预案为例,从全面性、可操作性、经济性3个方面进行评价,形成评价指标体系,具体如图1所示.

图1 城市轨道交通应急预案评价指标体系

结合实地调研分析,将城市轨道交通应急预案分级划分为5个等级,具体等级及分值如表1所示.

表1 评价等级及分值

3.2 云模型评价

邀请20名城市轨道交通领域的专家,其中一部分来自城市轨道交通企业,另一部分来自高等院校或研究机构,对二级指标进行打分,得到初始评价指标数据矩阵,并计算出每项指标的对比强度,再根据式(2)～式(4)分别计算各指标的冲突性、综合信息量及权重,具体如表2所示.

表2 评价指标的权重

Wj(j=1,2,3,4)为全面性维度二级指标的权重,Wj(j=5,6,7)为可操作性维度二级指标的权重,Wj(j=8,9)为经济性维度二级指标的权重.全面性二级指标的权重除以全面性维度的权重即为二级指标在全面性维度内的权重;同理可以得到相应二级指标在可操作性维度和经济性维度内的权重,具体如表3所示.

表3 维度权重和二级指标在维度内的权重

根据初始评价指标数据矩阵,运用云发生器逆向法,生成指标集的对应云特征矩阵Y,结果如表4所示.

表4 二级指标云参数

对全面性这一维度,其期望=94.100 0×0.175 0+86.150 0×0.301 3+86.650 0×0.258 1+88.900 0×0.265 6=88.400 7;熵=1.980 2×0.175 0+3.966 7×0.301 3+3.741 1×0.258 1+3.647 1×0.265 6=3.476 0;超熵=0.261 0×0.175 0+1.036 6×0.301 3+0.956 3×0.258 1+0.516 5×0.265 6=0.742 0.同理,可计算得出可操作性和经济性维度的评价结果云参数,具体如表5所示.

表5 维度评价结果云参数

根据维度评价结果云参数,再结合维度权重,计算方法与维度评价结果云参数的计算方法相同,可得出综合评价结果云参数为(81.191 1,3.933 8,1.290 7).根据表1和式(10),可得出各等级评价云参数(Ex,En,He)为：优秀(95,1.666 7,0.5),良好(85,1.666 7,0.5),一般(70,3.333 3,0.5),及格(45,5.000 0,0.5),不及格(15,5.000 0,0.5).

采用云发生器正向法,生成评价结果云,并放置于指标云中,可以更直观地观察评价结果的优劣程度.根据云模型理论,为了确保其误差≤0.01,取3 000个云滴来生成指标云、各维度评价云和综合评价云,结果如图2～图5所示.

天蓝色为全面性评价云,其他从左到右分别为差、较差、一般、良好、优秀指标云

天蓝色为可操作性评价云,其他从左到右分别为差、较差、一般、良好、优秀指标云

天蓝色为经济性评价云,其他从左到右分别为差、较差、一般、良好、优秀指标云

天蓝色为综合评价云,其他从左到右分别为差、较差、一般、良好、优秀指标云

3.3 最终评价结果分析

从图2和图3可以看出,全面性、可操作性维度评价处于“良好”与“优秀”之间,说明在这2个维度上评价处于良好状态.从图4可以看出,经济性维度评价处于“较差”与“一般”之间,说明在这个维度上评价处于较差状态,主要由于针对该部分没有具体的打分标准,也缺少资料,有很大的不确定性.从图5可以看出,某地铁公司应急预案的综合评价云处于“一般”与“良好”之间,说明对该应急预案来说,总体上有所欠缺,还有较大提升空间.从总体看,该项应急预案的评价结果虽然为一般,但还是能够作为处置突发事件的准则,实现高效、及时、有序地处置突发事件.

3.4 建议措施

1)经济性方面.尽快制定针对应急预案的打分标准,完善应急预案的评估方法和程序.明确突发事件所需要的应急物资种类,备品备件采购要合理,建议考虑同类别中相对经济的应急物资类型,并且合理配置各区域应急响应点的应急物资数量,以减少应急费用的支出.

2)全面性方面.可从完整性和可行性角度出发,进一步优化突发事件应急管理全过程,以及应急预案的响应级别判断、现场指挥设置、抢修队伍设置等具备可行性.

3)可操作性方面.进一步明确各部门在突发事件处置过程中的职责,建议成立各应急处置功能组,明确各功能组的成员组成及职责所在;同时建议考虑应急预案中明确建立区域应急响应点,实现救援人员20 min内到达事故现场的响应要求.

4 结 语

相对于层次分析法及熵权法等,CRITIC法是一种同时兼顾指标的对比强度和冲突性对指标进行客观综合衡量的一种赋权方法,避免了评价者的主观因素影响,应用CRITIC法对应急预案的各项指标进行赋权更加合理.通过建立的云模型对实例进行分析,得到评价结果,验证了评价方法的可行性以及具有一定的推广价值,为应急预案评价提供了参考依据.