基于灰色層次分析的地鐵車站安全風險評價研究

周 雯 王 潔副教授 周潔瓊 王 佩

(首都經(jīng)濟貿(mào)易大學 管理工程學院，北京 100070)

0 引言

地鐵車站是現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，是地鐵各運輸線路匯集點，是旅客乘降、換乘和候車的主要場所。相比于美國、歐洲、日本等國家，我國地鐵系統(tǒng)建設(shè)起步較晚，但發(fā)展迅速，截止2020年上半年，我國內(nèi)地已累計在41個城市投運。地鐵具有舒適、快捷、運量大的特點外，也具有人員復(fù)雜、客流量大、運營環(huán)境封閉及通風不良等特點，一旦地鐵車站發(fā)生突發(fā)事件會直接或間接影響其他地鐵車站安全運營甚至會影響地鐵運行系統(tǒng)。通過對國內(nèi)外事故統(tǒng)計分析，火災(zāi)、列車脫軌/碰撞、恐怖襲擊、擁擠踩踏、自然災(zāi)害等多種突發(fā)事件一旦發(fā)生，救援難度大，極易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，甚至會對社會產(chǎn)生負面影響。因此，地鐵車站的安全問題是地鐵綜合安全運行過程中必須面對的緊迫問題。

國內(nèi)外已有學者對地鐵車站安全風險識別與評價展開研究，并在研究中獲得豐富的研究成果。馬頎鴻從“人—機和環(huán)—管”3方面對地鐵車站安全風險進行分析；張凌翔結(jié)合城市軌道交通運營特點，從人員、設(shè)備設(shè)施、環(huán)境、管理4方面闡述風險因素的致因機理，并從系統(tǒng)動力學角度進行風險耦合分析，對車站、線路、線網(wǎng)3個層面進行風險評價；莊鵬等從火災(zāi)、炸彈和生化恐怖襲擊、水災(zāi)、地震4種主要災(zāi)害進行分類，對多層地下交通樞紐進行安全評價。還有部分學者從地鐵車站發(fā)生的事故種類進行分析研究，如王建波基于WSR-D-S證據(jù)理論對地鐵車站火災(zāi)安全進行評價；高宇航基于AHP-熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)分析對地鐵站突發(fā)事件應(yīng)急疏散能力進行評價及應(yīng)用，并得出應(yīng)急疏散管理、員工應(yīng)急能力、樓梯/扶梯和乘客非適應(yīng)性行為對應(yīng)急疏散影響較大；尹曉慶將地鐵站擁擠踩踏事故的形成劃分為人群聚集、恐怖擁擠、規(guī)模踩踏3階段，利用FFTA和FCE方法對地鐵站擁擠踩踏事故風險進行評估，并得出乘客不安全行為、大客流信息披露不及時、客流預(yù)測失誤等因素導致較大踩踏風險；鄧子江對地鐵站電梯事故原因進行分析。可見，地鐵車站運營過程中安全風險仍需強化。現(xiàn)有地鐵車站安全風險評價大多只考慮單風險，對于地鐵車站多風險安全評價研究還不足。同時因其存在不確定因素，風險處于灰色狀態(tài)，難以量化評價指標。因此，本文采用灰色層次分析法對地鐵車站多災(zāi)種進行安全風險評價，并進行實例分析。

1 研究思路及方法

1.1 研究思路

查閱文獻和資料統(tǒng)計近年我國地鐵車站發(fā)生的突發(fā)事件，常見有火災(zāi)、擁擠踩踏、電梯故障、列車追尾等，見表1。因此，按照地鐵車站空間事故特點和防控措施，從火災(zāi)、擁擠踩踏、電梯故障3種事件風險進行分類，分別建立多層次評價指標體系確定各指標權(quán)重，結(jié)合灰色系統(tǒng)理論對地鐵車站安全風險不確定因素做出分析(對復(fù)雜的地鐵車站系統(tǒng)安全風險并不完全可預(yù)見，具有很高的灰色性)，為地鐵車站安全風險評價提供必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其灰色層次分析實施流程圖，如圖1。

圖1 灰色層次分析實施流程圖

表1 近年我國地鐵車站發(fā)生的突發(fā)事件

1.2 灰色系統(tǒng)理論和層次分析法綜合評價法

(1)構(gòu)建層次模型。基于層次分析安全風險評估原則，將一個系統(tǒng)分為多個層次，并分別稱為系統(tǒng)、單元、元素。結(jié)合我國地鐵車站突發(fā)事件統(tǒng)計，并根據(jù)相關(guān)文獻查閱，地鐵車站安全風險評估體系可分為火災(zāi)風險評估指標體系、擁擠踩踏風險評估指標體系、電梯故障風險評估指標體系，針對各指標體系進行系統(tǒng)劃分，產(chǎn)生多級評價指標，如圖2-4。

圖2 火災(zāi)風險評估指標體系

(2)構(gòu)造判斷矩陣并確定權(quán)重。在確定評價指標體系的基礎(chǔ)上，建立判斷矩陣，并采用表2所示的量表對兩級中的同層指標進行標度，確定兩者間優(yōu)先關(guān)系，進而可計算出各指標權(quán)重。

圖3 擁擠踩踏風險評估指標體系

圖4 電梯故障風險評估指標體系

表2 1-9數(shù)量標度的含義

(3)一致性檢驗。層次分析法主觀性較大，指標兩兩比較常會導致成對判斷矩陣不一致。通過計算一致性比值的方法來觀察整體一致性程度，其比值CR<0.10時，矩陣具有滿意的一致性。若CR>0.10時，則需要重新調(diào)整判斷矩陣進而重新排列。判斷公式如下：

CR=CI/RI=(

λ

-

n

)/(

n

-1)RI

(1)

式中：

CR—比較系數(shù)；

CI—一致性指標；

RI—一致性偏離指標；

λ

—最大特征根；

n

—矩陣階數(shù)。

其中RI值，見表3。

表3 一致性偏離指標RI指標值

(4)灰色矩陣建立。在上述層次分析法基礎(chǔ)上，確定風險矩陣指標權(quán)重和評價指標矩陣，即獲得一級評價指標

V

的權(quán)重集：

X

=(

α

,

α

,

α

,…,

α

)

(2)

式中：

α

—一級評價指標

V

的權(quán)重值。二級指標

v

的權(quán)重集：

x

=(

β

1,

β

2,

β

3,…,

β

)

(3)

式中：

β

—二級評價指標

v

的權(quán)重值。

(4)

由于已將地鐵車站安全風險水平設(shè)定為A-E 5個等級，因此可將安全風險評價指標的取值確定為低、較低、普通、較高、高5個灰數(shù)，并用

e

表示灰類,即

e

=

A

,

B

,

C

,

D

,

E

，分別賦值為1,2,3,4,5。則每個評估灰類對應(yīng)的白化權(quán)函數(shù)

f

(

x

)，

f

(

x

)，

f

(

x

)，

f

(

x

)，

f

(

x

)定義如下：

e

=1，第1級灰類低風險，灰數(shù)為?∈[0,1,2]，白化權(quán)函數(shù)為：

(5)

e

=2，第2級灰類較低風險，灰數(shù)為?∈[0,2,4]，白化權(quán)函數(shù)為：

(6)

e

=3，第3級灰類普通風險，灰數(shù)為?∈[0,3,6]，白化權(quán)函數(shù)為：

(7)

e

=4，第4級灰類較高風險，灰數(shù)為?∈[0,4,8]，白化權(quán)函數(shù)為：

(8)

(9)

并確定灰色矩陣為：

(10)

式中：

P

—二級指標

v

的灰色評價權(quán)向量；

P

—受評地鐵車站的安全風險評價二級指標

v

對于各灰類的評價權(quán)矩陣。

(5)綜合評價。灰色矩陣公式(10)確定后，結(jié)合二級評價指標權(quán)重集公式(3)，計算出安全風險一級指標權(quán)重：

A

=

x

·

P

=(

b

1,

b

2,

b

3,

b

4,

b

5)

(11)

以權(quán)重

A

為行組成地鐵車站安全風險一級指標對各評價灰類的評價權(quán)矩陣：

(12)

用一級指標權(quán)重矢量

X

與評價權(quán)矩陣

A

相乘，可得地鐵車站各安全風險屬于各灰類的綜合評價值，記為

S

：

S

=

X

·

A

=(

s

,

s

,

s

,

s

,

s

)

(13)

各灰類的評價等級已賦值1,2,3,4,5，則各灰類的評價等級值化向量是

Y

=(1,2,3,4,5)，地鐵車站安全風險的綜合評價值

W

按式計算：

W

=

S

·

Y

(14)

最后根據(jù)

W

的大小給出地鐵車站確定的評價結(jié)果。

2 地鐵車站安全風險分析實例應(yīng)用

以北京某地鐵車站為研究對象，火災(zāi)事件風險指標體系為例，利用上述方法進行火災(zāi)風險評價。

首先構(gòu)造判斷矩陣，確定權(quán)重(見表4)，經(jīng)一致性檢驗，各層級CR均小于0.1，則得到一級評價指標

V

的權(quán)重集：

表4 火災(zāi)風險指標權(quán)重

X

=(0.445 7,0.284 8,0.164 4,0.105 1)二級指標

v

的權(quán)重集：

x

=(0.042 1,0.112 2,0.030 7,0.072 3,0.188 4)

x

=(0.020 8,0.105 9,0.032 2,0.056 1,0.069 9)

x

=(0.042 8,0.067,0.014 7,0.039 9)

x

=(0.048 9,0.023 4,0.006 1,0.016 7,0.009 9)

通過5位地鐵學者對該地鐵車站各項評價指標進行打分，以10分制原則進行打分，分數(shù)越高代表風險水平越高，得到評價樣本舉證如下：

D

=(

D

,

D

,

D

,

D

)對于火災(zāi)評價指標

v

屬于第

e

個評價灰類的灰色評價系數(shù)

n

11為：

=

f

(

d

)+

f

(

d

)+

f

(

d

)+

f

(

d

)+

f

(

d

)=

f

(3)+

f

(3)+

f

(5)+

f

(4)+

f

(4)=0即，

e

=2:

n

=1.000;

e

=3:

n

=0.667;

e

=4:

n

=4.250;

e

=5:

n

=3.800;則

v

的總灰色評價系數(shù)：

n

=9.717。同理可算出另外18項指標的總灰色評價系數(shù)，最終得到二級指標

v

對于各灰色類的評價權(quán)矩陣

P

，即為19×5的矩陣：

由式(11)和式(12)得：

最后由式(13)和式(14)得：

S

=

X

·

A

=(0.000 885,0.056 3,0.095 7,0.090 0,0.075 0)

W

=

S

·

Y

=1.135 4

同理，對擁擠踩踏事件風險評估指標體系和電梯故障事件風險評估指標體系進行綜合評價，見表5。

表5 風險綜合評估結(jié)果

綜上評價分析可知該地鐵車站各安全風險水平均處于A與B之間，即處于低風險與較低風險之間，接近于安全的水平。

3 結(jié)論

(1)在我國地鐵車站突發(fā)事件數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，結(jié)合地鐵車站致災(zāi)特點，構(gòu)建包含火災(zāi)、擁擠踩踏、電梯事故3類主要突發(fā)事件多層次安全評價指標體系。

(2)結(jié)合層次分析法和灰色理論，充分利用專家經(jīng)驗以及科學計算方法，客觀地評定出地鐵車站的安全風險等級，且在地鐵車站運營中進行安全風險評價具有一定使用價值。