欒婷婷,鄭云水,穆 然

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070； 2.湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南株洲 412001)

基于TOPSIS的鐵路應急資源供應優(yōu)先級研究

欒婷婷1,鄭云水1,穆 然2

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070； 2.湖南鐵道職業(yè)技術學院，湖南株洲 412001)

在改進傳統(tǒng)TOPSIS法缺陷的基礎上,針對各類應急資源在不同受災點的供應優(yōu)先級各不相同的特點,以提高鐵路應急救援處理效率為目標,特別是應急資源儲備量、調度運力和時間受約束的條件下,建立鐵路應急資源供應優(yōu)先級評價體系。分析確定影響應急資源供應優(yōu)先級的評價指標,提出客觀熵權計算法確定權重值,以避免由傳統(tǒng)主觀判斷不確定而造成的評價結果不準確。通過計算歐式距離與理想解的相對貼近度,確定待評價鐵路應急資源的供應優(yōu)先級。最后結合模擬算例得出具體的應急資源供應順序,結果較符合實際情況,驗證了該評價方法的可操作性和實用性。

TOPSIS；鐵路應急資源；供應優(yōu)先級；權重

鐵路是一個跨越我國大部分地區(qū)的重要基礎設施，具有運輸能力大、線長、面廣等特點，其正常安全運輸直接關系到人員生命及財產(chǎn)安全，一旦鐵路發(fā)生事故其維修費用及間接帶來的各類損失巨大[1]。因此，在發(fā)生事故后，有必要根據(jù)科學合理的應急救援資源調度方案對受災點施救。

在實施應急救援活動時，應急資源的儲備量有限，在調度過程中亦受時間、距離和運力限制，故除強調響應效率以外，更應該考慮到在應急資源調配中不同受災點的公平問題，才能真正實現(xiàn)應急救援最優(yōu)，并合理使用救援資源減少其帶來的損失[2]。各受災點對各應急資源的供應優(yōu)先級直接影響此次救援的效率，認識各受災點對各類資源的供應優(yōu)先級有助于更科學合理的調度資源。

目前，對鐵路突發(fā)事件發(fā)生后各應急資源需求優(yōu)先級的研究較少。王軍等以救援開始時間最早、應急出救點數(shù)目最少為目標，研究了靜、動態(tài)資源調度優(yōu)化問題[3]，霍達等根據(jù)應急物資在救援過程中的優(yōu)先級將物資分類[4]，牛宏睿等研究了不同受災點的優(yōu)先級并以此確定救援工作先后順序[5]，易慧妮等建立了以響應時間最早、救援點數(shù)量最小、救援費用最少的多目標救援優(yōu)化模型[6]，李磊等針對突發(fā)事件的屬性權重進行研究[7]。文獻在建立應急資源調度模型時，有些考慮了受災點的優(yōu)先級，有些考慮到了各受災點對應急資源的需求優(yōu)先級，但一般都是通過主觀賦值法確定，并沒有詳細研究各受災點對各應急資源供應優(yōu)先級確定方法。應急資源供應優(yōu)先級的確定受多個因素影響[8]，該特點正好適合使用TOPSIS法解決。因此，提出基于改進TOPSIS法的應急資源供應優(yōu)先級確定方法，可以更科學合理的調度資源，提高應急救援效率使鐵路快速恢復正常運行。

1 TOPSIS法的概述及改進

1.1 TOPSIS法概述

TOPSIS法是通過計算有限個評價對象與理想目標之間的逼近程度，以排序的方式判定其優(yōu)劣的多目標決策分析綜合評價方法，通常被譯為“逼近理想解的排序方法”[9]。TOPSIS法具有原理簡單、便于理解、計算簡潔等優(yōu)點，引起眾多研究學者的關注，被廣泛應用到經(jīng)濟、工程、管理等領域中。

但是傳統(tǒng)的TOPSIS法中存在一定缺陷，特別是在對各評價指標賦權重值[10]時一般選用主觀賦權值法，如專家評價法、經(jīng)驗判斷法，但在一定程度上存在較多的主觀因素，在賦值過程中主要依據(jù)專家的主觀認知及個人喜好，很難真實反映出各評價指標的實際情況，存在不合理性和不公平性。

1.2 改進TOPSIS法的權重確定

由于傳統(tǒng)TOPSIS法在賦權重時存在一定主觀性缺陷，而權重值對于評價結果起著至關重要的作用，因此針對此缺陷加以改進。擬選用客觀賦權值法得到權重值，可以避免由于專家主觀判斷不合理而造成的權重值不合理。

熵權計算法是一種客觀賦權方法，可以用于確定在隨機空間中某隨機事件的不確定程度。若某個評價指標的熵值越小，說明在綜合評價中該評價指標的值在很大程度上會發(fā)生變異，提供的信息數(shù)量越大，該評價指標對評價結果的影響越大，熵權值越大；反之亦然。熵計算法賦權值的具體計算步驟如下。

(1)計算第i個被評價項目在第j個評價指標下的指標值的比重

(1)

(2)計算第j個評價指標的熵值ej

(2)

(3)計算第j個評價指標的熵權值

(3)

對于某個被評價項目，若通過計算在第j個評價指標下的數(shù)值完全一致時，該評價指標的熵權值等于零，說明該指標對最終評價結果沒有意義，應更換為其他評價指標。

2 基于改進TOPSIS法的鐵路應急資源供應優(yōu)先級評價

為了提高鐵路突發(fā)事件的應急處理效率，需要根據(jù)不同資源的優(yōu)先級合理調度。本文研究受災點對不同應急資源的供應優(yōu)先級有以下原因：應急資源的儲備量有限，在調度過程中還受到時間、距離、運力等的限制，可能會出現(xiàn)部分應急資源不能及時被配送至受災點，旨在將所需的全部應急資源均在第一時間送達有一定困難；救援中由于事故類型、等級、位置不同，所需的應急資源各不相同，若不按優(yōu)先級調度資源，可能出現(xiàn)部分需求優(yōu)先級高的應急資源供應不及時，而需求優(yōu)先級低的應急資源占用調度空間與時間，致使救援工作開展效率降低，資源得不到合理應用而被浪費。綜上所述，十分有必要研究受災點對各種應急資源的供應優(yōu)先級，根據(jù)優(yōu)先級調度資源是合理且重要的。

2.1 供應優(yōu)先級評價指標

通過借鑒《鐵路交通事故調查處理規(guī)則》中對事故的分級處理[1]，將評價指標的評價程度定性分析，劃分為五個等級：1級(較小)、2級(一般)、3級(較大)、4級(重大)、5級(特別重大)，由此評估各個評價指標的評價數(shù)值。

選擇合理的評價指標才能客觀、準確、真實地反映應急資源的供應優(yōu)先級，極需在眾多評價指標中選擇獨立性強、敏感性高的關鍵指標。建立評價指標體系時主要遵循科學性、可操作性、不交叉性、定性定量指標相結合性的原則[11]。以鐵路突發(fā)事件的特點為基礎，結合救援原則及應急資源特征[12]，根據(jù)上述原則，參考其他學者的研究成果和實踐經(jīng)驗，從影響應急救援效率的角度構建鐵路應急資源供應優(yōu)先級評價指標體系，確定相關評價指標為：鐵路線路損壞程度、列車損壞程度、列車人員傷亡程度、貨物列車貨物損失程度、應急資源不足程度、應急資源不足損失程度、應急資源不可代程度、應急資源調度成本。

鐵路線路損壞程度I1是為了評價受災點對線路修復物資、線路搶修設備和工程設備的需求程度，其破壞程度越大，對線路搶修物資的需求越高，該類應急資源的供應優(yōu)先級越高。列車損壞程度I2是為了評價受災點對救援列車、起復設備索具的需求程度，列車損壞越嚴重，列車起復設備的需求越高，該類應急資源的供應優(yōu)先級越高。列車人員傷亡程度I3是為了評價受災點對防護用品、生命救助用品、衛(wèi)生防疫用品等的需求程度，人員傷亡越多對上述物資的需求就越多，對應優(yōu)先級越高。貨物列車貨物損失程度I4是指貨物列車運載貨物的損失、泄露程度，泄露的貨物越多，特別是易燃、易爆、化學物質帶來的危害越大，應更及時進行搶救，其優(yōu)先級越高。應急資源不足程度I5是指受運力、應急資源儲備量、時間的限制，資源不能得到及時供應的程度。應急資源不足損失程度I6是指資源不能被及時供應時，給整體救援帶來的經(jīng)濟損失及人員生命損失，若資源供應不及時帶來的損失越大，則說明資源的供應優(yōu)先級越高。應急資源不可代程度I7是指在救援過程中某種應急資源不可用其他應急資源替代的程度，特別是在鐵路突發(fā)事件中需要用到信號器材、救援機具具有專用性，在人員傷亡中某些藥物的功能獨特，均具有不可替代性，不可替代的程度越大則供應優(yōu)先級越高。應急資源調度成本I8是指從應急點到受災點調度所花費的費用，花費的費用越少，供應優(yōu)先級越高。由上述8個評價指標共同決定了鐵路突發(fā)事件發(fā)生后應急資源的供應優(yōu)先級。

2.2 供應優(yōu)先級評價步驟

設在某次鐵路突發(fā)事件發(fā)生后，受災點需要被及時供應n種應急資源，用m個評價指標評價各種應急資源的優(yōu)先級，得到其初始數(shù)據(jù)的矩陣X如下

(4)

由于不同評價指標使用的量綱有差異，且不同評價指標的變化范圍、判定好壞標準各不相同，將其直接進行比較沒有實際意義，為更科學性反映各評價指標的真實意義，必須先選用合適的方法標準化初始判定決策矩陣，得出無量綱矩陣F。

(5)

其中部分評價指標的取值越大其優(yōu)先級越高(稱為正向評價指標)，而部分評價指標的取值越小其優(yōu)先級越高(稱為反向評價指標)，故必須選用不同的方法對各評價指標進行標準化處理。對正向評價指標采用公式(6)進行標準化；對于反向評價指標采用公式(7)進行標準化。

(6)

(7)

建立加權規(guī)范化矩陣Z，其中w值用客觀熵權計算法求得

(8)

確定正理想解R+和負理想解R-

(9)

R-={z-1，z-2，…，z-n}={minizji|j=1，2，…，n}(10)

計算鐵路突發(fā)事件發(fā)生后受災點所需的各種應急資源到正理想解和負理想解的歐式距離，設第i種應急資源Si到正理想解R+的距離為d+，到負理想解R-的距離為d-

(11)

(12)

分別計算出所需的各種應急資源與理想解的相對貼近度Ti

(13)

根據(jù)計算的Ti值，按大小排序，Ti值越小，表明該種應急資源的供應優(yōu)先級越高，給受災點先供應此種應急資源可以有效提高救援效率。引入符號“?”，若計算值T1>T2，則表明應急資源1的優(yōu)先級高于應急資源2，記為“資源1?資源2”。

3 算例分析

設某地區(qū)發(fā)生地震，致使該地區(qū)出現(xiàn)2處鐵路受災點，受損線路、受損列車、影響程度各不相同。其中第1處受災點是貨物運輸專線線路受損，需要搶修鐵路線路及貨車運載貨物，第2處受災點是客貨兩運線路受損并危及到通過的旅客列車，急需搶救受傷旅客，維持旅客生命體征，搶修受損線路以免影響后續(xù)通過列車。因此必須及時向各受災點供應應急資源，主要包括急救藥箱、方便食品、飲用水、防寒大衣、起復吊車、撬杠、挖掘機、鐵鍬。在救援過程中因運力有限、時間緊迫，必須科學評判各種應急資源的供應優(yōu)先級合理調度資源。鐵路應急專家依據(jù)現(xiàn)場的真實情況，以及影響鐵路應急資源供應優(yōu)先級的因素得初始決策判定數(shù)據(jù)，見表1。

表1 鐵路突發(fā)事件應急資源供應優(yōu)先級評價統(tǒng)計值

其中，評價指標I8為反向評價指標，其他評價指標均為正向評價指標，將表1中的數(shù)據(jù)分別代入不同的標準化處理公式中進行處理分別得到兩個受災點對應的標準化無量綱矩陣F1、F2。

分別將標準化處理后的無量綱數(shù)據(jù)代入公式(1)～(3)中，計算出每一個評價指標對應的熵值ej及熵權值wj。并利用公式(8)處理標準化無量綱矩陣的數(shù)據(jù)與熵權值得加權規(guī)范化矩陣Z。

根據(jù)加權規(guī)范化矩陣計算，分別得到2個受災點應急資源的正理想解R+和負理想解R-。

利用各個受災點所需應急資源的正理想解和負理想解，通過公式(11)～(13)計算出各應急資源到正負理想解的歐式距離和相對貼近度，并通過排列相對貼近度得出各應急資源的供應優(yōu)先級排序，見表2。

表2 應急資源供應正負理想解空間距離、相對貼近度、優(yōu)先級排序

由于2個受災點的受災類型、線路等不同，導致對不同應急資源的供應優(yōu)先級亦有所不同，受災點1主要是搶修鐵路線路、列車及列車貨物，對修復類資源的優(yōu)先級較高，故修復類應急資源受災點1>受災點2；而受災點2發(fā)生了人員傷亡，主要開展以搶救傷員為主的應急救援，故對搶救傷員的藥品、維持生命的飲食資源供應優(yōu)先級較高，故飲食醫(yī)用資源受災點2>受災點1。通過算例證明使用改進的TOPSIS方法評價不同資源供應優(yōu)先級的結果與實際相符。因此，在救援資源調度過程中若運力、時間、距離、資源有限時，可以通過該方法評價不同應急資源的供應優(yōu)先級，為決策者針對不同應急點科學合理調度資源提供參照。

4 結論

鐵路突發(fā)事件發(fā)生后不同受災點對各類應急資源的需求優(yōu)先級各不相同，尤其是在應急資源儲備量有限，運力、時間受約束，同時為了提高應急救援效率時，特別需要評價出不同受災點對不同應急資源的需求優(yōu)先級，以便科學合理向各受災點供應應急資源。根據(jù)應急資源供應優(yōu)先級受多種因素影響的特性，引入TOPSIS法，該方法中權重值的確定對評價結果起著至關重要的影響，針對傳統(tǒng)方法的主觀性缺陷，提出使用客觀法賦權重值的改進方法，使評價結果更具客觀性、適應性。應急調度決策者可以根據(jù)突發(fā)事件的實際情況，分先后有條理的調度應急資源，使應急資源得到最合理的應用。本文使用該方法計算了模擬算例的應急資源供應排序，驗證了該評價方法的可操作性和實用性。

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Research on Supply Priority of Railway Emergency Resources Based on TOPSIS

LUAN Ting-ting1, ZHENG Yun-shui1, MU Ran2

(1.School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2.Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001, China)

Based on improved traditional TOPSIS method and in view of different supply priorities for all kinds of emergency resources at different points, this paper aims to improve the efficiency of railway emergency rescue treatment, especially in terms of emergency resource reserve capacity, scheduling capacity and time constrain, and to establish a system to evaluate railway emergency resource supply priority. Analyzing and determining the influence factors of the emergency supply of resource priority by means of the objective entropy weight method to determine the weight value serve to avoid inaccuracy resulted from the subjective and uncertain judgment of the evaluation results. By calculating the relative closeness of ideal solution by the Euclidean distance, the priorities of emergency resources supply to be evaluated are determined. Finally, specific emergency resources supply order is obtained though simulation calculation, the results conform to the actual situation and verifies the operability and practicability of the evaluation method.

TOPSIS; Railway emergency resources; Supply priority; Weight

2015-04-15；

2015-05-08

國家自然科學基金項目(61261014)；蘭州交通大學青年基金(2011014)

欒婷婷(1990—)，女，碩士研究生，E-mail：774522165@qq.com。

鄭云水(1972—)，男，副教授。

1004-2954(2015)12-0022-05

U298.6

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.12.006