梁 偉，李威君，張來斌，唐 倩

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

應急救援是防止事故擴大、減少事故損失的有效措施，有效的應急救援可以將事故損失降低到無應急救援時的6%，而不當?shù)膽本仍畷故鹿蕯U大蔓延［1］。我國青島“11·22”輸油管道泄漏爆炸特別重大事故的原因之一，就是在搶維修過程引入不安全因素?？梢?，保障應急救援工作的可靠性對事故現(xiàn)場應急救援具有重大意義。

脆弱性能夠反映出暴露在災害下的系統(tǒng)、子系統(tǒng)或系統(tǒng)組分可能經(jīng)歷的損害程度［2］，因此許多學者從脆弱性的角度評價應急救援。如唐士晟等［3］在研究鐵路交通事故應急救援體系脆弱性時，從法律、調度、現(xiàn)場、通信、組織機構等方面綜合評估了救援體系的脆弱性；程正剛等［4］用脆弱性的方法研究了電網(wǎng)應急系統(tǒng)，編制了評估電力應急體系脆弱性的指標體系；趙偉娟等［5］根據(jù)國家相關預案要求，對城市突發(fā)公共事件應急救援進行了體系研究。目前國內外對應急救援脆弱性的研究主要集中在應急救援體系的研究上，對事故現(xiàn)場的應急救援影響因素的分析相對較少。其難點在于：絕大部分事故發(fā)生于人、設備、環(huán)境共同作用的場所，導致事故具有極大的復雜性和多變性，而以往的安全分析模型（如事故樹、事件樹、FMEA 等）適用性較低。本文提出構建人-機-環(huán)耦合系統(tǒng)應急救援脆弱性模型，并進行定性和定量分析。首先通過改進的脆弱性模型（Improved Vulnerability Model，IVM）定性分析出現(xiàn)場應急救援過程的人、設備、環(huán)境的脆弱性影響因素，然后由專家評分確定各影響因素的權重，最后運用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）計算不同因素對事故應急救援脆弱性的影響大小，得到關鍵影響因素的排序，進而指導事故現(xiàn)場應急救援工作。

1 基于IVM-AHP 的應急救援脆弱性分析原理

脆弱性分析的思想來自于20世紀60年代末期的自然災害研究［6］，隨后，國外學術界又將脆弱性研究應用到生態(tài)學、土地利用、氣候變化、公共健康、可持續(xù)性科學、經(jīng)濟學、工程學等領域［7-8］。脆弱性評估的目的就是通過識別和分析系統(tǒng)的脆弱性，找出系統(tǒng)中相對薄弱的要素［9］。脆弱性分析方法包含定性分析與定量評估兩大類。脆弱性定性分析的方法主要 有RH 模 型、PAR 模 型、HOP 模 型、VF 模型［10-11］。脆弱性定量分析的方法主要有綜合指數(shù)法、圖層疊置法、模糊評價法、脆弱性函數(shù)模型分析法、模糊物元分析法［12-15］等，其中，綜合指數(shù)法由于其操作簡單、適用領域廣，是目前脆弱性分析中常用的一種方法。綜合指數(shù)法中常用的數(shù)學統(tǒng)計方法有加權求和法、層次分析法、模糊綜合分析法［16］等。

鑒于事故現(xiàn)場應急救援過程具有多目標層級、多專家群體決策、人-機-環(huán)三大系統(tǒng)相互作用等特點，本文將定性與定量分析相結合，綜合運用改進的脆弱性模型和層次分析法構建IVM-AHP 模型來分析該耦合系統(tǒng)的脆弱性。脆弱性定性分析方法中，Turner等［11］在利用脆弱性模型分析全球環(huán)境脆弱性時，考慮了人-環(huán)境耦合系統(tǒng)；而事故救援現(xiàn)場是一個典型的人-機-環(huán)耦合系統(tǒng)，因此在以往脆弱性模型的基礎上需加入設備因素，改進后的應急救援脆弱性模型框架如圖1所示。

圖1 改進后的應急救援脆弱性模型框架Fig.1 Framework of the improved vulnerability model of emergency rescue

從縱向結構可知，脆弱性的構成要素主要包括暴露性、敏感性和適應性［17］。其中，暴露性反映的是系統(tǒng)遭遇災害或危險的程度，其決定了系統(tǒng)在災害事件影響下潛在損失的大小，主要取決于人和區(qū)域暴露在危險事件中的概率；敏感性反映的是系統(tǒng)對外部干擾易于感受的性質，主要取決于系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性［18］；適應性指的是系統(tǒng)對災害事件的響應與應對能力，以及從災害損失中的恢復能力，反映了系統(tǒng)可避免損害的程度［19］。因此，事故應急救援的脆弱性可以表達成暴露性、敏感性和適應性的函數(shù)。通常隨著暴露性和敏感性的增加，系統(tǒng)的脆弱性會增大，而適應性的增加則會降低系統(tǒng)的脆弱性［20］。

從橫向結構可知，在分析人-機-環(huán)耦合系統(tǒng)的脆弱性時，可將耦合系統(tǒng)的脆弱性按照其特征劃分三個準則：暴露性、敏感性、適應性，每個準則下面可從人、機、環(huán)境三個角度確定描述系統(tǒng)脆弱性的指標，從而構成人-機-環(huán)耦合系統(tǒng)的脆弱性模型。因此，在對應急救援脆弱性進行定量層次分析時，可以通過脆弱性模型快速、準確地構建目標層和準則層，指標層可通過專家與事故經(jīng)驗獲得。其脆弱性分析原理如圖2所示。

圖2 基于IVM-AHP的人-機-環(huán)耦合系統(tǒng)應急救援脆弱性分析原理Fig.2 Principle of the vulnerability analysis of the emergency rescue of coupled man-machineenvironment system based on IVM-AHP

2 人-機-環(huán)耦合系統(tǒng)應急救援脆弱性分析

2.1 利用改進的脆弱性模型定性分析脆弱性影響因素

依照脆弱性模型和層次分析法的原理，在目標層“事故應急救援脆弱性”下設“暴露性”、“敏感性”、“適應性”構成準則層，進一步結合德爾菲法專家判斷確定指標層的具體指標或因素，見圖3。

2.2 利用層次分析法定量計算各影響因素的權重

2.2.1 構造判斷矩陣并賦值

在確定各層次因素之間的權重時，通過一致矩陣法對所有要素進行兩兩比較，并構造判斷矩陣。為了得到量化的判斷矩陣，引入經(jīng)典的1～9標度法，并結合德爾菲法專家咨詢結果對所有因素賦值，分別構建判斷矩陣A-B、B1-C、B2-C、B3-C，詳見表1至表4。

圖3 基于IVM 的應急救援脆弱性模型的層次結構Fig.3 Hierarchical structure of vulnerability evaluation of emergency rescue based on IVM

表1 A-B 判斷矩陣Table 1 Judgment matrix table of A-B

2.2.2 層次單排序及一致性檢驗

根據(jù)特征根法計算每一個判斷矩陣各因素針對其上一層因素的相對權重，對判斷矩陣進行層次單排序；然后利用MATLAB 軟件編程計算判斷矩陣的最大特征根及其對應的特征向量，并對特征向量進行歸一化處理。

表2 B1-C 判斷矩陣Table 2 Judgment matrix table of B1-C

判斷矩陣A-B 的最大特征向量為W=（w1，w2，w3），其中w1、w2、w3為準則層B 中相對于目標層A 的權重；判斷矩陣B1-C、B2-C、B3-C 的最大特征向量為P=（p1、p2、p3），其中p1、p2、p3分量為指標層C 中指標相對于準則層B 的權重。

表3 B2-C 判斷矩陣Table 3 Judgment matrix table of B2-C

表4 B3-C 判斷矩陣Table 4 Judgment matrix table of B3-C

通常用一致性指標CI對判斷矩陣進行一致性檢驗，其計算式為

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根；n 為判斷矩陣的階數(shù)。

為了放寬對高維判斷矩陣的一致性要求，引入平均隨機一致性指標RI（見表5），并取一致性比例CR 作為衡量判斷矩陣一致性的標準。一致性比例CR（Consistency Ratio）的計算式為

表5 平均隨機一致性指標（RI）Table 5 Average random consistency index（RI）

按照式（2）計算得到的一致性比例CR 如表1至表4最后一列所示，可以看出所有的CR＜0.1，因此認為每個判斷矩陣符合一致性檢驗。

2.2.3 層次總排序

由以上計算結果可得準則層B 相對于目標層A 的權重W 和指標層C相對于準則層B的權重P。而指標層C相對于目標層A 的權重G 可按下式計算：

式中：當i=1時，j=1，2，3，4，5，6，7；當i=2時，j=8，9，10，11，12，13，14；當i=3時，j=15，16，17，18，19，20，21，22。

按照式（3）計算得到的指標層C 相對于目標A的權重G 詳見表6。

表6 指標層C 相對于目標A 的權重值Table 6 Weight values of index layer Crelative to target A

由表6可以看出：C3（事故致死范圍）、C10（設備內介質危險性）、C11（設備自身可靠性）、C13（周邊環(huán)境中的危險源）、C17（緊急停車可靠性）、C18（設備安全屏障可靠性）等因素對事故應急救援脆弱性的影響較大；而C6（周邊設施的密集程度）、C7（事故影響區(qū)域大?。?、C22（環(huán)境自愈能力）等因素對事故應急救援脆弱性的影響較小。因此，在事故現(xiàn)場應急救援過程中，決策者應當重點關注事故致死范圍、設備內介質危險性、設備自身可靠性、周邊環(huán)境中的危險源等影響因素，全面地做出應急救援計劃。

3 結論

（1）為了提高事故現(xiàn)場應急救援過程的安全性，引入脆弱性的概念和方法，通過改進并構建脆弱性模型得到人-機-環(huán)耦合系統(tǒng)的脆弱性要素，能夠更加全面地掌握系統(tǒng)的影響因素，為事故現(xiàn)場應急救援工作提供指導。

（2）結合脆弱性定性分析方法和層次分析定量方法構建IVM-AHP模型，從暴露性、敏感性和適應性三個準則層面分析人-機-環(huán)境耦合系統(tǒng)的脆弱性，綜合考慮了造成應急救援過程脆弱性的各個要素。

（3）通過層次分析計算出各個影響因素的權重大小及排序，得到對事故現(xiàn)場應急救援影響較大的因素，在此基礎上可采取相應的安全策略和控制措施來降低系統(tǒng)的脆弱性。

［1］鄭曉軍，王奕首，滕弘飛.應急系統(tǒng)開發(fā)與應用［J］.計算機應用研究，2006，（1）：9-11，18.

［2］UNISDR.A Global Review of Disaster Reduction Initiatives［M］.United Nations Publications，Geneva，2004

［3］唐士晟，李小平.鐵路交通事故應急救援體系脆弱性評價方法研究［J］.鐵道學報，2013，35（7）：14-20.

［4］程正剛，房鑫炎，俞國勤，等.電力應急體系脆弱性評估指標體系的編制［J］.華東電力，2010，38（2）：247-250.

［5］趙偉娟，王兆遠，李菲，等.城市突發(fā)公共事件應急救援體系研究［J］.安全與環(huán)境工程，2011，18（2）：60-64.

［6］Martha G.Roberts［美］.楊國安.可持續(xù)發(fā)展研究方法國際進展——脆弱性分析方法與可持續(xù)生計方法比較［J］.地理科學進展，2003，22（1）：11-21.

［7］李鶴，張平宇.全球變化背景下脆弱性研究進展與應用展望［J］.地理科學進展，2011，30（7）：920-929.

［8］楊旭東，孫建平，魏玉梅.地下水系統(tǒng)脆弱性評價探討［J］.安全與環(huán)境工程，2006，13（1）：1-4.

［9］劉寶利，肖曉春，張根度.基于層次分析法的信息系統(tǒng)脆弱性評估方法［J］.計算機科學，2006，33（12）：62-64.

［10］Cutter S L.Vulnerability to environmental hazards［J］.Progress in Human Geography，1996，20（4）：529-539.

［11］Turner B L，Kasperson R E，Matson P A，et al.A framework for vulnerability analysis in sustainability science［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences，2003，100（14）：8074-8079.

［12］Moss R H，Brenkert A L，Malone E L.Vulnerability to Climate Change：A Quantitative Approach［R］.Richland，WA：Pacific Northwest National Laboratory（PNNL-SA-33642），2001.

［13］史培軍.三論災害研究的理論與實踐［J］.自然災害學報，2002，11（3）：1-9.

［14］陳鴻起，汪妮，申毅榮，等.基于歐式貼近度的模糊物元模型在水安全評價中的應用［J］.西安理工大學學報，2007，23（1）：37-42.

［15］楊旭東，李偉，馬學軍.模糊評價法在滄州市區(qū)地下水脆弱性評價中的應用［J］.安全與環(huán)境工程，2006，13（2）：9-12.

［16］陳為化，江全元，曹一家.基于風險理論和模糊推理的電壓脆弱性評估［J］.中國電機工程學報，2005，25（24）：20-25.

［17］牛志廣，高希麗，王晨晨.城市供水管網(wǎng)脆弱性評價研究進展［J］.中國安全科學學報，2012，22（6）：157-163.

［18］魯娟.給水管網(wǎng)脆弱性評估研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學，2007.

［19］Ezell B C.Toward a systems-based vulnerability assessment methodology for water supply systems［C］／／American Society of Civil Engineers.10th United Engineering Foundation Conference，Santa Barbara，2002：91-103.

［20］田亞平，向清成，王鵬.區(qū)域人地耦合系統(tǒng)脆弱性及其評價指標體系［J］.地理研究，2013，32（1）：55-63.