褚鵬宇，劉 瀾

(西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 四川 成都 610031)

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·新能源汽車(chē)與低碳運(yùn)輸·

基于變權(quán)模糊petri網(wǎng)的綜合交通樞紐安全評(píng)價(jià)

褚鵬宇，劉 瀾*

(西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 四川 成都 610031)

為對(duì)綜合交通樞紐安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，從人員因素、設(shè)備因素、行人設(shè)施、交通組織和環(huán)境因素5個(gè)方面識(shí)別影響樞紐安全的關(guān)鍵因素，建立樞紐安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；在利用AHP確定不同指標(biāo)常權(quán)重的基礎(chǔ)上，利用專(zhuān)家打分法評(píng)估指標(biāo)安全狀態(tài)，根據(jù)指標(biāo)狀態(tài)對(duì)常權(quán)重進(jìn)行變權(quán)處理，建立基于變權(quán)模糊petri網(wǎng)的綜合交通樞紐安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的形式化推理算法，使推理過(guò)程更加簡(jiǎn)單、方便；以成都市某綜合交通樞紐為實(shí)例進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，得出樞紐站的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為安全。

安全評(píng)價(jià)；綜合交通樞紐；層次分析法；變權(quán)重；模糊petri網(wǎng)

綜合交通樞紐是以鐵路、航空等為主要對(duì)外交通方式，并整合軌道交通、公共汽車(chē)、社會(huì)車(chē)輛、出租車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)等交通方式，實(shí)現(xiàn)交通、商業(yè)、娛樂(lè)等多重功能的城市交通系統(tǒng)的“心臟”。作為城市交通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)且集多種功能于一身的綜合交通樞紐系統(tǒng)，由于人員密集、流動(dòng)性大、交通流線易交織沖突、各種交通方式間運(yùn)能不匹配和應(yīng)急疏散保障不到位等問(wèn)題，很容易遭到攻擊和損害；因此，適時(shí)開(kāi)展綜合交通樞紐安全評(píng)價(jià)分析，主動(dòng)掌握樞紐安全等級(jí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)于保障樞紐運(yùn)營(yíng)安全，降低安全事故發(fā)生的概率具有重要意義。

現(xiàn)階段的安全評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法[1]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[2]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[3]、多級(jí)可拓法[4]、模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法[5]和數(shù)據(jù)包絡(luò)法[6]等，然而這些方法均無(wú)法體現(xiàn)各影響因素的自身安全狀態(tài)導(dǎo)致其在樞紐安全中的重要性變化。鑒于安全狀態(tài)信息具有模糊、難以量化的特性，本文將模糊petri網(wǎng)引入到安全評(píng)價(jià)當(dāng)中。首先利用層次分析法確定不同影響因素的相對(duì)權(quán)重，同時(shí)采用專(zhuān)家打分法對(duì)綜合交通樞紐的安全影響因素狀態(tài)做出評(píng)判?？紤]到當(dāng)系統(tǒng)中某一評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全狀態(tài)較差時(shí)，其對(duì)于系統(tǒng)整體性能的“威脅”程度隨之上升，例如當(dāng)綜合交通樞紐的電力設(shè)備處于極度危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，樞紐發(fā)生火災(zāi)或者大規(guī)模停電的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)顯著增大，此時(shí)依然采用恒定權(quán)重明顯不符合工程實(shí)際。本文對(duì)模糊petri網(wǎng)加以改進(jìn)，使得恒定的常權(quán)重輸入變?yōu)殡S安全狀態(tài)信息動(dòng)態(tài)改變的變權(quán)重輸入，并給出了相應(yīng)的形式化推理算法，簡(jiǎn)化推理過(guò)程。

1 變權(quán)模糊petri網(wǎng)

定義1：變權(quán)模糊petri網(wǎng)可以用一個(gè)九元組表示：VWFPN=(P,T,I,O,μ,α,W,λ,M)，其中：P={p1,p2,…,pn}是一個(gè)模糊庫(kù)所的有限集合；T={t1,t2,…,tm}是一個(gè)模糊變遷的有限集合；P∩T=?，P∪T≠?；I={θij},θij∈[0,1]為庫(kù)所pi到變遷tj的輸入矩陣，當(dāng)pi是tj的輸入時(shí)，θij為輸入弧上的權(quán)值，否則，θij=0；O={ξij},ξij∈[0,1]為變遷tj到庫(kù)所pi的輸出矩陣，當(dāng)pi是tj的輸出時(shí)，ξij等于變遷tj的置信度，否則，ξij=0；μ：μ→[0,1]是一個(gè)映射，為變遷tj(tj∈T)對(duì)應(yīng)的推理規(guī)則的置信度(CF)μj，μj=(μ1,μ2,…,μn)T,μj∈[0,1]；α：是一個(gè)映射，表示庫(kù)所pi對(duì)應(yīng)的模糊托肯值， α(pi)∈[0,1]；W={wij}為變權(quán)重輸入矩陣，反映規(guī)則中前提命題對(duì)結(jié)論的支持程度，與輸入矩陣I以及模糊托肯值α相關(guān)。文獻(xiàn)[7]提到了基于變權(quán)理論的變權(quán)公式，本文借鑒這種變權(quán)方法并加以修改得到相應(yīng)變權(quán)重wij的計(jì)算公式，見(jiàn)式(1)。其中，ρ∈[0,1]為變權(quán)指數(shù)，ρ值越大，則變權(quán)重wij越能體現(xiàn)影響因素的安全狀態(tài)對(duì)常權(quán)重的影響，ρ=0時(shí)，則為常權(quán)模式，為簡(jiǎn)化計(jì)算本文中ρ統(tǒng)一取0.8。M是變權(quán)模糊petri網(wǎng)的標(biāo)識(shí)，M=(α(p1),α(p2),α(p3),…,α(pn))T，初始標(biāo)識(shí)用M0表示。

(1)

2 綜合交通樞紐運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

綜合交通樞紐作為城市內(nèi)部重要的換乘節(jié)點(diǎn)以及內(nèi)外交通轉(zhuǎn)換的結(jié)合部，具有空間體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備多樣且集成度高的特點(diǎn)，這直接導(dǎo)致致災(zāi)因素的多元化和分散化。高峰客流、管理不善、設(shè)備失靈、交通設(shè)施容納能力不足等樞紐內(nèi)部或外部、自然或人為因素都會(huì)引發(fā)樞紐安全事故的發(fā)生；因此，建立全面、科學(xué)、合理的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)于準(zhǔn)確、快速評(píng)估樞紐安全態(tài)勢(shì)具有重要意義。

針對(duì)綜合交通樞紐災(zāi)源復(fù)雜多變、孕災(zāi)環(huán)境層次眾多的特點(diǎn)，本文在綜合相關(guān)參考文獻(xiàn)以及深入分析的基礎(chǔ)上[4,8]，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)” ，即人員因素、設(shè)備因素、行人設(shè)施、交通組織、環(huán)境因素5個(gè)方面選取影響樞紐安全的關(guān)鍵要素， 建立綜合交通樞紐安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

3 基于變權(quán)模糊petri網(wǎng)的綜合交通樞紐安全評(píng)價(jià)

3.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重是安全評(píng)價(jià)模型的重要信息，反映了不同指標(biāo)在評(píng)估過(guò)程中的地位和作用。綜合交通樞紐的各安全影響因素對(duì)于系統(tǒng)安全的貢獻(xiàn)度是不同的，因此需要根據(jù)不同指標(biāo)的重要性差異分別賦予不同權(quán)重值，科學(xué)、合理地確定權(quán)重值是保證評(píng)價(jià)結(jié)論質(zhì)量的關(guān)鍵所在[9]。本文采用層次分析法來(lái)確定各影響因素指標(biāo)的權(quán)重值。根據(jù)圖1，依次將指標(biāo)體系劃分為目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B、影響因素層C，分別構(gòu)建下一層次的因素集對(duì)上層次某準(zhǔn)則的判斷矩陣，進(jìn)而確定不同指標(biāo)間的相對(duì)權(quán)重，具體計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。至此，可以得到變權(quán)模糊petri網(wǎng)的常權(quán)輸入矩陣In×m。

圖1 綜合交通樞紐安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 影響因素的安全狀態(tài)評(píng)判

樞紐的安全等級(jí)是所有影響因素安全狀態(tài)的綜合反映，因此對(duì)影響因素的安全狀態(tài)做出準(zhǔn)確評(píng)判是樞紐安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。安全狀態(tài)等級(jí)劃分如表1所示，共分為安全、警戒、危險(xiǎn)、極度危險(xiǎn)4個(gè)狀態(tài)，數(shù)值越大則安全狀態(tài)越差。因?yàn)榻^對(duì)安全屬于理想狀態(tài)，現(xiàn)實(shí)中并不存在，故S≠0，S∈(0,1]。采用專(zhuān)家打分法依次對(duì)影響因素層的指標(biāo)狀態(tài)做出判斷，假設(shè)第j(j=1,2,…,m)位專(zhuān)家對(duì)第i(i=1,2,…,n)個(gè)指標(biāo)的評(píng)分為sj，則指標(biāo)i的得分Si見(jiàn)式(2)，Si即為變權(quán)模糊petri網(wǎng)的模糊托肯值α(pi)。

。

3.3 基于變權(quán)模糊petri網(wǎng)的安全評(píng)價(jià)過(guò)程

利用變權(quán)模糊petri網(wǎng)模型對(duì)綜合交通樞紐進(jìn)行安全評(píng)價(jià)分析，參照樞紐安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將庫(kù)所pi同樣劃分為3個(gè)層次，目標(biāo)層指標(biāo)對(duì)應(yīng)目標(biāo)庫(kù)所，準(zhǔn)則層指標(biāo)對(duì)應(yīng)中介庫(kù)所，影響因素層指標(biāo)對(duì)應(yīng)起始庫(kù)所。庫(kù)所與評(píng)價(jià)指標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，托肯值α(pi)表示指標(biāo)的安全狀態(tài)，變遷tj表示評(píng)價(jià)過(guò)程的進(jìn)行，變遷對(duì)應(yīng)的模糊因子μj表示評(píng)價(jià)過(guò)程的可信度。目標(biāo)庫(kù)所p1的托肯值所對(duì)應(yīng)的安全等級(jí)即為樞紐安全風(fēng)險(xiǎn)水平。變權(quán)模糊petri網(wǎng)對(duì)應(yīng)的綜合交通樞紐安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型如圖2所示。評(píng)價(jià)過(guò)程如下。

1)初始化變權(quán)模糊petri網(wǎng)的輸入向量。

根據(jù)層次分析法以及專(zhuān)家打分法可以分別確定常權(quán)輸入矩陣I、起始庫(kù)所的托肯值α(pi)，中介庫(kù)所與目標(biāo)庫(kù)所的α(pi)統(tǒng)一設(shè)定為0，進(jìn)而確定初始標(biāo)識(shí)M0。利用式(1)可以得到初始變權(quán)輸入矩陣W0。同時(shí)對(duì)變遷閾值向量λ以及可信度向量μ進(jìn)行設(shè)定，這里將閾值λj統(tǒng)一設(shè)定為0，μj統(tǒng)一設(shè)定為0.95。輸出矩陣O中的元素ξij=μj，j=1,

2,…，m。

2)運(yùn)用形式化推理算法進(jìn)行推理。

Step1：令k=0，利用式(3)計(jì)算Mk+1；

Mk+1=M0+O?[(WkT·Mk)Θλ]。

Step2：令k=k+1 ，更新變權(quán)輸入矩陣Wk，重復(fù)式(3)；

Step3：若Mk=Mk+1，則推理結(jié)束。

3)確定綜合交通樞紐的安全等級(jí)。

檢查標(biāo)識(shí)Mk中目標(biāo)庫(kù)所p1的托肯值α(p1)，對(duì)照表1，確定綜合交通樞紐定的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

圖2 基于變權(quán)模糊petri網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

4 實(shí)例分析

以成都市某綜合交通樞紐為評(píng)價(jià)對(duì)象，驗(yàn)證所提出的模型的有效性。從人員因素、設(shè)備因素、行人設(shè)施、交通組織、環(huán)境因素5個(gè)方面建立如圖1所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

表2 A-Bi層判斷矩陣及指標(biāo)權(quán)重

表3 B1-Ci層指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)值

表4 B2-Ci層指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)值

表5 B3-Ci層指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)值

表6 B4-Ci層指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)值

表7 B5-Ci層指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)值

組織20名安全領(lǐng)域?qū)＜?，?duì)該交通樞紐進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，對(duì)起始庫(kù)所對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全狀態(tài)進(jìn)行打分評(píng)判，根據(jù)式(2)對(duì)打分結(jié)果綜合處理后，各個(gè)影響因素指標(biāo)的得分見(jiàn)表8。

表8 起始庫(kù)所對(duì)應(yīng)指標(biāo)的評(píng)分

經(jīng)過(guò)上述分析，可以得出變權(quán)模糊petri網(wǎng)的常權(quán)輸入矩陣I，由于指標(biāo)過(guò)多，本文僅截取部分指標(biāo)給出對(duì)應(yīng)的常權(quán)重輸入矩陣I′。

根據(jù)公式(1)，利用起始庫(kù)所的狀態(tài)評(píng)估值α(pi)對(duì)常權(quán)輸入矩陣I進(jìn)行變權(quán)處理，得到初始變權(quán)輸入矩陣W0，這里同樣截取部分指標(biāo)給出對(duì)應(yīng)的變權(quán)重輸入矩陣W′ 。

對(duì)比I′和W′，可以看出安全狀態(tài)較差的指標(biāo)通過(guò)變權(quán)重對(duì)系統(tǒng)的影響程度得到提升，如監(jiān)控設(shè)備常權(quán)重為0.20，安全狀態(tài)評(píng)分α(p14)為0.78，即處于危險(xiǎn)狀態(tài)，表明樞紐內(nèi)對(duì)關(guān)鍵區(qū)域的監(jiān)控嚴(yán)重缺失，此時(shí)變權(quán)重增加到0.26。而處于相對(duì)安全狀態(tài)的電力設(shè)備則由常權(quán)重0.33降低到變權(quán)重0.23。通過(guò)權(quán)重系數(shù)的改變使得評(píng)價(jià)結(jié)果更趨合理化。

利用形式化推理算法進(jìn)行推理，初始標(biāo)識(shí)向量M0=[0,0,0,0,0,0,0.58,0.42,0.72,0.57,0.68,0.31,0.45,0.78,0.61,0.57,0.21,0.45,0.25,0.13,0.73,0.51,0.13]，變遷閾值向量λ=0，初始變權(quán)輸入矩陣W0及輸出矩陣O為：

M1=M0+O?[(W0T·M0)Θλ]=[0.0,0.62,0.60,0.50,0.20,0.55,0.58,0.42,0.72,0.57,0.68,0.31,0.45,0.78,0.61,0.57,0.21,0.45,0.25,0.13,0.73,0.51,0.13]T。根據(jù)M1更新變權(quán)輸入矩陣得W1。

M2=M0+O?[(W1T·M1)Θλ]=[0.55,0.62,0.60,0.50,0.20,0.55,0.58,0.42,0.72,0.57,0.68,0.31,0.45,0.78,0.61,0.57,0.21,0.45,0.25,0.13,0.73,0.51,0.13]T，此后繼續(xù)迭代標(biāo)識(shí)向量Mk的值不再改變，故M2為最終的狀態(tài)向量。形式化推理算法的迭代步數(shù)只與推理深度有關(guān)，而與規(guī)則多少無(wú)關(guān)[11]，如本例中只要2步，可以充分利用petri網(wǎng)并行處理能力。

檢查M2，易知目標(biāo)庫(kù)所的安全狀態(tài)評(píng)分α(p1)=0.55，對(duì)照表1，可知該綜合交通樞紐處于安全狀態(tài)。這主要是由于該樞紐投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間較短，各種設(shè)備均經(jīng)過(guò)全面設(shè)計(jì)并且較新；人流與車(chē)流尚處于初期增長(zhǎng)階段，各種行人設(shè)施的容納能力還有很大富余；交通組織合理，車(chē)流與人流之間沒(méi)有較大沖突；值得注意的是，部分工作人員工作時(shí)間尚短，工作能力以及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力還需要進(jìn)一步提升，在這方面應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)培訓(xùn)；同時(shí)，安全管理環(huán)境也需要改善，日常設(shè)備檢修與巡邏，以及應(yīng)急預(yù)案的制訂與演練都與安全事故的發(fā)生有很大關(guān)聯(lián)性，在實(shí)際工作中要加以重視。

5 結(jié)論

為了對(duì)綜合交通樞紐進(jìn)行“主動(dòng)式、預(yù)防式”安全風(fēng)險(xiǎn)管理，本文從人員因素、設(shè)備因素、行人設(shè)施、交通組織、環(huán)境因素5個(gè)方面構(gòu)建樞紐安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。對(duì)不同安全影響因素進(jìn)行提煉、總結(jié)，以期完整、全面、準(zhǔn)確地反應(yīng)樞紐面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)。采用加權(quán)模糊petri網(wǎng)建立綜合交通樞紐安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，利用層次分析法確定不同評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的指標(biāo)權(quán)重。針對(duì)常權(quán)重在描述致災(zāi)因子對(duì)系統(tǒng)安全影響上具有刻板、主觀的缺陷，提出變權(quán)模糊petri網(wǎng)模型，根據(jù)影響因素的安全狀態(tài)對(duì)常權(quán)重進(jìn)行動(dòng)態(tài)的增益或衰減。基于形式化算法的變權(quán)模糊petri網(wǎng)模型具有簡(jiǎn)單、方便、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，充分利用了petri網(wǎng)的并行處理能力。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)綜合交通樞紐進(jìn)行安全評(píng)價(jià)可以快速掌握樞紐的安全動(dòng)態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并作出整改，提高樞紐安全水平。

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(編校：夏書(shū)林)

Safety Assessment for Integrated Transportation Hub Based on Variable Weight Fuzzy Petri Net

CHU Pengyu， LIU Lan*

(School of Transportation and Logistics ,Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 China)

In view of the important position of integrated transportation hub in urban traffic system, assessing the safety state more rapidly and accurately is of great significance for the security of integrated transportation hub. This paper discriminates the key factors that influencing the hub safety from five aspects: human factors, equipment factors, pedestrian facilities, traffic organization, and environmental factors. On the basis of using AHP to determine the constant weights of different indexes, the weights were altered according to the index safety states. An integrated transport hub security state assessment model was established based on variable weight fuzzy petri net, which makes the conclusion more objective and precise. Formal reasoning algorithm was given to simplify the reasoning process. In order to verify the validity of the model, a certain integrated transfer hub was taken as an example and the evaluation result indicates that the risk level of the hub is safe.

safety evaluation； integrated transportation hub;； AHP；variable weight；fuzzy petri net

2015-04-28

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014GZ0019)。

褚鵬宇(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻煌〒頂D識(shí)別與預(yù)測(cè)。

*通信作者：劉瀾(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)輸自動(dòng)化與交通控制，城市交通管理與控制。E-mail: jianan_l@home.swjtu.edu.cn；

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1673-159X(2016)05-0013-5

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.05.003