楊 蘇， 霍巧芬

(1.安徽建筑大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，合肥 230000；2.安徽省建筑經(jīng)濟(jì)與房地產(chǎn)管理研究中心，合肥 230000)

一、引言

近年來，我國城市交通擁堵問題隨著城市化的高速發(fā)展日益增加。城市地鐵作為以地下運(yùn)行為主的軌道交通，很大程度上緩解了高峰期地面交通易癱瘓的壓力，同時帶動城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，得到迅猛發(fā)展。與其他交通方式相比，地鐵具有極高的安全性。但是短時間內(nèi)大量人口聚集相對封閉的空間，一旦發(fā)生意外，不但會造成城市交通堵塞，甚至?xí)斐纱罅咳藛T傷亡。若將韌性理論引入地鐵運(yùn)營的安全管理，提高地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性，即通過提升抗風(fēng)險能力和應(yīng)對事故的恢復(fù)能力，可以有效預(yù)防事故發(fā)生，減少地鐵運(yùn)營事故。因此，科學(xué)合理地評價地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性水平將有利于地鐵運(yùn)營系統(tǒng)的安全管理與控制。

國外的韌性研究起步較早，韌性概念最早來源于拉丁語“resilio”，即恢復(fù)到原始狀態(tài)[1]，隨后應(yīng)用到不同學(xué)科領(lǐng)域：19世紀(jì)中葉，用于機(jī)械學(xué)，用以描述金屬在經(jīng)歷沖擊或擾動發(fā)生形變之后復(fù)原的能力；20世紀(jì)50年代，用于心理學(xué)，即精神創(chuàng)傷之后的恢復(fù)狀況；1973年，生態(tài)學(xué)家Holling首次提出生態(tài)系統(tǒng)韌性，用于描述生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的特征[2]。相較于國外，我國的韌性研究起步較晚，主要分為三個方向：一是對韌性概念的定義。黃浪等提出系統(tǒng)安全韌性定義，基于魯棒性、冗余性、迅速性和有源性四個特征要素，構(gòu)建系統(tǒng)從初始安全到遭遇風(fēng)險恢復(fù)安全的全過程系統(tǒng)安全韌性的概念框架[3]；陳群等提出地鐵工程系統(tǒng)韌性定義，為地鐵工程系統(tǒng)在遭遇風(fēng)險后抵御、適應(yīng)風(fēng)險及迅速恢復(fù)提供一個系統(tǒng)性的新方法[4]。二是對韌性評估指標(biāo)體系的研究。白瑩通過研究高速鐵路運(yùn)營系統(tǒng)韌性的內(nèi)涵和特征要素，構(gòu)建惡劣天氣高速鐵路運(yùn)營系統(tǒng)韌性評價指標(biāo)體系[5]28；岳靖川通過文獻(xiàn)研究、專家訪談和實(shí)地調(diào)研，建立城市復(fù)雜公共空間韌性影響因素的指標(biāo)體系[6]。三是對韌性評價方法的研究。郭慶軍等在地鐵建設(shè)工程的安全管理中提到韌性理論，通過構(gòu)建ANP-可拓云綜合評價模型進(jìn)行系統(tǒng)韌性評價[7]943；王景春等提出地鐵車站的深基坑韌性理論概念，選用歐氏距離法來綜合評估地鐵車站深基坑韌性[8]。

本文以某市地鐵項(xiàng)目為例，將韌性理論引入地鐵運(yùn)營系統(tǒng)，通過文獻(xiàn)研究法和總結(jié)歷年來地鐵事故成因，分析影響地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性的主要因素，歸納構(gòu)建地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性評價指標(biāo)體系。通過Shapley值法確定指標(biāo)體系中各級指標(biāo)的權(quán)重，同時結(jié)合可拓云理論來評定地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性情況，并作為地鐵運(yùn)營系統(tǒng)安全管理的理論依據(jù)，從而提高系統(tǒng)韌性，確保正常運(yùn)營安全有序開展。

二、韌性概念及特征要素

(一)韌性定義

由于研究領(lǐng)域存在差異，不同學(xué)者對韌性概念的理解有差異，從最初的工程韌性到生態(tài)韌性，再到演進(jìn)韌性[9]。對于地鐵運(yùn)營系統(tǒng)的韌性，目前沒有統(tǒng)一的概念，本文根據(jù)不同學(xué)者多領(lǐng)域韌性概念的理解來界定地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性。地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性是指地鐵在運(yùn)營過程中，安全系統(tǒng)在正常情況下維持正常運(yùn)營狀態(tài)，受到風(fēng)險因素擾動或突發(fā)事故襲擊時可以運(yùn)用自身韌性，對地鐵運(yùn)營系統(tǒng)進(jìn)行一系列反應(yīng)、應(yīng)對、復(fù)原和優(yōu)化，使運(yùn)營系統(tǒng)恢復(fù)到事前安全狀態(tài)或達(dá)到更優(yōu)化的安全狀態(tài)，并記錄風(fēng)險因素或突發(fā)事故的發(fā)生和應(yīng)對過程，吸取經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化，在下一次風(fēng)險或事故發(fā)生時能夠快速完成復(fù)原過程。

(二)韌性構(gòu)成要素

引入SREF模型來研究韌性的構(gòu)成要素。SREF模型的由來分別對應(yīng)韌性系統(tǒng)中四個元素的首字母，即穩(wěn)定度(stability)、冗余度(redundancy)、效率度(efficiency)、適應(yīng)度(fitness)[10]。該模型中居關(guān)鍵地位的是效率度，效率度是系統(tǒng)應(yīng)對擾動干擾恢復(fù)安全狀態(tài)的時長和減小擾動帶來不利影響的程度。穩(wěn)定度是系統(tǒng)在不被破壞的條件下所能承受和吸收的擾動強(qiáng)度，以及在應(yīng)對擾動時最大限度維持系統(tǒng)安全狀態(tài)的能力。冗余度是系統(tǒng)遭到破壞時存在可替代要素去維持系統(tǒng)的安全狀態(tài)。適應(yīng)度是系統(tǒng)已遭受威脅和擾動時的適應(yīng)能力。在地鐵運(yùn)營韌性系統(tǒng)中，SREF模型是基于這四個構(gòu)成要素與人員系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)三個子系統(tǒng)之間相互作用形成的，如圖1所示。

圖1 地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性SREF模型

三、地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性指標(biāo)體系構(gòu)建

(一)韌性影響因素

通過文獻(xiàn)研究法，并結(jié)合歷年來我國各地發(fā)生地鐵運(yùn)營事故的成因，總結(jié)地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性影響因素。郭慶軍等從韌性特征要素角度出發(fā)，分析地鐵施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)韌性影響因素[7]944；席建鋒等以長吉高速鐵路為例，從系統(tǒng)整體出發(fā)，即從人—機(jī)—環(huán)境—管理分析核心風(fēng)險因素[5]19；韓豫和成虎分析地鐵運(yùn)營事故的演化機(jī)理和致因要素的影響機(jī)理，提出地鐵運(yùn)營安全事故致因理論，通過國內(nèi)研究成果，按照韌性特征要素穩(wěn)定度、冗余度、效率度、適應(yīng)度來識別韌性因素，最終確定26個影響因子，將這26個影響因子按人員系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)三個方面再次分類，構(gòu)建初步的地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性影響因素集[11]，如表1所示。

表1 地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性影響因素集

(二)韌性因素分析

人員系統(tǒng)。地鐵運(yùn)營系統(tǒng)涉及兩類人員，一是地鐵從業(yè)者，主要包括車站運(yùn)營組織人員、事故應(yīng)急處理人員、安保人員等；二是非從業(yè)人員，主要包括乘客和影響車站運(yùn)營的其他社會人員等。作為地鐵系統(tǒng)運(yùn)營的主體，人的因素是車站運(yùn)行的核心因素，人具有主動性和主導(dǎo)性，既可以是事故的造成者，也可以是解決問題的重要因素。地鐵運(yùn)營的每個環(huán)節(jié)都需要人去維持、協(xié)調(diào)和應(yīng)對。因此，人員系統(tǒng)韌性因素是研究地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性的關(guān)鍵因素。人員系統(tǒng)的穩(wěn)定度需要考察員工的身心狀態(tài)、職能技術(shù)水平和安全防護(hù)水平是否合格，以及乘客是否遵紀(jì)守法和車站的客流密度；冗余度應(yīng)考慮車站應(yīng)急組織人員的配備情況和應(yīng)急醫(yī)療救援系統(tǒng)；效率度主要考察人員的應(yīng)急指揮能力、疏導(dǎo)客流的效率以及乘客的心理因素；適應(yīng)度應(yīng)對工作人員應(yīng)急搶險理論知識培訓(xùn)及實(shí)操演練和應(yīng)急組織部門運(yùn)營管理進(jìn)行考察。

設(shè)備系統(tǒng)。地鐵車站設(shè)備系統(tǒng)主要包括車輛、供電系統(tǒng)、通信與廣播系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、通行設(shè)備系統(tǒng)、機(jī)電系統(tǒng)以及售檢票系統(tǒng)等。設(shè)備的質(zhì)量是保證地鐵運(yùn)營安全的基礎(chǔ)，任何一個子系統(tǒng)出現(xiàn)問題都會對地鐵運(yùn)營造成不利影響，只有保證地鐵設(shè)備功能完善和性能良好，地鐵才能安全運(yùn)營。其穩(wěn)定度應(yīng)考慮設(shè)備維護(hù)合格率和負(fù)荷強(qiáng)度，以及設(shè)備性能是否完備和設(shè)備材質(zhì)強(qiáng)度是否符合要求；冗余度主要考慮在原子系統(tǒng)設(shè)備遭到破壞時，是否存在備用設(shè)備來保持系統(tǒng)正常運(yùn)行；效率度主要考慮設(shè)備的應(yīng)急情況；適應(yīng)度考慮設(shè)備的安全投入情況。

環(huán)境系統(tǒng)。環(huán)境系統(tǒng)分為內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境。內(nèi)部環(huán)境主要是地鐵的運(yùn)營環(huán)境，外部環(huán)境包括自然環(huán)境和社會環(huán)境。其中自然環(huán)境是不可預(yù)見的，尤以地質(zhì)災(zāi)害對地鐵的破壞最大。社會環(huán)境主要包括政治環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、技術(shù)環(huán)境和法律環(huán)境等，如恐怖分子襲擊事件。雖然外部環(huán)境不可控制，但是可以通過構(gòu)建一個良好的內(nèi)部環(huán)境來應(yīng)對外部環(huán)境，從而維持地鐵運(yùn)營的安全水平。其穩(wěn)定度考察風(fēng)險防護(hù)設(shè)施的配備情況和周邊交通的接泊能力，效率度考察應(yīng)急安全通道的實(shí)用性，適應(yīng)度考察風(fēng)險監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)。

四、地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性評價模型

(一)Shapley值法確定指標(biāo)權(quán)重

關(guān)于權(quán)重的確定方法很多，常見的賦權(quán)方法有層次分析法、熵值法、專家打分法、二項(xiàng)系數(shù)法等，但此類方法的評價結(jié)果往往不能反映各個指標(biāo)組合之間的關(guān)聯(lián)影響，各指標(biāo)大多獨(dú)立計算。在地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性影響因素集中，各指標(biāo)之間會存在一定的關(guān)聯(lián)性，而這種關(guān)聯(lián)性會對目標(biāo)產(chǎn)生影響。Shapley值法可以相對準(zhǔn)確地反映各指標(biāo)組合的關(guān)聯(lián)影響，Shapley于1953年提出Shapley值的概念，目的是解決動態(tài)合作聯(lián)盟中的利益分配問題。近年來，學(xué)者們根據(jù)實(shí)際需要對該方法進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)[12-13]。本文采用改進(jìn)后的Shapley值法來確定權(quán)重，具體步驟如下。

對變量的定義：N={1，2，…，n}表示含有n個指標(biāo)的集合，S是集合N中任意指標(biāo)組成的子集，V(S)表示各指標(biāo)組合對評價目標(biāo)的影響值，[N，V(S)]表示相互間有關(guān)聯(lián)性的指標(biāo)組合集合。

1.計算各指標(biāo)組合形式的影響值

(1)

2.計算各指標(biāo)的權(quán)重wi

(2)

其中，shi表示去掉i的組合，s表示子集S中韌性指標(biāo)的個數(shù)；S/i表示子集S中的韌性指標(biāo)減去被計算指標(biāo)的剩余指標(biāo)組成的子集。

(二)可拓云評價模型

以蔡文教授提出的可拓理論[14-17]，通過定性和定量相結(jié)合的方法解決矛盾問題。地鐵運(yùn)營韌性系統(tǒng)包括人員、設(shè)備、環(huán)境三個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又包含多個定性和定量指標(biāo)，單個指標(biāo)和各指標(biāo)組合的關(guān)聯(lián)都會對評價結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，可拓理論可以將定性指標(biāo)定量化，從而準(zhǔn)確體現(xiàn)地鐵運(yùn)營韌性系統(tǒng)中各個指標(biāo)之間的相互影響和作用?；谖镌獙κ挛锘咎卣鞯拿枋?，構(gòu)建一個三元組，即R=(N，C，V)表示“對象、特征、特征值”。本文將地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性等級表示為N，各項(xiàng)指標(biāo)表示為C，評價值表示為V。云模型通過事物的數(shù)學(xué)特征期望Ex、熵En和超熵He來描述，用云模型(Ex，En，He)代替固定數(shù)值的特征值V，實(shí)現(xiàn)從定性到定量的轉(zhuǎn)變，具體步驟如下。

1.確定研究對象的物元矩陣

對于研究對象，評分結(jié)果用物元Ri表示為

(3)

其中，i表示一級指標(biāo)的個數(shù)；N表示待評對象即地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性；C表示指標(biāo)集，p表示各一級指標(biāo)下二級指標(biāo)的個數(shù)；V表示N關(guān)于C的具體數(shù)值。

2.計算云系數(shù)

將區(qū)間數(shù)值轉(zhuǎn)化為云系數(shù)，首先構(gòu)建經(jīng)典域區(qū)間[Cmin，Cmax]，即各韌性等級對相應(yīng)的評價指標(biāo)所取的數(shù)據(jù)范圍，通過指標(biāo)近似公式轉(zhuǎn)化，得

其中，He取0.1。

3.確定隸屬度

第一，根據(jù)公式(4)～(6)計算二級指標(biāo)的隸屬度

(7)

得到總的隸屬度矩陣K

(8)

第二，根據(jù)式(8)，一級指標(biāo)通過二級指標(biāo)的隸屬度加權(quán)計算，得

K(bi)=(w1，w2，…，wp)·K

。

(9)

第三，目標(biāo)層通過一級指標(biāo)計算得出的K(bi)加權(quán)計算，計算步驟同上。

4.確定韌性等級

根據(jù)最大隸屬度原則，若滿足Kj(N)=maxKj(N)，j=(1，2，…，m)，則稱評價對象N的韌性等級為j級。

(10)

(11)

其中，j*為目標(biāo)層即地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性的級別變量特征值，即某韌性級別程度。

5.測定地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性等級

為實(shí)現(xiàn)定量化測定地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性水平，需要測定其等級。根據(jù)地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性的特征要素和影響因素的特點(diǎn)，結(jié)合大量文獻(xiàn)與專家經(jīng)驗(yàn)，參考《地鐵運(yùn)營安全評價標(biāo)準(zhǔn)》，將地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性水平分為三個等級，如表2所示。

五、實(shí)證分析

(一)Shapley值確定權(quán)重

以某市地鐵項(xiàng)目為例，邀請5位專家采用十分制分別對人員系統(tǒng)、設(shè)備系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)3個子系統(tǒng)下的26個韌性指標(biāo)的影響程度打分，本文主要以環(huán)境系統(tǒng)為例打分，結(jié)果如表3所示。

表3 權(quán)重評分決策數(shù)據(jù)

利用公式(1)計算環(huán)境系統(tǒng)下各韌性指標(biāo)組合關(guān)聯(lián)影響度，結(jié)果如表4所示。

表4 各韌性指標(biāo)組合關(guān)聯(lián)影響度

由公式(2)計算環(huán)境系統(tǒng)各韌性指標(biāo)權(quán)重，由于篇幅有限，本文只對C4展開計算。

一級韌性指標(biāo)A、B、C以及26個二級韌性指標(biāo)權(quán)重的計算過程同上，計算結(jié)果如下

w0=(0.324，0，562，0.114)，

wA=(0.064，0.109，0.074，0.097，0.056，0.085，0.089，0.097，0.061，0.059，0.104，0.105)，

wB=(0.151，0.102，0.127，0.104，0.057，0.064，0.079，0.104，0.115，0.097)，

wC=(0.315，0.171，0.125，0.389)。

(二)基于可拓云模型的地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性評價

選取10名專家對各二級指標(biāo)評分，取平均值作為各指標(biāo)評分值，結(jié)果如表5所示。

表5 地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性指標(biāo)評分值

結(jié)合參考文獻(xiàn)和專家評定意見，劃分地鐵運(yùn)營系統(tǒng)各韌性指標(biāo)的韌性等級，如表6所示。

表6 地鐵運(yùn)營系統(tǒng)各韌性指標(biāo)的韌性等級劃分

根據(jù)公式(4)～(8)和表6，計算云參數(shù)和二級指標(biāo)隸屬度矩陣，結(jié)果如表7所示。

表7 云模型和二級指標(biāo)隸屬度矩陣

根據(jù)公式(9)和表6，計算一級指標(biāo)隸屬度和目標(biāo)層隸屬度，結(jié)果如表8和表9所示。

表8 一級指標(biāo)隸屬度

表9 目標(biāo)層隸屬度

根據(jù)最大隸屬度原則，針對該項(xiàng)目地鐵運(yùn)營系統(tǒng)而言，計算得到韌性評價等級為2級，即中韌性水平，韌性等級特征值為j*=1.53。

六、結(jié)語

從地鐵運(yùn)營系統(tǒng)韌性評價結(jié)果來看，該項(xiàng)目評價等級為2級，處于中韌性水平。地鐵運(yùn)營系統(tǒng)在應(yīng)對風(fēng)險時，反應(yīng)能力、應(yīng)對能力、復(fù)原能力有待提高，應(yīng)采取相應(yīng)的安全管理措施，具體分析如下。

人員系統(tǒng)方面表現(xiàn)為2級中韌性水平，說明人員系統(tǒng)在應(yīng)對風(fēng)險時，在一定時間內(nèi)能夠采取應(yīng)急救援措施，使系統(tǒng)恢復(fù)到安全狀態(tài)。在乘客遵紀(jì)守法度、乘客心理因素、員工身心狀態(tài)、車站客流密度、疏導(dǎo)客流的效率和應(yīng)急搶險知識培訓(xùn)及演練方面有待提高。對于地鐵乘客來講，有較強(qiáng)的文明素質(zhì)，不僅可以降低事故風(fēng)險的發(fā)生，而且在風(fēng)險發(fā)生時能配合工作人員進(jìn)行自救和互救。地鐵車站可以多開展乘客安全素質(zhì)教育宣傳活動，讓乘客了解乘坐地鐵的禮儀和地鐵應(yīng)急運(yùn)作流程。在疏導(dǎo)客流方面，設(shè)置間隔分流，在站臺區(qū)設(shè)置人工引導(dǎo)，提高疏導(dǎo)客流的效率，減少事故發(fā)生的概率。

設(shè)備系統(tǒng)方面表現(xiàn)為2級中韌性水平，說明設(shè)備系統(tǒng)在應(yīng)對風(fēng)險時，反應(yīng)能力、應(yīng)對能力、復(fù)原能力、優(yōu)化能力一般，在設(shè)備材質(zhì)強(qiáng)度、設(shè)備負(fù)荷強(qiáng)度、供電系統(tǒng)冗余度、通信與廣播系統(tǒng)冗余度、通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)冗余度、通行設(shè)備系統(tǒng)冗余度方面應(yīng)加強(qiáng)管理。設(shè)備的安全運(yùn)行是地鐵安全運(yùn)營的基本保障，做好地鐵設(shè)備安全運(yùn)行的各項(xiàng)工作十分重要。地鐵車站設(shè)備種類繁多、維修復(fù)雜，對于較難運(yùn)輸?shù)拇笮驮O(shè)備，需要在設(shè)備正常運(yùn)行期間提前布置到相應(yīng)的運(yùn)行區(qū)，一旦遭到風(fēng)險，可以立即投入使用，保障供電、空調(diào)和通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。通過降低設(shè)備的故障率和提高故障處理效率，提高各個子系統(tǒng)的冗余度，提高韌性。

環(huán)境系統(tǒng)方面表現(xiàn)為1級高韌性水平，說明運(yùn)營系統(tǒng)在環(huán)境方面投入較多，在應(yīng)對風(fēng)險時，環(huán)境系統(tǒng)反應(yīng)能力、應(yīng)對能力、復(fù)原能力、優(yōu)化能力較好，在短時間內(nèi)能夠快速采取應(yīng)急措施，使系統(tǒng)恢復(fù)到安全狀態(tài)。其中，風(fēng)險監(jiān)測與預(yù)警方面尤為突出，應(yīng)全過程控制地鐵運(yùn)營系統(tǒng)，事前制定風(fēng)險監(jiān)測計劃，實(shí)行風(fēng)險預(yù)警策略；事中對風(fēng)險進(jìn)行評價、估量和測算；事后根據(jù)評估結(jié)果提出相應(yīng)的風(fēng)險控制措施。