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)
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。
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。
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
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
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)。
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。
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。
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)。
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。
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。