王冠妍, 孫 健, 王緒亭, 紀(jì)柯柯, 王立浩, 馮 悅

(1.天津東方泰瑞科技有限公司, 天津 300192; 2.四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司, 成都 610041;3.武漢理工大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院, 武漢 430074; 4.天津高速公路集團(tuán)有限公司, 天津 300000)

0 引言

高速公路作為連接城市間的主要通道,其暴露性較高. 當(dāng)路網(wǎng)系統(tǒng)受到惡劣天氣、地理?xiàng)l件等外界因素影響時(shí),運(yùn)行狀態(tài)極易受到干擾,一旦發(fā)生突發(fā)事件,后果不堪設(shè)想,且隨著救援時(shí)間的延長(zhǎng)、處置措施的不當(dāng),后果嚴(yán)重性會(huì)成倍增長(zhǎng),對(duì)相關(guān)運(yùn)營(yíng)部門(mén)應(yīng)急管理能力是一項(xiàng)巨大考驗(yàn). 隨著高速公路路網(wǎng)的日益完善,如何科學(xué)評(píng)估路網(wǎng)在突發(fā)事件下的應(yīng)急能力水平,受到學(xué)界和行業(yè)管理部門(mén)的高度關(guān)注.

應(yīng)急能力建設(shè)是高速公路交通突發(fā)事件應(yīng)急體系建設(shè)的核心,在《“十四五”國(guó)家應(yīng)急體系規(guī)劃》《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》這些國(guó)家級(jí)指導(dǎo)性文件中突出強(qiáng)調(diào)“加強(qiáng)應(yīng)急保障能力建設(shè)”. 應(yīng)急能力評(píng)估作為應(yīng)急管理工作的重要部分,全面、合理地評(píng)估指標(biāo)體系與科學(xué)、客觀的評(píng)估方法,將直接影響評(píng)估結(jié)果的可靠性. 自20世紀(jì) 60年代以來(lái),國(guó)外學(xué)者在安全評(píng)價(jià)方法上展開(kāi)了不斷的研究,具體可分為定量和定性方法2類,其中定性的如預(yù)先危險(xiǎn)性分析法(PHA),故障類型和影響分析法(FMEA)等;定量的方法包括道化學(xué)公司法(DOW),單元危險(xiǎn)性快速排序法等[1]. 但是,在對(duì)一些帶有模糊性質(zhì)的定性指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí),由于對(duì)數(shù)據(jù)的處理比較單一,因而不能很好地對(duì)其進(jìn)行定量處理. 隨著模糊數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展,模糊理論很好地解決了定性指標(biāo)難量化的難題.

高速公路突發(fā)事件應(yīng)急保障是1個(gè)涵蓋預(yù)防、準(zhǔn)備、響應(yīng)、恢復(fù)等工作的多層次系統(tǒng)過(guò)程,該過(guò)程中的各要素相互關(guān)聯(lián)、相互制約、相互影響. 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高速公路突發(fā)事件應(yīng)急能力評(píng)估研究中多基于突發(fā)事件應(yīng)急管理理論,構(gòu)建指標(biāo)體系,開(kāi)展評(píng)估工作. 張建軍等[2]提出了針對(duì)公路交通突發(fā)事件應(yīng)急能力的評(píng)估體系. 該評(píng)估體系涵蓋了日常、事前、事中和事后4個(gè)維度,并詳細(xì)說(shuō)明了各指標(biāo)的具體評(píng)估內(nèi)容. 楊雪等[3]基于事前預(yù)防、事中控制和事后應(yīng)對(duì)3個(gè)過(guò)程建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并運(yùn)用云模型對(duì)河南省高速公路突發(fā)事件應(yīng)急管理能力進(jìn)行評(píng)價(jià). 戢曉峰等[4]從吸收能力、適應(yīng)能力、恢復(fù)能力 3個(gè)方面構(gòu)建高速公路韌性評(píng)估模型. 該類研究從事故發(fā)生的周期過(guò)程構(gòu)建相應(yīng)指標(biāo),具有很好的借鑒意義,但評(píng)估指標(biāo)沒(méi)能很好地涵蓋突發(fā)事件發(fā)生、發(fā)展、處置、消失、恢復(fù)的全過(guò)程,評(píng)估方法難以有效處理定性指標(biāo)的模糊性和評(píng)價(jià)過(guò)程的隨機(jī)性. 而“韌性”作為表示系統(tǒng)在發(fā)生擾動(dòng)后能恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力,可更全面地反應(yīng)事故發(fā)展的全過(guò)程.

本研究以突發(fā)事件全生命周期作為評(píng)估對(duì)象,考慮各單元之間的關(guān)聯(lián)性,引入“韌性”的概念,充分表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為和狀態(tài),以天津高速為例,構(gòu)建基于云層次分析法的應(yīng)急能力評(píng)估模型,以期望、熵、超熵3個(gè)數(shù)字特征表現(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)的隨機(jī)性、模糊性和離散性,進(jìn)而指導(dǎo)應(yīng)急能力建設(shè),有效防控重特大事故風(fēng)險(xiǎn).

1 評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)韌性

系統(tǒng)韌性是系統(tǒng)面對(duì)干擾能有準(zhǔn)備地控制損失、快速修復(fù)和自主治理的能力. 它強(qiáng)調(diào)整個(gè)過(guò)程承受能力,并利用動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線來(lái)定義指標(biāo)[5]. 交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)韌性是交通網(wǎng)絡(luò)的1種屬性,指系統(tǒng)抵抗、適應(yīng)、吸收中斷后果維持正常功能水平,并從沖擊中恢復(fù)的能力[6-7]. 韌性應(yīng)急能力主要體現(xiàn)在對(duì)突發(fā)事件的系統(tǒng)要素和應(yīng)急行為主體之間的有機(jī)組合的響應(yīng)和處置能力上,其結(jié)果是減少突發(fā)事件帶來(lái)的影響,并提高路網(wǎng)的恢復(fù)能力. 以時(shí)間作為橫軸,以系統(tǒng)狀態(tài)為縱軸,圖1表示曲線可表示風(fēng)險(xiǎn)沖擊下交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能隨時(shí)間的變化情況.

圖1 系統(tǒng)韌性曲線

1.2 指標(biāo)選取

基于韌性理論,將高速公路突發(fā)事件應(yīng)急能力評(píng)估簡(jiǎn)化為對(duì)系統(tǒng)抵抗能力、適應(yīng)能力、恢復(fù)及優(yōu)化能力3個(gè)維度,其中抵抗能力即抵御風(fēng)險(xiǎn)、避免崩潰的能力,主要依靠事前日常維護(hù)管理預(yù)防;適應(yīng)能力指風(fēng)險(xiǎn)沖擊后,依靠系統(tǒng)監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、應(yīng)變以適應(yīng)環(huán)境,并加速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力;恢復(fù)優(yōu)化能力指遭受干擾后恢復(fù)到初始狀態(tài)的能力及從災(zāi)害經(jīng)歷中吸取教訓(xùn)、學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),并轉(zhuǎn)化為新的免疫力,可促進(jìn)新的發(fā)展的能力,經(jīng)過(guò)專家多輪論證[8-12],確定了影響應(yīng)急能力的因素作為應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo),指標(biāo)體系見(jiàn)表1所示.

表1 應(yīng)急能力評(píng)估指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)要點(diǎn)

2 總體評(píng)估模型

突發(fā)事件應(yīng)急能力評(píng)估過(guò)程存在諸多不確定性,既有關(guān)聯(lián)等級(jí)的劃分、指標(biāo)評(píng)價(jià)值的確定等導(dǎo)致的模糊問(wèn)題,也有多個(gè)指標(biāo)之間的相對(duì)權(quán)數(shù)判斷問(wèn)題. 常規(guī)評(píng)估方法會(huì)在某種程度上忽視評(píng)估過(guò)程的隨機(jī)和離散性,導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果與真實(shí)狀況有較大偏差. 并且以精確的數(shù)字來(lái)刻畫(huà)評(píng)估指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)之間的映射關(guān)系,還會(huì)進(jìn)一步忽略事物間的隨機(jī)性,從而使其失去模糊的本質(zhì). 云模型理論作為1種處理不確定性和模糊性的數(shù)學(xué)工具,可幫助我們更好地理解和描述這種不確定性和模糊性,通過(guò)引入期望、熵和超熵3個(gè)數(shù)字特征,可對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的隨機(jī)性、模糊性和離散性進(jìn)行量化表征,從而提高評(píng)估方法的精確性和可靠性,更好地應(yīng)對(duì)高速公路突發(fā)事件的復(fù)雜性和多樣性. 因此,本文建立基于云層次分析法的高速公路突發(fā)事件應(yīng)急能力評(píng)估模型,其步驟如下:

步驟1利用云模型修正層次分析法,從而獲取指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重參數(shù);

步驟2根據(jù)逆向云模型獲取指標(biāo)數(shù)字特征,正向云模型表示特征云圖;

步驟3通過(guò)高速公路突發(fā)事件應(yīng)急處置率確定評(píng)估等級(jí);

步驟4應(yīng)用微調(diào)合成算子運(yùn)算方法,得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,識(shí)別高速公路應(yīng)急能力等級(jí).

具體方法和步驟如圖2所示.

圖2 總體評(píng)估流程

2.1 云理論

云模型(Cloud Model)是由我國(guó)工程院院士李德毅教授在隨機(jī)數(shù)學(xué)、概率論和模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上提出的1種定性和定量轉(zhuǎn)換模型[13]. 通過(guò)3個(gè)數(shù)字特征來(lái)整體描述定性概念C,這3個(gè)特征包括期望Ex、熵En和超熵He. 具體含義如下:

期望Ex：代表云滴在論域U上的分布的數(shù)學(xué)期望.

熵En：一方面反映云滴的離散程度;另一方面確定了在論域空間中可被概念接受的云滴的確定度.

超熵He：表示在數(shù)域中代表數(shù)值的不確定度的集中程度,而在云模型中則反映為云圖的厚度和離散程度.

云發(fā)生器按功能分為正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器[14],其中正向云發(fā)生器以實(shí)現(xiàn)定性概念到定量數(shù)值的轉(zhuǎn)換,如圖3所示;逆向云發(fā)生器則實(shí)現(xiàn)從定量數(shù)值到定性概念的轉(zhuǎn)換,如圖4所示.

圖3 逆向云發(fā)生器

圖4 正向云發(fā)生器

2.2 云層次分析法

2.3 總體評(píng)估

通過(guò)引入微調(diào)合成算子計(jì)算基于改進(jìn)云模型的高速公路應(yīng)急能力等級(jí)評(píng)估結(jié)果,見(jiàn)式(1)～(3):

(1)

(2)

(3)

3 應(yīng)急能力評(píng)估等級(jí)

本文擬根據(jù)高速公路突發(fā)事件應(yīng)急響應(yīng)與處置能力確定本研究的應(yīng)急能力水平.選取全市高速公路近3 a內(nèi)發(fā)生的突發(fā)事件有效處置率角度評(píng)估突發(fā)事件應(yīng)急處置總體情況,即:

(4)

式中,η為突發(fā)事件有效處置率;N′為近3 a高速公路突發(fā)事件有效處置數(shù);N為近3 a高速公路突發(fā)事件數(shù).

在突發(fā)事件發(fā)生后,如果沒(méi)有造成嚴(yán)重影響(指道路阻斷超過(guò)6 h)、未造成3次以上的人員死亡,并且在事故調(diào)查中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)應(yīng)急處置責(zé)任的情況,那么可將該事件認(rèn)定為得到了有效處理. 通過(guò)對(duì)實(shí)際發(fā)生的緊急事件的有效處理率的計(jì)算,按照表2的方法,劃定突發(fā)事件應(yīng)急能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).

表2 應(yīng)急救援能力評(píng)估等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

利用正向隸屬云發(fā)生器獲得的突發(fā)事件下應(yīng)急能力評(píng)語(yǔ)集云模型圖如圖5所示.

圖5 應(yīng)急能力評(píng)語(yǔ)集云模型

4 算例分析

4.1 數(shù)據(jù)采集

以天津某高速路段為例,采用專家打分法進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集. 共邀請(qǐng)?jiān)u估專家7名,其中政府管理人員2名,高?？蒲腥藛T2名,應(yīng)急管理專家 3名,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)論證,并針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行打分.

由于所選的33項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)急能力等級(jí)的影響不同,因此要對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行賦權(quán),故將打分過(guò)程分為2輪,其中第1輪根據(jù)改進(jìn)層次分析法標(biāo)度規(guī)則進(jìn)行相對(duì)權(quán)重打分,并根據(jù)式(1)～(3)得到各風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)應(yīng)的權(quán)重集;第2輪則針對(duì)本研究對(duì)象,對(duì)各2級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)照應(yīng)急救援能力評(píng)估等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行打分,并依據(jù)各專家對(duì)指標(biāo)打分結(jié)果,利用逆向云發(fā)生器生成每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)價(jià)云,見(jiàn)表3所示.

表3 3級(jí)指標(biāo)權(quán)重云統(tǒng)計(jì)表

4.2 評(píng)估模型

根據(jù)專家打分云數(shù)字化處理后的結(jié)果,通過(guò)式(1)～(3),利用微調(diào)合成算子計(jì)算得出2級(jí)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的權(quán)重云數(shù)字特征以及各風(fēng)險(xiǎn)因素的云數(shù)字特征,見(jiàn)表4,其對(duì)應(yīng)云圖見(jiàn)圖6～8所示. 從云圖可知,抵抗能力,適應(yīng)能力均處于良等級(jí),但有部分云滴散落在優(yōu)級(jí);而恢復(fù)及優(yōu)化能力則處于中級(jí).

表4 2級(jí)指標(biāo)權(quán)重云統(tǒng)計(jì)表

圖6 抵抗能力評(píng)估云圖

圖7 適應(yīng)能力評(píng)估云圖

圖8 恢復(fù)及優(yōu)化能力評(píng)估云圖

最終,計(jì)算得到高速公路突發(fā)事件下應(yīng)急能力評(píng)估的云數(shù)字特征為(91.646,2.379,1.987),見(jiàn)表5所示,利用正向隸屬度云發(fā)生器獲得評(píng)估結(jié)果云圖見(jiàn)圖9所示.

表5 綜合云評(píng)估結(jié)果

圖9 總體能力評(píng)估云圖

基于云層次分析法的突發(fā)事件下高速公路應(yīng)急能力評(píng)估的期望值Ex=91.646,其對(duì)應(yīng)的評(píng)估等級(jí)為良,且從云形態(tài)的厚度和云滴離散度可知,云滴多集中于等級(jí)良內(nèi),少量云滴分布在優(yōu)區(qū)域,表明其突發(fā)事件應(yīng)急能力較強(qiáng),突發(fā)事件響應(yīng)基本及時(shí),處置有效. 針對(duì)評(píng)估過(guò)程中等級(jí)較低指標(biāo),企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)構(gòu)建應(yīng)急通訊和信息共享平臺(tái);依靠先進(jìn)的信息通訊技術(shù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)突發(fā)事件,有效實(shí)現(xiàn)信息傳遞和共享;提升事件調(diào)查及評(píng)估水平;發(fā)掘事件誘因,創(chuàng)新突發(fā)事件調(diào)查評(píng)估工作機(jī)制,從事件調(diào)查延伸到事件預(yù)防,從評(píng)估分析擴(kuò)展到預(yù)防總結(jié).

5 結(jié)束語(yǔ)

1)基于韌性理論,提出高速公路安全韌性概念,根據(jù)現(xiàn)有研究成果,以韌性吸收能力、抵抗能力、恢復(fù)能力和適應(yīng)能力表征為核心,從人員、設(shè)備、管理和環(huán)境4個(gè)方面選取 24個(gè)指標(biāo),建立高速公路應(yīng)急能力韌性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.

2)在傳統(tǒng)云模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),構(gòu)建云層次分析法,減少主管因素影響,利用突發(fā)事件有效處置率確定韌性等級(jí),以期望、熵、超熵3個(gè)數(shù)字特征表現(xiàn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的隨機(jī)性、模糊性和離散性,構(gòu)建基于云層次分析法的高速公路突發(fā)事件應(yīng)急能力評(píng)估模型.

3)利用云層次分析模型對(duì)天津市高速公路某路段的應(yīng)急能力進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明,該路段應(yīng)急能力水平為良好,針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果提出相應(yīng)的韌性提升措施.