秦 健 袁 媛
(1.重慶市防雷中心,401147,重慶;2.重慶市雷電災(zāi)害鑒定與防御工程技術(shù)研究中心,401147,重慶;3.重慶大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院,400045,重慶∥第一作者,工程師)
我國城市軌道交通建設(shè)較發(fā)達(dá)國家起步較晚,人員意識(shí)、設(shè)備技術(shù)和安全管理等方面都存在一些薄弱環(huán)節(jié)。雖然地鐵系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、封閉的系統(tǒng),但電氣設(shè)備、供電系統(tǒng)和電子系統(tǒng)等的耐受雷電壓能力弱,一旦因雷電災(zāi)害造成地鐵故障,會(huì)引起較大的社會(huì)影響,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
文獻(xiàn)[1]等對(duì)城市軌道交通工程安全預(yù)評(píng)價(jià)、試運(yùn)營前安全評(píng)價(jià)、安全驗(yàn)收評(píng)價(jià)及運(yùn)營安全現(xiàn)狀評(píng)價(jià)工作的主要內(nèi)容及評(píng)價(jià)重點(diǎn)進(jìn)行了分析研究,文獻(xiàn)[2]等分析了城市軌道交通在建設(shè)及運(yùn)營過程中存在的各種危險(xiǎn)因素,文獻(xiàn)[3]等對(duì)地鐵施工安全進(jìn)行了評(píng)價(jià)。雷電災(zāi)害可能導(dǎo)致地鐵發(fā)生嚴(yán)重的事故,防雷安全問題已成為保障地鐵安全運(yùn)營的重要一環(huán),有必要對(duì)地鐵的防雷安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。地鐵系統(tǒng)防雷安全評(píng)價(jià)是以實(shí)現(xiàn)地鐵防雷安全為目的,辨識(shí)與分析系統(tǒng)中的危險(xiǎn)有害因素,并評(píng)價(jià)其安全易損性程度[4],這對(duì)于最大程度地減少、預(yù)防雷電災(zāi)害事故,保障地鐵安全運(yùn)營具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
地鐵防雷安全涉及面廣,影響因素較多,通過整理和分析相關(guān)文獻(xiàn)[5-8],建立了防雷安全措施、防雷安全管理、設(shè)備因素和自然因素4個(gè)主因素及19個(gè)子因素組成的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見圖1),指標(biāo)體系較為全面地涵蓋了影響地鐵防雷安全的因素。
按照新建、改建、擴(kuò)建工程項(xiàng)目防雷設(shè)施“三同時(shí)”原則,防雷安全措施主要包括項(xiàng)目選址的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防雷裝置設(shè)計(jì)、防雷裝置施工、防雷系統(tǒng)運(yùn)行情況以及雷電災(zāi)害預(yù)警信息的接收。安全措施貫穿了項(xiàng)目的整個(gè)施工過程,其中某個(gè)環(huán)節(jié)留下不安全因素和事故隱患,在地鐵運(yùn)營過程中就可能釀成防雷安全事故。
圖1 地鐵防雷安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖
防雷安全管理因素主要包括:規(guī)范、完備的安全管理組織和規(guī)章制度,落實(shí)到個(gè)人的安全管理責(zé)任制,發(fā)生雷電災(zāi)害突發(fā)事故時(shí)的應(yīng)急預(yù)案體系[9],按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求開展防雷裝置檢查及定期對(duì)有關(guān)人員開展防雷安全教育與技術(shù)培訓(xùn)。
地鐵系統(tǒng)的設(shè)備因素主要包括車輛系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、通風(fēng)/排煙系統(tǒng)、給/排水系統(tǒng)、通信/信號(hào)系統(tǒng)等,這些系統(tǒng)在運(yùn)行過程中都可能存在一定的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。車輛在運(yùn)營過程中可能存在列車失控、列車脫軌、列車相撞以及車內(nèi)各種設(shè)施故障等危險(xiǎn)因素;地鐵接觸網(wǎng)接觸網(wǎng)斷線或絕緣子損壞,接觸到金屬結(jié)構(gòu)物就會(huì)使其帶電,危及人身安全[10];通風(fēng)系統(tǒng)無法正常工作,當(dāng)?shù)罔F發(fā)生火災(zāi),積聚的高溫濃煙很難自然排除,嚴(yán)重威脅人員的生命安全[11];給/排水系統(tǒng)不運(yùn)轉(zhuǎn),將無法排放侵入的地表水;通信/信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障,不能保證各種行車信息及控制信息可靠傳輸。
自然因素是影響雷電災(zāi)害事故的重要因素,包括氣象因素、地理地質(zhì)因素和土壤因素等[12]。致災(zāi)因子雷電屬于強(qiáng)對(duì)流天氣的一種。重慶特殊的氣象環(huán)境導(dǎo)致它成為全國高雷暴地區(qū)之一,每年的雷暴日多達(dá)51 d,一年中各月均有雷電發(fā)生,雷電的時(shí)空分布特征很大程度上決定了雷電災(zāi)害發(fā)生的概率和后果。重慶轄區(qū)以丘陵、山地為主,坡地面積較大,丘陵地帶的地形抬升是造成雷電災(zāi)害事故多發(fā)的原因之一。不同土壤類型有不同的土壤電阻率,它影響雷電流散流的效果。
模糊綜合評(píng)價(jià)法是建立在模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上的一種預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)方法,它適合于將某些不易定量的因素定量化,解決那些只能用模糊的、非定量的、難以明確定義的實(shí)際問題。在確定評(píng)價(jià)因素、因子的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)值的基礎(chǔ)上,運(yùn)用模糊集合變換原理,以隸屬度描述各因素及因子的模糊界線,構(gòu)造模糊評(píng)價(jià)矩陣,通過多層復(fù)合運(yùn)算,最終確定評(píng)價(jià)對(duì)象所屬等級(jí)[13-14]。
評(píng)價(jià)工作中,各評(píng)價(jià)因素的重要程度往往是不相同的,為此需要確定各因素集的模糊權(quán)重。本文采用層次分析法確定各因素權(quán)重。根據(jù)建立的防雷安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)造判斷矩陣,計(jì)算最大特征根及對(duì)應(yīng)特征向量并做一致性檢驗(yàn),通過檢驗(yàn)的特征向量作為指標(biāo)權(quán)重值。
評(píng)價(jià)集是評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的各種評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合,通常用評(píng)價(jià)集V={v1,v2,…,vm}表示。可以根據(jù)實(shí)際情況,用不同的等級(jí)、評(píng)語或數(shù)字來表示評(píng)價(jià)因素對(duì)地鐵防雷安全影響程度大小,具體評(píng)價(jià)集為V={高易損性/1級(jí),次高易損性/2級(jí),中易損性/3級(jí),低易損性/4級(jí)}。
利用專家評(píng)分法確定單因素對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬度,建立模糊評(píng)價(jià)矩陣R。先由業(yè)內(nèi)專家填寫評(píng)價(jià)卡,根據(jù)所評(píng)因素的具體情況,給出相應(yīng)的等級(jí);然后統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)情況,列出評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表;由評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表求出各因素屬于不同等級(jí)評(píng)語的隸屬度,建立模糊評(píng)價(jià)矩陣Ri[15]。
利用模糊評(píng)價(jià)矩陣R和權(quán)重集A,通過模糊變換將U上的模糊向量A變?yōu)閂上的模糊向量B,即得到綜合評(píng)價(jià)模型:
其中,“?”是模糊算子,這里采用“乘與和”算子。
將模糊集B歸一化處理,得到B′=(b′1,b′2,…,b′n),其中常用的易損等級(jí)判定方法時(shí)按照最大隸屬度原則,根據(jù)其在評(píng)價(jià)集中所處等級(jí)取得評(píng)價(jià)等級(jí)。但是,該方法不能充分利用模糊集B所帶來的所有信息。這里采用加權(quán)和對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行處理,已達(dá)到更真實(shí)地反應(yīng)評(píng)價(jià)對(duì)象的易損性等級(jí)的目的。加權(quán)和模式如下16:
式中:
H——受災(zāi)體易損性指數(shù);
j——評(píng)價(jià)因子評(píng)價(jià)級(jí)別;
b′j——?dú)w一化的模糊集B′向量。
應(yīng)用上述模型對(duì)重慶某地鐵線的防雷安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
利用層次分析法確定權(quán)重。邀請(qǐng)地鐵行業(yè)相關(guān)單位和防雷技術(shù)機(jī)構(gòu)的多位專家,根據(jù)地鐵防雷安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,對(duì)各指標(biāo)的重要性進(jìn)行打分;然后對(duì)所打的分值進(jìn)行歸一化處理后構(gòu)造判斷矩陣,采用和法計(jì)算最大特征根及對(duì)應(yīng)特征向量,并對(duì)計(jì)算結(jié)果利用一致性指標(biāo)為特征根的最大值;n為向量個(gè)數(shù))、隨機(jī)一致性指標(biāo)IR(查表得到)和一致性比率做一致性檢驗(yàn),以判斷不一致程度是否在容許范圍0.1內(nèi);如在容許范圍內(nèi),則認(rèn)為判斷矩陣賦值是合理的,否則需要重新進(jìn)行成對(duì)比較。計(jì)算結(jié)果見表1~表5。
表1 主因素層Ui對(duì)目標(biāo)層U的判斷矩陣及權(quán)重(i=1,2,3,4)
表2 子因素層u1j對(duì)準(zhǔn)則層U1的判斷矩陣及權(quán)重(j=1,2,3,4,5)
表3 子因素層u2j對(duì)準(zhǔn)則層U2的判斷矩陣及權(quán)重(j=1,2,3,4,5,6)
表4 子因素層u3j對(duì)準(zhǔn)則層U3的判斷矩陣及權(quán)重(j=1,2,3,4,5)
表5 子因素層u4j對(duì)準(zhǔn)則層U4的判斷矩陣及權(quán)重(j=1,2,3)
利用專家評(píng)分法。咨詢了10位專家,根據(jù)劃分的4個(gè)等級(jí)分別對(duì)圖1的子因素進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表6。專家評(píng)價(jià)后,分別計(jì)算各子因素的隸屬度,構(gòu)造模糊評(píng)價(jià)矩陣。以u(píng)11為例,10名專家中沒有人認(rèn)為是“高易損性”,1人認(rèn)為是“次高易損性”,4人認(rèn)為是“中易損性”,5人認(rèn)為是“低易損性”,則對(duì)u11的評(píng)價(jià)為(0.0,0.1,0.4,0.5)。同理可得到其它因素的隸屬度,則防雷安全措施U1各子因素評(píng)價(jià)矩陣為:
表6 評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
防雷安全管理U2各子因素評(píng)價(jià)矩陣為:
設(shè)備因素U3各子因素評(píng)價(jià)矩陣為:
自然因素U4各子因素評(píng)價(jià)矩陣為:
首先從最低層開始進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)算法依據(jù)模糊運(yùn)算公式B=A?R進(jìn)行,得到各個(gè)指標(biāo)的二級(jí)模糊評(píng)價(jià)向量,再根據(jù)二級(jí)模糊運(yùn)算結(jié)果和一級(jí)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行一級(jí)模糊綜合運(yùn)算。
3.3.1 第二層模糊評(píng)價(jià)
同理,可得B2=A2?R2= (0.247 5,0.258 4,0.323 0,0.178 2),B3=A3?R3=(0.224 3,0.260 7,0.304 0,0.211 1),B4=A4?R4=(0.345 5,0.229 7,0.275 7,0.149 0)。
將B1、B2、B3、B4分別歸一化得:B′1= (0.135 2,0.376 0,0.245 1,0.243 8),B′2=(0.247 5,0.258 4,0.323 0,0.178 2),B′3=(0.224 3,0.260 7,0.304 0,0.211 1),B′4=(0.345 5,0.229 7,0.275 7,0.149 0)。
3.3.2 第一層模糊評(píng)價(jià)
將B進(jìn)行歸一化,得B′=(0.284 2,0.257 0,0.282 1,0.177 0)。
根據(jù)式(3)計(jì)算得到地鐵雷電易損性指數(shù)H=2.350 6,它的數(shù)值接近2,所以判斷易損性等級(jí)為2級(jí),屬于次高易損性,偏向于高易損性。
本文通過合理選取地鐵防雷安全評(píng)價(jià)影響因素建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用層次分析法確定了指標(biāo)權(quán)重集;然后利用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)地鐵防雷安全易損性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià);最后根據(jù)加權(quán)和原則確定了重慶某地鐵線的防雷安全易損性等級(jí)為2級(jí),屬于次高易損性,需要采取安全、合理的雷電防護(hù)措施,以降低地鐵運(yùn)營過程中存在的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。
[1]何理,鐘茂華,史聰靈,等.城市軌道交通安全評(píng)價(jià)體系研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2009,5(6):128.
[2]王卓,達(dá)瓦,賈利民,等.城市軌道交通危險(xiǎn)因素分析與評(píng)價(jià)[J].世界科技研究與發(fā)展,2009,31(5):901.
[3]鮑學(xué)英,王起才,宮文昌.基于模糊層次分析法的地鐵工程施工安全評(píng)價(jià)[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2013,9(1):136.
[4]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ8001—2007安全評(píng)價(jià)通則[S].
[5]郭金玉,張忠彬,孫慶云.層次分析法在安全科學(xué)研究中的應(yīng)用[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2008,4(2):69.
[6]何理,鐘茂華,鄧云峰.城市軌道交通危險(xiǎn)因素分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2005,1(3):25.
[7]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.AQ8004—2007城市軌道交通安全預(yù)評(píng)價(jià)細(xì)則[S].
[8]GB50299—1999地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].
[9]Kautz R L.Chaos in Josephson circuits[J].IEEE Trans Magn,1983,19(3):465.
[10]鄭志敏,趙相相,周孝清.利用地鐵區(qū)間隧道向聯(lián)絡(luò)通道排煙的可行性研究[J].暖通空調(diào),2005,35(12):68.
[11]史聰靈,鐘茂華,涂旭煒,等.深埋地鐵島式站點(diǎn)火災(zāi)模型實(shí)驗(yàn)研究(2)——列車火災(zāi)[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2006,2(2):14.
[12]李家啟,申雙和,秦健,等.重慶市雷電災(zāi)害易損性風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估與區(qū)劃[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,33(1):96.
[13]黃崇福,王家鼎.模糊數(shù)學(xué)信息分析與應(yīng)用[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,1992:18.
[14]楊倫標(biāo),高英儀,凌衛(wèi)新.模糊數(shù)學(xué)原理及其應(yīng)用[M].5版.廣州:華南理工大學(xué)出版社,2006.
[15]宋曉莉,余靜,孫海傳,等.模糊綜合評(píng)價(jià)法在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(12-3):71.
[16]熊德國,鮮學(xué)福.模糊綜合評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,26(6):93.
[17]劉云.軌道交通工程施工現(xiàn)場(chǎng)安全模糊綜合評(píng)價(jià)[J].城市軌道交通研究,2012(4):73.