耦合協(xié)調(diào)理論下綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究①

莊 麗，馬婷婷，劉蘭梅，陳 娜，劉 碩

(青島理工大學(xué)管理工程學(xué)院，山東 青島 266520)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)展，人們對于生活質(zhì)量的要求越來越高。城市規(guī)模逐步擴(kuò)大、人口密度逐步增加使得“馬路拉鏈”、“空中蜘蛛網(wǎng)”等問題亟待解決。綜合管廊憑借其自身特點(diǎn)成為提升人們生活質(zhì)量及市政管道建設(shè)信息化水平的重要舉措。但與發(fā)達(dá)國家相比，目前我國綜合管廊投入使用的數(shù)量有限，綜合管廊建設(shè)水平仍處于發(fā)展階段[1-2在運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與管理方面存在明顯不足。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者為提高綜合管廊運(yùn)維安全管理水平進(jìn)行了有益探索。Jang等[3]研究了綜合管廊中天然氣管道泄漏引起甲烷氣體爆炸和未知點(diǎn)火所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。葉曉東等[4]提出基于GIS分析的綜合管廊規(guī)劃布局定量評價(jià)體系，并結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證。目前，有關(guān)綜合管廊運(yùn)維安全管理研究領(lǐng)域的研究方法頗為豐富，主要集中在灰色聚類分析[5]、AHP[6]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]等，使得評價(jià)結(jié)果更加科學(xué)與客觀。綜合管廊安全事故的發(fā)生通常情況下并不是單一因素所導(dǎo)致，需要綜合考慮運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)多因素間交互耦合、協(xié)調(diào)作用等特征。運(yùn)用耦合協(xié)調(diào)理論能夠恰當(dāng)?shù)貜陌踩到y(tǒng)內(nèi)部多因素間彼此促進(jìn)與制約角度對綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行客觀評價(jià)。此外，熵權(quán)法能夠有效排除人為主觀因素所帶來的影響，能夠客觀賦權(quán)確定指標(biāo)權(quán)重。因此，本文基于耦合協(xié)調(diào)理論，構(gòu)建綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害的耦合協(xié)調(diào)評價(jià)模型，借助熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，并通過專家打分法對某城市綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行耦合協(xié)調(diào)評價(jià)，確定危險(xiǎn)性等級，以期對未來綜合管廊防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 耦合協(xié)調(diào)理論

傳統(tǒng)的安全事故致因理論只考慮單一因素對安全事故產(chǎn)生的不良影響，亦或是考慮多因素簡單疊加作用下對事故產(chǎn)生的不良影響。然而，考慮到綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素的復(fù)雜性，再用傳統(tǒng)安全事故致因理論分析則顯得不恰當(dāng)。

2個(gè)以上(含2個(gè))體系或運(yùn)動形式之間通過相互作用而彼此影響以致聯(lián)動起來的現(xiàn)象叫做耦合；2個(gè)以上(含2個(gè))體系或運(yùn)動形式朝著實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)良性作用的過程叫做協(xié)調(diào)[8]。從協(xié)同學(xué)的角度看，耦合作用及其協(xié)調(diào)程度決定了系統(tǒng)在達(dá)到臨界區(qū)域時(shí)走向何種序與結(jié)構(gòu)，即決定系統(tǒng)由無序走向有序的趨勢，將其運(yùn)用到風(fēng)險(xiǎn)中，即2個(gè)以上(含2個(gè))風(fēng)險(xiǎn)因素彼此影響而產(chǎn)生的結(jié)果。

1.2 熵權(quán)法權(quán)重計(jì)算

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法。熵值與信息成反比，熵值越小，說明指標(biāo)的變異程度大，提供的信息越多，在綜合評價(jià)中起到的作用越大，其權(quán)重也就越大；熵值越大，說明指標(biāo)的變異程度小，提供的信息越少，在綜合評價(jià)中起到的作用越小，其權(quán)重也就越小。熵權(quán)法的計(jì)算步驟：將數(shù)據(jù)形成原始數(shù)列矩陣標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算熵，最后確定熵權(quán)。

2 風(fēng)險(xiǎn)耦合協(xié)調(diào)危險(xiǎn)評價(jià)模型

2.1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

構(gòu)建綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)耦合協(xié)調(diào)危險(xiǎn)評價(jià)模型的原則就是采用科學(xué)的方法防災(zāi)減災(zāi)。依據(jù)這一原則，通過搜集查閱近幾年導(dǎo)致綜合管廊災(zāi)害頻發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)致因，并結(jié)合參考文獻(xiàn)[9]，本文將風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)劃分為自然災(zāi)害、人為災(zāi)害、技術(shù)災(zāi)害、附屬設(shè)施災(zāi)害4個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)涵蓋了3個(gè)影響因子，如表1所示。

表1 綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害影響因子

2.2 風(fēng)險(xiǎn)耦合協(xié)調(diào)危險(xiǎn)評價(jià)模型

在單獨(dú)考慮子系統(tǒng)對耦合系統(tǒng)的作用時(shí)，子系統(tǒng)對整個(gè)系統(tǒng)有序貢獻(xiàn)值計(jì)算公式為：

(1)

式中，ui為子系統(tǒng)的評價(jià)值，即子系統(tǒng)對整個(gè)系統(tǒng)有序度的貢獻(xiàn)值；uij為指標(biāo)評價(jià)值，即i子系統(tǒng)j指標(biāo)對系統(tǒng)有序度的貢獻(xiàn)值；λij為第i個(gè)子系統(tǒng)中第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

借助物理學(xué)領(lǐng)域中的耦合模型，可以分別確定2個(gè)及以上子系統(tǒng)的耦合度模型，見式2。

(2)

式中，C表示運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的耦合度，C∈(0,1)；m表示參與耦合的子系統(tǒng)個(gè)數(shù)；ui、uj表示不同子系統(tǒng)的評價(jià)值。

本文中涵蓋4個(gè)子系統(tǒng)，因此耦合度模型表達(dá)式為：

(3)

耦合度與各個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)同效應(yīng)有關(guān)，耦合度越高(C=1)，各子系統(tǒng)之間達(dá)到“良性”共振耦合，管廊的危險(xiǎn)性越高；耦合度越低(C=0)，各子系統(tǒng)之間互不影響處于無序狀態(tài)，管廊的危險(xiǎn)性越低，耦合度的大小僅表示各子系統(tǒng)內(nèi)部相互作用程度，具體劃分見表2。

表2 綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)耦合度劃分

相對于系統(tǒng)耦合度模型，耦合協(xié)調(diào)度模型更能直觀地反映內(nèi)部各子系統(tǒng)之間動態(tài)協(xié)調(diào)狀態(tài)的變化。因此，為了更精確地評價(jià)自然、人為、廊體自身、附屬設(shè)施災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素見耦合的協(xié)調(diào)程度，本文引入耦合協(xié)調(diào)度模型為：

(4)

式中，D表示運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)耦合協(xié)調(diào)度；T表示運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)子系統(tǒng)之間的綜合協(xié)調(diào)評價(jià)指數(shù)；αi(i=1,2,3,4)表示各子系統(tǒng)的熵權(quán)系數(shù)。本文中默認(rèn)每個(gè)子系統(tǒng)都具有同等的重要性，子系統(tǒng)之間耦合時(shí)αi均取0.5。

耦合協(xié)調(diào)度反映各子系統(tǒng)朝著系統(tǒng)共同目標(biāo)演進(jìn)協(xié)調(diào)程度的高低，其值在[0,1]范圍內(nèi)，值越大越協(xié)調(diào)，反之不協(xié)調(diào)。依據(jù)耦合協(xié)調(diào)度將綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)耦合協(xié)調(diào)類型與危險(xiǎn)性等級進(jìn)行劃分，見表3。

表3 綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)耦合協(xié)調(diào)類型與危險(xiǎn)性等級劃分

熵權(quán)法能夠有效排除人為主觀因素所帶來的影響，能夠客觀賦權(quán)確定指標(biāo)權(quán)重。本文借助熵權(quán)法求得各指標(biāo)客觀權(quán)重，具體步驟為：

1)計(jì)算第i個(gè)子系統(tǒng)第j個(gè)指標(biāo)值所得的權(quán)重Pij

(5)

2)計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵值ej

(6)

3)計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)ωj

(7)

3 算例分析

某城市地下綜合管廊鋪設(shè)面積約13km，在使用過程中偶有事故發(fā)生。本文針對此類問題，邀請10為業(yè)內(nèi)專家依據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)對該城市地下綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)因素各層次指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級打分，將風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為[1,10]。按照熵權(quán)法步驟中公式(5)～(7)求取各指標(biāo)客觀權(quán)重，結(jié)果見表4。

表4 綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系及各指標(biāo)權(quán)重

綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)耦合協(xié)調(diào)評價(jià)分為4個(gè)子系統(tǒng)，其中每個(gè)子系統(tǒng)涵蓋3個(gè)指標(biāo)，根據(jù)公式(1)計(jì)算出每個(gè)子系統(tǒng)的評價(jià)值，將每個(gè)子系統(tǒng)的評價(jià)值帶入系統(tǒng)耦合度模型中，發(fā)現(xiàn)基于自然、人為、廊體自身、附屬設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)共同作用情況下導(dǎo)致該城市地下綜合管廊運(yùn)維階段發(fā)生災(zāi)害的耦合度C僅為0.02，即4種災(zāi)害耦合時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部相互作用程度極弱，互相影響效果極不明顯。因此，本文利用上述所構(gòu)建的模型中公式(3)～(4)分別計(jì)算出綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)兩兩之間的耦合度、綜合協(xié)調(diào)指數(shù)和耦合協(xié)調(diào)度，進(jìn)一步確定危險(xiǎn)性等級，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 雙災(zāi)耦合綜合協(xié)調(diào)指數(shù)與耦合協(xié)調(diào)度

表5顯示出綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害兩兩耦合所得到的耦合度、綜合協(xié)調(diào)評價(jià)指數(shù)、耦合協(xié)調(diào)度，以及由此得出耦合協(xié)調(diào)類型與危險(xiǎn)性等級。災(zāi)害兩兩耦合的耦合度差距較小，集中在[0.5,0.8]取值范圍內(nèi)，中級耦合類型下2子系統(tǒng)內(nèi)部相互作用較強(qiáng)。災(zāi)害兩兩耦合的耦合協(xié)調(diào)度波動幅度較小，集中在[0.6,0.8)、[0.8,1]取值范圍內(nèi)，當(dāng)C與D兩個(gè)子系統(tǒng)耦合時(shí)，耦合協(xié)調(diào)程度為優(yōu)級，對應(yīng)的危險(xiǎn)性等級為極危險(xiǎn)；其它5組情況耦合協(xié)調(diào)程度為良級，對應(yīng)的危險(xiǎn)性等級為較危險(xiǎn)。

4 結(jié) 語

(1)將綜合管廊運(yùn)維災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分為自然災(zāi)害、人為災(zāi)害、廊體自身災(zāi)害、附屬設(shè)施災(zāi)害4個(gè)子系統(tǒng)，借助耦合協(xié)調(diào)理論探尋其內(nèi)部相互作用、共同演進(jìn)機(jī)理，對綜合管廊兩兩災(zāi)害耦合危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測評價(jià)。

(2)算例結(jié)果表明，耦合協(xié)調(diào)度與危險(xiǎn)性等級具有良好的一致性，高耦合協(xié)調(diào)度對應(yīng)高危險(xiǎn)性，低耦合協(xié)調(diào)度對應(yīng)低危險(xiǎn)性；此外，A與C耦合度較低而耦合協(xié)調(diào)度較高，表明耦合度較低時(shí)，綜合管廊災(zāi)害發(fā)生的可能性或偏高，需要重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測和防護(hù)。

(3)通過主客觀結(jié)合賦權(quán)方法提高權(quán)重的合理性，使評價(jià)結(jié)果更具有現(xiàn)實(shí)意義。