韌性視角下的高速公路突發(fā)事件應急能力評估研究

王冠妍, 孫 健, 王緒亭, 紀柯柯, 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)高速公路有限責任公司, 成都 610041;3.武漢理工大學安全科學與應急管理學院, 武漢 430074; 4.天津高速公路集團有限公司, 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. 當路網(wǎng)系統(tǒng)受到惡劣天氣、地理條件等外界因素影響時,運行狀態(tài)極易受到干擾,一旦發(fā)生突發(fā)事件,后果不堪設想,且隨著救援時間的延長、處置措施的不當,后果嚴重性會成倍增長,對相關運營部門應急管理能力是一項巨大考驗. 隨著高速公路路網(wǎng)的日益完善,如何科學評估路網(wǎng)在突發(fā)事件下的應急能力水平,受到學界和行業(yè)管理部門的高度關注.

應急能力建設是高速公路交通突發(fā)事件應急體系建設的核心,在《“十四五”國家應急體系規(guī)劃》《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》這些國家級指導性文件中突出強調“加強應急保障能力建設”. 應急能力評估作為應急管理工作的重要部分,全面、合理地評估指標體系與科學、客觀的評估方法,將直接影響評估結果的可靠性. 自20世紀 60年代以來,國外學者在安全評價方法上展開了不斷的研究,具體可分為定量和定性方法2類,其中定性的如預先危險性分析法(PHA),故障類型和影響分析法(FMEA)等;定量的方法包括道化學公司法(DOW),單元危險性快速排序法等[1]. 但是,在對一些帶有模糊性質的定性指標進行分析時,由于對數(shù)據(jù)的處理比較單一,因而不能很好地對其進行定量處理. 隨著模糊數(shù)學的不斷發(fā)展,模糊理論很好地解決了定性指標難量化的難題.

高速公路突發(fā)事件應急保障是1個涵蓋預防、準備、響應、恢復等工作的多層次系統(tǒng)過程,該過程中的各要素相互關聯(lián)、相互制約、相互影響. 國內外學者在高速公路突發(fā)事件應急能力評估研究中多基于突發(fā)事件應急管理理論,構建指標體系,開展評估工作. 張建軍等[2]提出了針對公路交通突發(fā)事件應急能力的評估體系. 該評估體系涵蓋了日常、事前、事中和事后4個維度,并詳細說明了各指標的具體評估內容. 楊雪等[3]基于事前預防、事中控制和事后應對3個過程建立評價指標體系,并運用云模型對河南省高速公路突發(fā)事件應急管理能力進行評價. 戢曉峰等[4]從吸收能力、適應能力、恢復能力 3個方面構建高速公路韌性評估模型. 該類研究從事故發(fā)生的周期過程構建相應指標,具有很好的借鑒意義,但評估指標沒能很好地涵蓋突發(fā)事件發(fā)生、發(fā)展、處置、消失、恢復的全過程,評估方法難以有效處理定性指標的模糊性和評價過程的隨機性. 而“韌性”作為表示系統(tǒng)在發(fā)生擾動后能恢復到正常狀態(tài)的能力,可更全面地反應事故發(fā)展的全過程.

本研究以突發(fā)事件全生命周期作為評估對象,考慮各單元之間的關聯(lián)性,引入“韌性”的概念,充分表征系統(tǒng)動態(tài)行為和狀態(tài),以天津高速為例,構建基于云層次分析法的應急能力評估模型,以期望、熵、超熵3個數(shù)字特征表現(xiàn)評估系統(tǒng)的隨機性、模糊性和離散性,進而指導應急能力建設,有效防控重特大事故風險.

1 評估指標體系構建

1.1 交通網(wǎng)絡系統(tǒng)韌性

系統(tǒng)韌性是系統(tǒng)面對干擾能有準備地控制損失、快速修復和自主治理的能力. 它強調整個過程承受能力,并利用動態(tài)響應曲線來定義指標[5]. 交通網(wǎng)絡系統(tǒng)韌性是交通網(wǎng)絡的1種屬性,指系統(tǒng)抵抗、適應、吸收中斷后果維持正常功能水平,并從沖擊中恢復的能力[6-7]. 韌性應急能力主要體現(xiàn)在對突發(fā)事件的系統(tǒng)要素和應急行為主體之間的有機組合的響應和處置能力上,其結果是減少突發(fā)事件帶來的影響,并提高路網(wǎng)的恢復能力. 以時間作為橫軸,以系統(tǒng)狀態(tài)為縱軸,圖1表示曲線可表示風險沖擊下交通網(wǎng)絡系統(tǒng)功能隨時間的變化情況.

圖1 系統(tǒng)韌性曲線

1.2 指標選取

基于韌性理論,將高速公路突發(fā)事件應急能力評估簡化為對系統(tǒng)抵抗能力、適應能力、恢復及優(yōu)化能力3個維度,其中抵抗能力即抵御風險、避免崩潰的能力,主要依靠事前日常維護管理預防;適應能力指風險沖擊后,依靠系統(tǒng)監(jiān)測預警、應急響應、應變以適應環(huán)境,并加速恢復到穩(wěn)定狀態(tài)的能力;恢復優(yōu)化能力指遭受干擾后恢復到初始狀態(tài)的能力及從災害經(jīng)歷中吸取教訓、學習經(jīng)驗,并轉化為新的免疫力,可促進新的發(fā)展的能力,經(jīng)過專家多輪論證[8-12],確定了影響應急能力的因素作為應急能力評估指標,指標體系見表1所示.

表1 應急能力評估指標體系及評價要點

2 總體評估模型

突發(fā)事件應急能力評估過程存在諸多不確定性,既有關聯(lián)等級的劃分、指標評價值的確定等導致的模糊問題,也有多個指標之間的相對權數(shù)判斷問題. 常規(guī)評估方法會在某種程度上忽視評估過程的隨機和離散性,導致評估結果與真實狀況有較大偏差. 并且以精確的數(shù)字來刻畫評估指標與風險等級之間的映射關系,還會進一步忽略事物間的隨機性,從而使其失去模糊的本質. 云模型理論作為1種處理不確定性和模糊性的數(shù)學工具,可幫助我們更好地理解和描述這種不確定性和模糊性,通過引入期望、熵和超熵3個數(shù)字特征,可對評價系統(tǒng)的隨機性、模糊性和離散性進行量化表征,從而提高評估方法的精確性和可靠性,更好地應對高速公路突發(fā)事件的復雜性和多樣性. 因此,本文建立基于云層次分析法的高速公路突發(fā)事件應急能力評估模型,其步驟如下:

步驟1利用云模型修正層次分析法,從而獲取指標相應權重參數(shù);

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

步驟3通過高速公路突發(fā)事件應急處置率確定評估等級;

步驟4應用微調合成算子運算方法,得到綜合評價結果,識別高速公路應急能力等級.

具體方法和步驟如圖2所示.

圖2 總體評估流程

2.1 云理論

云模型(Cloud Model)是由我國工程院院士李德毅教授在隨機數(shù)學、概率論和模糊數(shù)學的基礎上提出的1種定性和定量轉換模型[13]. 通過3個數(shù)字特征來整體描述定性概念C,這3個特征包括期望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)生器以實現(xiàn)定性概念到定量數(shù)值的轉換,如圖3所示;逆向云發(fā)生器則實現(xiàn)從定量數(shù)值到定性概念的轉換,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 總體評估

通過引入微調合成算子計算基于改進云模型的高速公路應急能力等級評估結果,見式(1)～(3):

(1)

(2)

(3)

3 應急能力評估等級

本文擬根據(jù)高速公路突發(fā)事件應急響應與處置能力確定本研究的應急能力水平.選取全市高速公路近3 a內發(fā)生的突發(fā)事件有效處置率角度評估突發(fā)事件應急處置總體情況,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,如果沒有造成嚴重影響(指道路阻斷超過6 h)、未造成3次以上的人員死亡,并且在事故調查中沒有發(fā)現(xiàn)應急處置責任的情況,那么可將該事件認定為得到了有效處理. 通過對實際發(fā)生的緊急事件的有效處理率的計算,按照表2的方法,劃定突發(fā)事件應急能力評價標準.

表2 應急救援能力評估等級劃分標準

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

圖5 應急能力評語集云模型

4 算例分析

4.1 數(shù)據(jù)采集

以天津某高速路段為例,采用專家打分法進行相關數(shù)據(jù)采集. 共邀請評估專家7名,其中政府管理人員2名,高?？蒲腥藛T2名,應急管理專家 3名,進行現(xiàn)場論證,并針對風險因素進行打分.

由于所選的33項評估指標對應急能力等級的影響不同,因此要對每個風險因素進行賦權,故將打分過程分為2輪,其中第1輪根據(jù)改進層次分析法標度規(guī)則進行相對權重打分,并根據(jù)式(1)～(3)得到各風險因素對應的權重集;第2輪則針對本研究對象,對各2級風險因素對照應急救援能力評估等級劃分標準進行打分,并依據(jù)各專家對指標打分結果,利用逆向云發(fā)生器生成每個風險因素的評價云,見表3所示.

表3 3級指標權重云統(tǒng)計表

4.2 評估模型

根據(jù)專家打分云數(shù)字化處理后的結果,通過式(1)～(3),利用微調合成算子計算得出2級指標所對應的權重云數(shù)字特征以及各風險因素的云數(shù)字特征,見表4,其對應云圖見圖6～8所示. 從云圖可知,抵抗能力,適應能力均處于良等級,但有部分云滴散落在優(yōu)級;而恢復及優(yōu)化能力則處于中級.

表4 2級指標權重云統(tǒng)計表

圖6 抵抗能力評估云圖

圖7 適應能力評估云圖

圖8 恢復及優(yōu)化能力評估云圖

最終,計算得到高速公路突發(fā)事件下應急能力評估的云數(shù)字特征為(91.646,2.379,1.987),見表5所示,利用正向隸屬度云發(fā)生器獲得評估結果云圖見圖9所示.

表5 綜合云評估結果

圖9 總體能力評估云圖

基于云層次分析法的突發(fā)事件下高速公路應急能力評估的期望值Ex=91.646,其對應的評估等級為良,且從云形態(tài)的厚度和云滴離散度可知,云滴多集中于等級良內,少量云滴分布在優(yōu)區(qū)域,表明其突發(fā)事件應急能力較強,突發(fā)事件響應基本及時,處置有效. 針對評估過程中等級較低指標,企業(yè)應該加強構建應急通訊和信息共享平臺;依靠先進的信息通訊技術,及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)事件,有效實現(xiàn)信息傳遞和共享;提升事件調查及評估水平;發(fā)掘事件誘因,創(chuàng)新突發(fā)事件調查評估工作機制,從事件調查延伸到事件預防,從評估分析擴展到預防總結.

5 結束語

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、恢復能力和適應能力表征為核心,從人員、設備、管理和環(huán)境4個方面選取 24個指標,建立高速公路應急能力韌性評價指標體系.

2)在傳統(tǒng)云模型的基礎上進行改進,構建云層次分析法,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,以期望、熵、超熵3個數(shù)字特征表現(xiàn)評價系統(tǒng)的隨機性、模糊性和離散性,構建基于云層次分析法的高速公路突發(fā)事件應急能力評估模型.

3)利用云層次分析模型對天津市高速公路某路段的應急能力進行評估,結果表明,該路段應急能力水平為良好,針對評價結果提出相應的韌性提升措施.