基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法的高速公路應(yīng)急預(yù)案評估

王順豪， 萬瑛瑩, 彭 引

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-10-13

近年來，我國的高速公路網(wǎng)正在快速建設(shè)，但是基本上都處于建設(shè)和運(yùn)營的前期，而且有著較為嚴(yán)峻的安全問題，單位里程事故指標(biāo)率和發(fā)達(dá)國家比起來顯得偏高，這是因為缺乏有關(guān)規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營方面的理論研究[1]。

因為高速公路事故都是突發(fā)性的，多數(shù)包含偶然性、突然性、破壞性強(qiáng)等特點，當(dāng)沒有相對應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案時通常會引發(fā)更大的人員傷亡，所以高速公路應(yīng)急救援預(yù)案評估作為高速公路應(yīng)急管理體系研究的重要組成部分，已經(jīng)得到了眾多學(xué)者的重視。通過評估預(yù)案，我們可以在全方位檢查預(yù)案建立質(zhì)量，實施和效果的過程中形成反饋，提出有針對性的審查和調(diào)整規(guī)劃的建議，來提高預(yù)案科學(xué)性和操作性。

實用性條款的匱乏對于應(yīng)急預(yù)案的評價，標(biāo)準(zhǔn)也沒有統(tǒng)一，學(xué)術(shù)理解大多不一樣，評估相對混亂[2]。模糊綜合評價法、AHP法、能效系數(shù)法等方法是現(xiàn)在常用的預(yù)案評估方法。通過分析有用預(yù)案包含的因素以及突發(fā)事故的特點，覃燕紅在論文中準(zhǔn)確評估了應(yīng)急預(yù)案的有效性[3]。禹竹蕊從三個方面闡述了預(yù)案綜合評估，分別是動態(tài)綜合評估的實質(zhì)性步驟、根本原則與關(guān)鍵內(nèi)容還有指標(biāo)[2]。張強(qiáng)、郭子雪在進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案評估時采用了直覺模糊集和TOPSIS法[4]。池宏、于瑛英、高敏剛在表示應(yīng)急預(yù)案時采用了網(wǎng)絡(luò)計劃方法，并利用關(guān)于資源保障率的新觀點在缺乏所有來源時評價，還提出了分別在運(yùn)行應(yīng)急預(yù)案的前后進(jìn)行評估[5]。

本文在考慮到高速公路應(yīng)急預(yù)案的指標(biāo)之間是一個相互影響、互相依存的一個循環(huán)系統(tǒng)，而不是相對獨(dú)立的，提出了基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)高速公路應(yīng)急預(yù)案評估模型，并利用超級決策(Super Decisions)軟件程序化ANP理論計算，提供依據(jù)來減少單位里程事故率并提升救援能力。

1 基于ANP高速公路應(yīng)急預(yù)案模型

1.1 評價模型的建立

網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)是更加有效、靠近實際的評估方法，能比較精確地形容關(guān)于客觀事物之間的關(guān)系。系統(tǒng)指標(biāo)元素在ANP結(jié)構(gòu)圖中將會被劃成兩部分。第一，包含目的以及決策準(zhǔn)則，稱為控制元素層。在這層中，目標(biāo)元素支配所有的被認(rèn)定為沒有相互聯(lián)系的決策準(zhǔn)則。第二，網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由全部受控制層支配且相互影響的元素組成[6]。如圖1所示是一個典型的ANP結(jié)構(gòu)圖。

圖1 ANP的典型結(jié)構(gòu)

1.2 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

政府和管理部門為預(yù)防和控制突發(fā)事故，在基于事故種類、重大傷害的認(rèn)識度、產(chǎn)生的幾率以及關(guān)聯(lián)程度而提前建立的一項處理計劃就叫做應(yīng)急預(yù)案。所以應(yīng)急救援的全面性和及時性將受到應(yīng)急預(yù)案的直接影響。

指標(biāo)體系是存在內(nèi)部聯(lián)系、互相補(bǔ)充的一套指標(biāo)集合，能夠全方位的反映高速公路應(yīng)急預(yù)案特點。高速公路應(yīng)急預(yù)案評價的成功關(guān)鍵是應(yīng)急預(yù)案的科學(xué)編制。本文在既有研究的根本上，從救援處置時效性、救援方案完備性、救援責(zé)任明確性以及可操作性等四個方面對高速公路應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行評估，形成網(wǎng)絡(luò)層次的關(guān)鍵過程層(即準(zhǔn)則層，為一級指標(biāo))?？刂茖佑梢患壷笜?biāo)和目標(biāo)層構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)層則由18個相互影響的二級指標(biāo)構(gòu)成，基于ANP的高速公路應(yīng)急預(yù)案模型由控制層和網(wǎng)絡(luò)層一同建立[7]。具體的指標(biāo)體系如表1所示。

表1 高速公路應(yīng)急預(yù)案指標(biāo)體系

1.3 基于ANP的指標(biāo)賦權(quán)計算步驟

對高速公路應(yīng)急預(yù)案運(yùn)用常規(guī)的ANP開始評價。設(shè)控制層中目標(biāo)層元素為A，控制層中準(zhǔn)則元素為Bi(i=1,2,3,4),網(wǎng)絡(luò)層有元素組Ci(i=1,2,3,4),Ci中有元素Ci1，Ci2, ……,Cii其中j為網(wǎng)絡(luò)層每個元素組內(nèi)元素的個數(shù)。

計算步驟如下[8]：

(1)兩兩比較ANP網(wǎng)絡(luò)模型中存在相互影響關(guān)系的各元素指標(biāo)。

在網(wǎng)絡(luò)層中，不僅元素組內(nèi)的元素存在相互影響的關(guān)系，而且元素組還與其他元素組相互影響。故由特定的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則，以控制層中準(zhǔn)則元素Bi為準(zhǔn)則，元素組中元素Cij為次準(zhǔn)則，通過間接優(yōu)勢比較各元素組內(nèi)元素對Cjn的關(guān)系程度來得到兩兩比較判斷矩陣。

(2)確定未加權(quán)超矩陣。

歸一化的特征向量值可以利用特征根法根據(jù)兩兩判斷矩陣來得到：

(1)

(3)計算各元素組的權(quán)重在超矩陣中。

顯然不是歸一化矩陣的超矩陣W中每列的和為1，通過兩兩判斷矩陣得到的每一元素ωij都是歸一化特征向量，但是需要一個歸一化的排序向量，所以要以控制元素Bi為準(zhǔn)則，比較控制元素Bi下的各元素組對各元素組Ci的重要性：

(2)

(4)計算加權(quán)超矩陣。

把矩陣A與W相乘得到加權(quán)超矩陣：

W*=aij×ωij

(3)

(5)計算極限超矩陣。

一直對超矩陣進(jìn)行n次方到得到保持不變的各列向量才停止:

(4)

1.4 對評價指標(biāo)的模糊綜合評判：

模糊綜合評價法用模糊數(shù)學(xué)總體評價受到多種元素影響的事物，把定性評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u價，結(jié)果清楚明確、完整性強(qiáng)。

模糊評判的基本步驟：

(1)確定評價因素集。

(2)確定評判集。

(3)確定各影響因子的權(quán)重。

(4)構(gòu)造模糊綜合評價矩陣R。

(5)借助Fi=BiRi合成算子算出各指標(biāo)的評價向量，最后通過評價集加權(quán)求出高速公路應(yīng)急預(yù)案的綜合評分。

鑒于ANP困難的計算過程，本文將利用Super Decisions軟件較準(zhǔn)確的給各評判指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)來計算指標(biāo)權(quán)重，同時使ANP理論計算步驟變得更加實際、方便、具體[9]。

2 案例分析

Super Decision(超級決策)是一個典型的ANP計算軟件，它可以開展復(fù)雜的ANP運(yùn)算操作來幫助用戶[9]。

以四川某一高速公路路段發(fā)生事故進(jìn)行應(yīng)急救援采用的應(yīng)急預(yù)案A為例，參照上述建立的高速公路應(yīng)急預(yù)案的ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在SD軟件中首先通過菜單欄[Design][Cluster]指令創(chuàng)建集群(元素組)，再通過[Design][Node]指令創(chuàng)建集群內(nèi)的元素，最后通過[Design][Node Connexions From]指令來連接目標(biāo)和準(zhǔn)則以及準(zhǔn)則和元素，建立具有相互依存、反饋關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)框架，為下一步進(jìn)行兩兩比較提供方便(圖2)。

圖2 高速公路應(yīng)急預(yù)案網(wǎng)絡(luò)框架

2.1 各級指標(biāo)判斷矩陣的構(gòu)造

點擊[Do Comparison]指令開始做比較過程，有四個兩兩比較的評估模式，本文采用問卷調(diào)查模式，尋找有關(guān)專家對各指標(biāo)重要程度打分。利用專家在經(jīng)驗上對兩種因素間的相對重要性進(jìn)行定量評價的原理，采取九級梯度法確定判斷矩陣[10]。表2為判斷矩陣的評分標(biāo)度。

當(dāng)建立完成全部的元素組和元素之間的連接后，進(jìn)行ANP中元素組與元素組以及元素與元素之間的比較判斷。分別以4個一級指標(biāo)為準(zhǔn)則，各相關(guān)元素為次準(zhǔn)則，來建立判斷矩陣。然后通過 [Computations][Show new Priorities]指令來確定判斷矩陣一致性是否通過。

表2 判斷矩陣評分表度及其含義

本文選取了幾個具有代表性的矩陣，圖3所示是以“救援方案完備性”為評價準(zhǔn)則、“明確應(yīng)急指揮體系”為次準(zhǔn)則、救援方案完備性元素組內(nèi)各元素對明確應(yīng)急指揮體系的兩兩判斷矩陣界面。圖4所示則為該準(zhǔn)則下一致性查驗指標(biāo)值和各元素的歸一化權(quán)重。

圖3 元素級兩兩判斷矩陣的錄入界面

圖4 歸一化權(quán)重和一致性檢驗指標(biāo)值

圖5 各評價指標(biāo)權(quán)重

圖4中一致性檢驗結(jié)果為0.009 0 < 0.1，說明該判斷矩陣被接受，同時還給出了各元素級指標(biāo)的權(quán)重。

輸入所有的元素級判斷矩陣并完成一致性查驗后，按照ANP理論計算需要獲得未權(quán)重化超矩陣，這可以運(yùn)用[Computations][Unweighted Super Matrix]指令來實現(xiàn)；再運(yùn)用[A

2.2 各評價指標(biāo)權(quán)重的確定

圖5是得到的穩(wěn)定的權(quán)重，這可以運(yùn)用[Computations][priorities]指令來實現(xiàn)。

由圖4可知一級指標(biāo)權(quán)重向量A=[0.2860，0.2088，0.4076，0.0976]，二級指標(biāo)權(quán)重向量B1=[0.071，0.6382，0.2908]，B2=[0.2573，0.0412，0.5023，0.1992]，B3=[0.1679，0.0253，0.1670，0.2505，0.1719，0.1360,0.0815]，B4=[0.4389，0.0897，0.3210，0.1504] 從一級指標(biāo)權(quán)重可看出，救援方案完備性的權(quán)重最大，所以，其對應(yīng)急預(yù)案的影響也最大。二級指標(biāo)中權(quán)重較大的有應(yīng)急響應(yīng)、資源調(diào)配的及時性與補(bǔ)充性、明確物資和裝備、明確突發(fā)事件的分級情況等，因此這些指標(biāo)都應(yīng)當(dāng)重點考慮在高速公路應(yīng)急預(yù)案的建設(shè)和評價過程中。

2.3 對評價指標(biāo)的模糊綜合評價

首先對評價模型確定評價集為V={4,3,2,1}={特別滿意，較為滿意，稍微滿意，很不滿意}。假定非常滿意為[100，90]分，較為滿意為[90，80]分，稍微滿意為[80,70]分，很不滿意為[70，60]分。4分為每個問題總分，4說明該指標(biāo)評價為特別滿意，3說明該指標(biāo)評價為較為滿意，2說明該指標(biāo)評價為稍微滿意，1說明該指標(biāo)評價為很不滿意[11]。

選擇5位專家以問卷調(diào)查的形式進(jìn)行調(diào)查，對該項目評估模型評判打分，收回全部所發(fā)問卷進(jìn)行統(tǒng)計，得到表3所示的評價成果。

表3 各指標(biāo)歸一化的專家評價結(jié)果

模糊綜合評價矩陣R1為：

選用加權(quán)型的M(o，+)算子對R1開始計算，求得B1的綜合評價向量：

F1=B1·R1=[0.1362，0.4780，0.3858，0]

同理可得：

F2=B2·R2=[0.1602，0.5345，0.3053，0]

F3=B3·R3=[0.1806，0.5358，0.2836，0]

F4=B4·R4=[0.0910，0.3392，0.4788，0.091]

再計算高速公路應(yīng)急預(yù)案能力的綜合評價向量：

D1=A[F1,F2,F3,F4]T=[0.1549，0.4998，0.3364，0.008 9]

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)上文的評級準(zhǔn)則，該高速公路預(yù)案能力后評價最終得分=95×0.1549+85×0.4998+75×0.3364+65×0.0089=83.007，所以該預(yù)案的最終評價為等級為較為滿意。對高速公路預(yù)案A的4個一級指標(biāo)通過一樣的計算得到B1、B2、B3、B4的綜合得分分別為82.504、83.549、83.97、79.302，可以看出高速公路應(yīng)急預(yù)案的可操作性、救援處置時效性、救援方案完備性屬中等水平，均為較為滿意，而可操作性在這三個里面分?jǐn)?shù)最低，并且救援責(zé)任明確性分?jǐn)?shù)最低，為稍微滿意。因此，在遇到同類事故進(jìn)行應(yīng)急救援預(yù)案的建立時，應(yīng)著重提高救援責(zé)任明確性，提高可操作性，同時不斷完善救援方案完備性和救援處置時效性，才能降低高速公路事故造成的人員傷亡情況。

3 結(jié)束語

(1)提出了基于ANP的高速公路應(yīng)急預(yù)案評估模型，并借用模糊綜合評價法評價高速公路應(yīng)急預(yù)案，將其定量化，結(jié)果清晰明確。ANP彌補(bǔ)了AHP的不足，充分考慮指標(biāo)間的相互依存和反饋關(guān)系，充分提升賦權(quán)準(zhǔn)確度。

(2)ANP理論計算過程中計算量大、步驟復(fù)雜，利用SD軟件求解操作簡便，明顯提升評價效率。明確元素組內(nèi)及元素組間各指標(biāo)的互相影響關(guān)系是利用該軟件進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)的關(guān)鍵。

(3)ANP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型中，4個一級指標(biāo)權(quán)重從大到小依次為救援方案完備性>可操作性>救援處置時效性>救援責(zé)任明確性。因此，高速公路應(yīng)急預(yù)案應(yīng)以權(quán)重較大的指標(biāo)為重心，其他指標(biāo)盡量完善來建立。

(4)還應(yīng)當(dāng)指出的是，不是所有可能的因素都在網(wǎng)絡(luò)層次分析模型中體現(xiàn)。另外就是比較對照矩陣中的數(shù)字都由決策人員指定，受主觀因素決定影響較大，因此在全方位的考慮各種影響后，與現(xiàn)實相比可能會產(chǎn)生一定的偏差。

[1] 王建軍.公路建設(shè)項目后評價理論研究[D].西安:長安大學(xué)，2003.

[2] 禹竹蕊.論應(yīng)急預(yù)案的動態(tài)綜合評估[J].人民論壇·學(xué)術(shù)前沿，2011(14):138-139.

[3] 覃燕紅.突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案有效性評價[J].科技管理研究，2010(24) : 56-59.

[4] 郭子雪，張強(qiáng).基于直覺模糊集的突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案評估[J].數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，2008，38(22):64-69.

[5] 于瑛英，池宏，高敏剛.應(yīng)急預(yù)案的綜合評估研究[J].中國科技論壇，2009(2): 88-92.

[6] 周黎莎，于新華.基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法的電力客戶滿意度模糊綜合評價[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009(9)：191-197.

[7] 王連芬，許樹柏.層次分析法引論[M].北京:中國人民大學(xué)出版社，1989.

[8] 王蓮芬.網(wǎng)絡(luò)層次分析法的理論與算法[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2001(3)：44-50.

[9] 高厚軍.網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)在水利工程風(fēng)險分析中的應(yīng)用[J].水力科技與經(jīng)濟(jì)，2009，15(12)：1049-1050.

[10] 孫宏才.網(wǎng)絡(luò)層次分析法與決策科學(xué)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011:148-287.

[11] 鄧世文.基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法的災(zāi)后重建項目指標(biāo)體系研究[D].成都：西華大學(xué)，2012.