耦合协调理论下综合管廊运维灾害风险研究①

庄 丽，马婷婷，刘兰梅，陈 娜，刘 硕

(青岛理工大学管理工程学院，山东 青岛 266520)

0 引 言

随着我国经济的高度发展，人们对于生活质量的要求越来越高。城市规模逐步扩大、人口密度逐步增加使得“马路拉链”、“空中蜘蛛网”等问题亟待解决。综合管廊凭借其自身特点成为提升人们生活质量及市政管道建设信息化水平的重要举措。但与发达国家相比，目前我国综合管廊投入使用的数量有限，综合管廊建设水平仍处于发展阶段[1-2在运维灾害风险评价与管理方面存在明显不足。近年来，国内外诸多学者为提高综合管廊运维安全管理水平进行了有益探索。Jang等[3]研究了综合管廊中天然气管道泄漏引起甲烷气体爆炸和未知点火所带来的风险。叶晓东等[4]提出基于GIS分析的综合管廊规划布局定量评价体系，并结合实例验证。目前，有关综合管廊运维安全管理研究领域的研究方法颇为丰富，主要集中在灰色聚类分析[5]、AHP[6]、BP神经网络[7]等，使得评价结果更加科学与客观。综合管廊安全事故的发生通常情况下并不是单一因素所导致，需要综合考虑运维灾害风险多因素间交互耦合、协调作用等特征。运用耦合协调理论能够恰当地从安全系统内部多因素间彼此促进与制约角度对综合管廊运维灾害风险进行客观评价。此外，熵权法能够有效排除人为主观因素所带来的影响，能够客观赋权确定指标权重。因此，本文基于耦合协调理论，构建综合管廊运维灾害的耦合协调评价模型，借助熵权法确定指标权重，并通过专家打分法对某城市综合管廊运维灾害风险进行耦合协调评价，确定危险性等级，以期对未来综合管廊防灾减灾工作提供参考。

1 理论基础

1.1 耦合协调理论

传统的安全事故致因理论只考虑单一因素对安全事故产生的不良影响，亦或是考虑多因素简单叠加作用下对事故产生的不良影响。然而，考虑到综合管廊运维灾害风险因素的复杂性，再用传统安全事故致因理论分析则显得不恰当。

2个以上(含2个)体系或运动形式之间通过相互作用而彼此影响以致联动起来的现象叫做耦合；2个以上(含2个)体系或运动形式朝着实现系统目标良性作用的过程叫做协调[8]。从协同学的角度看，耦合作用及其协调程度决定了系统在达到临界区域时走向何种序与结构，即决定系统由无序走向有序的趋势，将其运用到风险中，即2个以上(含2个)风险因素彼此影响而产生的结果。

1.2 熵权法权重计算

熵权法是一种客观赋权方法。熵值与信息成反比，熵值越小，说明指标的变异程度大，提供的信息越多，在综合评价中起到的作用越大，其权重也就越大；熵值越大，说明指标的变异程度小，提供的信息越少，在综合评价中起到的作用越小，其权重也就越小。熵权法的计算步骤：将数据形成原始数列矩阵标准化，计算熵，最后确定熵权。

2 风险耦合协调危险评价模型

2.1 评价指标体系构建

构建综合管廊运维灾害风险耦合协调危险评价模型的原则就是采用科学的方法防灾减灾。依据这一原则，通过搜集查阅近几年导致综合管廊灾害频发的风险致因，并结合参考文献[9]，本文将风险系统划分为自然灾害、人为灾害、技术灾害、附属设施灾害4个子系统，每个子系统涵盖了3个影响因子，如表1所示。

表1 综合管廊运维灾害影响因子

2.2 风险耦合协调危险评价模型

在单独考虑子系统对耦合系统的作用时，子系统对整个系统有序贡献值计算公式为：

(1)

式中，ui为子系统的评价值，即子系统对整个系统有序度的贡献值；uij为指标评价值，即i子系统j指标对系统有序度的贡献值；λij为第i个子系统中第j个指标的权重。

借助物理学领域中的耦合模型，可以分别确定2个及以上子系统的耦合度模型，见式2。

(2)

式中，C表示运维灾害风险系统的耦合度，C∈(0,1)；m表示参与耦合的子系统个数；ui、uj表示不同子系统的评价值。

本文中涵盖4个子系统，因此耦合度模型表达式为：

(3)

耦合度与各个系统之间的协同效应有关，耦合度越高(C=1)，各子系统之间达到“良性”共振耦合，管廊的危险性越高；耦合度越低(C=0)，各子系统之间互不影响处于无序状态，管廊的危险性越低，耦合度的大小仅表示各子系统内部相互作用程度，具体划分见表2。

表2 综合管廊运维灾害风险耦合度划分

相对于系统耦合度模型，耦合协调度模型更能直观地反映内部各子系统之间动态协调状态的变化。因此，为了更精确地评价自然、人为、廊体自身、附属设施灾害风险因素见耦合的协调程度，本文引入耦合协调度模型为：

(4)

式中，D表示运维灾害风险系统耦合协调度；T表示运维灾害风险子系统之间的综合协调评价指数；αi(i=1,2,3,4)表示各子系统的熵权系数。本文中默认每个子系统都具有同等的重要性，子系统之间耦合时αi均取0.5。

耦合协调度反映各子系统朝着系统共同目标演进协调程度的高低，其值在[0,1]范围内，值越大越协调，反之不协调。依据耦合协调度将综合管廊运维灾害风险耦合协调类型与危险性等级进行划分，见表3。

表3 综合管廊运维灾害风险耦合协调类型与危险性等级划分

熵权法能够有效排除人为主观因素所带来的影响，能够客观赋权确定指标权重。本文借助熵权法求得各指标客观权重，具体步骤为：

1)计算第i个子系统第j个指标值所得的权重Pij

(5)

2)计算第j个指标的熵值ej

(6)

3)计算第j个指标的熵权ωj

(7)

3 算例分析

某城市地下综合管廊铺设面积约13km，在使用过程中偶有事故发生。本文针对此类问题，邀请10为业内专家依据行业经验对该城市地下综合管廊运维灾害风险因素各层次指标进行风险等级打分，将风险等级划分为[1,10]。按照熵权法步骤中公式(5)～(7)求取各指标客观权重，结果见表4。

表4 综合管廊运维灾害风险评价指标体系及各指标权重

综合管廊运维灾害风险耦合协调评价分为4个子系统，其中每个子系统涵盖3个指标，根据公式(1)计算出每个子系统的评价值，将每个子系统的评价值带入系统耦合度模型中，发现基于自然、人为、廊体自身、附属设施风险共同作用情况下导致该城市地下综合管廊运维阶段发生灾害的耦合度C仅为0.02，即4种灾害耦合时系统内部相互作用程度极弱，互相影响效果极不明显。因此，本文利用上述所构建的模型中公式(3)～(4)分别计算出综合管廊运维灾害风险两两之间的耦合度、综合协调指数和耦合协调度，进一步确定危险性等级，计算结果见表5。

表5 双灾耦合综合协调指数与耦合协调度

表5显示出综合管廊运维灾害两两耦合所得到的耦合度、综合协调评价指数、耦合协调度，以及由此得出耦合协调类型与危险性等级。灾害两两耦合的耦合度差距较小，集中在[0.5,0.8]取值范围内，中级耦合类型下2子系统内部相互作用较强。灾害两两耦合的耦合协调度波动幅度较小，集中在[0.6,0.8)、[0.8,1]取值范围内，当C与D两个子系统耦合时，耦合协调程度为优级，对应的危险性等级为极危险；其它5组情况耦合协调程度为良级，对应的危险性等级为较危险。

4 结 语

(1)将综合管廊运维灾害风险划分为自然灾害、人为灾害、廊体自身灾害、附属设施灾害4个子系统，借助耦合协调理论探寻其内部相互作用、共同演进机理，对综合管廊两两灾害耦合危险性进行预测评价。

(2)算例结果表明，耦合协调度与危险性等级具有良好的一致性，高耦合协调度对应高危险性，低耦合协调度对应低危险性；此外，A与C耦合度较低而耦合协调度较高，表明耦合度较低时，综合管廊灾害发生的可能性或偏高，需要重点进行监测和防护。

(3)通过主客观结合赋权方法提高权重的合理性，使评价结果更具有现实意义。