基于事故树和层次分析法的城市基础设施安全评价

朱何嘉ZHU He-jia；李伊哲LI Yi-zhe；张瑞轩ZHANG Rui-xuan；李瑾LI Jin

（北方工业大学，北京 100043）

0 引言

受城市化进程的推动，旧城改造与新城建设并驾齐驱，这种趋势自2010 年以来就开始显现。我国城市基础建设短短几年间取得了显著的成效，其规模空前。到2016 年年底，中国已经设立了657 个城市，已建成的城市面积达到了54300 平方公里。与此同时，我国城市公共设施投入的固定资产总额已经飙升至17460 亿元，比2015 年增长了7.7%，在总固定资产投资中的比重达到了2.88%。伴随城镇化进程，公共基础设施等城市建筑日趋庞杂。同时，由于风险监测预警技术等不足而导致城市公共基础设施突发事件不断，如2021 年7·20 郑州特大暴雨，2003 年韩国大邱市地铁1 号线火灾等。而特大城市人口密集、建筑分布复杂，公共基础设施安全稍有疏忽将可能造成难以估量的损失。大量公共基础设施安全事故具有安保措施不足、应急准备不当、设备维护不足等安全因素。所以对城市基础设施的安全性进行评价尤为重要。

1 项目概况

十年来，庞各庄镇以统筹城乡建设为主线，坚持科学统筹生产、生活、生态的空间布局，全面落实乡村振兴战略，推进城镇核心功能不断增强。坚持规划引领，高标准编制“十二五”“十三五”发展规划及土地、城乡腾退、公交系统、水要素、产业发展等专项规划，让城镇功能布局更加合理，城镇总体面貌焕然一新基础设施不断完善，高质量建成供热厂、变电站等一批公共设施；完成68 条97.7 公里镇村级道路大修工程，16 条29.2 公里镇区主次干路投入使用，“七横十一纵”镇区交通路网格局初步建立；小学、幼儿园、卫生院、敬老院等项目顺利推进，中海云筑、航城壹号、保利·和悦春风等一批精品住宅小区相继建成，城镇综合承载力显著提升；五项基础工作持续推进，高标准完成永兴河休闲文化公园、众美公园、村庄环境提升等工程；分类推进47 个村庄规划编制工作，完成前曹、北曹、赵村等10 个村美丽乡村建设。但在大力发展的同时，庞各庄镇的基础设施安全性也面临着巨大的挑战。

2 城市基础设施安全评价研究的必要性

评估城市安全隐患是关键步骤，任何的忽视或成功都直接影响城市安全问题的解决路径。构建兼顾城市特性的基础设施安全评价系统，是城市安全发展的重要决定元素。在城市化步伐加快的背景下，城市基础设施规划的重要性日益凸显，它们的稳定和安全性是城市进步的支柱。所述的城市稳定，也就是在常态运作下，能持久提供所需服务的能力。城市基础设施包括了道路、通信网络、水电气供应、桥梁等元素，他们的运作状况，保障物资和人员的运输，影响着城市产业链和各种活动的顺畅进行。水电气的供给影响着居民的生活品质和公司的正常运作，而通信网络的安全对商业活动和信息交换提供了屏障。因此，城市基础设施的安全性对于维护居民生活品质和城市的持续发展至关重要。城市基础设施支撑了城市的正常运行，城市基础设施的正常运行才能够吸引更多的投资和人才，促进经济繁荣。在城市的不断发展中基础设施也面临着各种各样的风险，所以进行科学的评价与控制对城市运行的维系具有重要意义。

来自美国的运筹学专家T.L.Saaty，在处理非结构化决策问题时，提出了一种被称为层次分析法（AHP）的系统性分析推理方法。1971 年，在首届国际数学模型大会中，T.L.Saaty 揭示了“对结构不明确判断问题的模型构建——层次分析法”，标志着层次分析法第一次向世界展示。1982年，T.L.Saaty 的学生在中美能源、资源及环境学术展会上阐述了层次分析法，成功地获得了与会者的认可。从那时起，中国的研究人员开始了对层次分析法的理解和深入研究，其使用范围已经扩大到了经济计划、行为科学、能源计算、结果评估等多个领域。

3 城市基础设施安全评价的事故树分析和层次分析评价法

3.1 事故树风险识别

ATA，即事故树分析，是一个基于因果关系的推理分析方法。它不仅有能力识别并估计各种系统的风险，还可以揭示事故的直接及潜在原因。通过明确而简明的事故因果表述，ATA 能指出问题的核心和潜在因素。它既能进行定性分析，也能进行定量分析。

事故树的分析步骤：

首先确定事故的顶上因素。我们将要探讨的顶上事件就是需要解析的疑难杂症，首先要收罗系统状态、相关问题的产生情况及其可能性和严重性等信息，同时需要寻找出问题产生的直观因素和潜在因素，接下来根据问题的严重性和可能性来确定需求分析的问题。在此篇文章中，我们要探究的顶上因素是城市的基础设施。

其次是找出造成顶上问题的原因。编制好事故树的最重要一点就是找出顶上问题的直接因素，尽量不要漏掉没调查分析的点，找出直接因素的方法，我们采取向专家咨询以及在网上收集大量的资料结合进行讨论与分析。

绘制事故树。在经过一番讨论与调查后，用相应时间符号将直接因素从上到下连接起来，层层向下，直到本问题的基本因素，构成事故树。

审定事故树。在构件完成事故树后，反复推敲修改该逻辑模型并向专家询问意见，吸取意见后修正直到符合逻辑情况为止。

由于文章只研究事故树定性分析阶段，因此对事故树分析一般按下述步骤进行。

根据事故树的绘制原则以及各影响因素指标之间的逻辑关系，分析表中各指标因素，绘制事故树时各因素之间应通过逻辑或门连接，对应的事故树分析如图1 所示。

图1 城市基础设施安全因素识别

3.2 层次分析法的概念和原理

在处理问题时，层次分析法的第一步是将问题内的多种元素按层次断开，并拼接成一个有层次、有关系的模型。接下来，利用该模型中元素的对比和评估，确定各元素的重要程度。这个方法是依照目标、子目标、评判标准以及具体的候选方案的排列顺序，把决定问题划分成多个独立的层级结构。然后，使用计算判断矩阵的特征向量的方法，找出每一层级对上一层级元素的优先权重。最终，通过权重加和和逐步合并各个可选方案对大体目标的最重要权重，结合专家的建议对各种决定进行排序。

3.3 综合评价模型构建

结合事故树与层次分析法构建城市基础设施安全评价模型。首先通过事故树分析影响城市基础设施安全的不同方面及其影响因素；其次通过层次分析法确定准则层及方案层的指标权重，最后综合准则层和因素层各权重得出目标层评价结果，权重矩阵需要通过一致性检验，具体流程如图2 所示。

图2 综合评价模型流程

3.4 评价指标的选取与建立

在对城市基础设施安全程度进行评估的过程中，必须保证所选取的各项指标能够在逻辑上产生关联，此举可以在更大的范围上反映出城市的特点、基础设施的特性以及其安全性，同时，所采用的指标必须具有对比性和实施性。因此，在构建这个指标系统的时候，我们需要保障其具有全面性、系统性和对比性。在本文的研究中所创建的城市基础设施安全评估指标体系将会包含三个层次，分别为目标层次、标准层次和计划层次。

目标层——终极整合标准。这一量化指数揭示了各个城市在不同发展进程中基础建设安全状况的相较和各城市间的基础设施安全状况比较，这一终极整合标准被定义为——城市基础设备保障系数。这个标准反映了城市基础建设管理、保安、设计等多方面的安全情况的集成显示。

准则层——系统性指数。都市基建的安全评估是一个相当全面的工程任务，包括设计与建造、运营与维护、应急准备与响应、安保措施、数据与网络安全五个整合指标。这些指数是按照城市基础设施安全评估的单位进行区分的。

方案层——子系统指标。表1 中的18 个指标构成了该层，并且这些指标均是对准则层指标的解读。此层的设立旨在搭建不同指标之间的桥梁，它涵盖了城市安全评估体系，包括保安管理、灾害防卫（保护体系）以及紧急援救等三大体系的核心内容。

表1 城市基础设施安全评价指标体系

3.5 建立城市基础设施安全评价矩阵

我们首先从方案层的等级结构开始，对归属于同一目标的各个指标间的相对重要性进行评估，进而构建出评判矩阵。然后，我们运用比例尺度法来计算指标在规则层之间ai和aj的相对关键性，详细计算过程如表2 所示。

表2 判断矩阵标度方法

经过成对比较，对每层元素的相对优先级进行评价，并针对Ak，确定ai、aj哪一个更为重要，并为aij赋予重要性值（提供者为专家），随后构造评价矩阵。

判断矩阵的一致性检验，准则层即一级指标构造判断矩阵A 如下：

针对矩阵A 的顶级特征值对应的特征向量，标准化后便形成了上级元素对应的同级元素重要性的排序权重，这一步骤被称为等级独立排序。在构建评价矩阵的过程中，我们并未强行要求一致性的评价。为了保证权重的适当性，我们常常会对各个评价矩阵进行一致性的测试，以查看是否有较高层次的一致性。如果未能实现一致性，会根据专家的意见不断地调整矩阵，直到达到一致性。完成过程如下：

按照矩阵理论的规定，当Ax 等于λx时，λ 就是A 的特征值。另外，当所有的aii等于1 时，i 为1 到n 的λi总和就是n。

当矩阵表现出完全的一致性时，λ1和λmax的值等于n，其余所有特征根均为0；对于不具备完全一致性的矩阵A，λ1和λmax的值将大于n，而之后的特征根λ1，λ2和λ3则按照以下规则进行

在分层分析法中，引入了除最大特征根以外其它特征根的负平均值，以此作为衡量评判矩阵偏离一致性的指标这是为了检验决策者思考的一致性，这种方法基于先前的讨论。

判断是否受因素数量影响，也取决于是否将判断矩阵的平均随机一致性指标RI 值纳入考虑。若CR 即CI 与RI的比值小于0.10，则可以认为判断矩阵具备优良的一致性，倘若不然，那将需要对判断矩阵进行修改。

3.6 各个指标权重输出及层次总排序

我们可以通过编写Matlab 程序，一步到位地解决问题，同时也缩简了权重计算的流程，减轻了任务负担。此篇文章运用了Matlab 软件完成矩阵构造的计算，详细的计算成果请参阅表3。得到各个指标的权重计算各层次对于系统的总排序权重，得到各指标对于目标层指标的总排序。

表3 指标权重及一致性检验结果

3.7 层次总排序结论及指标分析

通过专家对城市基础设施安全的主观看法以及软件数据计算得出的权重以及层次总排序，如表3 所示，可以看出准则层的指标对城市基础设施安全系性的影响程度排序由大到小分别是安保措施、应急准备与响应、设计与建造、数据与网络安全，方案层的指标对城市基础设施安全性影响程度最大的是安全防护设施，其次是应急处置方案、管理的方式与水平、人员巡逻强度、安全监控系统指标权重较大，都在0.004 以上。再次是设防等级、建筑材料的质量、设备的更新、设备日常损耗水平，权重都在0.02 以上。由此说明对于提高城市基础设施的安全性，最关键的因素是安保措施。

3.8 安保措施方面的应对措施

优化城市安全监控系统：城市安全监控系统的覆盖率不足，许多城市安全监控系统的设备年限已经超过寿命，造成画面模糊、设备易损坏等问题。所以应当扩大安全监控系统的覆盖范围，将城市安全监控系统覆盖范围扩大至街道、小区、学校等公共场所，提高安全防范能力，同时对老化的视频监控设备进行更换，使用高清摄像机，提升画面质量，并延长设备的使用寿命。提升监控视频的智能分析能力，能够自动检测异常行为并发出预警，为公安部门提供有效信息并及时处理，强化数据共享机制，建立城市基础设施安全信息共享平台，将视频监控数据与公安、消防等部门的数据进行整合，实现信息共享。

完善安全防护设施：合理规划和设置灭火器材、消防通道和疏散设施，在特别关键的区域增加电子围栏或护栏等设施，确保边界的完整性，加大政府持续性的关注和投入安全防护设施并引入新的科技与技术进行更新迭代。

4 评价模型的应用

对北京市大兴区庞各庄镇进行调查，其基础设施安全水平在大兴区处于中等水平。对该镇的某个村庄进行抽样调查，使用建立的城市基础设施安全评价模型对该村庄进行评估。为了便于划分基础设施安全等级，将基础设施安全水平得分划分为5 个等级，见表4。

表4 评分等级表

对该村庄调查结果显示，该村庄的基础设施安全水平均分达到0.72，等级为中等偏低水平。同时该村庄基础设施安全的大多数指标得分都趋于中等，基础设施安全整体水平很一般。该村庄的安保措施水平很一般，设备老化程度较高，人员巡逻强度较低，设备的日常损耗水平较高，对于种种现象显示出社区基础设施规划部门工作的关注度明显较低，反映出基础设施存在着安全隐患、基础设施先进水平不足等问题。评价结果与实际观察及采访情况较为符合，说明构建的城市基础设施安全评价模型具有一定的参考价值以及可行性。

5 结论

城市基础设施的安全性问题极为复杂，其课题身处一个永无止境的变革环境中，难以做出绝对完美的评估，许多要素的变动也无法预期。层次分析方法的客观性存在亏欠，尽管本论文探讨了大量判断矩阵的一致性，但在判断矩阵的合理性方面则未足够考虑，这源于未对标度专业人员的数量与品质给予足够重视。层次分析法在运用现有定量信息方面也未能做得尽善尽美，它仅仅聚焦于研究指定的定性指标评估问题，对于那些包含定性指标与定量指标的问题（这类问题较为普遍）暂未进行深入探讨。完善城市基础设施的安全保障措施是城市发展和居民生活安全的重要保障，所以对基础设施的加强规划、控制质量和加强维护显得尤为重要，在对城市基础设施做出改善的同时，应当加强公众的宣传教育，才能保证城市基础设施的安全性以及居民的安全，同时政府也应当加强对城市基础设施的支持，不断推动城市基础设施的发展，大力引进国外的新科技、新技术，并将重大科技基础设施成果在城市内落地转化，支持实验室、“智慧岛”等设施建设，根据实际需要，基于开办费和建设期研发经费的支持，颁布相关政策鼓励科技发展。本文指标还涉及了数据与网络安全，虽然在本文数据显示以及调查中对城市基础设施安全的影响程度不大，但是随着智慧城市的不断发展，城市信息基础设施在不断地遭受网络攻击、数据泄露等危险，如果不能确保数据与网络的安全，那么将会严重影响城市基础设施的发展、更新以及安全，所以应当认识并重视关于网络管理问题才能实现高水平城市信息基础设施安全保障。除此之外，对于城市基础设施安全还有其他的特殊因素，但在实际当中难以操作。本文的目的是利用层次分析法找出影响城市基础设施安全的主要因素及初级指标，并依据计算结果对城市基础设施进行完善与改进，以做到对城市基础设施安全建设与管理提供指导意义。