CN108921372A - 基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法 - Google Patents

基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法，包括：选择评价指标建立指标体系形成评价因素集；制定多个评价等级形成风险等级域；根据制定的评价等级确定评价指标的经典域和节域；计算评价体系中所有指标的权重向量；确定待评物元，计算评价指标关联度，建立关联度矩阵；根据所述权重向量及关联度矩阵合成评价目标关联度向量；计算级别变量特征值，判断隧道运营安全风险情况。本发明通过可拓物元理论以及层次分析法的应用，对风险评价过程中出现的各种不确定因素、指标进行了分析；设置四级指标，从路网、隧道、车辆、驾驶人、管理、维护六个方面进行评价，为高速公路隧道运营安全提供了一种评价参考方法。

Description

基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价 方法
技术领域
本发明涉及隧道安全风险评价技术领域，尤其涉及一种基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法。
背景技术
我国高速公路隧道的建设起步较晚，但发展飞速，尤其是山区高速公路的修建，出现了大量的公路隧道，但当大量公路隧道交付运营的同时，隧道营运安全问题却日趋严重。隧道营运安全风险源管理无序，隧道营运安全管理信息缺乏，运营管理单位不了解隧道所处的风险状态、不掌握安全风险源的分布和实际状态，由此导致隧道运营安全形势极其严峻。因此，针对高速公路隧道的工程特点，进行隧道营运安全评价，是一个具有重大实用意义的工作。
物元分析法于上世纪80年代，由我国蔡文教授创立，是主要研究和处理不相容问题的理论和方法，是贯穿于自然科学与社会科学的横断学科。目前已广泛应用于新产品构思与设计、优化决策、控制、识别与评价等各个领域。可拓方法的理论支柱是物元理论和可拓集合论。它是以事物、特征及事物关于该特征的量值三者所组成的三元组，记作R＝(事物，特征，量值)。并根据待评价事物的数据资料将事物质量分成若干等级，并确定各等级的数据范围，再将待评事物的指标带入各等级的集合中进行多指标评定，评定结果按它与各等级集合的关联度大小进行比较，关联度越大，它与某等级集合的符合程度就愈佳。
在确定等级关联度时，其中最重要的一项就是确定各个指标的权重。层次分析法是一种较好的权重确定方法。它是把复杂问题中的各因素划分成相关联的有序层次，使之条理化的多目标、多准则的决策方法，是一种定量分析与定性分析相结合的有效方法。该方法将定量分析与定性分析结合起来，用决策者的经验判断各衡量目标能否实现的标准之间的相对重要程度，得出判断矩阵，从判断矩阵中得出权重。
因此本发明将层次分析法与可拓物元理论相结合，研究开发了基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法，可以直观反映高速公路隧道运营安全的风险程度，并且有助于明确运营过程中的风险防控方向和重点。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法，通过可拓物元理论以及层次分析在风险评价中的应用，对高速公路隧道运营安全进行评价分析，明确运营安全风险因素，以便于采取针对性措施保障隧道运营安全。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法。
基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法，通过层次分析法建立评价体系递阶层次结构模型并确定出各层次指标权重，通过可拓物元理论得到层次结构模型中最底层指标的关联度矩阵，将得到的权重与关联度矩阵按照递阶层次结构逐层往上进行计算合成，最终得到顶层评价目标的评价结果。
进一步本发明方法具体包括以下步骤：
步骤一、参考专家推荐意见选择评价指标，建立指标体系，形成评价因素集；
所述评价因素集为四级指标体系：四级评价指标体系包含一级指标、二级指标、三级指标和四级指标；
所述一级指标包括：高速公路隧道运营安全风险；
所述二级指标包括：不易改善因素和易于改善因素；
所述不易改善因素包括三级指标：路网因素、隧道因素、车辆因素、驾驶人因素；
其中，路网因素包括四级指标：交通量、大车比例和隧道位置；隧道因素包括四级指标：曲线半径、纵坡坡度、隧道长度；车辆因素包括四级指标：车速和车辆性能；驾驶人因素包括四级指标：驾驶技术、不安全行车行为和安全意识；
所述易于改善因素包括三级指标：隧道因素、管理因素、维护因素；
其中，隧道因素包括四级指标：路面、隧道通风和隧道照明；管理因素包括四级指标：交通管制水平、管理人员水平和宣传教育；维护因素包括四级指标：土建结构、机电系统和控制系统维护。
步骤二、制定多个评价等级形成风险等级域；
所述风险等级域分为四个等级，根据风险程度分为不安全，较安全，安全，很安全，对应分值1，2，3，4。
步骤三、根据所述评价等级确定评价指标经典域和节域；如下表1：
风险等级 不安全 较安全 安全 很安全
经典域 (1,1.5) (1.5,2.5) (2.5,3.5) (3.5,4)
节域 (1,4) (1,4) (1,4) (1,4)
步骤四、引用层次分析法计算所述评价指标的权重向量；所述引用层次分析法计算评价指标的权重向量的方法包括：根据所述评价指标的相对重要性构建判断矩阵；根据所述判断矩阵确定评价指标的权重向量；对所述判断矩阵进行一致性检验。
(1)所述根据评价指标的相对重要性构建判断矩阵的方法包括：采用1，3，5，7，9及其倒数的标度方法构建判断矩阵。
(2)所述确定评价指标的权重向量的方法包括：通过幂法迭代计算所述判断矩阵的最大特征根及所述最大特征根对应的特征向量；对所述特征向量进行归一化处理。
(3)所述对判断矩阵进行一致性检验的方法包括：计算一致性指标CI，计算平均随机一致性指标RI，当随机一致比率时，则判断矩阵的一致性可接受，否则，判断矩阵的一致性不可接受，需要重新构建判断矩阵并重新确定权重向量。
步骤五、根据专家对所有四级指标关于评价等级的推荐得分确定待评物元，进而计算评价指标关联度，建立关联度矩阵；
步骤六、根据所述权重向量及关联度矩阵合成评价目标关联度向量。所述评价目标关联度向量是通过将权重向量与关联度矩阵利用矩阵相乘计算得到。
步骤七、根据所述评价目标关联度向量及评价等级计算高速公路隧道运营安全风险的级别变量特征值。
本发明具有如下有益效果：
本发明基于层次分析和可拓物元的风险评价方法，通过可拓物元理论以及层次分析法在风险评价中的应用，可对风险评价过程中出现的各种不确定因素、指标进行分析。通过将指标分为不易改善和易于改善两类，有利于后期采取针对性措施。设置四级指标，从路网、隧道、驾驶员、车辆、管理、维护六个方面进行考量，分析更为细致全面。采用设置权重，各因素指标相互对比的方式进行评价，从而使得评价结果更趋客观化。
附图说明
图1是本发明基于层次分析和可拓物元风险评价方法的实施流程图；
图2是高速公路隧道运营安全风险评价指标体系；
图3是本发明基于层次分析和可拓物元风险评价方法中引用层次分析法计算评价指标的权重向量的实施流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
结合附图。
如图1所示，图1是本发明基于层次分析和可拓物元风险评价方法的实施流程图，包括以下步骤：
步骤一、根据专家推荐意见选择评价指标，建立指标体系，形成评价因素集。如附图2所示，图2是高速公路隧道运营安全风险评价指标体系。
表2高速公路隧道运营安全风险评价指标体系
步骤二、制定多个评价等级形成风险等级域。
所述评价等级根据隧道营运安全程度分为四级，形成的评价风险等级域为V＝{v1，v2，v3，v4}，对应的隧道营运安全程度为不安全、较安全、安全、很安全，评价风险等级域量化分值为V＝{1，2，3，4}。
步骤三、根据所述评价等级确定评价指标经典域和节域，如下表1所示。
表1各评价风险等级经典域、节域
风险等级 不安全 较安全 安全 很安全
经典域 (1,1.5) (1.5,2.5) (2.5,3.5) (3.5,4)
节域 (1,4) (1,4) (1,4) (1,4)
步骤四、引用层次分析法计算所述评价指标的权重向量。需要说明的是，权重向量表示各评价指标的相对重要性排序，即权重的分配。对于多层次的综合评价问题，可拓综合评判过程是由低层次向高层次逐步进行的。分别对下级指标构造其各自的判断矩阵，通过计算最大特征根和一致性检验，得出合理的权重向量。
步骤五、根据专家对所有四级指标关于评价等级的推荐得分Vn确定待评物元，进而计算评价指标关联度，建立关联度矩阵。
式中：Kj(Cn)—关联函数，评价指标因素Cn相对于j级风险等级的关联度；
|Qnj|—经典域区间＜anj,bnj＞的长度，即|bnj-anj|；
ρ(Vn,Qnj)—点Vn相对于经典域区间Qnj的距。
ρ(Vn,QnV)—点Vn相对于节域区间QnV的距。
由上述方法可以得到所有指标的关联度向量，以指标关联度向量为行组成关联度矩阵：
矩阵K中第n行第j列元素knj，表示风险指标Cn对风险等级Vj的关联度。
步骤六、根据所述权重向量及关联度矩阵合成评价目标关联度向量。所述评价目标关联度向量是通过将权重向量与关联度矩阵利用矩阵相乘计算得到。
例如，将权重向量A与各被评风险因素的关联度矩阵K进行合成，得到上一层风险指标的关联度向量。即：
以此类推，可计算得到最高层评价目标的关联度向量。
步骤七、根据所述评价目标关联度向量及评价等级计算高速公路隧道运营安全风险的级别变量特征值。
通过以上方法计算得到最高层评价目标N的关联度向量Kj(N)后，通过下式计算确定待评目标相对风险等级的级别变量特征值j*。令：
则评价目标N的级别变量特征值j*为：
j*主要反映评价目标N的评价结果偏向某风险等级的程度。
图3是本发明基于层次分析和可拓物元风险评价方法中引用层次分析法计算评价指标的权重向量的实施流程图，包括：
步骤一、根据所述指标的相对重要性构建判断矩阵。所述根据评价指标的相对重要性构建判断矩阵的方法包括：采用1，3，5，7，9及其倒数的标度方法构建判断矩阵。需要说明的是，判断矩阵反映了专家组对各评价指标相对重要性的认识，通常采用1，3，5，7，9及其倒数的标度方法构建判断矩阵。判断矩阵相应元素的值则取这个比值。
步骤二、根据所述判断矩阵确定评价指标的权重向量。所述确定评价指标的权重向量的方法包括：首先通过幂法迭代计算所述判断矩阵的最大特征根及所述最大特征根对应的特征向量；然后对所述特征向量进行归一化处理。
需要说明的是，用幂法迭代计算出判断矩阵的最大特征根及最大特征根所对应的特征向量A(a1，a2，…，ai)，此特征向量就是各评价指标的相对重要性排序，即权重的分配。然后，将特征向量归一化形成权重向量。
步骤三、对所述判断矩阵进行一致性检验。所述对判断矩阵进行一致性检验的方法包括：首先计算一致性指标CI，然后计算平均随机一致性指标RI；最后当随机一致性比率时，则判断矩阵的一致性可接受，否则，判断矩阵的一致性不可接受，需要重新构建判断矩阵并重新确定权重向量。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
对某高速公路隧道运营安全风险进行评价，评价指标体系如附图2所示。
(1)根据专家组打分情况分别构造判断矩阵，并计算相应权重向量。将各专家计算的权重加权平均后得出各区段各级指标权重分配，得分及权重计算结果如表3所示。
表3高速公路隧道运营安全风险评价体系指标权重及得分
(2)根据表3中指标得分以及关联度计算方法确定出评价体系中所有指标的关联度，如表4所示。
表4高速公路隧道评价指标关联度计算结果
(3)根据计算得到的权重向量及关联度矩阵合成评价目标关联度向量：
k(N)＝(-0.714,-0.449,0.203,-0.242)
(4)根据所述评价目标关联度向量及评价等级计算高速公路隧道运营安全风险的级别变量特征值：
根据以上评价结果并结合级别变量特征值定义，该隧道运营安全风险等级偏向于3级，即偏向于“安全”。这样的结果说明该隧道运营安全风险基本可以被接受，但尚可以采取一定的措施来进一步保障隧道运营安全。

Claims (5)

1.基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法，其特征在于：通过层次分析法建立评价体系递阶层次结构模型并确定出各层次指标权重，通过可拓物元理论得到层次结构模型中最底层指标的关联度矩阵，将得到的权重与关联度矩阵按照递阶层次结构逐层往上进行计算合成，最终得到顶层评价目标的评价结果。
2.根据权利要求1所述基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法，其特征在于具体包括以下步骤：
步骤一、选择评价指标，建立指标体系，形成评价因素集；
步骤二、制定多个评价等级形成风险等级域；所述风险等级域分为四个等级，根据风险程度分为不安全，较安全，安全，很安全，对应分值1，2，3，4；
步骤三、根据所述评价等级确定评价指标经典域和节域；
步骤四、引用层次分析法计算所述评价指标的权重向量；
步骤五、根据专家对所有四级指标关于评价等级的推荐得分确定待评物元，进而计算评价指标关联度，建立关联度矩阵；
步骤六、根据所述权重向量及关联度矩阵合成评价目标关联度向量；所述评价目标关联度向量是通过将权重向量与关联度矩阵利用矩阵相乘计算得到；
步骤七、根据所述评价目标关联度向量及评价等级计算高速公路隧道运营安全风险的级别变量特征值。
3.根据权利要求2所述的基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法，其特征在于：
所述评价因素集为四级指标体系，包含：一级指标、二级指标、三级指标和四级指标；
所述一级指标包括：高速公路隧道运营安全风险；
所述二级指标包括：不易改善因素和易于改善因素；
所述不易改善因素包括三级指标：路网因素、隧道因素、车辆因素、驾驶人因素；
其中，路网因素包括四级指标：交通量、大车比例和隧道位置；隧道因素包括四级指标：曲线半径、纵坡坡度、隧道长度；车辆因素包括四级指标：车速和车辆性能；驾驶人因素包括四级指标：驾驶技术、不安全行车行为和安全意识；
所述易于改善因素包括三级指标：隧道因素、管理因素、维护因素；
其中，隧道因素包括四级指标：路面、隧道通风和隧道照明；管理因素包括四级指标：交通管制水平、管理人员水平和宣传教育；维护因素包括四级指标：土建结构、机电系统和控制系统维护。
4.根据权利要求2所述的基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法，其特征在于：
所述引用层次分析法计算评价指标的权重向量的方法包括：根据所述评价指标的相对重要性构建判断矩阵，根据所述判断矩阵确定评价指标的权重向量，对所述判断矩阵进行一致性检验；
所述根据评价指标的相对重要性构建判断矩阵的方法包括：采用1，3，5，7，9及其倒数的标度方法构建判断矩阵；
所述确定评价指标的权重向量的方法包括：通过幂法迭代计算所述判断矩阵的最大特征根及所述最大特征根对应的特征向量；对所述特征向量进行归一化处理；
所述对判断矩阵进行一致性检验的方法包括：计算一致性指标CI，计算平均随机一致性指标RI，当随机一致比率时，则判断矩阵的一致性可接受，否则，判断矩阵的一致性不可接受，需要重新构建判断矩阵并重新确定权重向量。
5.根据权利要求2所述的基于层次分析和可拓物元的高速公路隧道运营安全风险评价方法，其特征在于：步骤三中根据所述评价等级确定的评价指标经典域是：不安全(1,1.5)、较安全(1.5,2.5)、安全(2.5,3.5)、很安全(3.5,4)；确定的节域是：不安全(1,4)、较安全(1,4)、安全(1,4)、很安全(1,4)。
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