基于模糊综合评价法的地铁防雷安全评价＊

秦 健 袁 媛

（1.重庆市防雷中心，401147，重庆；2.重庆市雷电灾害鉴定与防御工程技术研究中心，401147，重庆；3.重庆大学建筑设计研究院，400045，重庆∥第一作者，工程师）

我国城市轨道交通建设较发达国家起步较晚，人员意识、设备技术和安全管理等方面都存在一些薄弱环节。虽然地铁系统是一个相对独立的、封闭的系统，但电气设备、供电系统和电子系统等的耐受雷电压能力弱，一旦因雷电灾害造成地铁故障，会引起较大的社会影响，造成严重的经济损失。

文献［1］等对城市轨道交通工程安全预评价、试运营前安全评价、安全验收评价及运营安全现状评价工作的主要内容及评价重点进行了分析研究，文献［2］等分析了城市轨道交通在建设及运营过程中存在的各种危险因素，文献［3］等对地铁施工安全进行了评价。雷电灾害可能导致地铁发生严重的事故，防雷安全问题已成为保障地铁安全运营的重要一环，有必要对地铁的防雷安全进行评价。地铁系统防雷安全评价是以实现地铁防雷安全为目的，辨识与分析系统中的危险有害因素，并评价其安全易损性程度［4］，这对于最大程度地减少、预防雷电灾害事故，保障地铁安全运营具有重要的现实意义。

1 防雷安全评价指标体系

地铁防雷安全涉及面广，影响因素较多，通过整理和分析相关文献［5－8］，建立了防雷安全措施、防雷安全管理、设备因素和自然因素4个主因素及19个子因素组成的评价指标体系（见图1），指标体系较为全面地涵盖了影响地铁防雷安全的因素。

1.1 防雷安全措施

按照新建、改建、扩建工程项目防雷设施“三同时”原则，防雷安全措施主要包括项目选址的雷电风险评估、防雷装置设计、防雷装置施工、防雷系统运行情况以及雷电灾害预警信息的接收。安全措施贯穿了项目的整个施工过程，其中某个环节留下不安全因素和事故隐患，在地铁运营过程中就可能酿成防雷安全事故。

图1 地铁防雷安全评价指标体系图

1.2 防雷安全管理

防雷安全管理因素主要包括：规范、完备的安全管理组织和规章制度，落实到个人的安全管理责任制，发生雷电灾害突发事故时的应急预案体系［9］，按照相关技术标准的要求开展防雷装置检查及定期对有关人员开展防雷安全教育与技术培训。

1.3 设备因素

地铁系统的设备因素主要包括车辆系统、电气系统、通风／排烟系统、给／排水系统、通信／信号系统等，这些系统在运行过程中都可能存在一定的雷电灾害风险。车辆在运营过程中可能存在列车失控、列车脱轨、列车相撞以及车内各种设施故障等危险因素；地铁接触网接触网断线或绝缘子损坏，接触到金属结构物就会使其带电，危及人身安全［10］；通风系统无法正常工作，当地铁发生火灾，积聚的高温浓烟很难自然排除，严重威胁人员的生命安全［11］；给／排水系统不运转，将无法排放侵入的地表水；通信／信号系统发生故障，不能保证各种行车信息及控制信息可靠传输。

1.4 自然因素

自然因素是影响雷电灾害事故的重要因素，包括气象因素、地理地质因素和土壤因素等［12］。致灾因子雷电属于强对流天气的一种。重庆特殊的气象环境导致它成为全国高雷暴地区之一，每年的雷暴日多达51 d，一年中各月均有雷电发生，雷电的时空分布特征很大程度上决定了雷电灾害发生的概率和后果。重庆辖区以丘陵、山地为主，坡地面积较大，丘陵地带的地形抬升是造成雷电灾害事故多发的原因之一。不同土壤类型有不同的土壤电阻率，它影响雷电流散流的效果。

2 模糊综合评价模型

模糊综合评价法是建立在模糊数学理论基础上的一种预测和评价方法，它适合于将某些不易定量的因素定量化，解决那些只能用模糊的、非定量的、难以明确定义的实际问题。在确定评价因素、因子的评价等级标准和权值的基础上，运用模糊集合变换原理，以隶属度描述各因素及因子的模糊界线，构造模糊评价矩阵，通过多层复合运算，最终确定评价对象所属等级［13－14］。

2.1 评价指标权重

评价工作中，各评价因素的重要程度往往是不相同的，为此需要确定各因素集的模糊权重。本文采用层次分析法确定各因素权重。根据建立的防雷安全评价指标体系构造判断矩阵，计算最大特征根及对应特征向量并做一致性检验，通过检验的特征向量作为指标权重值。

2.2 评价集

评价集是评价者对评价对象可能做出的各种评价结果所组成的集合，通常用评价集V＝｛v1，v2，…，vm｝表示。可以根据实际情况，用不同的等级、评语或数字来表示评价因素对地铁防雷安全影响程度大小，具体评价集为V＝｛高易损性／1级，次高易损性／2级，中易损性／3级，低易损性／4级｝。

2.3 模糊判断矩阵

利用专家评分法确定单因素对各等级模糊子集的隶属度，建立模糊评价矩阵R。先由业内专家填写评价卡，根据所评因素的具体情况，给出相应的等级；然后统计评价情况，列出评价结果统计表；由评价结果统计表求出各因素属于不同等级评语的隶属度，建立模糊评价矩阵Ri［15］。

2.4 综合评价

利用模糊评价矩阵R和权重集A，通过模糊变换将U上的模糊向量A变为V上的模糊向量B，即得到综合评价模型：

其中，“◦”是模糊算子，这里采用“乘与和”算子。

2.5 评价结果

将模糊集B归一化处理，得到B′＝（b′1，b′2，…，b′n），其中常用的易损等级判定方法时按照最大隶属度原则，根据其在评价集中所处等级取得评价等级。但是，该方法不能充分利用模糊集B所带来的所有信息。这里采用加权和对模糊综合评价结果进行处理，已达到更真实地反应评价对象的易损性等级的目的。加权和模式如下16：

式中：

H——受灾体易损性指数；

j——评价因子评价级别；

b′j——归一化的模糊集B′向量。

3 案例应用

应用上述模型对重庆某地铁线的防雷安全等级进行评价。

3.1 确定模糊权重集

利用层次分析法确定权重。邀请地铁行业相关单位和防雷技术机构的多位专家，根据地铁防雷安全评价指标体系，对各指标的重要性进行打分；然后对所打的分值进行归一化处理后构造判断矩阵，采用和法计算最大特征根及对应特征向量，并对计算结果利用一致性指标为特征根的最大值；n为向量个数）、随机一致性指标IR（查表得到）和一致性比率做一致性检验，以判断不一致程度是否在容许范围0.1内；如在容许范围内，则认为判断矩阵赋值是合理的，否则需要重新进行成对比较。计算结果见表1～表5。

表1 主因素层Ui对目标层U的判断矩阵及权重（i＝1，2，3，4）

表2 子因素层u1j对准则层U1的判断矩阵及权重（j＝1，2，3，4，5）

表3 子因素层u2j对准则层U2的判断矩阵及权重（j＝1，2，3，4，5，6）

表4 子因素层u3j对准则层U3的判断矩阵及权重（j＝1，2，3，4，5）

表5 子因素层u4j对准则层U4的判断矩阵及权重（j＝1，2，3）

3.2 建立模糊评价矩阵

利用专家评分法。咨询了10位专家，根据划分的4个等级分别对图1的子因素进行评价，评价结果统计见表6。专家评价后，分别计算各子因素的隶属度，构造模糊评价矩阵。以u11为例，10名专家中没有人认为是“高易损性”，1人认为是“次高易损性”，4人认为是“中易损性”，5人认为是“低易损性”，则对u11的评价为（0.0，0.1，0.4，0.5）。同理可得到其它因素的隶属度，则防雷安全措施U1各子因素评价矩阵为：

表6 评价结果统计表

防雷安全管理U2各子因素评价矩阵为：

设备因素U3各子因素评价矩阵为：

自然因素U4各子因素评价矩阵为：

3.3 建立综合评价模型

首先从最低层开始进行评价，评价算法依据模糊运算公式B＝A◦R进行，得到各个指标的二级模糊评价向量，再根据二级模糊运算结果和一级指标权重进行一级模糊综合运算。

3.3.1 第二层模糊评价

同理，可得B2＝A2◦R2＝ （0.247 5，0.258 4，0.323 0，0.178 2），B3＝A3◦R3＝（0.224 3，0.260 7，0.304 0，0.211 1），B4＝A4◦R4＝（0.345 5，0.229 7，0.275 7，0.149 0）。

将B1、B2、B3、B4分别归一化得：B′1＝ （0.135 2，0.376 0，0.245 1，0.243 8），B′2＝（0.247 5，0.258 4，0.323 0，0.178 2），B′3＝（0.224 3，0.260 7，0.304 0，0.211 1），B′4＝（0.345 5，0.229 7，0.275 7，0.149 0）。

3.3.2 第一层模糊评价

将B进行归一化，得B′＝（0.284 2，0.257 0，0.282 1，0.177 0）。

3.4 防雷安全评价结果及分析

根据式（3）计算得到地铁雷电易损性指数H＝2.350 6，它的数值接近2，所以判断易损性等级为2级，属于次高易损性，偏向于高易损性。

4 结语

本文通过合理选取地铁防雷安全评价影响因素建立了评价指标体系，运用层次分析法确定了指标权重集；然后利用模糊综合评价模型对地铁防雷安全易损性进行了综合评价；最后根据加权和原则确定了重庆某地铁线的防雷安全易损性等级为2级，属于次高易损性，需要采取安全、合理的雷电防护措施，以降低地铁运营过程中存在的雷电灾害风险。

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