基于熵模型的地下空间安全防范系统效能评估方法研究

尹柯

（南京森林警察学院 江苏南京 210023）

1 引言

随着城市的发展，地面空间日渐紧缺，特别是大型城市，楼房密集，交通拥堵，居住环境越来越差等。各级政府已开始注意到这一影响城市发展的瓶颈问题，特别是就针对城市这种密集型场所如何做好安全防范工作设立了许多专题和专项。人们围绕智慧城市这一主题，利用大数据概念，进行各种城市安全防范的研究[1]。近年来，有学者将研究的重点从地上转向发展地下空间探索。但在充分开发和利用地铁、地下道路、地下商业、地下交通枢纽等地下空间相关功能的同时，城市大型地下空间的安全防范的有效性已经成为人们普遍关注的重大问题。为了有效降低城市大型地下空间的安全隐患，减少灾害造成的损失，城市地下公共空间通常配备安全监管系统，这类安全系统具有风险探测与安全保障功能，主要体现的是安全防范，统称为安全防范系统。该系统不仅可以在灾害发生前起到预警作用，而且可以在灾害发生的过程中通过采集到的信息分析出灾害发生的趋势和危害程度，最大程度地减少和降低灾害对地下公共空间内人员与建筑造成的损害。因此，有必要针对现有的城市安全防范系统的有效性进行长效的监督和评估，以便为安全监控系统及时提供有价值的判断和预警。

2 地下空间安全防范系统效能评估的现状

目前，对安全防范系统的监控和评估多采用效能评估监测方法。效能评估这个概念的提出最早是由美国海军针对作战系统提出的，即系统效能是指在规定时间内完成规定任务的程度指标，同时也是系统在规定条件下和在规定时间内满足作战需求的概率。效能评估方法多应用在军事领域[2～3]以评估作战指挥及武器系统的应用效果。其最大特点就在于针对某一特殊人群或事件具有快速而准确的时效性。

对于安全防范系统效能的评估，国内很多学者也从不同的研究角度作了大量的研究，如潘科，王洪德[4]研究监控地铁事故的安全防范系统的效能评估问题，提出一种多级可拓的评价方法对指标数据进行评估；正如Fenne11y，Lawrence[5]指出的那样：没有任何一个防范系统是百分之百安全的，如果一个安防系统需要能够抵御大多数的威胁与入侵，这个安防系统中的各个子系统，如周界防护子系统、报警子系统、人力防范以及其他子系统，就需要相互协同运作。为了评估该安全防范系统的效果，有必要建立一个针对安全防范系统有效性的效能评估过程。

地下空间是一个较为复杂的场所，由于地下空间在地理位置上具有封闭性和隐蔽性的特点，其安全事故不管从发生次数，还是从死亡人数及经济损失方面，都大大高于地面建筑和高层建筑。有人认为，地下空间与地面空间本质上存在着诸多的相似性。其实，这些相似性只能针对各类实体（比如建筑物、设施、材料等）而言是存在的，更多的区别还是在环境和条件方面。比如，地下空间使得内部的防火防灾变得复杂和困难，一旦发生灾害，地下空间里的疏散和救援变得既突出又复杂。因此，其对安全防范系统的要求就与地面的安全防范系统有所区别，其预警性能就需要更高。

随着安全防范系统在地下空间中的应用不断增多，在地下空间安全中承担的作用不断提高。据相关的数据显示，现在地下空间安全防范系统中就有两个方面的问题，需要特别的重视和有效的解决方案：①设计中的或现有的安全防范系统是否能够达到安全设计时所要达到的效果和目标；②现行的安全防范系统能否在需求和费用上找到一个平衡点，即不仅能够较好地实现安全防范系统的功能和作用，又可以其实避免设备的重复使用。由于安全防范系统在地下空间安全管理中起着十分重要的作用，因此必须对地下空间安全防范系统进行实时监控和更新。但如果没有合适的检测手段，只是根据产品的性能，定期更换设备，某种程度上是可以提高监控效果，但实际上也会存在风险，比如设备没有达到设计的性能，这样就会提前失去检测功能，而一些因保护等因素使设备的性能达到充分发挥的，即使到了规定期限也仍然具备检测功能，这样统一更换势必也会造成不必要的浪费。因此，掌握设备的效能成为既节约成本又能够提高监控效率的有效路径。效能评估方法就这样应运而生。在各种生产过程以及工业化工程中，效能评估法被广泛用来检测设备运行的质量和效率，提高安全预警的有效性和稳定性。

3 基于熵模型的地下空间安防系统效能评估

云理论是李德毅院士开创的理论，该理论把模糊性和随机性完全集成到一起，构成定性和定量相互间的映射。目前云模型被成功地用于人工智能、军事系统的效能评估中。因此云模型可以有效的提高对安全管理系统效能评估的准确性。云理论的优势在于可以将定性的描述转换成定量的数据语言，这个特点正适用于安全管理系统节点效能评估的过程。云理论在效能评估与评价方面的应用主要体现在对熵值的计算模型的构建上。

因此，本文借助熵值模型理论，尝试构建评估指标体系，对地下空间安防系统的效能进行模拟评估：

3.1 构建地下空间安全防范系统效能评估的指标体系

地下空间安全防范系统的效能指的是地下空间安全防范系统的功效和功能，即安全防范系统在地下空间安全管理系统中达到或实现系统预定目标的程度。确定地下空间安全防范系统效能评估指标是一项十分复杂的探索性科研工作，目前相关研究还没有明确的统一标准。由于地下空间安全防范系统效能评估中任何一个评估因子之间都具有复杂的联系，地下空间安全防范系统需要与警务管理系统、情报研判系统、调度指挥系统等融合关联。因此，地下空间安全防范系统的评估指标体系的构建不仅要以安全防范系统的基本评估模型为基础，而且也要包含地下空间这类特定功能场所的特殊需求。

3.2 确定评语集

评语多数都是以一些没有明确表示模棱两可的语言来进行描述，地下空间安全防范系统效能评估指标多数为定性指标，无法直接进行量化计算，需要将其转化为定量指标。因此要将评语用一维云模型来表示，这些就可以形成该指标体系的评价标准云模型集。采用如下公式来进行求解云模型的数字特征：

（Cmin，Cmax）是评语的取值范围。式中k为常数，表示评语本身的模糊程度，可以根据历史数据确定，也可以由专家根据经验直接给出，但He的值不能取得过大，以免造成Ex误差偏大，结果不准确。

3.3 指标权重的确定

评估指标体系中明确了各指标之间的隶属关系，但同一层的指标相对于上级指标的重要程度仍需要运用科学方法加以确定。地下空间安全防范系统效能评估指标体系的递阶结构，适用层次分析的方法计算各指标元素的权重值。本文运用层次分析法解决指标权重分配问题，其主要思路是：利用Santy的1～9级标度法，对同一层的指标项目的重要程度进行两两对比和评分，根据所得分值构造相应的判断矩阵。并对判断矩阵进行一致性检验。不满足一致性要求则需要进行重新构造判断矩阵，直到能够满足一致性要求。最后通过层次单排序和层次总排序，得到指标权值。

3.4 指标云模型的确定

根据专家组对每个指标评判的风险值，通过无须确定度的逆向云发生器公式计算每层指标的云模型：

先得到该组数据样本的均值：

一阶样本绝对中心距：

样本方差：

期望值：

同时由样本均值可得熵：

由样本方差和超熵可得：

3.5 综合云模型图，确定评价结果

二级指标云模型结合指标权值算出一级指标云模型，如公式（10）～（12），其中 Ex、En、He 为第 n-1 层指标的评价云模型；Ex1，Ex2，…Exn分别为第n层各指标评价云模型的期望值；Ex1，Ex2，…Exn为第n层各指标评价云模型的熵；He1，He2，…Hen为第n层各指标评价云模型的超熵；i为第n层指标的个数；∂1，∂2，…∂n为第n层各指标的权重。以此类推，直至计算出目标层的综合评价云模型。

最终，总模型通过计算得到云图验证整个系统的评价等级。

4 结语

一般而言，传统的安全系统风险评价方法只是对评价的技巧进行深入研究，很少考虑定性语言的自有属性：即随机性和模糊性。这会导致无论主观多么努力分析，客观上就会出现方法的弊端和缺陷，评价结果的可靠性和真实性始终受到质疑。

本文尝试从熵值与超熵的角度构建评估模型，对地下空间的安防系统进行效能评估，解决了效能评估中所遇到的模糊性过高且评估结果不够精确等问题，所够建评估指标体系具有一定的应用意义和借鉴价值。由于篇幅所限，在模型的评价效度方面还需要做进一步的对比实证研究。