灰色聚类模型在应急管理能力评价中的改进及应用

魏彩凤 陈美宝,2 何 军 胡 鹏 白经博

(1. 重庆科技学院， 重庆 401331； 2. 重庆市安全生产科学研究院， 重庆 400042；3. 重庆气矿气田开发工艺研究所， 重庆 400021)

灰色聚类模型在应急管理能力评价中的改进及应用

魏彩凤1陈美宝1,2何 军3胡 鹏3白经博1

(1. 重庆科技学院， 重庆 401331； 2. 重庆市安全生产科学研究院， 重庆 400042；3. 重庆气矿气田开发工艺研究所， 重庆 400021)

在运用灰色聚类模型评价应急管理能力时，发现当确定某种形式的白化权函数后出现了权值全部相同的情况，针对这种情况提出了将灰色聚类模型与已确定的指标权重相结合建立模型一、模型二，并在已有的应急管理能力评价体系和已知其相应指标权重的基础上，运用改进灰色聚类模型进行实例分析。结果表明，改进的灰色聚类模型可以用来评价应急管理能力，且2种模型所得到的评价结果一致，但模型一比模型二对评价工作更有效。

灰色聚类模型； 白化权函数； 权值； 评价体系

1982年，中国学者邓聚龙教授创立了灰色系统理论，这是一种研究少数据、贫信息不确定性问题的新理论[1-2]。该理论以“部分信息已知，部分信息未知”的“少数据”“贫信息”不确定系统为研究对象。现实世界中普遍存在的“少数据”“贫信息”不确定系统，为灰色系统理论提供了丰富的研究资源和广阔的发展空间[3]。

概率统计、模糊数学、灰色系统理论和粗糙集理论是4种最常用的不确定性系统研究方法[3]。其共同点是研究对象都具有某种不确定性，区别在于各侧重点不同。目前，灰色系统理论已经运用到各个方面，比如地应力场分析、农民用水、管道腐蚀剩余寿命预测及管道应急管理能力评价等。同时，很多学者也对灰色聚类模型提出改进措施，使其更好地用来解决实际问题。例如吴波等[4]人提出利用灰色关联分析的思想对灰色聚类评估模型进行改进，用来评估设备的健康状态；胡军等[5]人针对指数型白化权函数建立了样本与各等级之间的对应关系，避免了零权重问题，对环境空气质量进行评价；徐冬梅等[6]人运用聚类与排序并重的改进灰色聚类决策方法，采用混合三角白化权函数的新思路，重新确定了决策标准，提出了基于改进灰色聚类的农业旱灾脆弱性分析模型。

由于影响应急管理能力的因素涉及广且较复杂，很难完全使其量化，而且在进行评价时依据的评价体系中也只是列举出影响应急管理能力中具有代表性的指标，其次借助专家评价时存在一定的主观性，因此，应急能力评价信息存在不全面与不准确的特性[7]。于是便可采用灰色系统理论相关知识对应急能力展开评价工作，同时可以进一步改进模型，使其能更好地用于评价。选取天然气中心站为研究对象，同时以高峰场中心站为实例进行验证。

1 改进灰色聚类模型

1.1灰色聚类模型

灰色系统理论研究和技术方法体系受到更多的关注并被运用到各领域，许多学者投入大量精力来研究、发展灰色系统理论。

灰色聚类是根据灰色关联矩阵或灰类的白化权函数将所考虑的观测值或观测对象划分成若干个可定义类别的方法[8]。一个灰类就是指属于同一类的观测指标或观测对象的集合。基于白化权函数的灰色聚类主要用于考虑观测对象是否属于事先设定的不同类别，以便区别对待[3]。基于白化权函数的灰色聚类又可以分为灰色变权聚类和灰色定权聚类[9]。灰色变权聚类适用于评价对象指标的意义、量纲皆相同的情况，当其指标的意义、量纲不同并且不同指标的样本值在数量上差异悬殊时，应采用灰色定权聚类。

运用灰色聚类模型来进行评价，其步骤分为分析灰色聚类，构建白化权函数，确定子类临界值、子类的权、变权聚类系数、聚类系数向量及矩阵，通过得到的矩阵来分析评价的结果。

设有n个聚类对象，m个聚类指标，s个不同灰度，根据对象关于指标的观测值，将对象归入灰类k(k{1,2，…，s})，称为灰色聚类。其相关公式为[3]：

经典白化权函数中k子类临界值：

(1)

j指标k子类的权值：

(2)

灰色变权聚类系数值：

(3)

聚类系数向量：

(4)

聚类系数矩阵：

(5)

1.2问题分析

在实际应用过程中发现，当构建某种形式的经典白化权函数时，其各子类的临界值均相同，从而使得权都相同，这样就失去了确定权的意义，体现不出不同指标所占权的不同对评价结果的影响。

1.3改进灰色聚类模型

模型一：权η赋值为评价体系中采用某种方法所确定的各对象i相应的指标j的权重，即假设有二级评价体系，则权η赋值为各二级指标权重，则灰色变权聚类系数变为：

(6)

模型二：权η赋值为评价体系中采用某种方法所确定的各对象i的权重，则权η赋值为各指标所从属的一级指标权重，则灰色变权聚类系数变为：

(7)

模型一的思想是单独考虑各指标的权重，而模型二的思想则是从整体角度出发，考虑指标所从属的上级指标的权重。运用上述2种思想可以将灰色聚类模型与某种方法已确定权重相结合，避免了灰色聚类模型中存在的不足，同时可以更有效地对所要评价的对象进行评价。

2 改进灰色聚类模型的应用

2.1模型分析

将在已有的高峰场中心站应急管理能力评价体系(二级指标体系，其中一级指标5个，二级指标19个)和已知各指标权重的基础上，运用改进灰色聚类模型对高峰场中心站应急管理能力进行评价。灰类分为“优”“良”“中”“差”，分数依次为7、5、3、1，介于两者之间依次为6、4、2，同时组织专家组对评价体系中各指标进行打分，其分值将作为构建白化权函数的依据。由于灰色聚类最大的特点是不仅对样本数量没有要求，而且也不要求样本服从任何分布，因此，不需要对数据进行校验，可以直接进行评价[10]。专家组的人数可自行规定，所打的分值可以直接应用。

2.2模型建立

灰数及白化权函数的确定如表1所示。

通过白化权函数可以分别计算出临界值和权值，此时就会发现计算所得到的权值都相同。因此，将不再采用此计算权值的方法继续计算灰色变权聚类系数、向量等。

运用模型一的思想，将权赋值为各二级指标的权重，运用模型二的思想，将权赋值为各二级指标所从属的一级指标的权重，通过运用1.1中的公式分别计算出灰色变权聚类系数、聚类系数向量，从而得到聚类系数矩阵，矩阵中最大值见表2。

2.3结果分析

通过对模型的分析及建立，最终总结出的结果见表2。在模型一、二中均有如下结果：i=5时属于灰类1，即一级指标中第五个评价对象评价结果属于“优”；i=1,2,4时属于灰类2，一级指标中第一、二、四个评价对象评价结果属于“良”；i=3时属于灰类3，即一级指标中第三个评价对象评价结果属于“中”。通过对高峰场中心站数据的进一步分析、核实，确认此评价结果符合实际情况。

表1 灰数及白化权函数表

表2 2种模型中的确定

3 结 语

(1) 通过构建白化权函数来运用灰色聚类模型评价应急管理能力时发现，当构建某种形式的白化权函数时会出现权值都相同的情况。在此情况下，失去了确定权的含义，体现不出不同指标所占权值的不同对评价结果的影响。

(2) 提出将灰色聚类模型与已确定的指标权重相结合的思想，对灰色聚类模型进行改进，使其更好地用来评价应急管理能力。同时，通过实例分析，所提出的2种模型均可以有效地开展评价工作，但模型一比模型二的评价效果更好。

[1] 刘思峰.灰色系统理论的产生、发展及前沿动态[J].中国管理科学，2003，16(增刊1)：14-17.

[2] 王印博，魏祥，李红昌，等.层次灰色理论在老旧电梯综合评价中的应用[J].装备制造技术，2014(4)：125-126.

[3] 刘思峰，杨英杰，吴利丰，等.灰色系统理论及其应用[M].北京：科学出版社，2014:123-147.

[4] 吴波，夏良华，郑百源，等.设备健康状态灰色聚类评估的一种改进方法[J].计算机测量与控制，2013，21(10)：2756-2758.

[5] 胡军，许丽忠，张江山.基于改进灰色聚类法的大气环境质量综合评价[J].福建师范大学学报(自然科学版)，2012，28(1)：49-54.

[6] 徐冬梅，李璞媛，王文川，等.基于改进灰色聚类方法的农业旱灾脆弱分析[J].灌溉排水学报，2016，35(8)：87-91.

[7] 国静.油气管道企业长输油气管道突发事件应急管理能力评价[D].成都：西南石油大学，2015:11-12.

[8] 蒋海艳，莫崇勋,魏炜，等.灰色定权聚类法在水库汛期分期中的应用[J].水力发电，2012(12)：8-10.

[9] 吴正朋，张友萍，李梅.基于Reny熵的灰色聚类决策方法研究[J].中国传媒大学学报(自然科学版)，2011(3)：63-66.

[10] 谭露.基于灰色聚类的钻井作业安全评价方法的研究与实现[D].成都：西南石油大学，2014:17-18.

Abstract:When using grey clustering model to evaluate the emergency management ability, it is found that the weights are all the same when a certain kind of whitening weight function is determined. In view of this situation, this paper puts forward the idea of improving grey clustering model. By combining the grey clustering model with the weight of the index that has been determined, the model 1 and model 2 are established. At the same time, on the basis of the existing emergency management capability evaluation system and the corresponding index weight, the improved grey clustering model is used to validate the model. The results show that the improved grey clustering model can be used to evaluate the emergency management ability, and the evaluation results of the two models are consistent, but the model 1 is more effective than the model 2.

Keywords:grey clustering model; whitening weight function; weight; evaluation system

ImprovementandApplicationofGreyClusteringModelinEmergencyManagementCapabilityEvaluation

WEI Caifeng1CHEN Meibao1,2HE Jun3HU Peng3BAI Jingbo1

(1.Chongqing University of Science & Technology, Chongqing 401331, China;2.Safety Production Science Research Institute of Chongqing, Chongqing 400042, China; 3.Gas Field Development Technology Research Institute of Chongqing, Chongqing 400021, China)

TP393

A

1673-1980(2017)05-0115-04

2017-04-20

重庆市安全科研项目“高峰场中心站HAZOP分析”(XNSOZJS2015-0012)；重庆科技学院研究生科技创新计划项目“高峰场中心站应急管理综合能力评价体系研究”(YKJCX1620719)

魏彩凤(1991 — )，女，重庆科技学院在读硕士研究生，研究方向为安全技术及工程。