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基于 AHP-熵權(quán)的高速鐵路行車安全風(fēng)險(xiǎn)研究

2018-03-20 06:38:14高海濤楊明宇孟令云
關(guān)鍵詞:權(quán)法高速鐵路行車

高海濤,楊明宇,孟令云,李 寧

GAO Hai-tao1,YANG Ming-yu2,MENG Ling-yun3,LI Ning4

(1.北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,北京 100044;2.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京工務(wù)段,北京100077;3.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044;4.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京電務(wù)段,北京 100069)

(1.School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Beijing Track Maintenance Department, China Railway, Beijing Group Co., Ltd., Beijing 100077, China; 3.State Key Lab of Rail Traffic Control & Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;4. Beijing Communication and Signaling Section, China Railway, Beijing Group Co., Ltd., Beijing 100069, China)

0 引言

高速鐵路有力地促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,改善了旅客的出行,使人們的生活更加便利。但是,由于我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)、跨度范圍大、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)行速度快,一旦出現(xiàn)事故,將造成嚴(yán)重后果。因此,在高速鐵路運(yùn)營(yíng)中引入風(fēng)險(xiǎn)管理思想,提升我國(guó)高速鐵路的安全性,對(duì)保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全十分重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域進(jìn)行了很多研究。Silla 等[1]通過(guò)建立事故模型,分析了芬蘭1959—2008 年的鐵路安全水平。王洪德等[2]通過(guò)對(duì)列車脫軌、列車火災(zāi)和列車沖突 3 種典型風(fēng)險(xiǎn)事件的定性分析,提出事故前預(yù)防屏障和事故后預(yù)防屏障,構(gòu)建了高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)的 Bow-tie 模型。劉超等[3]對(duì)高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行研究,建立了系統(tǒng)安全功能和安全管理流程相關(guān)聯(lián)的概念模型,將管理失效模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻M件故障樹作為評(píng)價(jià)證據(jù)。韓勇[4]通過(guò)對(duì)鐵路超限貨物進(jìn)行研究,提出超限貨物安全運(yùn)輸影響框架及提升安全性的措施。田元福等[5]對(duì)鐵路工務(wù)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究,提出鐵路工務(wù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別應(yīng)從外部因素、內(nèi)部因素和管理因素 3 個(gè)方面進(jìn)行分析。張志科等[6]對(duì)鐵路客運(yùn)安全的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)控制進(jìn)行研究,使用一種線型加權(quán)模型對(duì)鐵路客運(yùn)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并將其應(yīng)用于客運(yùn)車站擁擠踩踏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中。目前,對(duì)于高速鐵路行車安全風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)研究還較少,為此,運(yùn)用基于 AHP-熵權(quán)法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,對(duì)所構(gòu)建的高速鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行計(jì)算,進(jìn)而評(píng)估高速鐵路行車的安全性,為高速鐵路行車安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 高速鐵路行車安全綜合評(píng)價(jià)方法的建立

1.1 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

如果高速鐵路行車安全受到 L 個(gè)因素的影響,這 L 個(gè)因素又各自受到若干個(gè)二級(jí)影響因素的影響,則將安全評(píng)價(jià)體系一級(jí)指標(biāo)設(shè)為 (U1,U2,…,UL),二級(jí)指標(biāo)設(shè)為(Ui1,Ui2,…,Uil),其中 i = 1,2,…,L。l 為相應(yīng)的一級(jí)指標(biāo)下二級(jí)指標(biāo)的數(shù)量。

1.2 計(jì)算評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)權(quán)重

確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重是進(jìn)行灰色模糊綜合評(píng)價(jià)的重要步驟,獲取盡可能準(zhǔn)確的權(quán)重對(duì)于最終結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。層析分析法是一種常用的指標(biāo)權(quán)重確定方法,但該方法存在主觀性較強(qiáng)的缺點(diǎn)。為此,引入熵權(quán)法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正。

1.2.1 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家 T. L. Satty 提出的一種方法,被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜問(wèn)題的決策上。該方法通過(guò)構(gòu)建有關(guān)元素的層次結(jié)構(gòu),將專家的主觀判斷進(jìn)行量化,最終獲得各個(gè)元素指標(biāo)權(quán)重。其主要步驟包含建立層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造判斷矩陣、計(jì)算各因素指標(biāo)權(quán)重和矩陣一致性檢驗(yàn)。假設(shè)由層次分析法確定的第 i 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重為 w'i。

1.2.2 熵權(quán)法確定權(quán)重

熵本來(lái)是熱力學(xué)中的概念,它由 C. E. Shannon引入到信息論中,用來(lái)度量信息量。不確定性與信息量成反相關(guān),因而可以用熵值來(lái)度量不確定性情況。指標(biāo)對(duì)結(jié)果的影響程度隨著其集中程度增高而降低,即一個(gè)系統(tǒng)越有序,信息熵就越低;系統(tǒng)越無(wú)序,信息熵越高[7]。熵權(quán)法是一種客觀的確定權(quán)重的方法,使用時(shí)根據(jù)指標(biāo)的變異程度來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重,能夠盡可能消除人的主觀干擾。熵權(quán)法的主要步驟如下。

(1)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。假設(shè)由 m 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)、n 個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象構(gòu)建的原始矩陣為

將該原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到 P =(pij)m×n,其中 pij(0≤pij≤1) 為第 j 個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在第 i 個(gè)指標(biāo)上的標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)于越大越優(yōu)的指標(biāo)而言

對(duì)于越小越優(yōu)的指標(biāo)而言

(2)定義熵。定義第 i 個(gè)指標(biāo)的熵為

(3)定義熵權(quán)。將第 i 個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)定義為

1.2.3 確定指標(biāo)綜合權(quán)重

層次分析法確定的權(quán)重包含專家的主觀判斷,而熵權(quán)法側(cè)重原始數(shù)據(jù)本身的客觀信息。因而結(jié)合層次分析法和熵權(quán)法來(lái)確定權(quán)重是一種更加科學(xué)合理的方法。AHP-熵權(quán)法確定的綜合權(quán)重為

式中:β 為偏好系數(shù),根據(jù)主客觀權(quán)重相結(jié)合,客觀權(quán)重優(yōu)先的原則,將其取為 0.4。

假設(shè)最終確定的一級(jí)指標(biāo)權(quán)重為 (w1,w2,…,wL),二級(jí)指標(biāo)權(quán)重為(wi1,wi2,…,wil),其中i = 1,2,…,L。

表1 高速鐵路行車安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則Tab.1 The criteria for risk assessment of high-speed railway traf fi c safety

1.3 構(gòu)造灰色模糊模型

灰色模糊綜合評(píng)價(jià)模型能夠充分考慮專家評(píng)判過(guò)程中評(píng)判信息的灰性特點(diǎn)。通過(guò)灰色理論計(jì)算得到灰色評(píng)價(jià)權(quán)值,利用灰色評(píng)價(jià)權(quán)值構(gòu)造模糊評(píng)價(jià)權(quán)矩陣,最終使用模糊算法進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。

1.3.1 確定評(píng)價(jià)權(quán)矩陣

(1)首先確定評(píng)價(jià)等級(jí)并獲取數(shù)據(jù)樣本。將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)分為低風(fēng)險(xiǎn)、較低風(fēng)險(xiǎn)、一般風(fēng)險(xiǎn)、較高風(fēng)險(xiǎn)以及高風(fēng)險(xiǎn) 5 個(gè)等級(jí),各個(gè)等級(jí)的得分用向量 v = (9,7,5,3,1) 表示。請(qǐng)專家使用 10 分制,對(duì)某個(gè)一級(jí)指標(biāo)下面的所有二級(jí)指標(biāo)打分,高速鐵路行車安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如表 1 所示,假設(shè)第 j 個(gè)專家對(duì)第 i 個(gè)二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)為 dij。

(2)確定評(píng)價(jià)灰類。由于各專家存在認(rèn)知差異及經(jīng)驗(yàn)限制,因而只能給出一個(gè)灰數(shù)的白化值。為且當(dāng) zij= 0 時(shí),規(guī)定了準(zhǔn)確判斷評(píng)價(jià)對(duì)象所屬類別的程度,還需要確定評(píng)價(jià)灰類等級(jí)、灰數(shù)和白化權(quán)函數(shù)等。將評(píng)價(jià)等級(jí)分為 5 級(jí),由灰數(shù)確定白化權(quán)函數(shù)個(gè)數(shù)。因此,設(shè)白化權(quán)函數(shù)為 fk(dij),其中 k = 1,2,3,4,5。

k = 1 時(shí)的白化權(quán)函數(shù)為

(3)計(jì)算灰色模糊評(píng)價(jià)權(quán)矩陣。設(shè) Cik是某個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)下的第 i 個(gè)二級(jí)指標(biāo)屬于第 k (k = 1,2,…,p) 個(gè)灰類的灰色評(píng)價(jià)系數(shù),總的灰色評(píng)價(jià)系數(shù)為 Ci。則根據(jù) dij和白化權(quán)函數(shù)可以得到

由此得到評(píng)價(jià)權(quán) rik= Cik/ Ci,則該指標(biāo)的灰色模糊評(píng)價(jià)向量為 ri= (ri1,ri2,…,rip)。計(jì)算得到該一級(jí)指標(biāo)下面的所有二級(jí)指標(biāo)灰色模糊評(píng)價(jià)向量,組成的灰色模糊評(píng)價(jià)權(quán)矩陣為

1.3.2 進(jìn)行模糊綜合評(píng)判

模糊綜合評(píng)判需要綜合分析各種影響因素,對(duì)評(píng)判目標(biāo)進(jìn)行客觀評(píng)估,基本思想是根據(jù)最大隸屬度原則,對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行全面評(píng)判[8]。獲得某個(gè)一級(jí)指標(biāo)的灰色模糊評(píng)價(jià)權(quán)矩陣后,要對(duì)高速鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行灰色模糊綜合評(píng)價(jià)。在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系階段,假設(shè)高速鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)受 L 個(gè)一級(jí)指標(biāo)影響,則一級(jí)指標(biāo)集合為 U ={U1,U2,…,UL};在確定指標(biāo)權(quán)重階段,一級(jí)指標(biāo)綜合權(quán)重為 w = (w1,w2,…,wL)。假設(shè)某個(gè)一級(jí)指標(biāo)包含 L 個(gè)二級(jí)指標(biāo),則該二級(jí)指標(biāo)集合表示為 Ui= {Ui1,Ui2,…,Uil},相應(yīng)的綜合權(quán)重為 wi= (wi1,wi2,…,wil)。

對(duì)該一級(jí)指標(biāo)的灰色模糊評(píng)價(jià)權(quán)矩陣 R 和二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重 wi進(jìn)行模糊運(yùn)算,得到該一級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)向量 Bi= wi·R,其中“·”是模糊運(yùn)算符號(hào)。

綜合一級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)向量,可以得到高速鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的模糊評(píng)價(jià)矩陣 R'。模糊評(píng)價(jià)矩陣 R' 結(jié)合一級(jí)指標(biāo)的綜合權(quán)重 w = (w1,w2,…,wL),進(jìn)行模糊運(yùn)算得到高速鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)總目標(biāo)的結(jié)果為 B = w·R',最終的高速鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)得分可以表示為 Z = B·vT。

2 實(shí)例分析

2.1 建立高速鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

高速鐵路系統(tǒng)是一個(gè)由復(fù)雜設(shè)備組成的整體,并且在復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)行。它是一個(gè)由調(diào)度指揮、牽引供電、通信信號(hào)和工務(wù)工程等多個(gè)子系統(tǒng)組成的一個(gè)巨系統(tǒng)。因此,高速鐵路行車的安全影響因素眾多,并且各因素之間耦合關(guān)系復(fù)雜。在此以京滬高速鐵路 (北京南—上海虹橋) 為例進(jìn)行研究。

高速鐵路行車的安全性主要受到人員因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素的影響,因而從這 4 個(gè)影響因素入手建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中,人員因素是指工作人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)操作錯(cuò)誤或者操作違規(guī),如列車調(diào)度員由于精神不集中下達(dá)錯(cuò)誤命令,或者在下達(dá)調(diào)度命令時(shí)沒(méi)有遵守與助調(diào)的“二人確認(rèn)制”等。設(shè)備因素是指高速鐵路行車過(guò)程中機(jī)器設(shè)備故障導(dǎo)致的的不安全問(wèn)題,如當(dāng)接觸網(wǎng)一旦投入使用,就在露天的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行,其供電區(qū)間長(zhǎng),在與受電弓長(zhǎng)期摩擦的過(guò)程中發(fā)生故障的概率比較大[9]。環(huán)境因素是指列車運(yùn)行過(guò)程中由于外界環(huán)境原因?qū)е碌牟话踩珕?wèn)題,包含自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境和車內(nèi)環(huán)境 3 個(gè)方面,如影響高速鐵路安全的氣象災(zāi)害主要有水災(zāi)、雷電災(zāi)害、風(fēng)災(zāi)及低溫冰凍等[10]。安全管理是協(xié)調(diào)人員、設(shè)備和環(huán)境三者的控制手段,涉及安全組織、安全管理制度等方面,如針對(duì)不同危險(xiǎn)狀況建立應(yīng)急預(yù)案,定期演練等。

通過(guò)分析人員因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和管理因素對(duì)高速鐵路行車安全風(fēng)險(xiǎn)的影響,建立基于“人-機(jī)-環(huán)-管理”的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 U,高速鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表 2 所示。

表2 高速鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.2 A risk evaluation index system of high-speed railway traf fi c safety

2.2 收集數(shù)據(jù)并計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

首先邀請(qǐng) 8 位專家使用“1-9 標(biāo)度法”對(duì)評(píng)價(jià)體系中的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分,打分結(jié)果用于層次分析法中構(gòu)造判斷矩陣,進(jìn)而確定主觀權(quán)重。然后依據(jù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則,邀請(qǐng)專家使用具體數(shù)值進(jìn)行打分。

二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果如表 3 所示。

表3 二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.3 The evaluation results of indexes on the second level

根據(jù)表 3 中數(shù)據(jù)使用熵權(quán)法計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的信息熵,計(jì)算得到各個(gè)指標(biāo)的客觀權(quán)重。最后根據(jù)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重,獲得各個(gè)指標(biāo)最終的綜合權(quán)重。最終層次分析法獲得的權(quán)重,熵權(quán)法獲得的權(quán)重及綜合權(quán)重,評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重如表 4 所示。

2.3 構(gòu)建灰色模糊評(píng)價(jià)模型并求解

以一級(jí)指標(biāo)人員因素下的所有二級(jí)指標(biāo)為例,構(gòu)建灰色模糊綜合評(píng)價(jià)模型并求解。根據(jù)獲得的所有二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)分值,計(jì)算人員因素下的二級(jí)指標(biāo)灰色評(píng)價(jià)系數(shù),當(dāng) k = 1 時(shí),C11= f1(6) +f1(5) + f1(5) + f1(6) + f1(7) + f1(6) + f1(5) + f1(5) = 5,同理可以得到 C12= 6.428 6,C13= 7,C14= 1.333 3,C15= 0??偟幕疑u(píng)價(jià)系數(shù)為 C1= C11+ C12+ C13+C14+ C15= 19.761 9。然后可以計(jì)算得到第一個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)權(quán)向量為 r1= (0.253 0,0.325 3,0.354 2,0.067 5,0)。同理可以得到其余二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)權(quán)向量為 r2= (0.281 2,0.346 8,0.320 3,0.051 7,0),r3= (0.258 2,0.332 0,0.340 9,0.068 9,0),r4= (0.239 8,0.308 4,0.351 4,0.100 4,0),r5= (0.243 9,0.313 6,0.357 4,0.085 1,0)。由此得到人員因素的灰色模糊評(píng)價(jià)權(quán)矩陣為

表4 評(píng)價(jià)體系指標(biāo)權(quán)重Tab.4 Index weights of the evaluation system

計(jì)算人員因素的模糊評(píng)價(jià)向量 B1= w1·R =(0.259 1,0.329 0,0.343 5,0.068 4,0),由前面確定的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)向量 v = (9,7,5,3,1),安全性得分為 Z1= B1·vT= 6.557 6。重復(fù)以上步驟,可以獲得其他一級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)向量 B2= (0.248 3,0.319 2,0.342 2,0.090 2,0),Z2= B2·vT= 6.450 7,B3=(0.228 7,0.294 1,0.349 6,0.127 5,0),Z3= B3·vT=6.247 5,B4= (0.243 7,0.313 3,0.350 5,0.092 5,0),Z4= B4·vT= 6.416 4。綜合所有一級(jí)指標(biāo)體系的模糊評(píng)價(jià)向量,得到安全評(píng)價(jià)體系的綜合評(píng)價(jià)矩陣

最終得到該指標(biāo)體系綜合模糊評(píng)價(jià)向量 B =w·R' = (0.244 6,0.313 9,0.346 1,0.095 3,0)。得到安全性得分為 Z = B·vT= 6.415 1。即最終京滬高速鐵路行車安全性得分為 6.415 1,屬于安全的等級(jí)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)高速鐵路行車安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中,各個(gè)影響因素對(duì)于評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度不同,權(quán)重的準(zhǔn)確性直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果是否合理和有效,采用層次分析法和熵權(quán)法能獲得較為科學(xué)合理的指標(biāo)權(quán)重。京滬高速鐵路行車安全最終的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,設(shè)備因素在高速鐵路行車安全風(fēng)險(xiǎn)中的權(quán)重最大,對(duì)于行車安全性影響最為嚴(yán)重。雖然京滬高速鐵路整體安全性處于安全狀態(tài),但環(huán)境因素得分較低,因而應(yīng)加強(qiáng)在惡劣環(huán)境下的安全保障措施,并繼續(xù)深入開展高速鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理研究,細(xì)化高速鐵路行車安全風(fēng)險(xiǎn)因素,以獲得更加準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

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