基于層次分析法的工務(wù)安全評價研究

張萬鵬，史天運

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所， 北京 100081）

基于層次分析法的工務(wù)安全評價研究

張萬鵬，史天運

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所， 北京 100081）

鐵路工務(wù)系統(tǒng)安全評價對于保障工務(wù)系統(tǒng)設(shè)備安全有著重要意義。在工務(wù)安全中，影響因素錯綜復(fù)雜。本文提出采用層次分析法，建立了鐵路工務(wù)安全評價模型，對工務(wù)安全進(jìn)行綜合評價，可以及時發(fā)現(xiàn)各工務(wù)段安全隱患，預(yù)先采取措施，以確保行車安全。

鐵路運輸；層次分析法；工務(wù)安全；綜合評價

鐵路工務(wù)安全生產(chǎn)的基本任務(wù)是保持線路設(shè)備完整和質(zhì)量均衡，使列車以規(guī)定速度安全、平穩(wěn)和不間斷地運行，并盡量延長設(shè)備的使用壽命。伴隨著鐵路貨運重載、客運提速的不斷發(fā)展，對鐵路工務(wù)系統(tǒng)的安全提出更高的要求，保障安全就必須從預(yù)防事故這一根本目的出發(fā)，預(yù)先對工務(wù)的安全性進(jìn)行科學(xué)預(yù)測和評估?，F(xiàn)有的工務(wù)系統(tǒng)安全評價主要是扣分制，僅考慮檢查發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重問題而忽略了較嚴(yán)重問題、一般問題、其他問題；同時，對于嚴(yán)重問題也僅僅只是考慮發(fā)生數(shù)量，沒有考慮問題的性質(zhì)。利用層次分析法將嚴(yán)重問題、較嚴(yán)重問題、一般問題以及問題的性質(zhì)都考慮在內(nèi)，對工務(wù)系統(tǒng)安全進(jìn)行綜合評價。

1 層次分析法的原理及特點

層次分析法（AHP，Analytical Hierarchy Process）是美國運籌學(xué)家T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代中期提出的，是一種將難于定量化的復(fù)雜問題，逐層分解為一系列可定量化的簡單問題，從而進(jìn)行較簡單求解的數(shù)學(xué)方法。其特點就是可對非定量事件進(jìn)行定量分析，將評價系統(tǒng)中各專家人員的經(jīng)驗判斷定量化，分析中所需要的定量數(shù)據(jù)不多，但要求對問題所包含的因素及其相互關(guān)系具體而明確，適用于多準(zhǔn)則、多目標(biāo)的復(fù)雜問題的決策分析與評價。

運用層次分析法的步驟有：建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造出層次中的所有判斷矩陣、計算權(quán)向量和一致性檢驗。

1.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

應(yīng)用AHP分析決策問題時，首先要把問題條理化、層次化，構(gòu)造出一個有層次的構(gòu)造模型。這些層次可以分為3類：最高層（目的層），中間層（準(zhǔn)則層），最底層（方案層）。遞階層次構(gòu)造中的層次數(shù)與問題的復(fù)雜程度及需要分析的詳盡程度有關(guān)，一般層次數(shù)不受限制。每一層次中各元素所支配的元素一般不要超過9個。

1.2 構(gòu)造層次中所有判斷矩陣

準(zhǔn)則層中的各準(zhǔn)則在目標(biāo)衡量中所占的比重并不一定相同，在決策者的心目中，它們各占有一定比例。引用數(shù)字1 ～ 9及其倒數(shù)作為標(biāo)度來定義判斷矩陣B=(bij)nn，見表1。

表1 判斷矩陣標(biāo)度定義

式中： Bi為當(dāng)前層評價目標(biāo)因素，bij為Bi相對于Bj的重要度。

1.3 計算權(quán)向量

計算每一個判斷矩陣各因素針對其準(zhǔn)則的相對權(quán)重，運用特征根法計算該權(quán)重系數(shù)，并將其歸一化為同一層次中相應(yīng)指標(biāo)對上一層某個指標(biāo)的權(quán)重向量。

計算判斷矩陣B每一行元素的幾何平均值：

式中： Wi為所求指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)值，最后的權(quán)重向量為W = (W1, W2, …,Wn)T。

1.4 一致性檢驗

為避免其它因素對判斷矩陣的干擾，在實際中要求判斷矩陣滿足大體上的一致性，需進(jìn)行一致性檢驗。只有通過檢驗，才能說明判斷矩陣在邏輯上是合理的，才能繼續(xù)對結(jié)果進(jìn)行分析。

求判斷矩陣的最大特征根λmax：

式中：n為矩陣階數(shù)，Wi為所求指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)值。

計算一致性評價指標(biāo)，將CI作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標(biāo)：

為了得到不同階數(shù)的矩陣均適用的一致性的臨界值，還需引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，可查表確定，見表2。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗，計算：

式中：CR（consistency ratio）為一致性比例。當(dāng)CR ＜ 0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正。

工務(wù)安全影響因素錯綜復(fù)雜，因此，研究和解決工務(wù)安全問題應(yīng)從系統(tǒng)觀點出發(fā)。在此，筆者試圖從系統(tǒng)工程的觀點，應(yīng)用層次分析法對其進(jìn)行安全評價。

2 應(yīng)用層次分析法對工務(wù)段安全評價

2.1 建立安全評價層次模型

工務(wù)安全主要是線路的安全；管理制度和職工養(yǎng)護(hù)又是線路安全的基礎(chǔ)；而職工養(yǎng)護(hù)不到位既是職工責(zé)任意識不強(qiáng)、作業(yè)水平不高，也是管理者的管理缺陷。所以在目標(biāo)層“工務(wù)安全綜合評價”下，共有管理因素、設(shè)備因素、職工因素3個主要因素。

管理因素主要包括對工務(wù)段的基礎(chǔ)管理、職工管理作業(yè)指揮。其中管理者在作業(yè)指揮中的作風(fēng)、指揮方法將直接影響職工作業(yè)流程和作業(yè)效果，所以作業(yè)指揮是管理因素中的主要方面。

專家對同一層次指標(biāo)進(jìn)行比較，給出它們相對重要性的判斷值，全部指標(biāo)經(jīng)過兩兩判定之后，就可以形成一個比較判斷矩陣：

設(shè)備因素主要包括線橋設(shè)備狀態(tài)、涵隧設(shè)備狀態(tài)、道口管理及延線管理、養(yǎng)護(hù)機(jī)械及生產(chǎn)機(jī)具狀態(tài)。

職工因素包括職工違章違紀(jì)、作業(yè)安全防護(hù)、職工培訓(xùn)。職工違章違紀(jì)影響作業(yè)的質(zhì)量進(jìn)而影響線路的安全，作業(yè)安全防護(hù)直接關(guān)乎職工的安全，所以它們是職工因素中的重要方面。根據(jù)以上信息，建立安全評價層次模型，如圖1所示。

圖1 工務(wù)安全評價層次模型

2.2 構(gòu)建判斷矩陣并計算各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

根據(jù)上述分析，構(gòu)建第2層各因素對第1層因素的成對比較矩陣A：

求得：WA=（0.5396, 0.2970, 0.1634）T， λmax= 3.0020，CI=0.0010，RI=0.58，CR=0.0017，判斷短矩陣的一致性可以接受。

同理，構(gòu)建第3層各因素對第2層因素的成對比較矩陣B1，B2，B3：

求得：WB1= (0.2599, 0.3275, 0.4126)T, λmax= 3.0019，CI=0.0009，RI=0.58，CR=0.0016，判斷短矩陣的一致性可以接受。

求得：WB2= (0.3937, 0.3937, 0.1374, 0.0752)T，λmax=4.0027，CI=0.000 9，RI=0.9，CR=0.0010，判斷短矩陣的一致性可以接受。

求得：WB3= (0.4286, 0.4286, 0.1428)T, λmax= 3.0006，CI=0.0003，RI=0.58，CR=0.0005，判斷短矩陣的一致性可以接受。

由此得出計算工務(wù)段安全評分的公式：

將WA,WB1,WB2,WB3帶入式（1）中，計算出評分Y：

評價體系第3層分?jǐn)?shù)由工務(wù)安全檢查信息和設(shè)備監(jiān)測信息計算而來。

本次研究收集了某鐵路局7個工務(wù)段（分別記為a, b, c, d, e, f, g）2014年2月的安全檢查信息和設(shè)備監(jiān)測信息。收集來的信息已經(jīng)根據(jù)鐵路局的要求，按照問題的嚴(yán)重程度從高到低分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個等級，再依據(jù)本文建立的層次分析模型將這些信息按照問題的類別分為C1～C10共10類（見圖1）。每類問題Ci都有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個等級，且分級標(biāo)準(zhǔn)一樣，可以采用相同的權(quán)重模型計算Ci的評分。

依據(jù)專家打分，構(gòu)建4個等級問題的權(quán)重判斷矩陣，見表3。

求得：WC=（0.6545, 0.2045, 0.0955, 0.0456）T，λmax= 4.0129，CI=0.0043，RI=0.9，CR=0.0048，判斷短矩陣的一致性可以接受。

表3 問題等級成對比例判斷矩陣

2.3 計算評價

將Ci的I、II、III、IV4個等級問題的數(shù)量記為x1、x2、x3、x4，得到Ci的評分計算公式：

利用式（3）計算Ci的評分，如a工務(wù)段的C1（基礎(chǔ)管理）有Ⅰ等級問題0件、Ⅱ等級問題1件、Ⅲ等級問題2件、Ⅳ等級問題55件。則a工務(wù)段的C1指標(biāo)評分為：

C1=0.6544×0+0.2045×1+0.0955×2+0.0456× 55=2.9035

同理計算各工務(wù)段的Ci評分，整理得到該鐵路局各工務(wù)段2014年2月的安全檢查結(jié)果，見表4。

表4 各工務(wù)段2014年2月安全檢查結(jié)果

將表4數(shù)據(jù)帶入式（2），可以得出該鐵路局各工務(wù)段綜合排名，見表5，評價指標(biāo)為非優(yōu)指標(biāo)，評分越高所反映的問題越嚴(yán)重。

表5 工務(wù)段層次分析法安全評價結(jié)果

2.4 評價效果

表6為以上7個工務(wù)段不同級別的安全問題（I、II、III、IV）發(fā)生的數(shù)量統(tǒng)計（不區(qū)分問題類別）。層級分析法與常用的扣分法（單考慮A類問題的發(fā)生數(shù)量）相比較，不僅綜合考慮了I、II、III、 IV4個問題級別，并且將問題的性質(zhì)賦予相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行綜合評價，尤其是在I類問題發(fā)生數(shù)量接近時，采用層次分析法可以全面考慮各類問題，使評價結(jié)果更可信。

表6 工務(wù)段各類安全問題發(fā)生數(shù)量統(tǒng)計

3 結(jié)束語

工務(wù)系統(tǒng)的安全對于鐵路行車安全有著極為重要的意義。本文提出的工務(wù)系統(tǒng)安全評價模型利用層次分析法對工務(wù)安全進(jìn)行綜合評價，評價

結(jié)果較扣分制方法更為真實可靠，可以為工務(wù)部門分析各個工務(wù)段安全狀況提供參考依據(jù)，對工務(wù)系統(tǒng)安全管理工作具有一定的參考意義。

[1] 韋 林.工務(wù)安全事故發(fā)生規(guī)律的探討[J]. 鐵路建筑，2000（8）.

[2] 莫善軍，劉 雯，梁 棟，徐 潔，江 捷.鐵路工評價研究[J]. 鐵道學(xué)報，2009（4）.

[4] 尋新宇.鐵路局工務(wù)安全生產(chǎn)管理輔助決策系統(tǒng)研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2006.

[5] 宋祥波，肖貴平，賈明濤.基于層次分析法的機(jī)車行車 安全評價研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2006（6）.

[6] 郭 伏，郝金權(quán)，劉春海.鐵路行車人因事故分析與對策[J]. 東北大學(xué)學(xué)報，2008（12）.

[7] 郭金玉，張忠彬，孫慶云.層次分析法的研究與應(yīng)用[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2008（5）.

[8] 鄧 雪，李家銘，曾浩健，陳俊羊，趙俊峰.層次分析法權(quán)重計算方法分析及其應(yīng)用研究[J]. 數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識，2012（7）.

責(zé)任編輯 方 圓

Safety assessment for maintenance of way based on Analytical Hierarchy Process

ZHANG Wanpeng, SHI Tianyun
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

To railway safety and efficiency, the track maintenance quality played an extremely important role. In the safety of maintenance of way, there were a lot of complex influencing factors. Aimed to this characteristic, Analytical Hierarchy Process (AHP) was applied to set safety evaluation model for maintenance of way and take comprehensive evaluation. The model could be used to discover the hidden danger, take in advance measure, and ensure the driving safety.

railway transportation; Analytical Hierarchy Process(AHP); safety of maintenance of way; comprehensive evaluation

U2∶TP39

A

1005-8451（2014）11-0001-04

2014-05-28

張萬鵬，研究實習(xí)員；史天運，研究員。