基于PCA的道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)研究*

陳明仙

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院安全技術(shù)與環(huán)境工程系，福建福州 350007）

基于PCA的道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)研究*

陳明仙

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院安全技術(shù)與環(huán)境工程系，福建福州 350007）

對(duì)基于主成分分析法的道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)的可行性進(jìn)行了分析，構(gòu)建了道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立了道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)主成分分析模型，并通過(guò)SPSS進(jìn)行模型計(jì)算.最后通過(guò)5家企業(yè)安全評(píng)價(jià)算例，演示了應(yīng)用模型的詳細(xì)過(guò)程，驗(yàn)證了模型與算法的可行性.

主成分分析；道路運(yùn)輸；安全評(píng)價(jià)

道路運(yùn)輸依然是當(dāng)今最便捷的交通運(yùn)輸方式，大量的人和物都通過(guò)道路運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的時(shí)空轉(zhuǎn)換，為生產(chǎn)和生活帶來(lái)了極大的便利.與此同時(shí)，道路運(yùn)輸事故頻頻發(fā)生，造成了大量的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失，也極大影響了運(yùn)輸活動(dòng)的正常進(jìn)行.如2012年8月26日，陜西省延安市安塞縣境內(nèi)的包茂高速安塞服務(wù)區(qū)附近發(fā)生特大交通事故，一輛滿載旅客的雙層臥鋪客車與一輛運(yùn)送甲醇的重型罐車發(fā)生追尾碰撞，隨后燃起的大火導(dǎo)致客車上36人死亡，3人受傷；2011年10月6日，濱保高速天津段發(fā)生一起特大交通事故，一輛載有55名乘客大客車與小客車右側(cè)車身相撞，造成大客車側(cè)翻，并向前滑行208米，造成35人死亡，19人受傷.運(yùn)輸企業(yè)是道路運(yùn)輸具體安全活動(dòng)具體執(zhí)行者和責(zé)任者，運(yùn)輸企業(yè)安全狀況是運(yùn)輸安全的決定因素之一.因此，應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)輸企業(yè)安全管理，運(yùn)用科學(xué)的手段對(duì)運(yùn)輸企業(yè)進(jìn)行綜合安全評(píng)價(jià)，對(duì)不符合安全要求的企業(yè)進(jìn)行安全提升，避免事故的發(fā)生.

本研究以5家汽車運(yùn)輸公司為例，確定運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立PCA模型，并對(duì)給出算例進(jìn)行分析，得出運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)結(jié)論，為運(yùn)輸企業(yè)綜合評(píng)價(jià)提供一種新方法.

1 基于PCA安全評(píng)價(jià)的可行性

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）是多元統(tǒng)計(jì)分析的一個(gè)分支.20世紀(jì)30年代由費(fèi)希爾（Fisher）、霍特林（Hotelling）等人提出并發(fā)展，其大量研究的工作使得多元統(tǒng)計(jì)分析成為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)重要分支［1，2］.主成分分析是將其分量相關(guān)的原隨機(jī)向量，借助于一個(gè)正交變換，轉(zhuǎn)化成其分量不相關(guān)的新隨機(jī)向量，并以方差作為信息量的測(cè)度，對(duì)新隨機(jī)向量進(jìn)行降維處理，再通過(guò)構(gòu)造適當(dāng)?shù)膬r(jià)值函數(shù)，進(jìn)一步把低維系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一維系統(tǒng)［3，4］.

對(duì)運(yùn)輸企業(yè)安全狀況的評(píng)價(jià)需要大量數(shù)據(jù)，涉及到眾多的指標(biāo)，這些指標(biāo)之間存在著高度的相關(guān)性.如“管理機(jī)構(gòu)和人員”與“隊(duì)伍建設(shè)”，“法規(guī)和安全管理制度”與“作業(yè)管理”等數(shù)據(jù)都存在著高度的相關(guān)性.運(yùn)用主成分分析，可將原來(lái)的復(fù)雜的指標(biāo)體系進(jìn)行簡(jiǎn)化，組成一組指標(biāo)之間相互獨(dú)立、無(wú)關(guān)的綜合指標(biāo)，并根據(jù)需要得到幾個(gè)主要綜合指標(biāo)，反映原來(lái)指標(biāo)的信息.可通過(guò)降維的思想，以較少的主成分替代原來(lái)復(fù)雜的指標(biāo)，并對(duì)其安全狀況進(jìn)行量化評(píng)價(jià)［5］.

2 道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

通過(guò)對(duì)道路運(yùn)輸企業(yè)的調(diào)查，結(jié)合道路運(yùn)輸企業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)工作的主要內(nèi)容，參考相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，將道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分為16項(xiàng)，如圖1所示.

圖1 道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)PCA模型建立與實(shí)現(xiàn)

3.1 道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)PCA模型原理

主成分分析法在道路運(yùn)輸企業(yè)安全綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，實(shí)際上作了兩個(gè)層次的線性合成，第一層次將原始指標(biāo)通過(guò)恰當(dāng)?shù)木€性組合而形成主成分，按累計(jì)方差貢獻(xiàn)率不低于限定值（一般取85%）的原則確定前幾個(gè)主成分，這反映了原始指標(biāo)的信息；第二層次是各主成分以各自的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，通過(guò)線性加權(quán)求和得到綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)分析道路運(yùn)輸企業(yè)安全的優(yōu)劣，反映了各主成分的信息［6］.

3.2 道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)PCA算法

（1）原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于主成分是從協(xié)方差矩陣S出發(fā)求得的，而協(xié)方差矩陣要受指標(biāo)量綱和數(shù)量級(jí)的影響，不同的量綱和數(shù)量級(jí)將得到不同的協(xié)方差矩陣，從而主成分也會(huì)因指標(biāo)量綱和數(shù)量級(jí)的改變而不同.為了克服這一缺陷，更客觀地說(shuō)明主成分的內(nèi)涵，就必須將原始指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化［7，8］.一般采用z－score標(biāo)準(zhǔn)化公式：

由于標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)的協(xié)方差矩陣等于其相關(guān)系數(shù)矩陣，而相關(guān)系數(shù)矩陣不受指標(biāo)量綱或數(shù)量級(jí)的影響，因此，標(biāo)準(zhǔn)化后的主成分是不受量綱和數(shù)量級(jí)影響的.

（2）求標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Z的相關(guān)矩陣

（3）計(jì)算相關(guān)矩陣R的特征根

通常用Jacobi方法求R陣的P個(gè)特征根λ1≥λ2≥…≥λP≥0

（8）根據(jù)Fj（j＝1，2，…，m）值的大小可對(duì)樣本進(jìn)行評(píng)價(jià)排序［5］.

3.3 基于SPSS的PCA模型計(jì)算實(shí)現(xiàn)

SPSS是一款功能強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)、分析與建模軟件，在其分析模塊中的“降維——分析”模型部分可以幫助實(shí)現(xiàn)PCA模型計(jì)算及主成分結(jié)果輸出［11］.根據(jù)主成分結(jié)果，根據(jù)已計(jì)算的特征向量，得出主成分表達(dá)式；再根據(jù)每個(gè)主成分特征值占所提取的特征值之和的比例為權(quán)重計(jì)算主成分綜合模型；根據(jù)主成分綜合模型計(jì)算值進(jìn)行排序，就可對(duì)運(yùn)輸企業(yè)安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià).（5）求出變量主成分uj

稱uj為變量的第j個(gè)主成分，其中Z為指標(biāo)向量，uj的方差為λj；根據(jù)所選擇uj，計(jì)算樣本主成分向量uj：Uj＝Zbj．

（6）選擇主成分個(gè)數(shù)

主成分分析最終要將大量復(fù)雜指標(biāo)用提取的幾個(gè)綜合指標(biāo)來(lái)代替，同時(shí)要最大限度保留原指標(biāo)的信息，在不失真的前提下減少實(shí)際工作.從前面的討論可知，前k個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率α（k）表示的是這k個(gè)主成分從原始指標(biāo)x1，x2，…，xp，中提取的總的信息量［9］.因此，確定主成分個(gè)數(shù)k實(shí)質(zhì)上就是在k與α（k）之間進(jìn)行權(quán)衡：一方面，要使k盡可能的?。涣硪环矫?，要使α（k）盡可能的大.即以較少的主成分獲取足夠多的原始信息［10］.

確定主成分個(gè)數(shù)的原則很多，通常是根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的需要，使前k個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率α（k）達(dá)到一定的要求，一般要求α（k）≥0．85．

4 模型應(yīng)用示例

4.1 導(dǎo)入5家機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)

通過(guò)專家現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與打分，得出5家運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值，如表1所示.

表1 道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分值

4.2 運(yùn)用SPSS建模并計(jì)算

4.2.1 相關(guān)矩陣

表2 相關(guān)矩陣

4.2.2 方差矩陣

表3 總方差

4.2.3 成分矩陣

表4 成份矩陣

4.2.4 主成分表達(dá)式

前3個(gè)方差累計(jì)貢獻(xiàn)率α（k）為91.335%，大于85%，確定F1、F2、F3為3個(gè)主成分，其表達(dá)式如下：

從主成分表達(dá)式可以看出：

（1）作業(yè)管理、裝備設(shè)施、安全投入、安全文化、職業(yè)健康和隱患排查與治理等在第一主成分上有較高載荷，說(shuō)明第一主成分主要反映了這些指標(biāo)的信息；

（2）隊(duì)伍建設(shè)、安全目標(biāo)、科技創(chuàng)新與信息化、管理機(jī)構(gòu)和人員等在第二主成分上有較高載荷，說(shuō)明第二主成分主要反映了這些指標(biāo)的信息；

（3）績(jī)效考評(píng)與持續(xù)改進(jìn)、應(yīng)急救援、隱患排查與治理、法規(guī)和安全管理制度等在第三主成分上有較高載荷，說(shuō)明第三主成分主要反映了這些指標(biāo)的信息.

4.2.5 綜合表達(dá)式

4.2.6 5家運(yùn)輸企業(yè)安全量化評(píng)價(jià)及排序

表5 道路運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)結(jié)果匯總表

通過(guò)對(duì)5家企業(yè)隱患和歷史事故情況進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與企業(yè)隱患及事故情況高度一致.

5 結(jié)論

（1）對(duì)運(yùn)輸企業(yè)安全狀況的評(píng)價(jià)需要大量隨機(jī)、相關(guān)的數(shù)據(jù)，造成了數(shù)據(jù)分析的困難，運(yùn)用主成分分析，可將原來(lái)的復(fù)雜的指標(biāo)體系進(jìn)行簡(jiǎn)化，組成一組指標(biāo)之間相互獨(dú)立、無(wú)關(guān)的綜合指標(biāo)，并根據(jù)需要得到幾個(gè)主要綜合指標(biāo)，反映原來(lái)指標(biāo)的信息.通過(guò)降維的思想，以較少的主成分替代原來(lái)復(fù)雜的指標(biāo)，并對(duì)其安全狀況進(jìn)行量化評(píng)價(jià).為道路運(yùn)輸企業(yè)的安全評(píng)價(jià)提供了一種新方法.

（2）基于運(yùn)輸企業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)指標(biāo)，建立道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立基于PCA的道路運(yùn)輸企業(yè)安全評(píng)價(jià)模型，基于SPSS構(gòu)建模型并完成計(jì)算過(guò)程.運(yùn)用模型對(duì)5家道路運(yùn)輸企業(yè)進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出量化評(píng)價(jià)結(jié)果，企業(yè)PD的安全綜合評(píng)價(jià)得分最高，NF的安全綜合評(píng)價(jià)得分最低，但在3個(gè)主成分上各自的得分排序與綜合排序不完全一致，體現(xiàn)了部分安全指標(biāo)與整體安全指標(biāo)的差異.通過(guò)對(duì)5家企業(yè)隱患和歷史事故情況進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與企業(yè)隱患及事故情況高度一致.

（3）本研究旨在建立PCA的安全評(píng)價(jià)模型，參考了安全標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)體系，在下一步研究中，將對(duì)模型指標(biāo)的適應(yīng)性進(jìn)行更深入的探討，對(duì)模型的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和校驗(yàn)，對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化.

［1］Choulakian V.RobustQ-mode principal componentanalysis in L1［J］.Satatistics＆Probalilitry Letter，2001，（37）：135－150.

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（責(zé)任編校：晴川）

Safety Evaluation of Road Transportation Enterprises Based on PCA

CHEN Mingxian
（Fujian Chuanzheng Communications College，F(xiàn)uzhou Fujian 350007，China）

The study analyzes the feasibility of using PCA in the safety evaluation of road transportation enterprises.The safety evaluation indicator system for road transportation enterprises is created.The safety evaluation PCA model for road transport enterprises is established and calculated by SPSS.The evaluation for5 road transportenterprises is done，which shows the details of themodel application.The examples verify the designed model and the algorithm.

PCA；road transportation；safety evaluation

X951

A

1008－4681（2014）05－0078－04

2014－08－27

陳明仙（1983－），男，福建莆田人，福建船政交通職業(yè)學(xué)院安全技術(shù)與環(huán)境工程系講師，碩士.研究方向：安全工程.