基于模糊網(wǎng)絡分析法（F-ANP）的高速鐵路運營安全評價

王迎晗， 陸鍵， 彭一川

（同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804）

1 概述

截至2018年底，我國已建成并投入運營的高速鐵路里程達2.9 萬km 以上，占全世界高速鐵路運營里程的66%以上。雖然我國高速鐵路建設(shè)取得了舉世矚目的成就，但在運營管理和安全保障方面仍有待提高，高速鐵路運營安全評估和風險管理更是受到越來越多的重視和關(guān)注。

安全評價作為系統(tǒng)工程的重要組成部分，其目的是對系統(tǒng)或工程在運行中可能遭受的損害或潛在的風險源做出定量的估計或定性的描述。高速鐵路系統(tǒng)構(gòu)成復雜，其供電系統(tǒng)、信號與通信系統(tǒng)、輪軌系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等的正常工作均關(guān)系著列車的安全運行。此外，高速鐵路在運營過程中，還容易受到天氣情況、人為干擾等因素的影響。目前，國內(nèi)外有眾多安全領(lǐng)域的專家學者運用不同方法和模型對高速鐵路運營安全進行研究和分析：Guo 等［1]研究高鐵列車駕駛員的人格特征對行車安全的影響，采用NEO 人格量表的方式，對原北京鐵路局221名高鐵列車駕駛員進行問卷調(diào)查，并建模分析調(diào)查結(jié)果。Qian 等［2]利用FLAC3D 建模軟件分析高速鐵路線路與地鐵隧道以不同的角度相交時的地層沉降特征，從而研究隧道開挖過程中的地層沉降問題對高速鐵路安全造成的影響；Xu等［3]分析車軸疲勞損傷對高速鐵路運營安全的影響，通過分析車軸表面劃痕的深度來評估劃痕對疲勞性能的影響。施莉娟等［4]運用網(wǎng)絡層次分析法（ANP）和證據(jù)理論對無線閉塞中心的風險等級進行評估。上述研究主要針對人員、外部環(huán)境、關(guān)鍵設(shè)備等單一因素對高速鐵路安全造成的影響，沒有對風險因素進行系統(tǒng)性地總結(jié)和分析。潘麗莎等［5]在構(gòu)建城市軌道交通車站安全態(tài)勢評價指標體系的基礎(chǔ)上，利用層次分析法（AHP）和熵值法建立了安全態(tài)勢評價模型。但AHP 方法忽略了評價指標間的耦合關(guān)系，并不完全適用于系統(tǒng)構(gòu)成復雜的高速鐵路系統(tǒng)。作為AHP方法的改進和升級，網(wǎng)絡層次分析法（ANP）考慮了指標間的相互作用和相互影響，具有更廣泛的適用性。模糊網(wǎng)絡分析法（F-ANP）綜合了模糊綜合評判和ANP方法，已經(jīng)被較為成熟地應用于風險評價［6]、工程招標［7]、能力評估［8-10]等領(lǐng)域中。

結(jié)合相關(guān)安全評價方法的研究基礎(chǔ)，運用模糊網(wǎng)絡分析法首先對影響高速鐵路安全運營的眾多安全因素進行梳理，歸納總結(jié)安全因素指標體系，并系統(tǒng)分析各安全因素間的耦合關(guān)系，進而運用網(wǎng)絡層次分析法得出各安全因素對高速鐵路運營安全的貢獻度，最后運用模糊綜合評判的方法對高速鐵路的運營安全等級作出綜合評價。

2 高速鐵路安全因素指標體系

通過查閱相關(guān)文獻資料［11-12]及前往多個鐵路局集團有限公司實地調(diào)研考察，將影響高速鐵路運營安全的因素分為人員、設(shè)備、環(huán)境和管理4 個方面。4 個方面的因素相互耦合、相互影響，共同影響高速鐵路運營安全。

2.1 評價指標體系構(gòu)建

2.1.1 人員因素

人員因素不僅指高速鐵路運營過程中車務段、機務段、工務段、電務段等各職能部門的工作人員，還包括各級管理人員和技術(shù)操作人員，同時也包括高鐵列車乘客。工作人員是各項工作開展的主體，工作人員的安全素養(yǎng)、業(yè)務能力、職業(yè)技能以及在應對突發(fā)情況時的反應能力和應急處置能力都影響著高速鐵路的安全行車。結(jié)合高速鐵路各行車崗位工作特點，將工作人員的安全因素分為安全素養(yǎng)和業(yè)務水平。乘客是高速鐵路運輸服務的主體，乘客在乘坐高鐵列車時的不當行為，如抽煙觸發(fā)煙霧報警器導致列車臨時停車等，也會影響高鐵列車的安全運行。

2.1.2 設(shè)備因素

高速鐵路運營過程中涉及到的設(shè)備種類多、復雜度和耦合度高，同時高速鐵路工作環(huán)境為室外，各項設(shè)備易受到自然環(huán)境因素的影響。因此，保證設(shè)備的正常工作和良好運行是保障行車安全的關(guān)鍵。高速鐵路運營過程涉及到的固定基礎(chǔ)設(shè)施和移動設(shè)備包括軌道、輪軌系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等。軌道是高速鐵路運行的固定基礎(chǔ)設(shè)施，軌道的平順度和軌面條件都直接影響著列車行駛的穩(wěn)定性和旅客的舒適度。牽引供電系統(tǒng)為電氣化鐵路輸送電能，主要設(shè)備包括接觸網(wǎng)系統(tǒng)，牽引變電所和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA），其中，接觸網(wǎng)系統(tǒng)由于沿鐵路沿線露天鋪設(shè)，且結(jié)構(gòu)復雜，因此故障率較高。高鐵列車信號與控制系統(tǒng)是行車安全和高效的重要保障，主要包括列車控制系統(tǒng)、調(diào)度集中系統(tǒng)和車站聯(lián)鎖。鐵路通信系統(tǒng)是實現(xiàn)鐵路專用通信業(yè)務的系統(tǒng)，目前高速鐵路的通信系統(tǒng)采用GSM-R 數(shù)字移動通信系統(tǒng)，其在無線場強覆蓋、網(wǎng)絡服務質(zhì)量、可靠性等方面均有著較嚴格的要求。

2.1.3 環(huán)境因素

環(huán)境因素可分為自然環(huán)境和社會環(huán)境。自然環(huán)境包括天氣狀況（包括強風、暴雨、暴雪等）、地質(zhì)災害（包括泥石流、塌方、地震等）、特殊土路段（濕陷性黃土、膨脹土等）等。社會環(huán)境指的是社會運行中的政治、法律、經(jīng)濟、治安等環(huán)境。

2.1.4 管理因素

管理在高速鐵路運營過程起著計劃、領(lǐng)導、組織協(xié)調(diào)的作用。科學合理的管理制度能使得各項工作更加高效、有序地開展，從而保障列車運營安全。結(jié)合高速鐵路運營工作特點，宏觀上可將管理制度分為人員管理制度和設(shè)備管理制度。

綜合以上分析，將4個主要方面的安全因素進一步劃分，構(gòu)建高速鐵路運營安全評價指標體系（見圖1），包括4 個一級安全指標和17 個二級安全指標，為安全評價模型構(gòu)建建立基礎(chǔ)。

2.2 評價指標耦合關(guān)系

建立評價指標體系后，還應對各指標間的耦合關(guān)系作出分析和判斷。各評價指標間并不是相互獨立的，而是存在一定的依存和反饋關(guān)系。例如，工作人員業(yè)務水平不高可能導致對設(shè)備的不當操作進而導致車輛故障；在氣溫變化較大時，接觸網(wǎng)的線索張力和馳度會隨著熱脹冷縮發(fā)生較大變化而影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量；車站的治安混亂可能導致火災安全隱患；列車的控制系統(tǒng)在遇到暴雨暴雪天氣或前方發(fā)生塌方等災害情況時，會采取自動降速、臨時停車等緊急措施避免安全事故的發(fā)生。通過參考有關(guān)資料［13]和咨詢相關(guān)領(lǐng)域的專家學者，確定各評價指標間的耦合關(guān)系見表1。

圖1 高速鐵路運營安全評價指標體系

表1 評價指標耦合關(guān)系

3 模糊網(wǎng)絡分析法（F-ANP）

模糊網(wǎng)絡分析法將ANP 和模糊綜合評判相結(jié)合，首先通過ANP 確定各安全因素的權(quán)重，然后利用模糊綜合評判得出評價對象的安全等級。該方法考慮到了評價對象的模糊性和復雜性，一定程度上減少了評價者主觀性的影響。

3.1 模糊綜合評判

在客觀世界中，有許多現(xiàn)象帶有不確定的性質(zhì)，這些沒有明確界定的現(xiàn)象被稱為模糊現(xiàn)象。工程應用中，也有大量的受各種因素制約、難以量化的因素和指標。模糊綜合評判即以模糊數(shù)學為基礎(chǔ)，根據(jù)隸屬度理論和模糊合成運算原理，把對許多邊界不明確的指標進行定量化評價，進而對模糊現(xiàn)象做出系統(tǒng)的總體評價［14]。

首先，要根據(jù)經(jīng)驗和相關(guān)研究資料建立對評價對象的因素集U和評語集V。U={u1，u2，···，um}，m為評價 指標的個 數(shù)；V={v1，v2，···，vn}，n為 評 價等級的個數(shù)。

針對m個評價因素對n個評價等級的隸屬度，構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R。

式中：rij為評價因素ui在評價等級vj上的隸屬度，即頻率分布，一般將其歸一化使得∑rij= 1。

獲得模糊關(guān)系矩陣R后，還需對各評價因素的相對重要性大小作出判斷，得出評價因素權(quán)重分配集A，A=(a1，a2，…，ai，…，am)，其中ai表示評價因素ui在因素集中所占比重，且∑ai= 1。

利用權(quán)向量A對模糊關(guān)系矩陣進行模糊合成運算，得到評價目標在各評價等級上的隸屬程度模糊子集B，B=A*R=(b1，b2，…，bj，…，bn)，其中bj表示評價目標在評價等級vj上的隸屬度。*為合成運算符號，一般有查得算子，普通矩陣乘法等不同的模糊合成運算方法。

根據(jù)最大隸屬度原則，獲得最終評價結(jié)果，bj中最大者即為評價目標的評價等級。

3.2 網(wǎng)絡層次分析法（ANP）

網(wǎng)絡層次分析法（ANP）是T.L.Saaty在層次分析法（AHP）的基礎(chǔ)上改進后的系統(tǒng)綜合評價方法。ANP 的結(jié)構(gòu)主要包含2個部分，一個是控制層，包含目標和準則；另一個是網(wǎng)絡層，網(wǎng)絡層的元素之間不獨立，存在相互作用和相互影響（見圖2）。相比AHP 而言，ANP的層次結(jié)構(gòu)更加復雜，不僅是一個遞階式的層次結(jié)構(gòu)，同時還考慮了層次結(jié)構(gòu)之間的循環(huán)和反饋，以及同一層次之間內(nèi)部元素的相互依存和支配關(guān)系。因此，對于故障致因復雜和安全因素間存在耦合關(guān)系的高速鐵路系統(tǒng)來說，通過ANP 來確定各評價指標的相對重要程度，即權(quán)重的大小，比AHP更適合，也更加具有優(yōu)勢。

假設(shè)網(wǎng)絡層共有N個元素組，首先以元素組Ci中ei k(i= 1…N；k= 1…n)為次準則，構(gòu)建元素組Cj中元素ejl(j= 1…n；l= 1…m)對eik相對重要程度比較，即判斷矩陣， 并由特征根法得到排序向量且以此類推獲得元素組Cj中元素對Ci中所有元素的排序向量后即可得到排序矩陣Wij，若元素組Ci中的元素不受Cj的影響，則Wij=0：

圖2 ANP典型結(jié)構(gòu)

這樣的排序矩陣共有N×N個，由排序矩陣構(gòu)成子塊即得到了超矩陣W，ANP的核心工作即解超矩陣：

由上述定義可知，超矩陣子塊Wij的列向量是歸一化的，然而超矩陣W的列向量卻不是歸一化的。因此，還需要對超矩陣進行加權(quán)處理，即對元素組之間分別進行兩兩比較，得到判斷矩陣并通過一致性檢驗，由特征根法得到歸一化的特征向量，由此得到加權(quán)矩陣A′：

由Wˉ=A×W得到加權(quán)超矩陣最終，當W∞=存在時，即得到極限超矩陣W∞。

4 基于F-ANP的高速鐵路運營安全評價方法

在構(gòu)建評價指標體系和確立指標間耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，運用F-ANP 方法，綜合評價高速鐵路運營安全等級。

4.1 構(gòu)建因素集和評語集

影響高速鐵路運營安全的各種因素組成因素集，基于已建立的高速鐵路運營安全因素評價指標體系，構(gòu)建因素集U：

評語集反映了專家或相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對高速鐵路運營安全可能做出的評價。通過對上海、廣州等地的調(diào)研考察，并參考GB/T 21562《軌道交通可靠性、可用性、可維護性和安全性規(guī)范及示例》中對風險等級的劃分，構(gòu)建評語集V：

4.2 評價因素權(quán)重確定

根據(jù)評價因素間耦合關(guān)系的分析，建立ANP 網(wǎng)絡層結(jié)構(gòu)（見圖3）。利用Saaty1-9 標度表（見表2），通過專家打分的方式對各評價因素間相對重要程度兩兩比較，得到兩兩比較矩陣。再利用決策軟件Super Decision 建立判斷矩陣，并通過一致性檢驗。由特征根法得到排序向量，建立排序矩陣，進而計算得到未加權(quán)的超矩陣（見表3）。

圖3 ANP模型網(wǎng)絡層結(jié)構(gòu)

對一級評價因素相對重要性進行兩兩比較，得到加權(quán)矩陣A′：

表2 Saaty 1-9 標度表

對相應二級評價因素進行加權(quán)計算得到加權(quán)的超矩陣（見表4）。最后對加權(quán)后的超矩陣進行極限運算得到極限超矩陣（見表5）。一級評價因素和二級評價因素的權(quán)重分別見圖4 和圖5。各評價因素權(quán)重歸一化后并得到因素集的權(quán)重向量A：

從圖4中可以看到，對高速鐵路運營安全影響程度最大的一級因素為設(shè)備因素，其次為管理因素。高速鐵路系統(tǒng)構(gòu)成復雜且耦合度高，涉及到的設(shè)備要素種類多且自動化程度高，因此保證設(shè)備的正常運行是保障高速鐵路運營安全的關(guān)鍵；管理要素是對人員、設(shè)備、環(huán)境等因素進行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的支配性因素，管理是統(tǒng)籌人-機-環(huán)境的支配性因素，因而管理制度的健全、科學、合理、高效能夠降低另外3項安全因素的風險程度，從而保障高鐵行車安全。

進一步從圖5中可以看到，人員管理制度和信號與控制系統(tǒng)這2個二級因素對高速鐵路運營安全影響程度最大。人員管理制度保證著各部門、層級的工作人員安全、有序、高效地開展各項工作；高鐵列車的信號和控制系統(tǒng)主要用于調(diào)度指揮、行車自動化控制。同時，在列車遇到惡劣天氣、突發(fā)自然災害或站臺緊急情況時，列控系統(tǒng)能夠采取相應措施避免事故的發(fā)生，因而是保證行車安全、提高運行效率的核心技術(shù)裝備。

表3 未加權(quán)的超矩陣

表4 加權(quán)的超矩陣

表5 極限超矩陣

圖4 一級評價因素權(quán)重分布

4.3 確定評價矩陣

為說明模糊網(wǎng)絡分析法的實際應用，提供1個算例供參考。對于高速鐵路線路S，共邀請15 位專家分別從17個二級評價因素出發(fā)，確定S對評語集V的隸屬程度。共發(fā)放問卷15 份，回收問卷15 份，有效問卷15份，回收率和有效率均為100%。問卷結(jié)果信度檢驗系數(shù)Cronbach′sα= 0.809 ＞0.800，表明問卷內(nèi)部一致性較好。專家問卷調(diào)查結(jié)果頻率分布見表5。

圖5 二級評價因素權(quán)重分布

表5 問卷統(tǒng)計調(diào)查結(jié)果頻率分布

根據(jù)統(tǒng)計調(diào)查結(jié)果頻率分布表即得到評價矩陣R：

4.4 模糊綜合評判

將評價矩陣R與權(quán)重向量A進行模糊變換：B=A*R，其中模糊運算算子*采用M(+，·)算子［15]，即加權(quán)平均法，該算子的運算規(guī)則為bj=∑ai·rij。最終得到評價結(jié)果B=(0.294，0.342，0.282，0.082)。根據(jù)最大隸屬度原則，可知高速鐵路線路S的綜合安全評價結(jié)果為“較安全”。

5 結(jié)論

通過文獻調(diào)查和實地調(diào)研的方式，結(jié)合高速鐵路安全要點和系統(tǒng)構(gòu)成，選取了4 個一級指標和17 個二級指標，構(gòu)建了高速鐵路運營安全評價指標體系。

針對高速鐵路系統(tǒng)構(gòu)成復雜，故障因素耦合度高的特點，通過網(wǎng)絡層次分析法對17 個二級安全因素進行分析，得出各評價因素對高速鐵路運營安全的相對重要程度大小。從結(jié)果可以看出，人員管理制度和信號與控制系統(tǒng)所占權(quán)重最大。

在建立評價指標體系的基礎(chǔ)上，綜合考慮了評價指標間的內(nèi)部耦合關(guān)系和高速鐵路運營安全評價的模糊性，高速鐵路運用模糊綜合評判和ANP 相結(jié)合的模糊網(wǎng)絡分析法，構(gòu)建了高速鐵路運營安全評價模型，在高速鐵路運營數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)相對缺乏的情況下，該模型具有一定的優(yōu)越性和實用性。