基于ISM模型的城市軌道交通運(yùn)營安全評估體系研究

盧立紅

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

城市軌道交通具有準(zhǔn)時(shí)、快速、大容量的特性，已逐漸成為各大城市解決交通供需矛盾的首選方略。但隨著線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，運(yùn)營面臨的挑戰(zhàn)也越來越多，因此，需要隨時(shí)掌握設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)營情況，提高風(fēng)險(xiǎn)管理與決策的水平[1-2]。

國內(nèi)外眾多專家學(xué)者在城市軌道交通運(yùn)營安全領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，盛伊琳[3]分析了現(xiàn)有城市軌道交通運(yùn)營安全評價(jià)的方法和適用性；段海洋等[4]運(yùn)用層次分析法對城軌運(yùn)營安全進(jìn)行評價(jià)；劉大海等[5]采用層析分析法（AHP）與熵權(quán)法對評價(jià)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行確定；高鵬等[6]采用熵值法對運(yùn)營設(shè)備指標(biāo)進(jìn)行客觀賦值，通過梯形模糊數(shù)理論對供電設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估?；贗SM 模型對事故致因因素進(jìn)行梳理，然后運(yùn)用AHP 法構(gòu)建城市軌道交通運(yùn)營安全評估體系，從主客觀角度出發(fā)對運(yùn)營系統(tǒng)內(nèi)的各指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，從而使相關(guān)部門了解地鐵運(yùn)營的現(xiàn)狀，有針對性的對系統(tǒng)中存在的隱患進(jìn)行把控，為網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營提供支持。

1 影響城市軌道交通運(yùn)營安全的因素

事故的發(fā)生不是由孤立因素導(dǎo)致的，而像多米諾骨牌一樣，往往是一連串的因素前后依次發(fā)生。雖然導(dǎo)致事故發(fā)生的原因復(fù)雜多樣，卻有規(guī)律可循，無外乎人-機(jī)-環(huán)境-管理四個(gè)要素[7]?！叭恕笔歉黜?xiàng)活動(dòng)的主體；“機(jī)”包括設(shè)備設(shè)施在內(nèi)的人所控制的一切對象的總稱；“環(huán)境”由內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境構(gòu)成的人、機(jī)共處的工作條件；“管理”指用來協(xié)調(diào)控制人、機(jī)、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)章制度、法律典范。“人-機(jī)-環(huán)境-管理”中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常都足以引起事故的發(fā)生，各要素之間互為因果，共同誘發(fā)運(yùn)營事故。

2 基于ISM 模型的事故致因機(jī)理分析

針對事故致因因素間的關(guān)系，運(yùn)用解釋結(jié)構(gòu)模型（ISM）對影響城市軌道交通運(yùn)營安全的因素進(jìn)行層次梳理。

2.1 解釋結(jié)構(gòu)模型法

（1）從人-機(jī)-環(huán)境-管理四個(gè)方面出發(fā)，根據(jù)實(shí)際研究選擇事故致因因素。（2）建立鄰接矩陣：如果兩個(gè)致因因素間是直接影響關(guān)系，記為“1”，否則，記為“0”，形成鄰接矩陣A。（3）基于布爾運(yùn)算規(guī)律，進(jìn)行可達(dá)矩陣計(jì)算，其中I 為n 階單位矩陣。

（4）可達(dá)矩陣分解：得到可達(dá)集R（Si）、前因集A（Sj）以及可達(dá)集與前因集的交集，然后進(jìn)行層次劃分和分部劃分，得出各因素間的階梯關(guān)系。①層次劃分：若Si是最上一級節(jié)點(diǎn)，則必須滿足：R（Si）∩A（Sj）=R（Si）。② 分部劃分：若 R（Si）∩A（Sj）=，則Si與Sj不在同一部分；若 R（Si）∩A（Sj）≠，則Si與Sj在同一部分。

2.2 基于ISM 模型的城軌事故致因因素分析

選取人員、環(huán)境、管理、工務(wù)系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、通風(fēng)排煙、給排水、服務(wù)設(shè)施11 個(gè)因素進(jìn)行分析，得到致因因素間的階梯關(guān)系，見表1。

表1 致因因素間的階梯關(guān)系

結(jié)果分析：ISM 模型將事故致因因素劃分為五個(gè)層次，從下往上依次為導(dǎo)致城軌運(yùn)營事故的深層次原因，間接原因，直接原因。（1）頂層是運(yùn)營的最終目標(biāo)：安全。（2）第二層包括車輛、服務(wù)設(shè)施、環(huán)境，該層因素往往會(huì)直接導(dǎo)致事故發(fā)生或運(yùn)營中斷，是造成運(yùn)營事故的直接原因。（3）第三層包括工務(wù)、供電、通信、信號、通風(fēng)排煙、給排水6 個(gè)致因因素，是導(dǎo)致第二層因素出現(xiàn)故障的直接因素，是事故發(fā)生的間接因素。（4）第四層是人為因素，是設(shè)備的直接操作者、管理者和設(shè)計(jì)者，是導(dǎo)致第三層發(fā)生故障的直接原因。（5）底層是管理因素，是貫穿全局的深層次原因，協(xié)調(diào)、控制著人-機(jī)-環(huán)境，是整治的關(guān)鍵。

3 多指標(biāo)綜合評價(jià)體系

3.1 評價(jià)指標(biāo)體系的建立

依據(jù)指標(biāo)選取原則，應(yīng)用AHP 法構(gòu)建城市軌道交通運(yùn)營安全評價(jià)指標(biāo)體系，共包括3 個(gè)層次，見表2。

表2 城市軌道交通運(yùn)營安全評價(jià)指標(biāo)體系

3.2 綜合權(quán)重的確定

3.2.1 層次分析法確定權(quán)重

根據(jù)9 標(biāo)度法比較因素間的相對重要性，建立判斷矩陣B。見表3。

表3 9 標(biāo)度法含義解釋

運(yùn)用層次分析法權(quán)重確定，計(jì)算判斷矩陣B 的最大特征值λmax 和對應(yīng)的特征向量w：

進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，當(dāng)CR＜0.1 時(shí)，滿足一致性要求，可繼續(xù)計(jì)算。

其中，RI 為隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值見表4。

表4 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 取值

3.2.2 熵權(quán)法確定權(quán)重

（1）構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣

數(shù)據(jù)矩陣若包括m 個(gè)待評價(jià)對象，n 個(gè)評價(jià)指標(biāo)，則構(gòu)建的指標(biāo)體系：

（2）歸一化處理

（3）計(jì)算指標(biāo)j 的熵值ej和差異性因數(shù)gj

（4）計(jì)算指標(biāo)熵權(quán)

3.2.3 綜合集成賦權(quán)法

運(yùn)用加法綜合集成法，對主觀AHP 法和客觀熵權(quán)法計(jì)算的權(quán)重進(jìn)行整合。

式中：αi—AHP 法確定的第i 個(gè)指標(biāo)權(quán)重；βi—熵權(quán)法確定的第i 個(gè)指標(biāo)權(quán)重；μ∈［0，1］，為主客觀權(quán)重所占比例，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行取值。

3.3 建立評價(jià)集

參考相關(guān)文獻(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)，將風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為五個(gè)層次，見表5。

表5 城市軌道交通風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

對各準(zhǔn)則層評價(jià)完成后，將實(shí)際得分值與風(fēng)險(xiǎn)等級表進(jìn)行對照，確定各準(zhǔn)則層的風(fēng)險(xiǎn)等級，從而進(jìn)行合理控制。

3.4 多指標(biāo)綜合評價(jià)

根據(jù)建立的評價(jià)指標(biāo)體系選取指標(biāo)集；確定各評價(jià)因子的分?jǐn)?shù) gk,j；基于AHP-熵權(quán)法計(jì)算權(quán)重 wk,j；運(yùn)用加權(quán)線性和法得到各因素的綜合得分gk，并確定系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級。

基于評估結(jié)果，對系統(tǒng)中的隱患和薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行全面把握與掌控，制定針對性的措施。

4 案例分析

4.1 背景概述

應(yīng)用構(gòu)建的城市軌道交通運(yùn)營安全評估體系對北京地鐵進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。截止2019 年12 月，北京地鐵共23 條運(yùn)營線路，運(yùn)營里程699.3 km，車站405座。

4.2 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

4.2.1 層次分析法確定權(quán)重

應(yīng)用MATLAB 軟件求得λmax=4.087 5，對應(yīng)的特征向量W=（0.807 2,0.478 5,0.150 6,0.311 0 ），并且CR=0.032＜0.1，符合一致性要求。因此，經(jīng)歸一化處理后得到w=（0.46,0.27,0.09,0.18）。

4.2.2 熵權(quán)法確定權(quán)重

運(yùn)用MATLAB 得出熵值ej=（0.544 6,0.849 4,0.950 2,0.858 6），差異性因數(shù)gj=（0.455 4,0.150 6,0.049 8,0.141 4），因此，權(quán)重w=（0.571 2,0.188 9,0.662 5,0.177 3）。

4.2.3 綜合集成法確定權(quán)重

綜合集成得到準(zhǔn)則層各指標(biāo)最終權(quán)重，見表6。

表6 準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重

4.3 綜合評價(jià)

根據(jù)地鐵實(shí)際運(yùn)營情況，對各影響因素進(jìn)行評價(jià)打分，平均加權(quán)統(tǒng)計(jì)后得到子準(zhǔn)則層風(fēng)險(xiǎn)因素得分情況，見表7。

表7 子準(zhǔn)則層風(fēng)險(xiǎn)因素評價(jià)得分

基于各指標(biāo)權(quán)重和評價(jià)得分，計(jì)算準(zhǔn)則層指標(biāo)得分情況以及系統(tǒng)整體安全風(fēng)險(xiǎn)水平。

（1）管理準(zhǔn)則層得分G1

（2）車輛準(zhǔn)則層得分G2

（3）環(huán)境準(zhǔn)則層得分G3

（4）服務(wù)設(shè)施準(zhǔn)則層得分G4

（5）加權(quán)線性和法計(jì)算系統(tǒng)綜合得分G

可以看出，北京地鐵綜合評價(jià)得分85.79 分，風(fēng)險(xiǎn)等級為Ⅱ級，“比較安全”。其中，管理體系評價(jià)得分87.13 分，車輛體系評價(jià)得分85.26 分，環(huán)境體系評價(jià)得分82.89 分，服務(wù)設(shè)施體系評價(jià)得分84.41 分，風(fēng)險(xiǎn)等級均為Ⅱ級，“較安全”。由此可得，北京地鐵的環(huán)境體系和車輛體系的安全等級較其他兩個(gè)體系而言略低，這與實(shí)際情況相符。

由于對地鐵核心技術(shù)的掌握略有欠缺，事故致因大多數(shù)是車輛層指標(biāo)，特別是信號系統(tǒng)、車體和電纜防護(hù)。因此，需要對車輛層的各設(shè)施設(shè)備例如ATC 車載設(shè)備、車體轉(zhuǎn)向架、牽引裝置、制動(dòng)裝置和控制中心設(shè)備等進(jìn)行定期檢查控制，開展緊急演練，防止設(shè)備隱患從量變到質(zhì)變的轉(zhuǎn)化。

針對濃霧、暴雨、暴雪等不受人為控制的自然環(huán)境，需要在災(zāi)害來臨前做好防御，將損失降到最低。（1）交通管理部門應(yīng)跟氣象、水務(wù)等部門取得聯(lián)系，跟蹤了解暴雨、暴雪、濃霧等極端天氣的信息，及早采取應(yīng)對措施。（2）根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)、天氣情況和實(shí)際需求做好應(yīng)急預(yù)案，有條件時(shí)可與公安、消防、城建、水務(wù)、氣候等部門開展應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制模擬演練。

4 結(jié)語

（1）通過ISM 模型得出影響運(yùn)營安全的直接因素是車輛、環(huán)境、服務(wù)設(shè)施；間接因素是信號、給排水、工務(wù)、通信、通風(fēng)排煙；管理因素是潛在深層次因素，是控制整改的關(guān)鍵。（2）基于事故致因機(jī)理，構(gòu)建了城市軌道交通運(yùn)營安全評估體系，從主觀和客觀角度出發(fā)對運(yùn)營系統(tǒng)進(jìn)行綜合評估，為運(yùn)營管理者提供動(dòng)態(tài)運(yùn)營信息，及時(shí)根據(jù)實(shí)際情況做出決策，防患于未然。