基于灰色預(yù)測模型的軌道交通系統(tǒng)安全經(jīng)濟效益定量評價*

羅通元 馮競毅

(1.西安石油大學電子工程學院 西安 710065； 2.青島北海船舶重工有限責任公司修船分廠安全環(huán)境部 山東青島 266520)

0 引言

在城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)過程中，預(yù)防為主的綜合治理體系需要安全投入作為保障，體現(xiàn)在安全管理和安全技術(shù)等多個層面。安全投入作為基礎(chǔ)要素，是實現(xiàn)安全生產(chǎn)必不可少的條件之一。在研究安全經(jīng)濟效益時，主要運用綜合方法如數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)模型、經(jīng)濟學理論和評價指標法等，目前仍處于定性到定量的過渡階段[1]。定性研究出現(xiàn)很早，但受主觀影響較大，評價結(jié)果難以實現(xiàn)準確量化，對調(diào)整和適應(yīng)安全投入具有負面影響；定量評價法層出不窮，但多建立在定性的基礎(chǔ)上，人為因素對結(jié)果的干擾難以完全消除。

灰色預(yù)測模型是根據(jù)灰色理論建立的定量預(yù)測法，能克服主觀因素帶來的不確定性，其優(yōu)點是可以運用少量數(shù)據(jù)對未來進行預(yù)測，在數(shù)據(jù)不充分的情況下盡可能實現(xiàn)最優(yōu)的預(yù)測過程。其基礎(chǔ)理論是混沌理論和灰色理論，在模糊數(shù)學的基礎(chǔ)上構(gòu)建定量過程中描述系統(tǒng)之間各種因素隨時間的變化規(guī)律，在確定要素的關(guān)系后根據(jù)權(quán)重關(guān)系計算經(jīng)濟效益的定性程度。整個過程是定量計算后得出的效益等級評價，這種方法既是對現(xiàn)有經(jīng)濟效益評價方法的補充完善，又是針對軌道交通系統(tǒng)的具體實踐。

1 安全投入與軌道交通的關(guān)系

對生產(chǎn)單位進行安全投入，可以保障各項生產(chǎn)活動在安全的條件下，快速、有序、高質(zhì)量地完成，同時給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。城市軌道交通系統(tǒng)是由人、機器、環(huán)境、管理組成的具體系統(tǒng)，實現(xiàn)其安全的重要途徑需要從人子系統(tǒng)、物質(zhì)子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)著手。

(1)人的安全經(jīng)濟效益可從安全意識經(jīng)濟效益、安全心理經(jīng)濟效益和安全行為經(jīng)濟效益等3個維度考察，安全意識經(jīng)濟效益由安全教育、安全氛圍和安全文化組成；安全心理經(jīng)濟效益包括安全個性特征經(jīng)濟效益、安全個體傾向經(jīng)濟效益和安全自我意識經(jīng)濟效益等3個層次；安全行為經(jīng)濟效益分為個體安全行為經(jīng)濟效益和群體安全行為經(jīng)濟效益。

(2)物質(zhì)子系統(tǒng)是組成軌道系統(tǒng)的基礎(chǔ)和實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心，從實體本身和監(jiān)測兩方面產(chǎn)生安全效益，物質(zhì)子系統(tǒng)自身的設(shè)計、制造、調(diào)試、使用、維護、改造和報廢等環(huán)節(jié)均表現(xiàn)出不同的安全效益特質(zhì)。實現(xiàn)物質(zhì)子系統(tǒng)的安全，本質(zhì)上要從設(shè)計階段就考慮物質(zhì)的本質(zhì)安全水平。監(jiān)測指的是對物質(zhì)狀態(tài)進行實時管理、設(shè)置閾值，達到預(yù)警預(yù)測的目的。這些都需要在規(guī)劃和設(shè)計階段考慮安全投入，以滿足物質(zhì)子系統(tǒng)的經(jīng)濟需要。

(3)管理子系統(tǒng)是作用于人子系統(tǒng)的一系列計劃、組織、領(lǐng)導和控制的活動系統(tǒng)，實現(xiàn)人和物的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，達到安全狀態(tài)。管理的對象是人和物，那么就要利用管理原理制定管理方法，具體形式載體有各種規(guī)章制度、操作規(guī)程、應(yīng)急預(yù)案和獎懲教育等。

1.1 安全投入優(yōu)化原則

安全投入的量對于每個企業(yè)而言都是不同的，過少或過多都不能為企業(yè)帶來最合理的安全效益[2]。安全功能與效益函數(shù)如圖1所示。

圖1 安全功能與效益函數(shù)

根據(jù)函數(shù)可將安全性的取值劃分為3個范圍：①當SS2時，雖然損失較小，但是安全投入的成本較大，此時的安全綜合效益也是較差的。因此，E(S)點為最佳的安全投入點，在此安全投入情況下，安全效益達到最大，所以企業(yè)需要在保持較高安全性的前提下，降低安全投入的成本，提高安全經(jīng)濟效益。

1.2 安全投入與軌道交通效益的關(guān)系

從人、機器、環(huán)境等3個方面進行考慮，軌道交通系統(tǒng)的安全隱患主要存在于人員管理、安全文化建設(shè)、設(shè)備設(shè)施、外部環(huán)境設(shè)施等。避免物的不安全狀態(tài)與人員安全巡檢、安全管理是相輔相成的，加強安全管理的同時也避免了設(shè)備設(shè)施的故障。因此，應(yīng)加大對設(shè)備設(shè)施的安全投入，定期更換受損零件，避免安全隱患引發(fā)事故，保障軌道交通系統(tǒng)正常運行并產(chǎn)生安全效益[3-5]。

安全投入是軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生安全效益的必要條件，在人員安全管理方面，加快安全文化建設(shè)，避免人的不安全行為，從而減少安全事故發(fā)生，增加軌道交通運營的直接經(jīng)濟效益，提高企業(yè)榮譽、吸引力、帶動周邊城市發(fā)展等間接經(jīng)濟效益。

1.3 安全投入與軌道交通發(fā)展的關(guān)系

軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展受眾多因素影響，如政府的支持與投資、軌道交通運營凈利潤、周邊商圈發(fā)展、宣傳力度、企業(yè)投資等，而這些因素都與安全投入所產(chǎn)生的安全效益有著密不可分的關(guān)系。軌道交通企業(yè)進行安全投入，提高了系統(tǒng)安全度，減少事故發(fā)生，為企業(yè)帶來了榮譽，提高了經(jīng)濟利潤，自然也會吸引政府或其他企業(yè)的投資。軌道交通的繼續(xù)發(fā)展建設(shè)增強了交通運輸能力，帶動了周邊商圈發(fā)展，增加了城市宣傳度，由此可見，安全投入產(chǎn)生安全效益的連鎖反應(yīng)非常巨大，有力促進了軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展。安全投入與軌道交通系統(tǒng)發(fā)展速度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 安全投入與軌道交通發(fā)展速度函數(shù)

可以看出，當企業(yè)進行安全投入后即產(chǎn)生安全效益，安全事故減少或基本消除，軌道交通系統(tǒng)開始發(fā)展，發(fā)展速度較為緩慢；安全投入逐漸增加時產(chǎn)生更大的安全效益，軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展速度加快；當安全投入達到最優(yōu)點時產(chǎn)生最大的安全效益，此時軌道交通系統(tǒng)的安全可靠度最高，發(fā)展速度最快；當達到安全投入最優(yōu)點后繼續(xù)增加安全投入，即過度投入，造成安全資金浪費，安全效益相對降低，軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展速度也相對降低，并呈下降趨勢。

1.4 安全投入分類標準改進

根據(jù)我國安全投入分類標準，結(jié)合軌道交通系統(tǒng)實際情況，將軌道交通系統(tǒng)安全投入主要分為設(shè)備設(shè)施、日常管理、環(huán)境、文化教育等4類。

(1)設(shè)備設(shè)施安全投入。運行前加強對車輛和軌道的檢修，對信息調(diào)控系統(tǒng)的功能進行檢查，檢查配電系統(tǒng)是否正常運轉(zhuǎn)、站臺門和電梯是否存在損壞。

(2)日常管理安全投入。加大安全管理力度，從嚴規(guī)范員工安全技術(shù)，例如設(shè)備檢查維護時應(yīng)遵循安全標準和操作流程；加強安保力度，制定事故應(yīng)急預(yù)案，確保人員生命財產(chǎn)安全，將事故損失降到最低。

(3)環(huán)境安全投入。對周邊環(huán)境存在的危險源進行排查治理，避免影響軌道交通正常運行和人員生命安全；對風、雨、雷、電、大霧等極端天氣可能造成的自然災(zāi)害制定應(yīng)急預(yù)案；對站臺等設(shè)施的照明、溫度因素進行安全投入，保障人員流動時的安全。

(4)安全文化教育投入。對員工進行安全文化教育，召開安全文化講座，制作安全文化宣傳欄，舉辦安全文化知識競賽，在人流量大的場所合理設(shè)置安全指示牌，員工需經(jīng)過安全培訓后上崗，以此強化員工的安全意識。

2 灰色預(yù)測模型

預(yù)測模型種類多樣，有的依據(jù)精確的數(shù)據(jù)獲取數(shù)值模擬結(jié)果，有的在樣本層面拓展結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)系統(tǒng)情況的掌握程度分為白色系統(tǒng)、灰色系統(tǒng)和黑色系統(tǒng)。白色系統(tǒng)是數(shù)據(jù)完全已知，參數(shù)狀態(tài)可以觀察得出；黑色系統(tǒng)是數(shù)據(jù)完全未知，根據(jù)信息流出和流入關(guān)系預(yù)測結(jié)構(gòu)功能；灰色系統(tǒng)介于兩者之間，具有部分已知數(shù)據(jù)，可據(jù)此研究出針對性的灰色預(yù)測模型，對系統(tǒng)的發(fā)展變化進行全面分析觀察并作出長期預(yù)測[6]?；疑A(yù)測模型主要用于實現(xiàn)多因素控制下的目標狀態(tài)預(yù)測，在預(yù)測機制下根據(jù)有限數(shù)據(jù)(灰色系統(tǒng))即可實現(xiàn)預(yù)測。

2.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度是灰色因素之間的作用程度，整體來看系統(tǒng)處于一定的時空范疇中?；疑P(guān)聯(lián)分析是研究系統(tǒng)內(nèi)變量或因子之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，是在定量過程中描述系統(tǒng)之間或系統(tǒng)中各種因素隨時間的相對變化，用它們之間的接近程度即關(guān)聯(lián)度來衡量相關(guān)性[7]。關(guān)聯(lián)度分析主要計算方法及步驟[6，8]如下：①原始數(shù)據(jù)預(yù)處理；②確定母序列與子序列，母序列由各個指標最優(yōu)值組成；③計算每個點上參考序列與各子序列差的絕對值；④求兩級最大差與兩級最小差；⑤求在各點上參考序列與各子序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)；⑥求關(guān)聯(lián)度，即計算關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值；⑦進行關(guān)聯(lián)度排序。

關(guān)聯(lián)度排序在一定程度上體現(xiàn)了某一類安全投入對軌道交通運營利潤的影響，但具體哪一類安全投入對軌道交通運營利潤的促進作用更加明顯，需要計算某一類安全投入對軌道交通運營利潤的影響力I：

I=γ·a

(1)

式中，γ為關(guān)聯(lián)度，a為權(quán)重。

要想對一個城市的安全投入水平進行綜合評價，需要對各方面因素進行綜合分析得出客觀的效益評價，其計算式為

(2)

2.2 權(quán)重計算

本文采用變異系數(shù)法進行權(quán)重的確定與計算，各項指標的變異系數(shù)和權(quán)重的計算式為

(3)

(4)

3 基于灰色預(yù)測模型的安全經(jīng)濟效益定量評價

筆者根據(jù)調(diào)研的某市軌道交通經(jīng)濟投入情況，運用灰色理論在有限數(shù)據(jù)的情況下預(yù)測具有灰色特征的交通系統(tǒng)。根據(jù)前述的灰色預(yù)測理論，結(jié)合某市軌道交通系統(tǒng)運行建設(shè)實際情況，建立針對其安全經(jīng)濟效益的評價模型，實現(xiàn)有限數(shù)據(jù)下的經(jīng)濟效益預(yù)測。由于軌道交通系統(tǒng)的復雜性，其組成要素表現(xiàn)出隨機特性，當某一要素發(fā)生變化時，其他要素也相應(yīng)改變，要素間的內(nèi)在聯(lián)系不斷變化輸出并反饋，使系統(tǒng)實現(xiàn)及時調(diào)整、適應(yīng)變化的動態(tài)控制過程。某市軌道交通設(shè)備設(shè)施安全投入、日常管理安全投入、環(huán)境安全投入、安全文化教育投入及利潤的歷年數(shù)據(jù)[5]如表1所示。

表1 某市軌道交通歷年安全投入與利潤對比 萬元

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度計算

Xt=(6 257.18，7 469.85，8 349.86，9 321.19)

通過表1數(shù)據(jù)建立以上5個初始矩陣，構(gòu)建基于灰色預(yù)測模型的某軌道交通安全經(jīng)濟效益初始矩陣模型，通過計算安全投入與利潤的關(guān)聯(lián)度得出：設(shè)備設(shè)施安全投入關(guān)聯(lián)度γ1=0.582 0，日常管理安全投入關(guān)聯(lián)度γ2=0.852 1，環(huán)境安全投入關(guān)聯(lián)度γ3=0.732 6，安全文化教育投入關(guān)聯(lián)度γ4=0.256 7。

3.2 各因素灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果分析

由各因素灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果可得，各因素對應(yīng)灰色關(guān)聯(lián)度按從大到小排序依次為0.852 1、0.732 6、0.582 0、0.256 7，其對應(yīng)的因素依次為日常管理安全投入、環(huán)境安全投入、設(shè)備設(shè)施安全投入、安全文化教育投入。結(jié)果表明：某市軌道交通系統(tǒng)在安全投入方面效果最好的是日常管理安全投入，主要側(cè)重于日常管理安全投入和環(huán)境安全投入，最薄弱和亟需提高的環(huán)節(jié)是安全文化教育投入。

3.3 某市軌道交通安全投入預(yù)測

利用最小二乘法求解a=-0.035 78，b=9 547，并帶入灰色預(yù)測模型對應(yīng)微分方程求解得預(yù)測值X1=5 869.74萬元。

同樣的，分別對2020年某市軌道交通日常管理安全投入、環(huán)境安全投入、安全文化教育投入進行預(yù)測，得到預(yù)測值分別為6 385.98、8 394.79、480.84萬元。

由預(yù)測結(jié)果可知，某市軌道交通設(shè)備設(shè)施安全投入逐年遞減，日常管理安全投入和環(huán)境安全投入逐年遞增，安全文化教育投入基本不變。在日常管理安全投入方面，隨著軌道交通物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，日常管理的可視化、科技化趨勢，直接體現(xiàn)了某市對軌道交通安全的重視；在環(huán)境安全投入方面，隨著環(huán)境問題的凸顯和治理要求的提高，環(huán)境安全投入也相應(yīng)增加；在安全文化教育投入方面，近幾年仍停留在維持層面，尚無明顯提升，這也是某市軌道交通安全投入下一階段的突破點。

3.4 某市軌道交通安全經(jīng)濟效益評價

根據(jù)上文中權(quán)重的計算方法可以得出，設(shè)備設(shè)施安全投入、日常管理安全投入、環(huán)境安全投入、安全文化教育投入的權(quán)重分別為a1=0.20、a2=0.45、a3=0.28、a4=0.07；再根據(jù)影響力I公式可以算出，設(shè)備設(shè)施安全投入、日常管理安全投入、環(huán)境安全投入、安全文化教育投入對利潤的影響力分別為I1=0.113 7、I2=0.383 4、I3=0.205 1、I4=0.018 0。對以上各項影響力I進行均值化，得出某市軌道交通安全經(jīng)濟效益S=0.180 1。

S值與城市軌道交通安全經(jīng)濟效益的關(guān)系如下：①S≥0.5時，城市軌道交通安全經(jīng)濟效益為優(yōu)秀；②0.3≤S<0.5時，城市軌道交通安全經(jīng)濟效益為良好；③0.1≤S<0.3時，城市軌道交通安全經(jīng)濟效益為一般；④S<0.1時，城市軌道交通安全經(jīng)濟效益為較差?？梢钥闯?，某市軌道交通安全經(jīng)濟效益等級為一般。

3.5 某市軌道交通安全經(jīng)濟效益水平分析

綜合計算結(jié)果可知某市軌道交通安全經(jīng)濟投入和產(chǎn)出效益的關(guān)系，各項安全投入分布不均，部分安全投入缺少重視，某些環(huán)節(jié)還需加強投入。從影響力I值和某市軌道交通安全經(jīng)濟效益S值排序可知，某市軌道交通系統(tǒng)在安全投入方面主要側(cè)重于日常管理安全投入和環(huán)境安全投入，影響力最好的是日常管理安全投入，最薄弱的環(huán)節(jié)為安全文化教育投入，提升S值最快的途徑為加大安全文化教育方面的投入。從數(shù)據(jù)上可以做出初步判斷：該市交通運輸主管部門在安全文化教育方面沒有增加額外的投入，即在安全投入方面尚未給予足夠重視，需要加強安全文化教育投入這一短板才能改善安全經(jīng)濟效益的整體形勢。通過與近年調(diào)查數(shù)據(jù)的對照，驗證了安全經(jīng)濟效益評價結(jié)果的有效性，說明了基于灰色預(yù)測模型的安全經(jīng)濟效益評價結(jié)果與實際基本相符。

4 結(jié)論

本文依據(jù)灰色預(yù)測模型理論方法對軌道交通安全投入進行分析預(yù)測，為我國軌道交通安全評價領(lǐng)域補充了新方法，并預(yù)測了安全投入的未來發(fā)展趨勢，對于確定安全投入具有重要意義。根據(jù)某市交通運輸主管部門官方網(wǎng)站公開數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于灰色預(yù)測模型的某市軌道交通安全經(jīng)濟效益評價模型，得出了某市軌道交通的日常管理安全投入、環(huán)境安全投入、設(shè)備設(shè)施安全投入、安全文化教育投入與利潤的灰色關(guān)聯(lián)度、影響力以及某市軌道交通安全經(jīng)濟效益，根據(jù)模型計算判定其經(jīng)濟效益水平等級為一般，并對其原因進行了分析，說明某市軌道交通在安全投入方面主要側(cè)重于日常管理安全投入和環(huán)境安全投入，在安全文化教育方面的投入應(yīng)繼續(xù)加強?；疑A(yù)測模型能用于軌道交通系統(tǒng)的安全投入經(jīng)濟效益分析，可對經(jīng)濟效益評價方法體系進行補充。