多模型加權(quán)組合的城軌運(yùn)營安全評(píng)價(jià)方法

任 娜

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通學(xué)院，陜西 西安 710018)

城市軌道交通給居民出行提供了更多選擇，緩解了城市早晚高峰的交通壓力，我國各大城市都在積極開展軌道交通建設(shè)。自1981年我國首條地鐵對(duì)外開放使用至今，全國已經(jīng)有43個(gè)城市在使用城市軌道交通，其中1993年開始投入使用的上海地鐵系統(tǒng)是迄今為止世界上線路最長、規(guī)模最大的城市軌道交通系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年5月，全國有多條軌道交通線路日均客流量超過一百萬人，由此可見城市軌道交通運(yùn)營壓力巨大。城市軌道交通人流量密集，車站空間封閉狹窄，如果出現(xiàn)安全事故，影響巨大，故此對(duì)城市軌道交通的安全評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估一直是研究的重點(diǎn)。

儲(chǔ)震等[1]建立了基于相關(guān)性準(zhǔn)則的廣義加權(quán)組合評(píng)價(jià)模型，對(duì)城軌運(yùn)營的安全性進(jìn)行評(píng)估，為研究組合評(píng)價(jià)方法提供了全新的思路，實(shí)驗(yàn)表明，該類方法在理論及實(shí)際應(yīng)用等方面具有較高的價(jià)值；涂圣文等[2]研究了一段雙車道公路試驗(yàn)路段沿線事故修正系數(shù)CMF分布情況，并設(shè)計(jì)了線形組合事故預(yù)測(cè)模型，對(duì)線形組合路段進(jìn)行了分析，研究表明，所設(shè)計(jì)的方法能夠有效預(yù)測(cè)雙車道公路的事故發(fā)生率，可有效解決雙車道公路頻發(fā)事故的問題。張延風(fēng)等[3]為解決威脅評(píng)估問題,提出了一種基于層次分析法(AHP)和熵值法的目標(biāo)多屬性威脅評(píng)估方法，根據(jù)評(píng)估目標(biāo)的多屬性進(jìn)行其威脅性的評(píng)估，仿真實(shí)驗(yàn)表明，所提出的方法在威脅評(píng)估方面具有較高的準(zhǔn)確率，能夠有效應(yīng)用在實(shí)際當(dāng)中；王子煜等[4]從系統(tǒng)功能核驗(yàn)、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)測(cè)試、運(yùn)營準(zhǔn)備等方面入手，對(duì)中國城市軌道交通產(chǎn)業(yè)進(jìn)行安全性評(píng)估，歸納了車輛系統(tǒng)安全評(píng)估的要點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)于新開通運(yùn)營線路的安全評(píng)估具有一定的有效性。

層次分析法可對(duì)評(píng)價(jià)的目標(biāo)加以分析，把影響因素按照關(guān)聯(lián)性進(jìn)行劃分并組合，使用合理的計(jì)算方法，計(jì)算出各層中重要數(shù)值[5]?？勺兡：u(píng)價(jià)法是在工程模糊集理論的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，利用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)，增加預(yù)測(cè)、決策、評(píng)價(jià)的可信度，該評(píng)價(jià)方法已經(jīng)普遍應(yīng)用在洪水災(zāi)害評(píng)估、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境評(píng)估、系統(tǒng)安全評(píng)估等領(lǐng)域，實(shí)證驗(yàn)證了其可靠性[6]。熵值法是一種客觀加權(quán)方法；熵變小是由于無法確定量變小，導(dǎo)致信息量變大，熵變大則是由于無法確定量變大，導(dǎo)致信息量變小[3]。本文使用層次分析法和熵值法組合加權(quán)得出指標(biāo)權(quán)重，并利用加權(quán)可變模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)城軌線路運(yùn)營安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 多模型加權(quán)組合的城軌運(yùn)營安全評(píng)價(jià)方法

1.1 城軌運(yùn)營安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

將對(duì)城軌運(yùn)營安全造成影響的主要因素分為5類一級(jí)指標(biāo)，分別為管理指標(biāo)Z1、環(huán)境指標(biāo)Z2、列車載客指標(biāo)Z3、設(shè)備指標(biāo)Z4以及車站指標(biāo)Z5[7]。城軌運(yùn)營安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 城軌運(yùn)營安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

從圖1可以看出，5類一級(jí)指標(biāo)中的管理指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)和設(shè)備指標(biāo)3個(gè)一級(jí)指標(biāo)又可分為不同的二級(jí)指標(biāo)。具體解釋如下：

1) 管理指標(biāo)Z1。①調(diào)度員安全保障指標(biāo)Z11，考核調(diào)度員的職稱、工齡、年齡等是否滿足工種特性要求，工作強(qiáng)度是否過輕或過重等[8]；②駕駛員安全保障指標(biāo)Z12，考核駕駛員的職稱、工齡、年齡是否滿足工種特性要求以及其工作強(qiáng)度。

2)環(huán)境指標(biāo)Z2。①隧道穩(wěn)定指標(biāo)Z21，對(duì)隧道的變形數(shù)值加以監(jiān)控；②軌道安全保障指標(biāo)Z22，對(duì)鋼軌的損傷以及損傷分布進(jìn)行考核，以判斷鋼軌是否可以繼續(xù)使用。

3)列車載客指標(biāo)Z3。線路運(yùn)力運(yùn)量匹配度Z31，線路區(qū)間在同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，線路區(qū)間總個(gè)數(shù)和超載率個(gè)數(shù)比值。

4)設(shè)備指標(biāo)Z4。①車輛安全指標(biāo)Z41，車輛發(fā)生故障的概率以及故障對(duì)車輛安全的影響程度[9]；②信號(hào)系統(tǒng)安全指標(biāo)Z42，信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障的概率、故障修復(fù)的平均時(shí)間以及故障對(duì)安全的影響程度；③供電系統(tǒng)安全指標(biāo)Z43，供電方式對(duì)供電系統(tǒng)安全指標(biāo)的影響程度；④通信系統(tǒng)安全指標(biāo)Z44，無線系統(tǒng)故障、廣播系統(tǒng)、專線電話系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等對(duì)通信系統(tǒng)的影響[10-12]。

5)車站指標(biāo)Z5。線路車站安全綜合指標(biāo)Z51，車站指標(biāo)只對(duì)客流量加以考慮，各安全指標(biāo)綜合在一起即為線路車站安全綜合指標(biāo)。

1.2 多模型加權(quán)組合評(píng)價(jià)

1.2.1組合權(quán)重的獲取

使用層次分析法和熵值法分別計(jì)算5個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，分別為υi與ηi，兩種方法加權(quán)組合得出組合權(quán)重γi：

(1)

式中：n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

1.2.2獲取指標(biāo)特征值

1)指標(biāo)特征值矩陣的獲取。假設(shè)指標(biāo)樣本集{Z1,Z2,…,Zk}是由k個(gè)等待評(píng)價(jià)的指標(biāo)組成，在指標(biāo)a內(nèi)，第b個(gè)指標(biāo)值為zab，則需要評(píng)價(jià)的指標(biāo)特征值矩陣Z為：

Z=(zab){Z1,Z2,…,Zk}

(2)

式中：b=1,2,…,k；a=1,2,…,k。

2)指標(biāo)評(píng)價(jià)區(qū)間矩陣的獲取。假設(shè)依據(jù)w個(gè)級(jí)別對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)區(qū)間劃分，從1級(jí)到w級(jí)逐漸遞增，級(jí)別越高評(píng)價(jià)越差，指標(biāo)評(píng)價(jià)區(qū)間矩陣Bxy為：

Bxy=[[xbg,ybg]]

(3)

式中：[xbg,ybg]為指標(biāo)b標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間，其中xbg為區(qū)間上限，ybg為區(qū)間下限；g為指標(biāo)特征量；x,y為評(píng)價(jià)指標(biāo)系數(shù)。

3)依據(jù)上述指標(biāo)評(píng)價(jià)區(qū)間矩陣Bxy，對(duì)可變范圍評(píng)價(jià)區(qū)間矩陣Bws進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如下：

Bws=[[wbg,sbg]]

(4)

式中：wbg為可變區(qū)間上限；sbg為可變區(qū)間下限。當(dāng)級(jí)別為g時(shí)指標(biāo)b標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間為[wbg,sbg]：

(5)

4)隸屬度獲取。根據(jù)式(4)以及實(shí)際情況和指標(biāo)特性，獲取區(qū)間[xbg,ybg]的相對(duì)隸屬度σx(zab)g=1的點(diǎn)值矩陣T，如式(6)所示：

T=[Tbg]

(6)

5)隸屬于各個(gè)級(jí)別的指標(biāo)值z(mì)ab相對(duì)隸屬度矩陣的獲取。比較指標(biāo)特征值z(mì)ab和Tbg，zab小于Tbg或zab大于Tbg，式(7)、式(8)分別為其相對(duì)隸屬函數(shù)：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：x和l分別為可變模糊模型的參數(shù)，其組合形式有：1)l=1，x=1；2)l=2，x=1；3)l=1，x=2；4)l=2，x=2。同時(shí)，x和l又分別是優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和距離參數(shù)，x=1與x=2是最小一乘方準(zhǔn)則和最小二乘方準(zhǔn)則；l=1和l=2分別是海明距離和歐氏距離。

式(11)是一個(gè)非歸一化綜合相對(duì)隸屬矩陣，該矩陣與可變模糊模型參數(shù)的4種組合相對(duì)應(yīng)：

(11)

式(11)經(jīng)過歸一化處理后，得到式(12)：

Ua=[uag]

(12)

7) 安全綜合評(píng)價(jià)。計(jì)算指標(biāo)a的級(jí)別特征向量Ga：

Ga=(1,2,…,w)Ua

(13)

根據(jù)指標(biāo)在模型中的級(jí)別特征值，使用熵權(quán)法算出模型的權(quán)重后，即可通過線性加權(quán)法獲得綜合級(jí)別特征值Gv。式(14)為判斷準(zhǔn)則，以此準(zhǔn)則綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全性。

(14)

2 仿真實(shí)驗(yàn)

以南昌市地鐵2號(hào)線作為研究對(duì)象，用本文方法對(duì)該線路城軌運(yùn)營安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。使用VC ++ 語言編寫安全評(píng)價(jià)程序軟件，驗(yàn)證本文方法評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性。

2.1 城軌運(yùn)營樣本

從圖1中能夠看出城軌運(yùn)營安全樣本體系一共分為2層，第一層是一級(jí)指標(biāo)，第二層是二級(jí)指標(biāo)，第二層與第一層是從屬關(guān)系，第二層是城軌運(yùn)營安全樣本體系最重要的部分。根據(jù)南昌市軌道交通有限公司提供的2019年端午節(jié)前后，分別為端午節(jié)前一天(樣本1)、端午節(jié)當(dāng)天(樣本2)與第二天(樣本3)以及端午節(jié)之后的工作日(樣本4)的運(yùn)營數(shù)據(jù)，按照本文方法得到的城軌運(yùn)營安全指標(biāo)體系各項(xiàng)指標(biāo)的值，見表1。

表1 城軌運(yùn)營安全指標(biāo)體系指標(biāo)值

2.2 指標(biāo)權(quán)重

按照南昌地鐵2號(hào)線端午期間的運(yùn)營數(shù)據(jù)對(duì)矩陣內(nèi)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行判斷，得到各指標(biāo)權(quán)重υ、指標(biāo)熵權(quán)η，加權(quán)組合后得到綜合權(quán)重值γ，結(jié)果見表2。依據(jù)表2中城軌線路運(yùn)營安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中第二層指標(biāo)的權(quán)重值，評(píng)價(jià)南昌地鐵2號(hào)線端午節(jié)前后的城軌線路運(yùn)營安全性。

表2 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重

2.3 城軌運(yùn)營安全評(píng)價(jià)

表3 評(píng)價(jià)結(jié)果與級(jí)別特征值

3 結(jié)束語

基于城軌運(yùn)營安全指標(biāo)體系，本文使用層次分析法和熵值法組合加權(quán)得出指標(biāo)權(quán)重，并利用加權(quán)可變模糊評(píng)價(jià)方法對(duì)南昌地鐵2號(hào)線的城軌運(yùn)營安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以2019年端午節(jié)假期前后的城軌線路運(yùn)營情況為樣本，計(jì)算各指標(biāo)組合權(quán)重，獲得該階段城軌運(yùn)營安全等級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本一致。在今后的研究中可以通過進(jìn)一步補(bǔ)充并完善城軌線路安全體系指標(biāo)，增強(qiáng)本文方法評(píng)價(jià)的全面性，更好地服務(wù)于城市軌道交通運(yùn)營。