CN104637023A - 一种对铁路运营现状安全性评价的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对铁路运营现状安全性评价的方法,其特征在于首先介绍了地铁运营的复杂性系统特点,接着从人、机、环、管四个方面构建了地铁运营安全评价指标体系。考虑因素间的相关性,利用网络分析法对所有指标逐一赋权。其次,按照经典模糊综合评价建立了Vague集的地铁运营安全评价模型,先给出安全等级的评价集,再计算出各指标相应的vague集评价值,按照隶属度最大原则对地铁运营安全情况作出综合评判。主要包括地铁运营安全综合评价指标体系的构建、基于ANP的评标指标体系相应赋权、基于Vague集的地铁运营安全综合评价。本发明可有效解决地铁运营安全评价的问题。可广泛用于地铁、轨道的运营现状安全性评价。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通安全管理,特别是涉及基于网络分析法与vague集相结合的地铁运营安全评价方法。
背景技术
随着我国城市化发展进程的加快,作为理想绿色交通工具的地铁,正越来越多的出现在许多大中型城市中。目前内地有近30个城市的地铁建设规划已获得了国家批准,可以预见未来我国将成为世界上最大的轨道交通运营国家。作为一种大容量公共交通工具,地铁运营的安全性与广大乘客的生命安全休戚相关。由于地铁属于地下工程,具有封闭性强、人员密集、速度快和应急疏散难度大等突出特点,因此一旦发生事故,后果非常严重。近年来,电梯逆行和突发火灾事故等在我国地铁运营中频发,而安全管理理论告诉我们“安全第一,预防为主”。 因此,寻求有效的综合评价方法对地铁运营的安全状况进行准确评估,找出存在的薄弱环节或危险源并能及时发出预警,以便采取针对措施或应急预案具有很强的现实意义。
鉴于安全综合评价工作的重要性,2007年国家安全生产监督管理总局出台了《城市轨道交通安全预评价细则》,建设部在组织北京地铁等单位编写相关细则后,于2008年正式颁布了《地铁运营安全评价标准》。但确保地铁运营安全是一项庞大复杂的系统工程,现行的评价方法存在较大的主观性和不精确性。因此,很多学者正努力寻求更有效的量化评价方法,这也成为该领域研究的热点,现有方法一定程度上改进了现行的安全评价方法,但也存在信息反映不全面,对指标间相关性考虑不周,模糊数据处理误差较大等不足。一方面,地铁运营安全的评价指标体系应该是有许多相互影响、互相作用的指标组成,而上述方法却假设各指标独立、层级之间严格的从上到下支配,这显然与事实不符。Saaty提出的网络分析法ANP(Analytic Network Process)可以很好地解决这个问题。该方法中元素之间可以相互依存,相同或不同层级的指标之间可以是支配或反馈的关系。显然,采用这种方法所赋的权重更符合实际问题,决策的结果自然也更加准确。另一方面,地铁运营安全评价过程存在着大量的不确定数据和不完全信息,同时还需要许多专家参与,是一个典型的多准则模糊评价问题。传统的模糊理论由于隶属度不满足可加性,取大或取小运算则容易丢失相关信息,易导致评价结果的失真。Gau和Buehrer提出的Vague集是对Zadeh模糊理论的进一步推广, 它对模糊信息的分析处理较普通模糊集更强大、更灵活也更准确,已广泛应用于自动控制、模式识别和人工智能等,但在安全管理领域中的应用还比较少。基于ANP与Vague集建立起地铁运营安全的定量综合评价数学模型,以期为改进我国地铁运营安全工作,提高安全管理水平提供更加有效的科学依据和方法。
发明内容
针对地铁运营现状安全性评价存在的问题,本发明提出一种基于ANP与Vague集建立起的地铁运营安全定量综合评价方法。
1.建立地铁运营安全评价指标体系
评价指标应既能体现地铁运营的复杂系统特点,又能全面反映系统内互相影响的安全机制,还能满足实际操作需要。因此,在遵循客观、规范原则的基础上,结合《地铁运营安全评价标准》规范并参照了国内的相关研究,从人、机、环、管四个方面对地铁运营的安全状况进行有效的衡量:(1)运营设备设施的安全状况;(2)运营相关人员的安全状况;(3)运营安全管理水平;(4) 外界环境的影响,从而建立了地铁运营安全综合评价指标体系如下表1所示:
表1 地铁运营安全综合评价指标体系
2.评标指标体系权值的确定
引入网络分析法(ANP),它充分考虑了各因素间或相邻层次间的相互影响,利用直接和间接优势度关系,通过超矩阵对各相互作用并依存的因素进行综合分析得出其混合权重。
最终权重的计算步骤简介如下:(1)对问题进行详细描述,确定目标、准则和因素;(2)根据目标、准则和因素构建ANP网络。典型的ANP网络由控制层和网络层两部分构成,如图1所示;(3)构建无权重超矩阵。即将构建网络时选取的各准则分别作为主准则,以某因素组中的元素作为次准则,按照因素组中各因素对其他因素的影响程度构造判断矩阵,并求得归一化特征向量,依此类推将所有判断矩阵的归一化特征向量汇总到一个超矩阵中;(4)构建加权超矩阵。以各准则指标为主准则,以因素组为次准则,求出因素组权重矩阵,再乘以无权超矩阵便得到了加权超矩阵;(5)求极限超矩阵。求极限超矩阵是一个反复迭代,然后趋稳的过程,类似于马尔科夫过程;(6)混合权重的综合。即求出各指标相对于目标层的综合优势度。
3.构建地铁运营安全模糊综合评价方法
首先,对每个指标设置评价的评语集。由于这些指标大都属于定性指标,而对于定性指标要直接使用带量纲的精确数字评价往往比较困难,解决办法是通过选择合适的语言变量来表示评价者的意见。参照《地铁运营安全评价标准》中的百分制和安全管理实际状况,给出相应评语集k={很安全,安全,基本安全,不安全,非常不安全}五个等级。其次,在此基础上构造出评价指标体系的vague集评价矩阵。即邀请相关专家按照评语集对指标逐一进行选择,令Ci表示准则层指标,Cij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4,5)代表任一因素指标,评语集为Vk(k=1,2,3,4,5),对其构造评价指标体系C和V之间的Vague 集评价矩阵如图2所示公式(1)。
上式矩阵中每一行表示五个评语等级,每一列均对应着每个指标对相应评语等级的vague集隶属度, rijk表示因素指标Cij对应评语集的相应评价,rijk=[tijk ,1-fijk],可组织安全评审的专家针对每个指标按照评语集逐一进行选择,为表示专家的犹豫程度,允许放弃选择。再次,根据各指标的权重向量wi和vague集评价矩阵Ri,对各指标Cij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4,5)进行基于 Vague 集的模糊综合评价,计算公式如下:
Vi=Wi °R 。
上式中“°”为Vague集运算的符号,同时需要用到vague集的两个基本公式:
① 乘运算:k·A=[k·tA,k·(1-fA)],k∈(0,1) 。
② 限和运算:A⊕B=[min{1,tA+tB}],[min{1,(1-fA)+(1-fB)}] 。
最后,根据最终得到评价向量Vi,按照Vague集的一种排序规则:设a=[a-,a+],b=[b-,b+] , 若[a-,a+]/2≤[b-,b+]/2,则a≤b。按照隶属度最大原则即可得到最终综合评价结果,从而判断出该地铁总的运营安全状况如何。
附图说明
图1典型的网络分析图结构。
图2 公式(1)。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂,下面结合使用到的相关理论和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
Vague集的基本概念:定义1设U是一个论域,x表示其中任一元素,U中的一个Vague集A可用一个真隶属函数tA和一个假隶属函数fA表示,tA(x)是从支持x的证据所导出的x的隶属度下界,fA(x)则是从反对x的证据所导出的x的否定隶属度下界,不确定部分为1-tA(x)-fA(x)。tA(x)和fA(x)将区间[0,1]中的实数与U中的每一个元素联系起来。即:tA(x):U→[0,1],fA(x):U→[0,1],为讨论方便,简记tA(x)为tx, fA(x)为fx。
(1)当U是连续的时候,Vague集A表示为:A=∫U[tA(x),1-fA(x)]/xdx,x∈U。
(2)当U是离散的时候,Vague集A表示为:A=∑[tA(xi),1- fA(xi)]/xi, xi∈U。
上式中:tA(x)+fA(x)≤1,令πA(x)=1- tA(x)-fA(x)表示不确定度。显然,由于同时考虑了支持和反对两方面的证据,vague集对不确定信息的表达能力较普通模糊集更强也更全面。
实施例为某市地铁,其采用的钢轮、钢轨系统,整个线路为全封闭式设计,正常运营满两年了,为了检查整个运营系统的安全状况和抗风险水平,需要通过对其运营安全进行有效的综合评价来完成。
通过前述可知,ANP赋权工作是一个相对比较复杂的过程,需先采用1-9标度法对每个一级指标和二级指标构建对应的互反判断矩阵,然后通过计算并通过一致性检验后,依次得到无权超矩阵、加权超矩阵和极限超矩阵,最后得到各评价指标的混合权重。以运营设备设施的安全状况组内因素为例,相关输入过程和结果如表2所示:
表2 目标层下准则层的判断矩阵及权重
为保证评价工作的顺利实施,政府和轨道交通公司聘请了该领域的相关专家进行严格评审,其中专家们对运营安全评价指标逐一进行了相应的vague值评价,相关数据如表3所示:
表3 专家对地铁运营安全状况的各指标vague集评价值
序号 | 地铁运营安全评价指标 | 很安全 | 安全 | 基本安全 | 不安全 | 很不安全 | 指标权重 |
1 | 车辆系统安全状况C11 | [1, 1] | [0, 0] | [ 0, 0] | [ 0, 0] | [ 0, 0] | 0.1608 |
2 | 供电系统安全状况C12 | [0.9, 0.9] | [0.1, 0.1] | [ 0, 0] | [ 0, 0] | [ 0, 0] | 0.0768 |
3 | 机电设备安全状况C13 | [ 0.7, 0.8] | [0.2, 0.3] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.0923 |
4 | 通信信号设备安全状况C14 | [0.9, 1] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.1613 |
5 | 车站建筑与轨道线路安全状况C15 | [ 1, 1] | [0, 0] | [0, 0] | [0, 0] | [0, 0] | 0.0701 |
6 | 调度员业务水平与安全意识C21 | [ 0.7, 0.8] | [0.2, 0.3] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.0386 |
7 | 行车值班人员业务水平与安全意识C22 | [ 0.5, 0.6 ] | [ 0.2, 0.3] | [ 0.2, 0.3 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.0151 |
7 | 车站客服人员业务水平与安全意识C23 | [ 0.3, 0.4 ] | [ 0.3, 0.4 ] | [ 0.2, 0.3] | [ 0.1, 0.2] | [ 0, 0.1 ] | 0.0321 |
9 | 列车司机的应变能力C24 | [ 0.5, 0.6 ] | [ 0.3, 0.4 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0.1, 0.2] | [ 0, 0.1 ] | 0.0464 |
10 | 安全管理机构及人员的合理设置C31 | [ 0.6, 0.7 ] | [ 0.2, 0.3] | [ 0.1, 0.2] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.0119 |
11 | 安全生产责任制C32 | [ 0.9, 1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.0165 |
12 | 安全教育培训C33 | [ 0.6, 0.7 ] | [ 0.2, 0.3] | [ 0.1, 0.2] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.0156 |
13 | 客运组织和调动指挥C34 | [ 0.9, 1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.1052 |
14 | 事故应急预案及组织安排C35 | [ 0.9, 1] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.1022 |
15 | 对自然灾害防御的能力C41 | [ 0.5, 0.6 ] | [ 0.2, 0.3] | [ 0.2, 0.3 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.0220 |
16 | 保护区的防护能力C42 | [ 0.8, 0.9] | [ 0.1, 0.2] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | [ 0, 0.1 ] | 0.0331 |
因此,我们根据式(2)便可分别求出该地铁项目对应每个安全等级相应的vague集综合评价值分别为: =[0.1608, 0.1608] [0.0691,0.069]⊕ [0.0646,0.0738] ⊕ [0.1452,0.1613] ⊕ [0.0701,0.0701] ⊕ [0.0270, 0.0309] ⊕ [0.0076, 0.0091] ⊕ [0.0096, 0.0128] ⊕ [0.0232, 0.0278] ⊕[0.0071, 0.0083] ⊕ [0.0149,0.0165] ⊕ [0.0094,0.0109] ⊕ [0.0947,0.1052] ⊕ [0.0920,0.1022] ⊕[0.0110,0.0132] ⊕[0.026,0.0298]=[0.8327,0.9019]。同理, 可求出V2=[0.0736,0.1429],V3 =[0.0166, 0.0766], V4=[0.0079, 0.0771],V5 =[0,0.0692],故Vi=([0.8327,0.9019], [0.0736,0.1429], [0.0166, 0.0766], [0.0079, 0.0771], [0,0.0692])。最后,根据vague集的排序规则可知隶属度的大小顺序为:V1 >V2 >V3 >V4 >V5,所以该地铁运营安全状况为很安全。
从综合评价结果可知该地铁的运营安全水平很高,这可能是因为该地铁建成运营的时间还不长,运营设施设备比较新有关,也基本符合该地铁的现状。但应该从评价结果看到:(1)运营相关人员的安全状况的各因素指标评价值普遍不佳,尤其是车站客服人员业务水平与安全意识差强人意,虽然其隶属度基本属于安全等级以上,但仍有较大改进余地。(2)列车司机的应变能力也颇显不足,这可能也是随着设备越来越先进,人们对设备的依赖程度愈高,导致司机缺乏这方面的训练有关,需要加强这方面的演练。(3)运营安全管理水平的安全教育培训和安全管理机构及人员的合理设置评价值也不高,说明轨道交通公司在这方面的力度有所欠缺,这也能从侧面一定程度地解释为何运营相关人员的安全状况也不是很理想。(3)对自然灾害防御的能力也有提高的余地,这既与前面两个原因有关,也可能与运营时间较短,导致风险管理经验不足,对外界影响缺乏足够的应对措施也有关。另外一点,综合评价结果提醒我们,新建成的地铁项目运营期初,更大的安全隐患往往来自运营相关人员和安全管理水平,这也是轨道交通公司在实际工作中需要加强的重点。
Claims (8)
1.一种对铁路运营现状安全性评价的方法,其特征在于,首先介绍了地铁运营的复杂性系统特点,接着从人、机、环、管四个方面构建了地铁运营安全评价指标体系,考虑因素间的相关性,利用网络分析法对所有指标逐一赋权,其次,按照经典模糊综合评价建立了Vague集的地铁运营安全评价模型,先给出安全等级的评价集,再计算出各指标相应的vague集评价值,按照隶属度最大原则对地铁运营安全情况作出综合评判,其包括如下步骤:建立地铁运营安全评价指标体系、评标指标体系权值的确定、构建地铁运营安全模糊综合评价方法,本发明可有效解决地铁运营安全评价的问题。
2.根据权利要求1所述的地铁运营安全综合评价指标体系,其特征在于,从人、机、环、管四个方面对地铁运营的安全状况进行有效的衡量:运营设备设施的安全状况;运营相关人员的安全状况;运营安全管理水平;外界环境的影响。
3.根据权利要求2所述的运营设备设施的安全状况C 1 ,其特征在于,包括:车辆系统安全状况C11,供电系统安全状况C12,机电设备安全状况C13,通信信号设备安全状况C14车站建筑与轨道线路安全状况C15。
4.根据权利要求2所述的运营相关人员的安全状况C 2 ,其特征在于,包括:调度员业务水平与安全意识C21,行车值班人员业务水平与安全意识C22,车站客服人员业务水平与安全意识C23,列车司机的应变能力C24。
5.根据权利要求2所述的运营安全管理水平C 3 ,其特征在于,包括:安全管理机构及人员的合理设置C31,安全生产责任制C32,安全教育培训C33,客运组织和调动指挥C34,事故应急预案及组织安排C35。
6.根据权利要求2所述的外界环境的影响C 4 ,其特征在于,包括:对自然灾害防御的能力C41,保护区的防护能力C42。
7.根据权利要求1所述的评标指标体系权值的确定,其特征在于,权重的计算步骤简介如下:(1)对问题进行详细描述,确定目标、准则和因素;(2)根据目标、准则和因素构建ANP网络,典型的ANP网络由控制层和网络层两部分构成;(3)构建无权重超矩阵,即将构建网络时选取的各准则分别作为主准则,以某因素组中的元素作为次准则,按照因素组中各因素对其他因素的影响程度构造判断矩阵,并求得归一化特征向量,依此类推将所有判断矩阵的归一化特征向量汇总到一个超矩阵中;(4)构建加权超矩阵,以各准则指标为主准则,以因素组为次准则,求出因素组权重矩阵,再乘以无权超矩阵便得到了加权超矩阵;(5)求极限超矩阵,求极限超矩阵是一个反复迭代,然后趋稳的过程,类似于马尔科夫过程;(6)混合权重的综合。
8.根据权利要求1所述的构建地铁运营安全模糊综合评价方法,其特征在于,首先,对每个指标设置评价的评语集,其次,在此基础上构造出评价指标体系的vague集评价矩阵,再次,根据各指标的权重向量wi和vague集评价矩阵Ri,对各指标Cij(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4,5)进行基于 Vague 集的模糊综合评价,最后,根据最终得到评价向量Vi,按照Vague集的一种排序规则:设a=[a-,a+], b=[b-,b+],若[a-,a+]/2≤[b-,b+]/2,则a≤b,按照隶属度最大原则即可得到最终综合评价结果,从而判断出该地铁总的运营安全状况如何。
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PB01 | Publication | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |