張萬(wàn)鵬，史天運(yùn)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081）

基于層次分析法的工務(wù)安全評(píng)價(jià)研究

張萬(wàn)鵬，史天運(yùn)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081）

鐵路工務(wù)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)對(duì)于保障工務(wù)系統(tǒng)設(shè)備安全有著重要意義。在工務(wù)安全中，影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜。本文提出采用層次分析法，建立了鐵路工務(wù)安全評(píng)價(jià)模型，對(duì)工務(wù)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)各工務(wù)段安全隱患，預(yù)先采取措施，以確保行車安全。

鐵路運(yùn)輸；層次分析法；工務(wù)安全；綜合評(píng)價(jià)

鐵路工務(wù)安全生產(chǎn)的基本任務(wù)是保持線路設(shè)備完整和質(zhì)量均衡，使列車以規(guī)定速度安全、平穩(wěn)和不間斷地運(yùn)行，并盡量延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。伴隨著鐵路貨運(yùn)重載、客運(yùn)提速的不斷發(fā)展，對(duì)鐵路工務(wù)系統(tǒng)的安全提出更高的要求，保障安全就必須從預(yù)防事故這一根本目的出發(fā)，預(yù)先對(duì)工務(wù)的安全性進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)和評(píng)估?，F(xiàn)有的工務(wù)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)主要是扣分制，僅考慮檢查發(fā)現(xiàn)的嚴(yán)重問(wèn)題而忽略了較嚴(yán)重問(wèn)題、一般問(wèn)題、其他問(wèn)題；同時(shí)，對(duì)于嚴(yán)重問(wèn)題也僅僅只是考慮發(fā)生數(shù)量，沒(méi)有考慮問(wèn)題的性質(zhì)。利用層次分析法將嚴(yán)重問(wèn)題、較嚴(yán)重問(wèn)題、一般問(wèn)題以及問(wèn)題的性質(zhì)都考慮在內(nèi)，對(duì)工務(wù)系統(tǒng)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 層次分析法的原理及特點(diǎn)

層次分析法（AHP，Analytical Hierarchy Process）是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty于20世紀(jì)70年代中期提出的，是一種將難于定量化的復(fù)雜問(wèn)題，逐層分解為一系列可定量化的簡(jiǎn)單問(wèn)題，從而進(jìn)行較簡(jiǎn)單求解的數(shù)學(xué)方法。其特點(diǎn)就是可對(duì)非定量事件進(jìn)行定量分析，將評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各專家人員的經(jīng)驗(yàn)判斷定量化，分析中所需要的定量數(shù)據(jù)不多，但要求對(duì)問(wèn)題所包含的因素及其相互關(guān)系具體而明確，適用于多準(zhǔn)則、多目標(biāo)的復(fù)雜問(wèn)題的決策分析與評(píng)價(jià)。

運(yùn)用層次分析法的步驟有：建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造出層次中的所有判斷矩陣、計(jì)算權(quán)向量和一致性檢驗(yàn)。

1.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

應(yīng)用AHP分析決策問(wèn)題時(shí)，首先要把問(wèn)題條理化、層次化，構(gòu)造出一個(gè)有層次的構(gòu)造模型。這些層次可以分為3類：最高層（目的層），中間層（準(zhǔn)則層），最底層（方案層）。遞階層次構(gòu)造中的層次數(shù)與問(wèn)題的復(fù)雜程度及需要分析的詳盡程度有關(guān)，一般層次數(shù)不受限制。每一層次中各元素所支配的元素一般不要超過(guò)9個(gè)。

1.2 構(gòu)造層次中所有判斷矩陣

準(zhǔn)則層中的各準(zhǔn)則在目標(biāo)衡量中所占的比重并不一定相同，在決策者的心目中，它們各占有一定比例。引用數(shù)字1 ～ 9及其倒數(shù)作為標(biāo)度來(lái)定義判斷矩陣B=(bij)nn，見(jiàn)表1。

表1 判斷矩陣標(biāo)度定義

式中： Bi為當(dāng)前層評(píng)價(jià)目標(biāo)因素，bij為Bi相對(duì)于Bj的重要度。

1.3 計(jì)算權(quán)向量

計(jì)算每一個(gè)判斷矩陣各因素針對(duì)其準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重，運(yùn)用特征根法計(jì)算該權(quán)重系數(shù)，并將其歸一化為同一層次中相應(yīng)指標(biāo)對(duì)上一層某個(gè)指標(biāo)的權(quán)重向量。

計(jì)算判斷矩陣B每一行元素的幾何平均值：

式中： Wi為所求指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)值，最后的權(quán)重向量為W = (W1, W2, …,Wn)T。

1.4 一致性檢驗(yàn)

為避免其它因素對(duì)判斷矩陣的干擾，在實(shí)際中要求判斷矩陣滿足大體上的一致性，需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。只有通過(guò)檢驗(yàn)，才能說(shuō)明判斷矩陣在邏輯上是合理的，才能繼續(xù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

求判斷矩陣的最大特征根λmax：

式中：n為矩陣階數(shù)，Wi為所求指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)值。

計(jì)算一致性評(píng)價(jià)指標(biāo)，將CI作為度量判斷矩陣偏離一致性的指標(biāo)：

為了得到不同階數(shù)的矩陣均適用的一致性的臨界值，還需引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，可查表確定，見(jiàn)表2。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算：

式中：CR（consistency ratio）為一致性比例。當(dāng)CR ＜ 0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣作適當(dāng)修正。

工務(wù)安全影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，因此，研究和解決工務(wù)安全問(wèn)題應(yīng)從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)。在此，筆者試圖從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)，應(yīng)用層次分析法對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

2 應(yīng)用層次分析法對(duì)工務(wù)段安全評(píng)價(jià)

2.1 建立安全評(píng)價(jià)層次模型

工務(wù)安全主要是線路的安全；管理制度和職工養(yǎng)護(hù)又是線路安全的基礎(chǔ)；而職工養(yǎng)護(hù)不到位既是職工責(zé)任意識(shí)不強(qiáng)、作業(yè)水平不高，也是管理者的管理缺陷。所以在目標(biāo)層“工務(wù)安全綜合評(píng)價(jià)”下，共有管理因素、設(shè)備因素、職工因素3個(gè)主要因素。

管理因素主要包括對(duì)工務(wù)段的基礎(chǔ)管理、職工管理作業(yè)指揮。其中管理者在作業(yè)指揮中的作風(fēng)、指揮方法將直接影響職工作業(yè)流程和作業(yè)效果，所以作業(yè)指揮是管理因素中的主要方面。

專家對(duì)同一層次指標(biāo)進(jìn)行比較，給出它們相對(duì)重要性的判斷值，全部指標(biāo)經(jīng)過(guò)兩兩判定之后，就可以形成一個(gè)比較判斷矩陣：

設(shè)備因素主要包括線橋設(shè)備狀態(tài)、涵隧設(shè)備狀態(tài)、道口管理及延線管理、養(yǎng)護(hù)機(jī)械及生產(chǎn)機(jī)具狀態(tài)。

職工因素包括職工違章違紀(jì)、作業(yè)安全防護(hù)、職工培訓(xùn)。職工違章違紀(jì)影響作業(yè)的質(zhì)量進(jìn)而影響線路的安全，作業(yè)安全防護(hù)直接關(guān)乎職工的安全，所以它們是職工因素中的重要方面。根據(jù)以上信息，建立安全評(píng)價(jià)層次模型，如圖1所示。

圖1 工務(wù)安全評(píng)價(jià)層次模型

2.2 構(gòu)建判斷矩陣并計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

根據(jù)上述分析，構(gòu)建第2層各因素對(duì)第1層因素的成對(duì)比較矩陣A：

求得：WA=（0.5396, 0.2970, 0.1634）T， λmax= 3.0020，CI=0.0010，RI=0.58，CR=0.0017，判斷短矩陣的一致性可以接受。

同理，構(gòu)建第3層各因素對(duì)第2層因素的成對(duì)比較矩陣B1，B2，B3：

求得：WB1= (0.2599, 0.3275, 0.4126)T, λmax= 3.0019，CI=0.0009，RI=0.58，CR=0.0016，判斷短矩陣的一致性可以接受。

求得：WB2= (0.3937, 0.3937, 0.1374, 0.0752)T，λmax=4.0027，CI=0.000 9，RI=0.9，CR=0.0010，判斷短矩陣的一致性可以接受。

求得：WB3= (0.4286, 0.4286, 0.1428)T, λmax= 3.0006，CI=0.0003，RI=0.58，CR=0.0005，判斷短矩陣的一致性可以接受。

由此得出計(jì)算工務(wù)段安全評(píng)分的公式：

將WA,WB1,WB2,WB3帶入式（1）中，計(jì)算出評(píng)分Y：

評(píng)價(jià)體系第3層分?jǐn)?shù)由工務(wù)安全檢查信息和設(shè)備監(jiān)測(cè)信息計(jì)算而來(lái)。

本次研究收集了某鐵路局7個(gè)工務(wù)段（分別記為a, b, c, d, e, f, g）2014年2月的安全檢查信息和設(shè)備監(jiān)測(cè)信息。收集來(lái)的信息已經(jīng)根據(jù)鐵路局的要求，按照問(wèn)題的嚴(yán)重程度從高到低分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個(gè)等級(jí)，再依據(jù)本文建立的層次分析模型將這些信息按照問(wèn)題的類別分為C1～C10共10類（見(jiàn)圖1）。每類問(wèn)題Ci都有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)等級(jí)，且分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一樣，可以采用相同的權(quán)重模型計(jì)算Ci的評(píng)分。

依據(jù)專家打分，構(gòu)建4個(gè)等級(jí)問(wèn)題的權(quán)重判斷矩陣，見(jiàn)表3。

求得：WC=（0.6545, 0.2045, 0.0955, 0.0456）T，λmax= 4.0129，CI=0.0043，RI=0.9，CR=0.0048，判斷短矩陣的一致性可以接受。

表3 問(wèn)題等級(jí)成對(duì)比例判斷矩陣

2.3 計(jì)算評(píng)價(jià)

將Ci的I、II、III、IV4個(gè)等級(jí)問(wèn)題的數(shù)量記為x1、x2、x3、x4，得到Ci的評(píng)分計(jì)算公式：

利用式（3）計(jì)算Ci的評(píng)分，如a工務(wù)段的C1（基礎(chǔ)管理）有Ⅰ等級(jí)問(wèn)題0件、Ⅱ等級(jí)問(wèn)題1件、Ⅲ等級(jí)問(wèn)題2件、Ⅳ等級(jí)問(wèn)題55件。則a工務(wù)段的C1指標(biāo)評(píng)分為：

C1=0.6544×0+0.2045×1+0.0955×2+0.0456× 55=2.9035

同理計(jì)算各工務(wù)段的Ci評(píng)分，整理得到該鐵路局各工務(wù)段2014年2月的安全檢查結(jié)果，見(jiàn)表4。

表4 各工務(wù)段2014年2月安全檢查結(jié)果

將表4數(shù)據(jù)帶入式（2），可以得出該鐵路局各工務(wù)段綜合排名，見(jiàn)表5，評(píng)價(jià)指標(biāo)為非優(yōu)指標(biāo)，評(píng)分越高所反映的問(wèn)題越嚴(yán)重。

表5 工務(wù)段層次分析法安全評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4 評(píng)價(jià)效果

表6為以上7個(gè)工務(wù)段不同級(jí)別的安全問(wèn)題（I、II、III、IV）發(fā)生的數(shù)量統(tǒng)計(jì)（不區(qū)分問(wèn)題類別）。層級(jí)分析法與常用的扣分法（單考慮A類問(wèn)題的發(fā)生數(shù)量）相比較，不僅綜合考慮了I、II、III、 IV4個(gè)問(wèn)題級(jí)別，并且將問(wèn)題的性質(zhì)賦予相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，尤其是在I類問(wèn)題發(fā)生數(shù)量接近時(shí)，采用層次分析法可以全面考慮各類問(wèn)題，使評(píng)價(jià)結(jié)果更可信。

表6 工務(wù)段各類安全問(wèn)題發(fā)生數(shù)量統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)束語(yǔ)

工務(wù)系統(tǒng)的安全對(duì)于鐵路行車安全有著極為重要的意義。本文提出的工務(wù)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)模型利用層次分析法對(duì)工務(wù)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)

結(jié)果較扣分制方法更為真實(shí)可靠，可以為工務(wù)部門分析各個(gè)工務(wù)段安全狀況提供參考依據(jù)，對(duì)工務(wù)系統(tǒng)安全管理工作具有一定的參考意義。

[1] 韋 林.工務(wù)安全事故發(fā)生規(guī)律的探討[J]. 鐵路建筑，2000（8）.

[2] 莫善軍，劉 雯，梁 棟，徐 潔，江 捷.鐵路工評(píng)價(jià)研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2009（4）.

[4] 尋新宇.鐵路局工務(wù)安全生產(chǎn)管理輔助決策系統(tǒng)研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2006.

[5] 宋祥波，肖貴平，賈明濤.基于層次分析法的機(jī)車行車 安全評(píng)價(jià)研究[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2006（6）.

[6] 郭 伏，郝金權(quán)，劉春海.鐵路行車人因事故分析與對(duì)策[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（12）.

[7] 郭金玉，張忠彬，孫慶云.層次分析法的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2008（5）.

[8] 鄧 雪，李家銘，曾浩健，陳俊羊，趙俊峰.層次分析法權(quán)重計(jì)算方法分析及其應(yīng)用研究[J]. 數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2012（7）.

責(zé)任編輯 方 圓

Safety assessment for maintenance of way based on Analytical Hierarchy Process

ZHANG Wanpeng, SHI Tianyun
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

To railway safety and efficiency, the track maintenance quality played an extremely important role. In the safety of maintenance of way, there were a lot of complex influencing factors. Aimed to this characteristic, Analytical Hierarchy Process (AHP) was applied to set safety evaluation model for maintenance of way and take comprehensive evaluation. The model could be used to discover the hidden danger, take in advance measure, and ensure the driving safety.

railway transportation; Analytical Hierarchy Process(AHP); safety of maintenance of way; comprehensive evaluation

U2∶TP39

A

1005-8451（2014）11-0001-04

2014-05-28

張萬(wàn)鵬，研究實(shí)習(xí)員；史天運(yùn)，研究員。