王洪德， 馮蒴

（大連交通大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧大連 116028）

0 引言

接觸網(wǎng)系統(tǒng)為機(jī)車運(yùn)行提供電能，其運(yùn)行與檢修受大氣濕度、溫度、大風(fēng)、雷電等氣候因素影響十分明顯，由于其無備用的特點(diǎn)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將直接導(dǎo)致列車停運(yùn)甚至造成重大行車事故。日常檢維修過程中，涉及停電、登高及車輛等作業(yè)，檢維修環(huán)境惡劣，極易引起檢維修事故的發(fā)生［1]。因此，對高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠性能進(jìn)行科學(xué)評價，及時掌握接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)狀況，對保障高速鐵路運(yùn)行安全具有重要意義。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究多集中于可靠性問題和運(yùn)行中的參數(shù)檢測［2-5]。對于接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全性能研究方面，何正友等［6]利用灰色聚類和模糊綜合評價對高速鐵路牽引供電設(shè)備進(jìn)行了實(shí)時評價和系統(tǒng)的健康狀態(tài)評價；卞曉琳等［7]從計(jì)算工況選取、接觸網(wǎng)位移分析、支柱負(fù)載分析及參數(shù)檢算4 部分對地下工程穿越既有接觸網(wǎng)的安全性進(jìn)行評價；丁堅(jiān)勇等［8]利用ETA 和LEC 方法，并引入歐洲鐵路標(biāo)準(zhǔn)（EN 50126），提出能反映系統(tǒng)各類風(fēng)險發(fā)生概率和風(fēng)險等級的定量安全性評估指標(biāo)和安全性評估方法?，F(xiàn)有研究中，存在權(quán)重選取主觀性過強(qiáng)、缺乏科學(xué)有效的方法來解決評價指標(biāo)間的模糊性和隨機(jī)性問題。針對上述問題，采用云模型理論研究高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全性評價問題，利用結(jié)構(gòu)熵權(quán)法進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，以期科學(xué)準(zhǔn)確地對高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行安全評價。

1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 安全評價指標(biāo)的構(gòu)建

接觸網(wǎng)評價指標(biāo)體系的建立要符合系統(tǒng)性、科學(xué)性的原則，具有可操作性，各評價指標(biāo)間要相互獨(dú)立。根據(jù)高鐵接觸網(wǎng)的特點(diǎn)，從人員、設(shè)備、管理、外部環(huán)境、技術(shù)裝備保障5個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系，記為一級評價指標(biāo)，參考鐵路運(yùn)輸行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、鐵路供電段相關(guān)管理文件以及接觸網(wǎng)作業(yè)操作規(guī)程，在每個一級指標(biāo)下分別建立二級評價指標(biāo)，共計(jì)26 個（見表1）。

表1 高鐵接觸網(wǎng)安全評價指標(biāo)與權(quán)重

1.2 評分標(biāo)準(zhǔn)及原則

根據(jù)高鐵接觸網(wǎng)的特點(diǎn)并結(jié)合安全評價理論，將高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全評價等級和各評價指標(biāo)的等級劃分為“很好”“較好”“一般”“較差”和“很差”5 級。指標(biāo)統(tǒng)一采用10 分制，即所有評價指標(biāo)的評估值為［0，10]，得分越高表示安全性越高。根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、操作規(guī)程以及專家建議，將評估值劃分為5個區(qū)間，分別為［0，3）、［3，5）、［5，7）、［7，9）、［9，10]，對應(yīng)的5 個等級分別為“很差”“較差”“一般”“較好”“很好”。

2 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

2.1 結(jié)構(gòu)熵權(quán)法

權(quán)重指每個評價指標(biāo)在整個評價體系中的重要性程度，因此需要對每個指標(biāo)賦予不同的權(quán)重。采用結(jié)構(gòu)熵權(quán)法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，該方法能夠兼顧權(quán)重計(jì)算時的主觀性與客觀性，并將定性分析與定量分析相結(jié)合。具體步驟［9]如下：

（1）專家意見采集。本研究向5位專家進(jìn)行問卷調(diào)查，專家組成員為某供電段的技術(shù)負(fù)責(zé)人、高級工程師等。5位專家以匿名方式、根據(jù)自己的專業(yè)知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，獨(dú)立地給出對各評價指標(biāo)集的重要性排序意見，以一級指標(biāo)權(quán)重計(jì)算為例，重要性排序見表2。

表2 一級指標(biāo)重要性專家排序

（2）典型排序的盲度分析。采用熵理論計(jì)算5個一級指標(biāo)的熵值，以降低各專家對不同指標(biāo)體系排序的不一致性和不確定性。具體方法如下：將每位咨詢專家對應(yīng)的指標(biāo)集記作U=｛u1，u2，…，un｝，將U對應(yīng)的排序數(shù)組記作（ai1，ai2，…，ain），從而獲得各指標(biāo)的排序矩陣A=（aij） k×n，其中k為參與咨詢調(diào)查的專家個數(shù)，在此k=5；n為評價指標(biāo)的個數(shù)，由于一級指標(biāo)共有5 個，取n=5；aij為第i個專家對第j個指標(biāo)uj的評價，也可表示為某位專家對某個指標(biāo)的排序數(shù)。μ是定義在［0，1] 上的函數(shù)，則aij對應(yīng)的隸屬函數(shù)μ（aij）為：

式中：aij的取值范圍為｛1，2，…，j｝，j代表最大序號，此處取j=5；m為轉(zhuǎn)化參數(shù)量，取m=j+2，即m=7。

設(shè)bij=μ（aij），得到隸屬度矩陣B=（bij）k×n。近似認(rèn)為參與此次調(diào)研的5位專家的“話語權(quán)”相同，即對各評價指標(biāo)uj的排序同等重要，將5 位專家對評價指標(biāo)uj的排序數(shù)的隸屬度平均值稱為平均認(rèn)識度，記作bj，令：

設(shè)專家對因素uj由認(rèn)知產(chǎn)生的不確定性為認(rèn)識盲度，記作Qj，令：

則k位專家關(guān)于uj的總體認(rèn)識度（xj）為：

由此得到k位專家對指標(biāo)uj的評價向量X=｛xj｝，j=1，2，…，5。

（3） 歸一化處理。為得到指標(biāo)uj權(quán)重，對xj=bj（1-Qj）歸一化處理。令：

V=（v1，v2，…，vn）即為指標(biāo)集U=（u1，u2，…，un）的權(quán)向量。

2.2 權(quán)重計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算過程，可得到一級指標(biāo)的各項(xiàng)權(quán)重vj，計(jì)算各一級指標(biāo)下的二級指標(biāo)權(quán)重時，同樣采用上述方法，計(jì)算結(jié)果見表1。

3 云理論及云評價模型的構(gòu)建

3.1 云模型的定義及算法

云模型能夠?qū)崿F(xiàn)評價指標(biāo)定性和定量間的相互轉(zhuǎn)換，反映隨機(jī)性和模糊性之間的相互關(guān)聯(lián)。近年來，該方法被廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)挖掘［10]、算法改進(jìn)［11]、系統(tǒng)測評［12]、決策支持［13]等多個領(lǐng)域。

云模型通過期望Ex、熵En、超熵He三個參數(shù)表示其整體特征。Ex表示云滴在論域空間分布的期望，是這個概念量化最典型的樣本［11]，是一個代表定性概念的點(diǎn)；En揭示了模糊性和隨機(jī)性之間的關(guān)聯(lián)，用來度量定性概念的模糊度和概率；He是熵的不確定度量，即熵的熵，反映了在數(shù)域空間代表該語言值的所有點(diǎn)的不確定度的凝聚性，即云滴的凝聚度［11]。

云發(fā)生器的作用是指將云模型的生成算法通過軟件模塊化或硬件固化［13]，具體計(jì)算過程如下：

輸入：｛Ex，En，He，N｝；

輸出：｛Drop（xi，μi），i=1，2，…，n｝。

（1）生成以En為期望值、He為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)隨機(jī)數(shù)Eni＇，即Eni＇～N（En，He2）；

（2）生成以En為期望值、Eni＇為標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)隨機(jī)數(shù)xi，即xi～N（En，Eni＇）；

（3）計(jì)算：

（4）μ（xi）為確定度，xi為數(shù)域中的1個云滴；

（5）重復(fù)步驟（1）—（4），直到產(chǎn)生N個云滴。設(shè)評價指標(biāo)的各等級評分區(qū)間左邊界為Imin、右邊界為Imax，評語云參數(shù)（Ex，En，He）通過Imin、Imax確定：

其中k反映對于各評價指標(biāo)評定的隨機(jī)性和語言的模糊性，為常數(shù)且取值不宜過大，在此k取0.02。

3.2 云模型特征值的確定

利用正向云發(fā)生器原理，根據(jù)式（7）對不同安全等級所對應(yīng)的云特征值Ex、En和He進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。不同安全等級對應(yīng)的云模型圖可根據(jù)表3 的計(jì)算結(jié)果，利用Matlab軟件繪制（見圖1）。

表3 不同安全等級的云特征值

圖1 不同安全等級云模型

3.3 安全評價過程

以某鐵路局集團(tuán)公司某供電段的一個接觸網(wǎng)工區(qū)為例，根據(jù)表1所構(gòu)建的安全評價指標(biāo)體系對該接觸網(wǎng)工區(qū)進(jìn)行安全評價，邀請?jiān)撹F路局集團(tuán)公司供電處及其他供電段經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師進(jìn)行打分，包括該供電段2 名副總工程師、2 名技術(shù)科工程師，以及其他2 個供電段副總工程師各1 名，其他2 個供電段技術(shù)科工程師各2名，共計(jì)10人。

按照實(shí)際情況對各項(xiàng)評價指標(biāo)參照相應(yīng)的評分規(guī)則進(jìn)行打分，考慮到雖然副總工程師在知識層次和工作經(jīng)驗(yàn)上具有優(yōu)勢，有更強(qiáng)的權(quán)威性，但基層科室的工程師對于現(xiàn)場情況的了解更為深入，能在一定程度上彌補(bǔ)知識層次和工作經(jīng)驗(yàn)的相對不足，因此直接將10 份評分結(jié)果取均值得到最后的平均得分。各項(xiàng)評價指標(biāo)的平均得分見表4。

表4 各指標(biāo)平均得分

3.4 接觸網(wǎng)系統(tǒng)綜合云參數(shù)的確定

假設(shè)有n個相同類型語言概念B1，B2，…，Bn，且B1∈（Ex1，En1，He1），B2∈（Ex2，En2，He2），…，Bn∈（Exn，Enn，Hen），其權(quán)重依次為v1，v2，…，vn，則這n個語言概念可以構(gòu)成一個相同類型的綜合云，該綜合云的特征值B∈（Ex，En，He）可通過式（8）計(jì)算得到：

利用結(jié)構(gòu)熵權(quán)法計(jì)算所得出的權(quán)重見表1，根據(jù)式（8），經(jīng)計(jì)算得到評價體系綜合云的特征值為Ex=7.329、En=0.327、He=0.020，利用Matlab 繪制綜合云模型圖（見圖2）并與各安全等級的云模型圖像進(jìn)行對比。

3.5 各等級隸屬度的確定

根據(jù)正向云發(fā)生器的算法，由式（7）計(jì)算各評價指標(biāo)得分隸屬于某安全評價等級的隸屬度。以一級指標(biāo)人員因素A1下的二級指標(biāo)員工文化素質(zhì)A11為例，說明隸屬度的確定過程。由式（7）得到該指標(biāo)相對于5 個安全等級的隸屬度分別為μ1=0、μ2=0.832、μ3=0、μ4=0、μ5=0，根據(jù)最大隸屬度原則，員工文化素質(zhì)A11對于μ2的隸屬度最高，故安全等級為“較好”。同理，可確定其他指標(biāo)與其安全評價等級相應(yīng)的隸屬度。

圖2 綜合云模型

根據(jù)各評價指標(biāo)相對應(yīng)的隸屬度，由式（9）可計(jì)算得到綜合隸屬度K，根據(jù)最大綜合隸屬度，判別接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全評價等級：

式中：ωi為各評價指標(biāo)的權(quán)重；μi為各評價指標(biāo)的隸屬度。

根據(jù)綜合云的特征參數(shù)Ex=7.329、En=0.327 和He=0.02，可得到綜合云的隸屬度μ'1= 0、μ'2= 0.285、μ'3=0.172、μ'4= 0、μ'5= 0，根據(jù)式（9）計(jì)算出綜合隸屬度分別為0.285和0.172。

3.6 評價結(jié)果分析

根據(jù)圖2 綜合云模型可知，評價結(jié)果位于“較好”與“一般”之間，偏向于“較好”，根據(jù)式（9）計(jì)算出綜合隸屬度分別為0.285和0.172。通過各指標(biāo)的得分情況可知，人員因素A1、設(shè)備因素A2、外部環(huán)境因素A4得分普遍較高，說明該系統(tǒng)大多數(shù)指標(biāo)參數(shù)狀態(tài)較好，作業(yè)人員各項(xiàng)素質(zhì)達(dá)到要求，運(yùn)行環(huán)境存在輕微不良影響但不會造成危險，整體出現(xiàn)事故的可能性較低。企業(yè)管理因素A3下的各指標(biāo)得分普遍較低，說明該工區(qū)的安全管理需要加強(qiáng)，該結(jié)果與該供電段的內(nèi)部安全檢查結(jié)果相符。在內(nèi)部安全檢查中，發(fā)現(xiàn)專業(yè)科室技術(shù)干部深入現(xiàn)場較少、崗位培訓(xùn)合格證臺賬資料更新不及時、接觸網(wǎng)吊弦脫落設(shè)備故障分析不徹底等問題，也能在該評價指標(biāo)體系中得到體現(xiàn)。

針對上述問題，制定了以下措施：首先，應(yīng)不斷修訂、完善各項(xiàng)安全管理制度，并確保制度的落實(shí)與有效實(shí)施；其次，除加強(qiáng)對基層維修人員的監(jiān)管，還應(yīng)提高對專業(yè)科室技術(shù)干部的監(jiān)管力度，確保每月處于基層現(xiàn)場的時長，保證對維修現(xiàn)場情況的掌握；加強(qiáng)對各類臺賬資料管理，嚴(yán)格限定上交時限，對于不能及時上交更新的按規(guī)定進(jìn)行考核。

利用云模型理論，可準(zhǔn)確、形象地對高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行評價，掌握接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全狀態(tài)、找出接觸網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行和維護(hù)過程中的薄弱環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

（1）針對高鐵接觸網(wǎng)的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際、相關(guān)操作規(guī)程和管理文件，構(gòu)建包含5 個一級指標(biāo)和26 個二級指標(biāo)的安全評價指標(biāo)體系，評價結(jié)果表明該評價體系適用于高鐵接觸網(wǎng)運(yùn)營及維護(hù)過程。

（2）基于結(jié)構(gòu)熵權(quán)法對高鐵接觸網(wǎng)評價指標(biāo)權(quán)重做出主觀評價，利用熵理論對不同專家的評價差異做出客觀修正，提高了指標(biāo)權(quán)重確定的合理性。

（3）將云模型引入高鐵接觸網(wǎng)安全評價中，以解決高鐵接觸網(wǎng)安全等級與不同指標(biāo)間的隨機(jī)性與模糊性，通過對各指標(biāo)隸屬度的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性和模糊性的結(jié)合，使評價結(jié)果更加直觀、準(zhǔn)確。