王迎晗， 陸鍵， 彭一川

（同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804）

1 概述

截至2018年底，我國已建成并投入運(yùn)營的高速鐵路里程達(dá)2.9 萬km 以上，占全世界高速鐵路運(yùn)營里程的66%以上。雖然我國高速鐵路建設(shè)取得了舉世矚目的成就，但在運(yùn)營管理和安全保障方面仍有待提高，高速鐵路運(yùn)營安全評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)管理更是受到越來越多的重視和關(guān)注。

安全評(píng)價(jià)作為系統(tǒng)工程的重要組成部分，其目的是對(duì)系統(tǒng)或工程在運(yùn)行中可能遭受的損害或潛在的風(fēng)險(xiǎn)源做出定量的估計(jì)或定性的描述。高速鐵路系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，其供電系統(tǒng)、信號(hào)與通信系統(tǒng)、輪軌系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等的正常工作均關(guān)系著列車的安全運(yùn)行。此外，高速鐵路在運(yùn)營過程中，還容易受到天氣情況、人為干擾等因素的影響。目前，國內(nèi)外有眾多安全領(lǐng)域的專家學(xué)者運(yùn)用不同方法和模型對(duì)高速鐵路運(yùn)營安全進(jìn)行研究和分析：Guo 等［1]研究高鐵列車駕駛員的人格特征對(duì)行車安全的影響，采用NEO 人格量表的方式，對(duì)原北京鐵路局221名高鐵列車駕駛員進(jìn)行問卷調(diào)查，并建模分析調(diào)查結(jié)果。Qian 等［2]利用FLAC3D 建模軟件分析高速鐵路線路與地鐵隧道以不同的角度相交時(shí)的地層沉降特征，從而研究隧道開挖過程中的地層沉降問題對(duì)高速鐵路安全造成的影響；Xu等［3]分析車軸疲勞損傷對(duì)高速鐵路運(yùn)營安全的影響，通過分析車軸表面劃痕的深度來評(píng)估劃痕對(duì)疲勞性能的影響。施莉娟等［4]運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）和證據(jù)理論對(duì)無線閉塞中心的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估。上述研究主要針對(duì)人員、外部環(huán)境、關(guān)鍵設(shè)備等單一因素對(duì)高速鐵路安全造成的影響，沒有對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行系統(tǒng)性地總結(jié)和分析。潘麗莎等［5]在構(gòu)建城市軌道交通車站安全態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，利用層次分析法（AHP）和熵值法建立了安全態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)模型。但AHP 方法忽略了評(píng)價(jià)指標(biāo)間的耦合關(guān)系，并不完全適用于系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜的高速鐵路系統(tǒng)。作為AHP方法的改進(jìn)和升級(jí)，網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）考慮了指標(biāo)間的相互作用和相互影響，具有更廣泛的適用性。模糊網(wǎng)絡(luò)分析法（F-ANP）綜合了模糊綜合評(píng)判和ANP方法，已經(jīng)被較為成熟地應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［6]、工程招標(biāo)［7]、能力評(píng)估［8-10]等領(lǐng)域中。

結(jié)合相關(guān)安全評(píng)價(jià)方法的研究基礎(chǔ)，運(yùn)用模糊網(wǎng)絡(luò)分析法首先對(duì)影響高速鐵路安全運(yùn)營的眾多安全因素進(jìn)行梳理，歸納總結(jié)安全因素指標(biāo)體系，并系統(tǒng)分析各安全因素間的耦合關(guān)系，進(jìn)而運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)層次分析法得出各安全因素對(duì)高速鐵路運(yùn)營安全的貢獻(xiàn)度，最后運(yùn)用模糊綜合評(píng)判的方法對(duì)高速鐵路的運(yùn)營安全等級(jí)作出綜合評(píng)價(jià)。

2 高速鐵路安全因素指標(biāo)體系

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料［11-12]及前往多個(gè)鐵路局集團(tuán)有限公司實(shí)地調(diào)研考察，將影響高速鐵路運(yùn)營安全的因素分為人員、設(shè)備、環(huán)境和管理4 個(gè)方面。4 個(gè)方面的因素相互耦合、相互影響，共同影響高速鐵路運(yùn)營安全。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1.1 人員因素

人員因素不僅指高速鐵路運(yùn)營過程中車務(wù)段、機(jī)務(wù)段、工務(wù)段、電務(wù)段等各職能部門的工作人員，還包括各級(jí)管理人員和技術(shù)操作人員，同時(shí)也包括高鐵列車乘客。工作人員是各項(xiàng)工作開展的主體，工作人員的安全素養(yǎng)、業(yè)務(wù)能力、職業(yè)技能以及在應(yīng)對(duì)突發(fā)情況時(shí)的反應(yīng)能力和應(yīng)急處置能力都影響著高速鐵路的安全行車。結(jié)合高速鐵路各行車崗位工作特點(diǎn)，將工作人員的安全因素分為安全素養(yǎng)和業(yè)務(wù)水平。乘客是高速鐵路運(yùn)輸服務(wù)的主體，乘客在乘坐高鐵列車時(shí)的不當(dāng)行為，如抽煙觸發(fā)煙霧報(bào)警器導(dǎo)致列車臨時(shí)停車等，也會(huì)影響高鐵列車的安全運(yùn)行。

2.1.2 設(shè)備因素

高速鐵路運(yùn)營過程中涉及到的設(shè)備種類多、復(fù)雜度和耦合度高，同時(shí)高速鐵路工作環(huán)境為室外，各項(xiàng)設(shè)備易受到自然環(huán)境因素的影響。因此，保證設(shè)備的正常工作和良好運(yùn)行是保障行車安全的關(guān)鍵。高速鐵路運(yùn)營過程涉及到的固定基礎(chǔ)設(shè)施和移動(dòng)設(shè)備包括軌道、輪軌系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等。軌道是高速鐵路運(yùn)行的固定基礎(chǔ)設(shè)施，軌道的平順度和軌面條件都直接影響著列車行駛的穩(wěn)定性和旅客的舒適度。牽引供電系統(tǒng)為電氣化鐵路輸送電能，主要設(shè)備包括接觸網(wǎng)系統(tǒng)，牽引變電所和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA），其中，接觸網(wǎng)系統(tǒng)由于沿鐵路沿線露天鋪設(shè)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此故障率較高。高鐵列車信號(hào)與控制系統(tǒng)是行車安全和高效的重要保障，主要包括列車控制系統(tǒng)、調(diào)度集中系統(tǒng)和車站聯(lián)鎖。鐵路通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鐵路專用通信業(yè)務(wù)的系統(tǒng)，目前高速鐵路的通信系統(tǒng)采用GSM-R 數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，其在無線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、可靠性等方面均有著較嚴(yán)格的要求。

2.1.3 環(huán)境因素

環(huán)境因素可分為自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境。自然環(huán)境包括天氣狀況（包括強(qiáng)風(fēng)、暴雨、暴雪等）、地質(zhì)災(zāi)害（包括泥石流、塌方、地震等）、特殊土路段（濕陷性黃土、膨脹土等）等。社會(huì)環(huán)境指的是社會(huì)運(yùn)行中的政治、法律、經(jīng)濟(jì)、治安等環(huán)境。

2.1.4 管理因素

管理在高速鐵路運(yùn)營過程起著計(jì)劃、領(lǐng)導(dǎo)、組織協(xié)調(diào)的作用?？茖W(xué)合理的管理制度能使得各項(xiàng)工作更加高效、有序地開展，從而保障列車運(yùn)營安全。結(jié)合高速鐵路運(yùn)營工作特點(diǎn)，宏觀上可將管理制度分為人員管理制度和設(shè)備管理制度。

綜合以上分析，將4個(gè)主要方面的安全因素進(jìn)一步劃分，構(gòu)建高速鐵路運(yùn)營安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見圖1），包括4 個(gè)一級(jí)安全指標(biāo)和17 個(gè)二級(jí)安全指標(biāo)，為安全評(píng)價(jià)模型構(gòu)建建立基礎(chǔ)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)耦合關(guān)系

建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系后，還應(yīng)對(duì)各指標(biāo)間的耦合關(guān)系作出分析和判斷。各評(píng)價(jià)指標(biāo)間并不是相互獨(dú)立的，而是存在一定的依存和反饋關(guān)系。例如，工作人員業(yè)務(wù)水平不高可能導(dǎo)致對(duì)設(shè)備的不當(dāng)操作進(jìn)而導(dǎo)致車輛故障；在氣溫變化較大時(shí)，接觸網(wǎng)的線索張力和馳度會(huì)隨著熱脹冷縮發(fā)生較大變化而影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量；車站的治安混亂可能導(dǎo)致火災(zāi)安全隱患；列車的控制系統(tǒng)在遇到暴雨暴雪天氣或前方發(fā)生塌方等災(zāi)害情況時(shí)，會(huì)采取自動(dòng)降速、臨時(shí)停車等緊急措施避免安全事故的發(fā)生。通過參考有關(guān)資料［13]和咨詢相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)間的耦合關(guān)系見表1。

圖1 高速鐵路運(yùn)營安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)耦合關(guān)系

3 模糊網(wǎng)絡(luò)分析法（F-ANP）

模糊網(wǎng)絡(luò)分析法將ANP 和模糊綜合評(píng)判相結(jié)合，首先通過ANP 確定各安全因素的權(quán)重，然后利用模糊綜合評(píng)判得出評(píng)價(jià)對(duì)象的安全等級(jí)。該方法考慮到了評(píng)價(jià)對(duì)象的模糊性和復(fù)雜性，一定程度上減少了評(píng)價(jià)者主觀性的影響。

3.1 模糊綜合評(píng)判

在客觀世界中，有許多現(xiàn)象帶有不確定的性質(zhì)，這些沒有明確界定的現(xiàn)象被稱為模糊現(xiàn)象。工程應(yīng)用中，也有大量的受各種因素制約、難以量化的因素和指標(biāo)。模糊綜合評(píng)判即以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，根據(jù)隸屬度理論和模糊合成運(yùn)算原理，把對(duì)許多邊界不明確的指標(biāo)進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)模糊現(xiàn)象做出系統(tǒng)的總體評(píng)價(jià)［14]。

首先，要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)研究資料建立對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的因素集U和評(píng)語集V。U={u1，u2，···，um}，m為評(píng)價(jià) 指標(biāo)的個(gè) 數(shù)；V={v1，v2，···，vn}，n為 評(píng) 價(jià)等級(jí)的個(gè)數(shù)。

針對(duì)m個(gè)評(píng)價(jià)因素對(duì)n個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R。

式中：rij為評(píng)價(jià)因素ui在評(píng)價(jià)等級(jí)vj上的隸屬度，即頻率分布，一般將其歸一化使得∑rij= 1。

獲得模糊關(guān)系矩陣R后，還需對(duì)各評(píng)價(jià)因素的相對(duì)重要性大小作出判斷，得出評(píng)價(jià)因素權(quán)重分配集A，A=(a1，a2，…，ai，…，am)，其中ai表示評(píng)價(jià)因素ui在因素集中所占比重，且∑ai= 1。

利用權(quán)向量A對(duì)模糊關(guān)系矩陣進(jìn)行模糊合成運(yùn)算，得到評(píng)價(jià)目標(biāo)在各評(píng)價(jià)等級(jí)上的隸屬程度模糊子集B，B=A*R=(b1，b2，…，bj，…，bn)，其中bj表示評(píng)價(jià)目標(biāo)在評(píng)價(jià)等級(jí)vj上的隸屬度。*為合成運(yùn)算符號(hào)，一般有查得算子，普通矩陣乘法等不同的模糊合成運(yùn)算方法。

根據(jù)最大隸屬度原則，獲得最終評(píng)價(jià)結(jié)果，bj中最大者即為評(píng)價(jià)目標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）

網(wǎng)絡(luò)層次分析法（ANP）是T.L.Saaty在層次分析法（AHP）的基礎(chǔ)上改進(jìn)后的系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)方法。ANP 的結(jié)構(gòu)主要包含2個(gè)部分，一個(gè)是控制層，包含目標(biāo)和準(zhǔn)則；另一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層的元素之間不獨(dú)立，存在相互作用和相互影響（見圖2）。相比AHP 而言，ANP的層次結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，不僅是一個(gè)遞階式的層次結(jié)構(gòu)，同時(shí)還考慮了層次結(jié)構(gòu)之間的循環(huán)和反饋，以及同一層次之間內(nèi)部元素的相互依存和支配關(guān)系。因此，對(duì)于故障致因復(fù)雜和安全因素間存在耦合關(guān)系的高速鐵路系統(tǒng)來說，通過ANP 來確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)重要程度，即權(quán)重的大小，比AHP更適合，也更加具有優(yōu)勢(shì)。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)層共有N個(gè)元素組，首先以元素組Ci中ei k(i= 1…N；k= 1…n)為次準(zhǔn)則，構(gòu)建元素組Cj中元素ejl(j= 1…n；l= 1…m)對(duì)eik相對(duì)重要程度比較，即判斷矩陣， 并由特征根法得到排序向量且以此類推獲得元素組Cj中元素對(duì)Ci中所有元素的排序向量后即可得到排序矩陣Wij，若元素組Ci中的元素不受Cj的影響，則Wij=0：

圖2 ANP典型結(jié)構(gòu)

這樣的排序矩陣共有N×N個(gè)，由排序矩陣構(gòu)成子塊即得到了超矩陣W，ANP的核心工作即解超矩陣：

由上述定義可知，超矩陣子塊Wij的列向量是歸一化的，然而超矩陣W的列向量卻不是歸一化的。因此，還需要對(duì)超矩陣進(jìn)行加權(quán)處理，即對(duì)元素組之間分別進(jìn)行兩兩比較，得到判斷矩陣并通過一致性檢驗(yàn)，由特征根法得到歸一化的特征向量，由此得到加權(quán)矩陣A′：

由Wˉ=A×W得到加權(quán)超矩陣最終，當(dāng)W∞=存在時(shí)，即得到極限超矩陣W∞。

4 基于F-ANP的高速鐵路運(yùn)營安全評(píng)價(jià)方法

在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和確立指標(biāo)間耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，運(yùn)用F-ANP 方法，綜合評(píng)價(jià)高速鐵路運(yùn)營安全等級(jí)。

4.1 構(gòu)建因素集和評(píng)語集

影響高速鐵路運(yùn)營安全的各種因素組成因素集，基于已建立的高速鐵路運(yùn)營安全因素評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建因素集U：

評(píng)語集反映了專家或相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)高速鐵路運(yùn)營安全可能做出的評(píng)價(jià)。通過對(duì)上海、廣州等地的調(diào)研考察，并參考GB/T 21562《軌道交通可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性規(guī)范及示例》中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分，構(gòu)建評(píng)語集V：

4.2 評(píng)價(jià)因素權(quán)重確定

根據(jù)評(píng)價(jià)因素間耦合關(guān)系的分析，建立ANP 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)（見圖3）。利用Saaty1-9 標(biāo)度表（見表2），通過專家打分的方式對(duì)各評(píng)價(jià)因素間相對(duì)重要程度兩兩比較，得到兩兩比較矩陣。再利用決策軟件Super Decision 建立判斷矩陣，并通過一致性檢驗(yàn)。由特征根法得到排序向量，建立排序矩陣，進(jìn)而計(jì)算得到未加權(quán)的超矩陣（見表3）。

圖3 ANP模型網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)

對(duì)一級(jí)評(píng)價(jià)因素相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，得到加權(quán)矩陣A′：

表2 Saaty 1-9 標(biāo)度表

對(duì)相應(yīng)二級(jí)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到加權(quán)的超矩陣（見表4）。最后對(duì)加權(quán)后的超矩陣進(jìn)行極限運(yùn)算得到極限超矩陣（見表5）。一級(jí)評(píng)價(jià)因素和二級(jí)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重分別見圖4 和圖5。各評(píng)價(jià)因素權(quán)重歸一化后并得到因素集的權(quán)重向量A：

從圖4中可以看到，對(duì)高速鐵路運(yùn)營安全影響程度最大的一級(jí)因素為設(shè)備因素，其次為管理因素。高速鐵路系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜且耦合度高，涉及到的設(shè)備要素種類多且自動(dòng)化程度高，因此保證設(shè)備的正常運(yùn)行是保障高速鐵路運(yùn)營安全的關(guān)鍵；管理要素是對(duì)人員、設(shè)備、環(huán)境等因素進(jìn)行統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的支配性因素，管理是統(tǒng)籌人-機(jī)-環(huán)境的支配性因素，因而管理制度的健全、科學(xué)、合理、高效能夠降低另外3項(xiàng)安全因素的風(fēng)險(xiǎn)程度，從而保障高鐵行車安全。

進(jìn)一步從圖5中可以看到，人員管理制度和信號(hào)與控制系統(tǒng)這2個(gè)二級(jí)因素對(duì)高速鐵路運(yùn)營安全影響程度最大。人員管理制度保證著各部門、層級(jí)的工作人員安全、有序、高效地開展各項(xiàng)工作；高鐵列車的信號(hào)和控制系統(tǒng)主要用于調(diào)度指揮、行車自動(dòng)化控制。同時(shí)，在列車遇到惡劣天氣、突發(fā)自然災(zāi)害或站臺(tái)緊急情況時(shí)，列控系統(tǒng)能夠采取相應(yīng)措施避免事故的發(fā)生，因而是保證行車安全、提高運(yùn)行效率的核心技術(shù)裝備。

表3 未加權(quán)的超矩陣

表4 加權(quán)的超矩陣

表5 極限超矩陣

圖4 一級(jí)評(píng)價(jià)因素權(quán)重分布

4.3 確定評(píng)價(jià)矩陣

為說明模糊網(wǎng)絡(luò)分析法的實(shí)際應(yīng)用，提供1個(gè)算例供參考。對(duì)于高速鐵路線路S，共邀請(qǐng)15 位專家分別從17個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)因素出發(fā)，確定S對(duì)評(píng)語集V的隸屬程度。共發(fā)放問卷15 份，回收問卷15 份，有效問卷15份，回收率和有效率均為100%。問卷結(jié)果信度檢驗(yàn)系數(shù)Cronbach′sα= 0.809 ＞0.800，表明問卷內(nèi)部一致性較好。專家問卷調(diào)查結(jié)果頻率分布見表5。

圖5 二級(jí)評(píng)價(jià)因素權(quán)重分布

表5 問卷統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果頻率分布

根據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果頻率分布表即得到評(píng)價(jià)矩陣R：

4.4 模糊綜合評(píng)判

將評(píng)價(jià)矩陣R與權(quán)重向量A進(jìn)行模糊變換：B=A*R，其中模糊運(yùn)算算子*采用M(+，·)算子［15]，即加權(quán)平均法，該算子的運(yùn)算規(guī)則為bj=∑ai·rij。最終得到評(píng)價(jià)結(jié)果B=(0.294，0.342，0.282，0.082)。根據(jù)最大隸屬度原則，可知高速鐵路線路S的綜合安全評(píng)價(jià)結(jié)果為“較安全”。

5 結(jié)論

通過文獻(xiàn)調(diào)查和實(shí)地調(diào)研的方式，結(jié)合高速鐵路安全要點(diǎn)和系統(tǒng)構(gòu)成，選取了4 個(gè)一級(jí)指標(biāo)和17 個(gè)二級(jí)指標(biāo)，構(gòu)建了高速鐵路運(yùn)營安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

針對(duì)高速鐵路系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，故障因素耦合度高的特點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)層次分析法對(duì)17 個(gè)二級(jí)安全因素進(jìn)行分析，得出各評(píng)價(jià)因素對(duì)高速鐵路運(yùn)營安全的相對(duì)重要程度大小。從結(jié)果可以看出，人員管理制度和信號(hào)與控制系統(tǒng)所占權(quán)重最大。

在建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，綜合考慮了評(píng)價(jià)指標(biāo)間的內(nèi)部耦合關(guān)系和高速鐵路運(yùn)營安全評(píng)價(jià)的模糊性，高速鐵路運(yùn)用模糊綜合評(píng)判和ANP 相結(jié)合的模糊網(wǎng)絡(luò)分析法，構(gòu)建了高速鐵路運(yùn)營安全評(píng)價(jià)模型，在高速鐵路運(yùn)營數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏的情況下，該模型具有一定的優(yōu)越性和實(shí)用性。