劉金芳 向萬里

(1.蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院 蘭州 7300702.蘭州交通大學(xué) 現(xiàn)代物流研究所 蘭州 730070)

引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)危險(xiǎn)品需求量逐年增加。危險(xiǎn)品具有易燃易爆易揮發(fā)等主要特性，運(yùn)輸過程中易受外界惡劣環(huán)境以及鐵路線網(wǎng)狀況、管理體制混亂、人員違反操作、載運(yùn)設(shè)備運(yùn)行失常等風(fēng)險(xiǎn)因素影響，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒等安全事故發(fā)生[1]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在危險(xiǎn)品運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)方面取得了一些成果。多數(shù)學(xué)者通過構(gòu)造事故樹或貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析危險(xiǎn)品運(yùn)輸過程中的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。如Chakrabarti U K和Parikh J K[2]運(yùn)用事故樹與事件樹估算危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故頻率以及事故結(jié)果頻率；楊能普等[3]將建立的鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故樹映射為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，借助正反向推理分析貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中各基本事件的結(jié)構(gòu)、概率和關(guān)鍵重要度；此外，部分學(xué)者借用安全系統(tǒng)工程理論中的人、機(jī)、物、環(huán)、管致因原理，利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)、熵權(quán)法、STAMP模型等進(jìn)行系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析。如黃文成等[1]借用熵權(quán)法、逼近理想解排序法及耦合協(xié)調(diào)度法等對(duì)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；李升朝等[4]借用AHP和熵權(quán)法計(jì)算綜合權(quán)重并構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，評(píng)價(jià)道路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)情況。張玥等[5]采用STAMP-ISM模型分析鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)—事故等。

考慮突變理論能夠直接處理突變和不連續(xù)的變化現(xiàn)象，非常適用于內(nèi)部相互作用且不確定的系統(tǒng)研究。如王陽(yáng)等[6]基于突變理論建立道路危化品運(yùn)輸系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系；黃文成等[7]從人、機(jī)、物、環(huán)、管因素出發(fā)，建立各單因素耦合風(fēng)險(xiǎn)折疊突變模型；Huang等[8]應(yīng)用尖端突變模型對(duì)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)變化進(jìn)行分析。針對(duì)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)，只是從運(yùn)輸子系統(tǒng)層面展開耦合分析，未考慮更深層次的事故致因因素風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)突變的不足。因此，針對(duì)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的突變性、不可達(dá)性、非常態(tài)且不連續(xù)的系統(tǒng)復(fù)雜變化特征，進(jìn)一步深層次探索系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)突變的不足。運(yùn)用突變理論對(duì)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)展開安全評(píng)價(jià)，運(yùn)用底層指標(biāo)逐層遞歸對(duì)系統(tǒng)安全進(jìn)行整體評(píng)估，并依據(jù)底層突變值更加深入地識(shí)別系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)致因因素。為避免傳統(tǒng)突變?cè)u(píng)價(jià)法人為賦權(quán)的弊端，借用熵權(quán)法對(duì)底層指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重排序。以2013—2016年鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全為例，驗(yàn)證該模型對(duì)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)的適用性，為鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故預(yù)防提供理論與實(shí)證支撐。

1 熵權(quán)法—突變理論模型構(gòu)建

1.1 熵權(quán)法

熵的概念來源于熱力學(xué)。1948年，Shannon首次引進(jìn)信息熵的概念，用以描述信號(hào)源信號(hào)的不確定性，此法在工程技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[9]。該方法在評(píng)價(jià)領(lǐng)域被用于判斷指標(biāo)的離散程度，根據(jù)熵權(quán)法賦予權(quán)重可用來評(píng)判某一指標(biāo)的離散程度，從而給出整體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的重要性[10]。熵權(quán)法步驟如下：

(1)構(gòu)建決策矩陣。根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)數(shù)據(jù)t建立評(píng)價(jià)矩陣U，U=[t11,t12,…,t1n]，其中評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)為l位專家對(duì)指標(biāo)評(píng)價(jià)后的平均值。對(duì)m-1個(gè)可靠性等級(jí)節(jié)點(diǎn)值構(gòu)建基準(zhǔn)評(píng)價(jià)矩陣G(m-1)×n，結(jié)合矩陣U得決策矩陣Tm×n，即公式(1)：

(1)

其中，m為評(píng)價(jià)等級(jí)。

(2)歸一化矩陣。通過線性變換法將決策矩陣進(jìn)行初等變換，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣R=(rij)m×n，其中rij表示為公式(2):

(2)

(3)計(jì)算指標(biāo)熵值ej和差異系數(shù)pj為公式(3)和式(4)：

(3)

pj=1-ej

(4)

(4)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重qj為公式(5)

(5)

通過計(jì)算得底層評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，中間層指標(biāo)的權(quán)重由其對(duì)應(yīng)的下層指標(biāo)權(quán)重和得出。指標(biāo)權(quán)重越大，影響程度越高。

1.2 熵權(quán)法—突變理論模型

突變理論由法國(guó)數(shù)學(xué)家勒內(nèi)·托姆(René Thom)創(chuàng)立，是一種研究自然界突變現(xiàn)象的數(shù)學(xué)方法，可用來認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)復(fù)雜的系統(tǒng)行為[11-12]。常用的突變理論基本模型有折疊突變、尖點(diǎn)突變、燕尾突變、蝴蝶突變以及棚屋突變，見表1。

表1 突變模型分類

根據(jù)某指標(biāo)的下層指標(biāo)數(shù)量，選取對(duì)應(yīng)的突變類型，運(yùn)用其歸一化公式計(jì)算相應(yīng)的突變級(jí)數(shù)值。突變理論進(jìn)行指標(biāo)評(píng)價(jià)只需考慮指標(biāo)的相對(duì)重要性，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果摻雜人為主觀因素。因此，為避免人為賦權(quán)的弊端，本文引入熵權(quán)法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，對(duì)各指標(biāo)的重要性進(jìn)行科學(xué)合理的排序，再用突變理論進(jìn)行逐層遞歸計(jì)算突變值，得到整個(gè)系統(tǒng)的突變級(jí)數(shù)值，從而確定鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)等級(jí)。熵權(quán)法—突變理論模型評(píng)價(jià)的具體步驟如下：

(1)建立m層評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過分析鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的組成部分及相互作用機(jī)理，構(gòu)建多層次、多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。

(2)選定底層指標(biāo)，對(duì)底層指標(biāo)數(shù)值化并作0～1間的無量綱化處理，即為初始模糊隸屬函數(shù)值。

(3)熵權(quán)法計(jì)算底層指標(biāo)的權(quán)重大小，并逐層計(jì)算權(quán)重，對(duì)各級(jí)指標(biāo)進(jìn)行重要度排序。

(4)根據(jù)控制變量個(gè)數(shù)選擇對(duì)應(yīng)的突變模型，對(duì)應(yīng)其歸一化公式進(jìn)行量化遞歸運(yùn)算，得出底層指標(biāo)突變級(jí)數(shù)值。然后同理逐層遞歸計(jì)算各級(jí)指標(biāo)，最終得到總突變級(jí)數(shù)值。

1.3 突變隸屬函數(shù)值的計(jì)算

根據(jù)突變理論原則，對(duì)于多目標(biāo)的突變類型，需遵循“互補(bǔ)”與“非互補(bǔ)”原則[13]，即公式(6)和(7)。

“互補(bǔ)”原則：

(6)

“非互補(bǔ)”原則：

(7)

式中：ω為突變隸屬函數(shù)值；k是某指標(biāo)下的控制變量個(gè)數(shù)。

2 鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系

2.1 鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全因素分析

考慮危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故的不確定性及突發(fā)性，從安全系統(tǒng)工程理論出發(fā)，將危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)因素分為人、機(jī)、物、環(huán)、管5個(gè)方面[14]，通過文獻(xiàn)查閱結(jié)合專家意見，運(yùn)用魚骨圖分析法對(duì)系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)因素展開分析，具體結(jié)果見圖1。

圖1 鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)因素魚骨圖分析

人為鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸相關(guān)人員，其不安全行為是引發(fā)事故風(fēng)險(xiǎn)的主要來源。從安全責(zé)任機(jī)制和應(yīng)急救援能力兩方面展開，安全責(zé)任機(jī)制主要考慮人員的身體心理素質(zhì)、思想文化素質(zhì)以及安全責(zé)任意識(shí)方面，應(yīng)急救援能力考慮工作人員的技術(shù)業(yè)務(wù)能力、運(yùn)輸安全教育培訓(xùn)以及應(yīng)對(duì)突發(fā)事故的救援能力。

機(jī)為載運(yùn)危險(xiǎn)品的鐵路機(jī)車車輛等設(shè)備，一般為車輛運(yùn)輸情況和貨車辦理站狀況兩方面。車輛運(yùn)輸情況考慮運(yùn)輸殘留物品的清理狀況、運(yùn)輸車車齡大小、運(yùn)輸車設(shè)備狀況以及車輛的適貨性，貨車辦理站狀況則考慮車站的設(shè)備設(shè)施狀況、機(jī)構(gòu)及配置以及車站環(huán)境等狀況。

物為所載危險(xiǎn)品，從運(yùn)輸物品的本身出發(fā)，考慮貨物包裝和貨物危險(xiǎn)性兩方面因素。貨物包裝主要考慮貨物包裝破損情況以及包裝材料的適用性，而貨物危險(xiǎn)性主要有腐蝕性、吸附性、易燃易爆性和毒害性。

環(huán)為環(huán)境部分，分為自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境以及周邊環(huán)境。自然環(huán)境考慮大風(fēng)、大雨、雷電等惡劣環(huán)境，社會(huì)環(huán)境考慮社會(huì)暴動(dòng)等劣質(zhì)環(huán)境，而周邊環(huán)境主要從線路塌方與否、運(yùn)輸路網(wǎng)狀況及周圍爆炸等劣質(zhì)環(huán)境方面考慮。

管為運(yùn)輸管理方面，貫穿在整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)安全工作中，主要從運(yùn)輸生產(chǎn)管理和運(yùn)輸安全管理兩方面展開。其中，運(yùn)輸生產(chǎn)管理主要考慮專項(xiàng)檢查業(yè)務(wù)情況和設(shè)備裝置的有效性，運(yùn)輸安全管理包括規(guī)章管理制度、安全宣傳教育、預(yù)案編制及演練和調(diào)度命令的準(zhǔn)確性等。

2.2 構(gòu)建鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系

基于上述魚骨圖分析危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)因素，考慮人、機(jī)、物、環(huán)、管5方面，構(gòu)建4級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并選取30項(xiàng)指標(biāo)作為該系統(tǒng)的底層評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系見圖2。對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，按安全程度的高低，將安全級(jí)別隸屬度函數(shù)劃分為五個(gè)等級(jí)，見表2。

圖2 鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系

表2 鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全級(jí)別劃分

3 實(shí)例分析

3.1 熵權(quán)法指標(biāo)排序

分析2013年鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故的致因因素，并充分考慮鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)膶?shí)際安全狀況。將底層評(píng)價(jià)指標(biāo)從左到右依次記為A11,A12,A13,A21,A22,A23,B11,B12,B13,B14,B21,B22,B23,C11,C12,C21,C22,C23,C24,D11,D21,D31,D32,D33,E11,E12,E21,E22,E23,E24，參考趙志國(guó)給出的打分區(qū)間[15]，聘請(qǐng)5位專家對(duì)鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系的底層指標(biāo)進(jìn)行打分，對(duì)所得分值求均值：

(8)

依據(jù)文獻(xiàn)[15]中式(1)進(jìn)行無量綱化處理，得危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)矩陣：

(9)

將U與基準(zhǔn)評(píng)價(jià)矩陣結(jié)合得決策矩陣T：

(10)

歸一化處理,得：

(11)

依據(jù)熵權(quán)法求解歸一化矩陣得底層指標(biāo)權(quán)重，并逐層計(jì)算中間各層指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各級(jí)指標(biāo)權(quán)重值

根據(jù)表3知，各級(jí)指標(biāo)權(quán)重排序?yàn)椋?/p>

3.2 危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)

根據(jù)圖2給出的鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)體系，結(jié)合上述指標(biāo)權(quán)重排序，依據(jù)突變模型，運(yùn)用其歸一化公式進(jìn)行量化遞歸計(jì)算，求出各層指標(biāo)的突變隸屬函數(shù)值。其中，系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)有A，B，C，D，E共5個(gè)影響因素，屬棚屋型突變，且各因素之間遵循“互補(bǔ)”原則。

二級(jí)指標(biāo)A，B，C，E均有兩個(gè)影響因素，屬尖點(diǎn)型突變，且A1與A2、B1與B2遵循“非互補(bǔ)”原則，C1與C2、E1與E2遵循“互補(bǔ)”原則；D有三個(gè)影響因素，屬燕尾型突變，各因素間滿足“互補(bǔ)”關(guān)系。

三級(jí)指標(biāo)D1、D2只有一個(gè)影響因素，屬折疊型突變；C1、E2屬尖點(diǎn)突變，且C11與C12滿足“非互補(bǔ)”原則，E11與E12遵循“互補(bǔ)”原則；A1、A2、B2、D3屬燕尾型突變，其中A1下子因素遵循“非互補(bǔ)”原則，A2、B2、D3的子因素均滿足“互補(bǔ)”原則；B1、C2、E2屬蝴蝶型突變，且B1、C2指標(biāo)的子指標(biāo)滿足“非互補(bǔ)”原則，E2的子因素遵循“互補(bǔ)”原則。

根據(jù)熵權(quán)法排序結(jié)果，針對(duì)不同突變類型，運(yùn)用其歸一化公式，結(jié)合“互補(bǔ)”與“非互補(bǔ)”原則，遞歸計(jì)算各級(jí)指標(biāo)突變級(jí)數(shù)值，進(jìn)而得出系統(tǒng)的總突變隸屬函數(shù)值，并根據(jù)區(qū)間安全等級(jí)判斷系統(tǒng)的安全狀況。

如對(duì)安全責(zé)任機(jī)制(A1)，其包含身體心理素質(zhì)(A11)、思想文化素質(zhì)(A12)和安全責(zé)任意識(shí)(A13)，屬燕尾突變模型，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重排序，運(yùn)用歸一化公式計(jì)算：

根據(jù)“非互補(bǔ)”原則有

xA1=min{0.412,0.704,0.819}=0.412

應(yīng)急救援能力(A2)指標(biāo)下的技術(shù)業(yè)務(wù)能力(A21)、教育培訓(xùn)情況(A22)和應(yīng)急救援方案(A23)，屬燕尾突變模型，計(jì)算：

根據(jù)“互補(bǔ)”原則有

同理計(jì)算其余各級(jí)指標(biāo)突變值，最終得出危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的總突變隸屬值。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)突變隸屬函數(shù)值

另計(jì)算2014—2016年度鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全的總突變隸屬度函數(shù)值，結(jié)果見表5。

表5 2013—2016鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)突變隸屬函數(shù)值

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

2013—2016年的系統(tǒng)總突變隸屬值分別為0.9102、0.9158、0.9300、0.9402，均處于較安全區(qū)，這與黃文成給出的系統(tǒng)穩(wěn)定性縱向評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，符合該系統(tǒng)近幾年實(shí)際運(yùn)輸安全狀況。相比黃文成的定性評(píng)價(jià)方法，更加深入地對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)展開事故致因剖析，該方法既可運(yùn)用底層指標(biāo)遞歸計(jì)算系統(tǒng)突變安全等級(jí)，又可借助系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系對(duì)中間層及底層指標(biāo)進(jìn)行事故致因識(shí)別。對(duì)2013年系統(tǒng)的二級(jí)指標(biāo)人、機(jī)、物、環(huán)、管，其對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)值分別為0.642、0.651、0.700、0.801和0.772。由此可見，對(duì)于2013年的鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)體系：

人、機(jī)、物子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的隸屬度較低，處于危險(xiǎn)區(qū)，也是導(dǎo)致整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)安全等級(jí)相對(duì)較低的主要因素。對(duì)應(yīng)的三級(jí)指標(biāo)中，A1、B1、C1、C2突變級(jí)數(shù)值分別為0.412、0.424、0.490和0.374，是導(dǎo)致二級(jí)指標(biāo)低下的關(guān)鍵因素。因此，后期應(yīng)嚴(yán)格把控危險(xiǎn)品運(yùn)輸各操作環(huán)節(jié)，加強(qiáng)人員的安全責(zé)任機(jī)制，提升工作人員的綜合素質(zhì)與責(zé)任意識(shí)；根據(jù)貨物的化學(xué)本質(zhì)及危害性，選擇合理的包裝方式，并嚴(yán)格把控運(yùn)輸車輛的適貨性及運(yùn)輸狀況，確保運(yùn)輸過程安全有效，降低運(yùn)輸事故率。

環(huán)與管兩方面屬一般安全區(qū)。可見國(guó)家近幾年對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸過程中的環(huán)境及管理方面加大了管控力度，規(guī)范的運(yùn)輸管理制度和良好的運(yùn)輸環(huán)境大大提升了危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的安全系數(shù)。

4 結(jié)論

為探索鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故致因機(jī)理，以人、機(jī)、物、環(huán)、管5個(gè)方面構(gòu)建棚屋型突變模型，建立4級(jí)30個(gè)底層指標(biāo)的鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)了危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的安全等級(jí)評(píng)價(jià)與動(dòng)態(tài)評(píng)判。

(1)運(yùn)用魚骨圖法從人、機(jī)、物、環(huán)、管5方面分析鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故致因，構(gòu)建多層次系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2)將熵權(quán)法與突變理論有效結(jié)合，避免了人為賦權(quán)的弊端。對(duì)2013—2016年鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全展開評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果符合該系統(tǒng)實(shí)際安全狀況，驗(yàn)證了模型的有效性。后期可根據(jù)不同時(shí)期的總突變隸屬函數(shù)值進(jìn)行運(yùn)輸系統(tǒng)安全狀態(tài)的趨勢(shì)分析。

(3)此方法能夠更深入、更具體地識(shí)別事故致因因素。與環(huán)、管因素相比，人、機(jī)、物是導(dǎo)致危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全等級(jí)偏低的主要因素，且人的不安全行為占據(jù)主導(dǎo)地位，具有高驅(qū)動(dòng)力。

(4)探索了鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)的新思路，評(píng)價(jià)過程簡(jiǎn)單且更趨近于實(shí)際。危險(xiǎn)品運(yùn)輸過程是不確定的、非線性的，此方法可客觀反映鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)輸系統(tǒng)的安全可靠性。