基于突變理論的鐵路危險貨物辦理站安全評價

王 喆 蔡夢賢

（西南交通大學(xué)交通運輸學(xué)院1） 成都 610031）

（成都鐵路交大危險貨物運輸技術(shù)服務(wù)中心2） 成都 610031）

0 引 言

危險貨物運輸是鐵路運輸?shù)闹匾M成部分，由于危險貨物特殊的物化性質(zhì)和運輸特點，加大了運輸管理的難度，同時對安全也提出了更高的要求．危險貨物辦理站處于危險貨物運輸網(wǎng)絡(luò)的樞紐位置，所以危險貨物辦理站作業(yè)質(zhì)量的好壞對整個危險貨物運輸有著舉足輕重的影響．本文提出用突變級數(shù)模糊隸屬度函數(shù)法進行安全評價，對鐵路危險貨物辦理站作業(yè)系統(tǒng)安全性這一集模糊性與隨機性為一體的現(xiàn)象，將突變理論和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，采用多準(zhǔn)則的突變級數(shù)法對其進行綜合評價，通過全面診斷，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，積極預(yù)防，真正作到防患于未然．

1 突變理論綜合評價方法

突變理論（catastrophe theory）是法國數(shù)學(xué)家Rene．Thom創(chuàng)立的一門研究突變（質(zhì)變）現(xiàn)象的新興學(xué)科，它是關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)變量的特征對控制變量依從關(guān)系的數(shù)學(xué)理論．其基本特點是根據(jù)一個系統(tǒng)的勢函數(shù)將系統(tǒng)的臨界點分類，研究分類臨界點附近狀態(tài)變化的特征，從而歸納出若干初等突變模型，并以此為基礎(chǔ)探索自然和社會中的突變現(xiàn)象［1－2］．

1．1 常用的突變理論基本模型［3］

常用的突變模型有尖點突變、燕尾突變及蝴蝶突變，見表1．

表1 初等突變模型的勢函數(shù)及示意圖

對于突變模型的勢函數(shù)f（X），它的所有臨界點集合成一平衡曲面，通過對f（X）分別求一、二階導(dǎo)數(shù)，并令f′（X）＝0和f″（X）＝0，即可得到反映狀態(tài)變量與各控制變量間關(guān)系的分解形式的分歧方程（見表1）．

1．2 歸一公式的導(dǎo)出

通過分歧方程可導(dǎo)出歸一公式，歸一公式將系統(tǒng)內(nèi)部各控制變量的不同質(zhì)態(tài)歸化為可比較的同一種質(zhì)態(tài)，即用狀態(tài)變量表示的質(zhì)態(tài)．運用歸一公式，可求出表征系統(tǒng)狀態(tài)特征的系統(tǒng)總突變隸屬函數(shù)值，這是利用突變理論進行綜合分析評判的基本運算公式．常用的三種突變模型的歸一公式如下．

燕尾突變

1．3 基于突變理論的多準(zhǔn)則評價方法

突變評價法（catastrophe evaluation method）是在突變理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種綜合評價方法，主要步驟是［4］：

1）構(gòu)建評價指標(biāo)體系．按系統(tǒng)的內(nèi)在作用機理，將其分解為若干評價指標(biāo)組成的多層系統(tǒng)．

2）對底層指標(biāo)（控制變量）進行原始數(shù)據(jù)規(guī)范化．將突變理論與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，產(chǎn)生一種多維的在［0，1］之間取值的越大越優(yōu)型的突變模糊隸屬度值．歸一公式中，控制變量表征的是狀態(tài)變量的不同方面的特征，其原始數(shù)據(jù)取值范圍和度量單位各不相同，它們之間無法進行相互比較．因此，在使用歸一公式之前，應(yīng)將控制變量的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到0～1范圍內(nèi)的量綱一的量可比較數(shù)值，即對控制變量進行原始數(shù)據(jù)規(guī)格化，同時，無論是效益型指標(biāo)（數(shù)值越大越好），還是成本性指標(biāo)（數(shù)值越小越好），都采用相對隸屬度進行數(shù)據(jù)處理．

3）歸一運算．利用歸一公式進行綜合量化遞歸運算，求出評價系統(tǒng)的總突變隸屬度值．按歸一公式可計算同一系統(tǒng)各控制變量（指標(biāo)）的相應(yīng)中間值，對該中間值進行突變理論綜合評價時，必須考慮兩個原則，即“互補”與“非互補”原則．

4）重復(fù)上述步驟，分別計算出不同評價系統(tǒng)的總突變隸屬函數(shù)數(shù)值，從而據(jù)此進行不同系統(tǒng)間的綜合評價；或者分別計算出不同時期的系統(tǒng)狀態(tài)總突變隸屬函數(shù)值，從而可對系統(tǒng)狀態(tài)作出動態(tài)模糊綜合分析．

2 鐵路危險貨物辦理站安全綜合評價指標(biāo)體系

利用突變理論對辦理站進行評價時，必須根據(jù)評價目的對評價總指標(biāo)進行多層次逐漸分解，排列成倒樹狀目標(biāo)層次結(jié)構(gòu)．原始數(shù)據(jù)只需要知道最底層指標(biāo)的數(shù)據(jù)就可以了．一個指標(biāo)進行分解，是為了得到更具體的指標(biāo)，以便進行量化，分解到一般可計量的子指標(biāo)時，分解就可停止．考慮到一般突變模型中某狀態(tài)變量的控制變量不超過4個，所以，相應(yīng)的一般各指標(biāo)分解也不要超過4個．

根據(jù)《鐵路危險貨物運輸管理規(guī)則》規(guī)定，危險貨物辦理站的儲運倉庫、作業(yè)站臺、專用雨棚等專用設(shè)施、設(shè)備，要與所辦理危險貨物的品類和運量相適應(yīng)．耐火等級、防火、防爆、防雷、防靜電、污水排放和污物處理等應(yīng)符合國家有關(guān)規(guī)定及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)．危險貨物辦理的地點、場所應(yīng)配備有關(guān)檢測設(shè)備和報警裝置；作業(yè)人員應(yīng)配備相應(yīng)的防護用品；裝卸設(shè)備應(yīng)具備防爆、防靜電功能；裝卸能力、計量方式、消防設(shè)施、安全作業(yè)防護應(yīng)符合規(guī)定要求．貨運人員、技術(shù)管理人員、裝卸及駕駛?cè)藛T應(yīng)經(jīng)過鐵路危險貨物運輸業(yè)務(wù)知識培訓(xùn)，熟悉本崗位的相關(guān)危險貨物知識，掌握鐵路危險貨物運輸規(guī)定．建立健全危險貨物受理、承運、裝卸、儲存保管、消防、勞動安全防護等安全作業(yè)規(guī)程及管理制度．有鐵路危險貨物運輸事故處理應(yīng)急預(yù)案，配備應(yīng)急救援人員和必要的應(yīng)急救援器材和設(shè)備［5］．

根據(jù)以上分析和危險貨物運輸生產(chǎn)實踐可知，鐵路危險貨物辦理站作為一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，其安全狀況受多種因素的影響，涵蓋領(lǐng)域廣泛、各影響因素間相互作用復(fù)雜，并且有些指標(biāo)難以量化，從而使得評價指標(biāo)體系過于復(fù)雜，難于操作．借鑒國內(nèi)外鐵路危險貨物辦理站安全評價綜合指標(biāo)體系確定方面的研究成果［6］，辦理站的安全狀況可以從設(shè)備設(shè)施、防災(zāi)系統(tǒng)、人員素質(zhì)以及安全管理4個方面予以考察：（1）設(shè)備設(shè)施可以分解為貨物自身危險性（如易燃、易爆、毒害性、放射性等）、貨物包裝（包裝質(zhì)量、標(biāo)識、包裝檢測）、技術(shù)設(shè)備（倉庫、站臺、專用線、作業(yè)器具、裝卸設(shè)備等）、車站環(huán)境（溫濕度、風(fēng)霜雨雪等影響儲運安全的自然環(huán)境和社會治安等社會環(huán)境）4個子指標(biāo)；（2）防災(zāi)系統(tǒng)又可以分解為安全設(shè)備（包括消防、防雷電設(shè)備、防護設(shè)備等）、檢測設(shè)備（計量、檢測和報警設(shè)備等）、應(yīng)急救援3個子指標(biāo)；（3）人員素質(zhì)可以分解為身體素質(zhì)、文化素質(zhì)、心理素質(zhì)和思想素質(zhì)4個子指標(biāo)；（4）安全管理又可以分解為結(jié)構(gòu)及人員配置、規(guī)章制度、宣傳教育和專項檢查4個子指標(biāo)．

其多層次安全評價指標(biāo)體系如圖1所示．

圖1 鐵路危險貨物辦理站安全評判體系

3 實例計算

按照圖1建立的評價指標(biāo)體系，聘請5位專家對2004～2008年度底層指標(biāo)評分，評分結(jié)果采用相對隸屬度函數(shù)法轉(zhuǎn)換成［0，1］范圍內(nèi)的突變模糊隸屬度函數(shù)，列于表2．按照上述突變理論多準(zhǔn)則評價方法，由歸一公式逐步向上綜合計算，直到算出最高層指標(biāo)的突變級數(shù)．具體計算過程如下（以2004年度為例）．

表2 危險貨物辦理站2004～2008年安全評價指標(biāo)值

如圖1，最底層指標(biāo)A1，A2，A3和A4構(gòu)成互補型蝴蝶突變，采用歸一公式（3）有

由于各控制變量之間可以互相彌補不足，綜合起來，共同對上一層評價指標(biāo)產(chǎn)生作用，因此按“互補”原則，取均值有：A＝（XA1＋XA2＋XA3＋XA4）／4＝0．95．

指標(biāo)B1，B2和B3構(gòu)成非互補型燕尾突變，C1，C2，C3和C4構(gòu)成非互補型蝴蝶突變，D1，D2，D3和D4構(gòu)成互補型蝴蝶突變，分別采用式（2）、（3）可計算出：B＝0．89，C＝0．92，D＝0．96．

準(zhǔn)則層指標(biāo)A，B，C，D構(gòu)成蝴蝶突變，按“非互補”原則，可計算出2004年辦理站安全綜合評判值為0．89．同理，可計算出2005～2008年度的辦理站安全綜合評價值，計算結(jié)果如表3所列．可以看出，在承運貨物危險性不斷增大的情況下，辦理站自2006年后加緊對原有設(shè)備設(shè)施的改造和更新，加強防災(zāi)系統(tǒng)建設(shè)和安全管理，提升人員素質(zhì)，辦理站安全水平不斷提高．此評價結(jié)果與運用其他方法（如模糊綜合評判法等）進行評價的結(jié)果相同．2004～2008年間，該危險貨物辦理站的安全總突變隸屬函數(shù)值均較大，由此可以看出，突變評價法計算出的綜合評價值存在這樣一個缺陷：一般數(shù)值均偏高，且評價值之間的差距很小，這使得從直觀上根據(jù)評價值對評價對象進行“優(yōu)”、“劣”判定常常很困難．為了克服突變評價法的上述缺陷，可以利用得分變換的方法加以修正．具體方法是：設(shè)當(dāng)?shù)讓又笜?biāo)對應(yīng)的隸屬度均取Xi（i＝1，2，…，n）時，由突變評價法進行計算，得到其綜合評價值Yi（i＝1，2，…，n）．當(dāng)n足夠多時，可建立起Yi與Xi之間的對應(yīng)關(guān)系，見表4．這樣可將Yi值變換為之對應(yīng)的Xi值．

表3 危險貨物辦理站2004～2008年安全總突變隸屬函數(shù)值

表4 X－Y對應(yīng)關(guān)系表

4 結(jié)束語

基于突變理論的危險貨物辦理站安全生產(chǎn)模糊動態(tài)評價，是將突變理論和模糊分析結(jié)合起來，對危險貨物辦理站進行多層目標(biāo)分解，然后通過歸一公式進行量化遞歸運算，得到危險貨物辦理站安全總的突變隸屬函數(shù)值，并通過對不同時期的辦理站安全總突變隸屬函數(shù)值分析判斷，從而動態(tài)地得到評價的結(jié)果．由于這一方法對各目標(biāo)重要性的確定量化是根據(jù)各目標(biāo)在歸一公式本身中的內(nèi)在作用機理決定的，因而相對地減少了主觀性，使評判更趨于實際，且計算簡單，事例表明，此方法用于評價是合理可行的，并且與運用其他方法（如模糊綜合評判法等）進行評價的結(jié)果相同．

運用突變理論進行危險貨物辦理站安全評價還是一種嘗試，在某些環(huán)節(jié)還存在不足，主要表現(xiàn)在：一是如何保證底層指標(biāo)評分值的準(zhǔn)確性問題；二是如何對評判指標(biāo)體系進行分解及對同層指標(biāo)的重要性進行排序問題．因此，如何保證評價過程中某些步驟的正確實現(xiàn)還需作進一步的探討和研究．

［1］Raftoyiannis I G．Dynamic buckling of a simple geometrically imperfect frame using catastrophe theory［J］．International Journal of Mechanical Sciences，2006，48（10）：1 021－1 030．

［2］ Wenyu Doua，Sanjoy Ghose．A dynamic nonlinear model of online retail competition using cusp catastrophe theory［J］．Journal of Business Research．2006，59（7）：838－848．

［3］馮 平，李紹飛，李建柱．基于突變理論的地下水環(huán)境風(fēng)險評價［J］．自然災(zāi)害學(xué)報，2008，17（2）：13－18．

［4］周榮義，黎忠文，牛會永．基于突變理論的油庫火災(zāi)爆炸分析與模糊動態(tài)評價［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報，2006，16（6）：97－101．

［5］中華人民共和國鐵道部．鐵路危險貨物運輸管理規(guī)則［Z］．北京：中國鐵道出版社，2008．

［6］盧延夫．鐵路危險貨物辦理站安全評價體系的研究［J］．鐵道貨運，2008（1）：31－33．