城市軌道交通運營設(shè)備安全風險評價

高 鵬，唐 昭，楊坤洪，程學慶,2，管邦寧

城市軌道交通運營設(shè)備安全風險評價

高 鵬1，唐 昭1，楊坤洪1，程學慶1,2，管邦寧3

（1. 西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都 611756;2. 深圳市坪山區(qū)交通軌道管理中心，深圳 518118;3. 南京郵電大學，計算機學院，南京 210023）

城市軌道交通作為城市經(jīng)濟發(fā)展的重要載體, 其運營設(shè)備的可靠運轉(zhuǎn)是城市軌道交通運行安全的有效保證。本文以某市軌道交通體系中的供電設(shè)備為研究對象, 采用最小二乘法、熵值法分別對運營設(shè)備指標進行主、客觀賦值, 并結(jié)合博弈論思想進行綜合指標權(quán)值計算, 最終通過梯形模糊數(shù)理論對供電設(shè)備進行風險評估。評估結(jié)果表明, 設(shè)備老化、故障是軌道交通安全事故的主要誘因, 為了保證該城市的軌道交通運營安全, 需要加大、加緊對該城市軌道交通運營設(shè)備的狀態(tài)跟蹤與監(jiān)控。

城市軌道交通; 運營設(shè)備; 最小二乘法; 熵值法; 博弈論; 梯度模糊數(shù)

0 引 言

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)不斷完善，城市軌道交通運營服務也有了質(zhì)的飛躍。城市軌道交通設(shè)施主要建設(shè)在大中型城市的中心地帶及周圍地區(qū)，車站分布的日益密集、客流量的與日俱增以及線路間耦合度的逐漸增強，均導致我國軌道交通正面臨著嚴峻的安全挑戰(zhàn)。軌道交通運營安全是軌道交通系統(tǒng)管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，據(jù)不完全統(tǒng)計，除了一些突發(fā)事故外，城市軌道交通運營設(shè)備是導致安全事故發(fā)生的主要原因，運營設(shè)備的安全狀態(tài)直接影響著軌道交通運營安全[1]。因此，應對城市軌道交通運營設(shè)備的檢修與監(jiān)察嚴格把關(guān)，實時監(jiān)控。

根據(jù)國務院辦公廳2018年下發(fā)的《關(guān)于進一步加強城市軌道交通規(guī)劃建設(shè)管理的意見》文件要求，結(jié)合當前軌道交通面臨諸多潛在風險的現(xiàn)狀，采取有效的安全風險評價方法，預先分析可能引發(fā)危害的設(shè)備因素至關(guān)重要。代寶乾、汪彤等[2]運用不同尺度對軌道交通事故做了準確的劃分，利用風險理論建立評估模型對地鐵的危險性進行了量化研究。張輝等[3]運用結(jié)合層次分析法與模糊綜合評估方法，綜合各方面因素對上海軌道交通工程風險進行了評估研究。潘科等[4]等利用多級可拓評價方法分析了影響地鐵安全的危害因素，并查找出影響地鐵運行的安全隱患，定性分析了影響地鐵運行安全的薄弱環(huán)節(jié)。聶菁等[5]依據(jù)風險評估矩陣構(gòu)建了風險評估模型，然后運用模糊綜合評價法對福州軌道1號線整個動態(tài)施工方面進行風險評價。應國柱等[6]通過修正的模糊層次分析法確定指標的權(quán)值，并利用二級非線性模糊綜合評價模型對合肥地鐵1號線工程進行風險評價。

目前，相關(guān)安全研究大部分都只采用了主觀研究或客觀研究，這種單一的方法并不能全面準確地進行安全評價，而且不能有效地反映安全性能。本文通過融合最小二乘法和熵值法，使指標賦權(quán)達到主、客觀的統(tǒng)一，進而使評價更可靠，建立梯形模糊數(shù)風險評估模型，能夠權(quán)威有效地進行指標評價，研究結(jié)果能夠反映實際存在的問題。

1 運營設(shè)備影響因素

在城市軌道交通系統(tǒng)中，運營設(shè)備種類繁多，數(shù)量龐大。運營基礎(chǔ)設(shè)備分為固定設(shè)備（車站、線路、信號設(shè)備）和移動設(shè)備（機車、車輛、通信設(shè)備）；運營安全技術(shù)設(shè)備分為安全監(jiān)控和安全監(jiān)測設(shè)備；其他還有自然災害預報及防治設(shè)備、事故救援設(shè)備等[7]。

由于時間和環(huán)境的影響，運營設(shè)備會出現(xiàn)精度降低、性能下降的問題，這些將直接影響軌道交通系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。根據(jù)對近年來國內(nèi)外軌道交通運營事故事件的分析，設(shè)備風險影響因素如圖1所示[8]。

圖1 設(shè)備運營影響因素

2 運行風險評估模型

在運行風險評估的指標系統(tǒng)中，通過評估分析各類因素對運營設(shè)備運行安全的影響程度進行指標劃分[9]。本文綜合考慮了主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法的優(yōu)缺點，結(jié)合兩種賦權(quán)方法并通過組合賦權(quán)法確定指標的權(quán)值。

2.1 主觀權(quán)值

模型求解得：

2.2 客觀權(quán)值

計算綜合指標前，需要對各項指標進行標準化處理，即指標歸一化，將指標的絕對值轉(zhuǎn)化為相對值，其中正向指標和負向指標標準化處理方法如下所示[11]：

（1）正向指標公式為：

（2）負向指標公式為：

2.3 組合權(quán)值

對運營設(shè)備指標進行組合賦權(quán)可以綜合主、客觀賦權(quán)的優(yōu)缺點，其中博弈集結(jié)模型方法可以規(guī)避決策者的個人意向，并利用客觀數(shù)據(jù)對決策的貢獻度進行綜合評價。組合權(quán)值的基本思想是在不同方法中尋找最小化組合權(quán)值與各個權(quán)值之間的偏差，最終達成一致或妥協(xié)，即偏差之和最小[12]。計算組合權(quán)值步驟為：

對應線性方程組為：

2.4 梯形模糊數(shù)風險評估模型

采用梯度模糊數(shù)風險評估模型對設(shè)備指標進行評價，利用梯形模糊數(shù)的評估理論與方法能夠科學有效地進行指標分析，其計算步驟如下表示：

（1）設(shè)定模糊語言等級以及對應的模糊語言評判和規(guī)范化梯形模糊數(shù)；

按照梯度模糊數(shù)運算法則（20~23），計算相應模糊語言等級距離，選取最小值作為評估結(jié)果。

3 運營設(shè)備風險評估

3.1 評估指標體系構(gòu)建

城市軌道交通運營設(shè)備運營風險評估指標體系應在科學性、全面性、主導性、操作性及可比性原則的指導下，嚴格遵循評估指標體系的歩驟流程，建立綜合安全性水平結(jié)構(gòu)體系。由于運營設(shè)備數(shù)據(jù)有限，根據(jù)2017年度某運營單位設(shè)備事故統(tǒng)計（其中供電設(shè)備作為運營設(shè)備中最容易發(fā)生事故的一環(huán)），本文選取供電設(shè)備作為研究對象。以供電系統(tǒng)為例將風險評估指標體系劃分為三個層次：目標層、一級指標層、二級指標層進行了分析，從中篩選出4個一級指標以及13個二級指標，其中一級指標是按照供電設(shè)備在整個供電系統(tǒng)中的重要程度選取，能夠有效反映整個供電系統(tǒng)。供電設(shè)備安全風險評估指標體系見表1所示[13-15]：

表1 供電設(shè)備安全風險評估指標體系

Tab.1 Power supply equipment safety risk assessment index system

3.2 指標體系權(quán)值求解

（1）指標體系的主觀權(quán)值

利用重要性標度方法進行比較，構(gòu)造子集層比較矩陣，如表2所示。

Tab.2 Matrix importance scale method

計算二級指標對應的主觀權(quán)值見表3所示：

由主觀權(quán)值表可以看出，通信信號設(shè)備水平中，聯(lián)鎖系統(tǒng)權(quán)值占比較大；站臺門設(shè)備水平中，電氣類故障和其他故障權(quán)值占比較大；FAS/BAS系統(tǒng)水平中，F(xiàn)AS系統(tǒng)故障權(quán)值占比較大；而水電專業(yè)設(shè)備水平中，低壓配電類故障占比較大。

表3 評價指標子集A的主觀權(quán)值

Tab.3 The subjective weight index of evaluation indicator subset A

（2）指標體系的客觀權(quán)值

對運營公司2015—2017年軌道交通供電設(shè)備事故發(fā)生案例進行統(tǒng)計，見表4所示。

表4 供電設(shè)備近3年故障次數(shù)

Tab.4 The number of power supply equipment failures in the past 3 years

對供電設(shè)備指標數(shù)進行計算，得到各項指標的客觀熵權(quán)見表5所示。

表5 評價指標子集A的客觀權(quán)值

Tab.5 The objective weight index of evaluation indicator subset A

客觀比較分析2015—2017年供電設(shè)備故障指標權(quán)重，由客觀權(quán)值表可以看出，二級指標之間的客觀權(quán)值相差不大，權(quán)值占比比較均衡。通信信號設(shè)備水平中，ATS系統(tǒng)以及大屏幕權(quán)值占比相對較低；FAS/BAS系統(tǒng)水平中，F(xiàn)AS系統(tǒng)故障權(quán)值占比相對較低。

（3）指標體系的組合權(quán)值

基于最小二乘法和熵值法算出的主觀權(quán)值和客觀權(quán)值，然后按照式（15）權(quán)向量集化模型改寫成：

求得改進后最優(yōu)解為：

對系統(tǒng)設(shè)備指標體系中子集層進行計算，得到各項指標的組合權(quán)值，見表6所示。

由組合權(quán)值表可以看出，基于主、客觀權(quán)值兩種方法的差異性，對權(quán)值進行組合賦權(quán)優(yōu)化后得到的組合權(quán)值更加科學、合理。組合權(quán)值既協(xié)調(diào)了主、客觀權(quán)值兩者的差異，又很好地反映主觀意愿和客觀事實。二級指標中聯(lián)鎖系統(tǒng)、FAS系統(tǒng)故障、低壓配電類故障權(quán)值占比較大。

表6 評價指標子集A的組合權(quán)值

Tab.6 The combined weight index of evaluation indicator subset A

3.3 運營設(shè)備安全風險等級評估

本文選取七個級別語言評估標度來進行規(guī)范化梯度模糊數(shù)計算，其轉(zhuǎn)化關(guān)系見表7所示。

表7 梯形模糊數(shù)轉(zhuǎn)化關(guān)系表

Tab.7 Trapezoidal fuzzy number conversion relationship table

表8 糊數(shù)指標的模糊語言評價集

Tab.8 Fuzzy language evaluation set

運用組合權(quán)值計算每項設(shè)備指標的綜合評估梯形模糊數(shù)：

按照最近隸屬度原則，計算規(guī)范化梯度模糊數(shù)的最短距離，結(jié)果如表9所示。

表9 評估結(jié)果與規(guī)范梯形模糊數(shù)的最短距離

Tab.9 The shortest distance and evaluation result of the standard trapezoidal fuzzy number

4 結(jié) 論

基于梯形模糊數(shù)理論風險評估模型，本文對某城市運營單位運營設(shè)備中的供電設(shè)備進行安全風險評價。評價結(jié)果顯示四項一級指標規(guī)范化梯度模糊數(shù)的最短距離分別為：0.028 9、0.054 3、0.056 1和0.107 4，均處于中等風險水平，其中水電專業(yè)設(shè)備安全指標存在較為嚴重的風險。相比較近三年水電專業(yè)設(shè)備中，低壓配電類平均故障頻數(shù)達到606次、給排水及水消防類故障頻數(shù)達到116次，這兩項供電設(shè)備故障率占比較高，評價結(jié)果能夠準確反映實際故障數(shù)。因此從供電設(shè)備可以反映出必須從技術(shù)設(shè)備上做好風險預防、風險監(jiān)測、風險控制和應急處置等全鏈條工作，只有這樣才能有效提升軌道交通安全保障水平。本文由于可用數(shù)據(jù)較少并且沒有將環(huán)境人為等因素考慮進來，后續(xù)研究可以從大數(shù)據(jù)綜合分析“人-機-環(huán)”三者因素，按照因素影響等級對城市軌道交通進行安全風險評價。

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Safety Risk Assessment of Urban Rail Transit Operation Equipment

GAO Peng1，TANG Zhao1，YANG Kun-hong1，CHENG Xue-qing1, 2，GUAN Bang-ning3

（1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China;2. Shenzhen Pingshan District Traffic Track Management Center, Shenzhen 518118, China;3. School of Computer Science, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China）

Urban rail transit is an important conductor of urban economic development. Reliable performance of its operating equipment is an effective guarantee for the safety of urban rail transit operations. In this paper, the power supply equipment of a city’s rail transit system is scrutinized through research. The least square method and entropy method are used to perform the subjective and objective assignment of the operational equipment indicators, and are combined with game theory to calculate the comprehensive index weights. Further, the trapezoidal fuzzy number theory is incorporated to conduct a risk assessment of power supply equipment. The evaluation results show that equipment aging and failure are the main causes of rail transit safety accidents. In order to ensure the safety of rail transit operations in the city, it is necessary to increase and enhance the status tracking and monitoring of the urban rail transit operation equipment.

urban rail transit; operating equipment; least square method; entropy method; game theory; trapezoidal fuzzy number theory

U121

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.01.012

1672-4747（2020）01-0091-08

2019-04-07

區(qū)域軌道交通協(xié)同運輸與服務系統(tǒng)——區(qū)域軌道交通安全綜合保障關(guān)鍵技術(shù)及裝備（VP99QT1136Y18002）

高鵬（1993—），西南交通大學碩士研究生，研究方向：智能交通。E-mail：705405190@qq.com

高鵬，唐昭，楊坤洪，等. 城市軌道交通運營設(shè)備安全風險評價[J]. 交通運輸工程與信息學報，2020，18（1）：91-98.

（責任編輯：劉娉婷）