基于ISM模型的城市軌道交通運營安全評估體系研究

盧立紅

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

城市軌道交通具有準時、快速、大容量的特性，已逐漸成為各大城市解決交通供需矛盾的首選方略。但隨著線網規模的不斷擴大，運營面臨的挑戰也越來越多，因此，需要隨時掌握設備狀態、運營情況，提高風險管理與決策的水平[1-2]。

國內外眾多專家學者在城市軌道交通運營安全領域進行了深入研究，盛伊琳[3]分析了現有城市軌道交通運營安全評價的方法和適用性；段海洋等[4]運用層次分析法對城軌運營安全進行評價；劉大海等[5]采用層析分析法（AHP）與熵權法對評價指標權重進行確定；高鵬等[6]采用熵值法對運營設備指標進行客觀賦值，通過梯形模糊數理論對供電設備進行風險評估。基于ISM 模型對事故致因因素進行梳理，然后運用AHP 法構建城市軌道交通運營安全評估體系，從主客觀角度出發對運營系統內的各指標進行評價，從而使相關部門了解地鐵運營的現狀，有針對性的對系統中存在的隱患進行把控，為網絡化運營提供支持。

1 影響城市軌道交通運營安全的因素

事故的發生不是由孤立因素導致的，而像多米諾骨牌一樣，往往是一連串的因素前后依次發生。雖然導致事故發生的原因復雜多樣，卻有規律可循，無外乎人-機-環境-管理四個要素[7]。“人”是各項活動的主體；“機”包括設備設施在內的人所控制的一切對象的總稱；“環境”由內環境和外環境構成的人、機共處的工作條件；“管理”指用來協調控制人、機、環境之間相互關系的規章制度、法律典范。“人-機-環境-管理”中的任何一個環節出現異常都足以引起事故的發生，各要素之間互為因果，共同誘發運營事故。

2 基于ISM 模型的事故致因機理分析

針對事故致因因素間的關系，運用解釋結構模型（ISM）對影響城市軌道交通運營安全的因素進行層次梳理。

2.1 解釋結構模型法

（1）從人-機-環境-管理四個方面出發，根據實際研究選擇事故致因因素。（2）建立鄰接矩陣：如果兩個致因因素間是直接影響關系，記為“1”，否則，記為“0”，形成鄰接矩陣A。（3）基于布爾運算規律，進行可達矩陣計算，其中I 為n 階單位矩陣。

（4）可達矩陣分解：得到可達集R（Si）、前因集A（Sj）以及可達集與前因集的交集，然后進行層次劃分和分部劃分，得出各因素間的階梯關系。①層次劃分：若Si是最上一級節點，則必須滿足：R（Si）∩A（Sj）=R（Si）。② 分部劃分：若 R（Si）∩A（Sj）=，則Si與Sj不在同一部分；若 R（Si）∩A（Sj）≠，則Si與Sj在同一部分。

2.2 基于ISM 模型的城軌事故致因因素分析

選取人員、環境、管理、工務系統、車輛系統、供電系統、通信系統、信號系統、通風排煙、給排水、服務設施11 個因素進行分析，得到致因因素間的階梯關系，見表1。

表1 致因因素間的階梯關系

結果分析：ISM 模型將事故致因因素劃分為五個層次，從下往上依次為導致城軌運營事故的深層次原因，間接原因，直接原因。（1）頂層是運營的最終目標：安全。（2）第二層包括車輛、服務設施、環境，該層因素往往會直接導致事故發生或運營中斷，是造成運營事故的直接原因。（3）第三層包括工務、供電、通信、信號、通風排煙、給排水6 個致因因素，是導致第二層因素出現故障的直接因素，是事故發生的間接因素。（4）第四層是人為因素，是設備的直接操作者、管理者和設計者，是導致第三層發生故障的直接原因。（5）底層是管理因素，是貫穿全局的深層次原因，協調、控制著人-機-環境，是整治的關鍵。

3 多指標綜合評價體系

3.1 評價指標體系的建立

依據指標選取原則，應用AHP 法構建城市軌道交通運營安全評價指標體系，共包括3 個層次，見表2。

表2 城市軌道交通運營安全評價指標體系

3.2 綜合權重的確定

3.2.1 層次分析法確定權重

根據9 標度法比較因素間的相對重要性，建立判斷矩陣B。見表3。

表3 9 標度法含義解釋

運用層次分析法權重確定，計算判斷矩陣B 的最大特征值λmax 和對應的特征向量w：

進行一致性檢驗，當CR＜0.1 時，滿足一致性要求，可繼續計算。

其中，RI 為隨機一致性指標，取值見表4。

表4 隨機一致性指標RI 取值

3.2.2 熵權法確定權重

（1）構建數據矩陣

數據矩陣若包括m 個待評價對象，n 個評價指標，則構建的指標體系：

（2）歸一化處理

（3）計算指標j 的熵值ej和差異性因數gj

（4）計算指標熵權

3.2.3 綜合集成賦權法

運用加法綜合集成法，對主觀AHP 法和客觀熵權法計算的權重進行整合。

式中：αi—AHP 法確定的第i 個指標權重；βi—熵權法確定的第i 個指標權重；μ∈［0，1］，為主客觀權重所占比例，可根據實際情況進行取值。

3.3 建立評價集

參考相關文獻與標準，將風險等級劃分為五個層次，見表5。

表5 城市軌道交通風險等級劃分

對各準則層評價完成后，將實際得分值與風險等級表進行對照，確定各準則層的風險等級，從而進行合理控制。

3.4 多指標綜合評價

根據建立的評價指標體系選取指標集；確定各評價因子的分數 gk,j；基于AHP-熵權法計算權重 wk,j；運用加權線性和法得到各因素的綜合得分gk，并確定系統風險等級。

基于評估結果，對系統中的隱患和薄弱環節進行全面把握與掌控，制定針對性的措施。

4 案例分析

4.1 背景概述

應用構建的城市軌道交通運營安全評估體系對北京地鐵進行風險評估。截止2019 年12 月，北京地鐵共23 條運營線路，運營里程699.3 km，車站405座。

4.2 評價指標權重確定

4.2.1 層次分析法確定權重

應用MATLAB 軟件求得λmax=4.087 5，對應的特征向量W=（0.807 2,0.478 5,0.150 6,0.311 0 ），并且CR=0.032＜0.1，符合一致性要求。因此，經歸一化處理后得到w=（0.46,0.27,0.09,0.18）。

4.2.2 熵權法確定權重

運用MATLAB 得出熵值ej=（0.544 6,0.849 4,0.950 2,0.858 6），差異性因數gj=（0.455 4,0.150 6,0.049 8,0.141 4），因此，權重w=（0.571 2,0.188 9,0.662 5,0.177 3）。

4.2.3 綜合集成法確定權重

綜合集成得到準則層各指標最終權重，見表6。

表6 準則層的指標權重

4.3 綜合評價

根據地鐵實際運營情況，對各影響因素進行評價打分，平均加權統計后得到子準則層風險因素得分情況，見表7。

表7 子準則層風險因素評價得分

基于各指標權重和評價得分，計算準則層指標得分情況以及系統整體安全風險水平。

（1）管理準則層得分G1

（2）車輛準則層得分G2

（3）環境準則層得分G3

（4）服務設施準則層得分G4

（5）加權線性和法計算系統綜合得分G

可以看出，北京地鐵綜合評價得分85.79 分，風險等級為Ⅱ級，“比較安全”。其中，管理體系評價得分87.13 分，車輛體系評價得分85.26 分，環境體系評價得分82.89 分，服務設施體系評價得分84.41 分，風險等級均為Ⅱ級，“較安全”。由此可得，北京地鐵的環境體系和車輛體系的安全等級較其他兩個體系而言略低，這與實際情況相符。

由于對地鐵核心技術的掌握略有欠缺，事故致因大多數是車輛層指標，特別是信號系統、車體和電纜防護。因此，需要對車輛層的各設施設備例如ATC 車載設備、車體轉向架、牽引裝置、制動裝置和控制中心設備等進行定期檢查控制，開展緊急演練，防止設備隱患從量變到質變的轉化。

針對濃霧、暴雨、暴雪等不受人為控制的自然環境，需要在災害來臨前做好防御，將損失降到最低。（1）交通管理部門應跟氣象、水務等部門取得聯系，跟蹤了解暴雨、暴雪、濃霧等極端天氣的信息，及早采取應對措施。（2）根據以往經驗、天氣情況和實際需求做好應急預案，有條件時可與公安、消防、城建、水務、氣候等部門開展應急聯動機制模擬演練。

4 結語

（1）通過ISM 模型得出影響運營安全的直接因素是車輛、環境、服務設施；間接因素是信號、給排水、工務、通信、通風排煙；管理因素是潛在深層次因素，是控制整改的關鍵。（2）基于事故致因機理，構建了城市軌道交通運營安全評估體系，從主觀和客觀角度出發對運營系統進行綜合評估，為運營管理者提供動態運營信息，及時根據實際情況做出決策，防患于未然。