基于模糊ISM的鐵路機務行車安全風險關(guān)聯(lián)性分析

王洪德,于萌慧

(1.大連交通大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116028;2.遼寧省隧道工程及災害防控專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心,遼寧 大連 116028;3.天津一號線軌道交通運營有限公司,天津 300000)

機務系統(tǒng)是鐵路運輸牽引動力安全可靠的重要保障,擔負著鐵路機車的運行維護,其暢通運行不僅能保證機車運行安全,而且與車務、工務、電務、供電、車輛等子系統(tǒng)的安全密切相關(guān)。影響鐵路機務系統(tǒng)的安全風險因素眾多,各因素間相互作用關(guān)系復雜,具有明顯的動態(tài)性、耦合相關(guān)性、模糊性和不確定性。因此,及時掌握影響鐵路機務行車安全的風險因素及其相互作用,對行車安全具有重要意義。

針對鐵路運輸?shù)陌踩煽啃缘葐栴},國內(nèi)外專家學者做了大量的研究。魏圓圓等[1]針對鐵路行車故障致因復雜、難以量化描述等問題,應用模糊網(wǎng)絡分析法(Fuzzy-Analytic Network Process,F-ANP)建立了鐵路運輸安全評價模型。劉洋[2]針對鐵路機務行車中的人因失誤,應用認知可靠性和差錯分析法對事故根源進行了追溯分析。王晚香等[3]采用灰色關(guān)聯(lián)和多元線性回歸預測對鐵路客運需求進行了短期預測。馮子健[4]針對鐵路貨運速度及貨運總量大幅提升的實際,應用(Back Propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡模型對貨運安全進行了評價。鄒亞龍[5]運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立了風險評價指標和預警模型,并采用RFID(Radio Frequency Identification)標簽定位的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決了管理人員的履職問題。鄔春蘭等[6]運用貝葉斯網(wǎng)絡結(jié)合云模型實現(xiàn)對鐵路列車的風險管控。徐葉鵬[7]通過制度風險控制表,建立風險問題庫,從而實現(xiàn)對鐵路運輸安全風險管控流程的優(yōu)化?；趯Ω髀肪謾C務系統(tǒng)的實地調(diào)研,影響鐵路機務行車安全的風險因素間存在著極強的相關(guān)性[8],絕大多數(shù)行車故障(或事故)的發(fā)生均為各影響因素間耦合作用的結(jié)果。目前針對影響鐵路機務行車安全的風險因素間耦合關(guān)系的研究還處于探索階段。

鑒于此,本文結(jié)合對某路局機務段近年來的行車故障數(shù)據(jù)歸類統(tǒng)計結(jié)果,基于模糊理論和相關(guān)性分析技術(shù),構(gòu)建鐵路機務行車安全風險模糊ISM(解釋結(jié)構(gòu)模型),辨識出各風險因素間關(guān)聯(lián)關(guān)系,以期為鐵路機務系統(tǒng)安全風險分級管控提供技術(shù)支持[9]。

1 機務行車安全影響因素集

鐵路機務系統(tǒng)作為復雜行車體系的重要組成部分[10],經(jīng)常遇到許多突發(fā)的鐵路非正常行車狀況。決策者需從眾多的影響鐵路機務行車安全風險的因素中找出重點,第一時間做出正確判斷。影響鐵路機務行車安全的風險因素具有模糊性、相關(guān)性和系統(tǒng)性等特點。本文結(jié)合實地調(diào)研資料,得出五類主要風險因素:職工三違、專業(yè)管理、規(guī)章制度、行車設(shè)備、安全設(shè)施,并依此建立風險因素集S={S1,S2,…,Si, …,Sn}。其中,S為風險因素合集,Si為第i個風險因素子集,n為子集的個數(shù)。

參考相應的文獻并結(jié)合工程經(jīng)驗[8-10],對這五類風險因素作進一步歸類分析,本文構(gòu)建了包括18個影響行車安全的風險因素集,其層次結(jié)構(gòu)及隸屬關(guān)系見表1。

表1 鐵路機務行車安全風險因素

表1(續(xù))

2 機務行車系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系模型

2.1 機務行車模糊解釋結(jié)構(gòu)模型

針對影響鐵路機務行車安全的風險因素間具有較強的模糊性和相關(guān)性的實際,運用解釋性結(jié)構(gòu)模型找出機務系統(tǒng)中各風險因素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,形成結(jié)構(gòu)矩陣和結(jié)構(gòu)圖,并通過劃分層次來梳理機務行車安全問題。

ISM是一種概念模型,適用于將模糊思想和系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為直觀的結(jié)構(gòu)模型。模型應用廣泛,對變量多、關(guān)系復雜的系統(tǒng)具有良好的適用性,可通過對評估體系進行層次劃分,進而分析因素的相互影響關(guān)系,達到對復雜系統(tǒng)進行梳理的目的。由于鐵路機務涉及的因素較多,影響因素之間存在復雜的相互作用,所以所選評估方法也應適用于鐵路機車運行風險評估,并應符合針對性、合理性、適應性、充分性和系統(tǒng)性原則。而經(jīng)典的解釋結(jié)構(gòu)模型只考慮系統(tǒng)各因素間是否存在關(guān)聯(lián)關(guān)系,建立的關(guān)系矩陣也只有0和1這兩個選項,無法有效表示各風險因素間關(guān)系強弱的問題[11]。為進一步明確各風險因素間關(guān)聯(lián)關(guān)系,本文引入模糊矩陣理念,構(gòu)建模糊解釋結(jié)構(gòu)模型,實現(xiàn)對影響機務行車安全風險因素間關(guān)系的非確定性問題從定性分析到定量分析的轉(zhuǎn)變[12]。

2.2 風險因素關(guān)聯(lián)矩陣

假設(shè)導致鐵路機務系統(tǒng)發(fā)生故障(或事故)的任意兩個風險因素分別為Si和Sj,基于經(jīng)典解釋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建原理,結(jié)合實際調(diào)研過程中收集到的50項鐵路機務系統(tǒng)事故案例,當事故發(fā)生的某一環(huán)節(jié)Si和Sj兩者間發(fā)生關(guān)聯(lián)時,有aij=aij+1,可提取關(guān)聯(lián)矩陣A:

通過模糊數(shù)學概念中的隸屬度函數(shù)來對模糊關(guān)聯(lián)度的強弱進行劃分,隸屬度函數(shù)越大表明關(guān)聯(lián)強度越高,反之則越低。風險因素自身的隸屬度函數(shù)可以設(shè)置為0?；谏鲜隼砟?同時結(jié)合關(guān)聯(lián)矩陣A,構(gòu)建模糊關(guān)聯(lián)矩陣B。其中,b5,1=0.03,b5,3=0.04,b5,5=0.02,b5,7=0.18,b5,8=0.04,b5,9=0.17,b5,10=0.28,b5,11=0.14,b5,14=0.05,b5,15=0.06,b5,16=0.14,其余b5,j=0。

選取隸屬度函數(shù):

(1)

式中:bij為模糊關(guān)聯(lián)矩陣B中的元素;ai*為矩陣A第i行元素求和;a*j為矩陣A第j列元素求和。

計算矩陣A,求取Si與Sj間關(guān)聯(lián)強度評價分值。由矩陣B可知,風險因素aij(0≤i≤m,0≤j≤n)的取值為[0, 1]的實數(shù),且因素間關(guān)聯(lián)關(guān)系可通過模糊關(guān)聯(lián)強度的強弱表達,更加貼近分析實際。

2.3 風險因素鄰接矩陣

模糊關(guān)聯(lián)矩陣B中的實數(shù)不能直接確定因素間的可達關(guān)系,需抽象成0,1關(guān)系。通過選取閾值λ對模糊關(guān)聯(lián)矩陣B中的風險因素bij進行抽象化處理,構(gòu)建具有布爾代數(shù)屬性的鄰接矩陣C,從而剔除對機務系統(tǒng)影響程度較小的風險因素,以期優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[13]。

系統(tǒng)劃分過細或過粗都會對系統(tǒng)的最終評判產(chǎn)生影響。結(jié)合相關(guān)試驗可知,從模糊關(guān)聯(lián)矩陣B中篩選出至少50%的數(shù)據(jù)構(gòu)建鄰接布爾矩陣C時,所構(gòu)建的解釋結(jié)構(gòu)模型仍具有良好的解釋性。同時鄰接矩陣也描述了各點間通過長度為1的通路相互可以到達的情況。故通過試錯分析,選取λ=0.15可滿足該條件。令:

(2)

由式(2)可得矩陣C。

布爾矩陣中若Si對Sj無影響或無關(guān)系時,aij的取值為0;反之,aij的取值為1。因素之間的可達關(guān)系可以通過aij的取值來有效表示。

2.4 風險因素可達矩陣

基于Matlab環(huán)境,對矩陣C+I進行自乘運算(I為單位矩陣),直至式(3)成立:

(3)

式中:D為風險因素可達矩陣。

可達矩陣中的元素Dij代表了元素Si到Sj間是否存在可達的路徑,即可達矩陣完全表征了要素間直接的、間接的關(guān)系,表明了各點間長度不大于n-1的通路的可達情況。

通常情況下,當自乘系數(shù)大于3時,D矩陣可以達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。此時,可達矩陣D可清楚表達各風險因素間的到達鏈接路徑關(guān)系。

2.5 機務行車安全風險因素層級劃分

2.5.1 區(qū)域劃分

將系統(tǒng)區(qū)域劃分為可達集、先行集和共同集3個不同集合區(qū)域。系統(tǒng)中被因素Si影響的所有風險因素集合稱為可達集M(Si),即從要素Si出發(fā)可以到達的全部要素集合;影響因素Si的所有集合稱為先行集N(Si),即可以到達要素Si的全部因素集合。M(Si)和N(Si)的表達式為:

M(Si)={Sj|aij=1},j=1, 2, …,n

(4)

N(Si)={Sj|aji=1} ,j=1, 2, …,n

(5)

結(jié)合式(4)和式(5)求出判斷矩陣因素的可達集合M(Si)和先行集合N(Si),并求其交集L(Si)=M(Si)∩N(Si),亦稱共同集[14],計算結(jié)果見表2。

表2 機務行車安全風險因素劃分

2.5.2 風險因素的級位劃分

基于層級判定條件對影響機務行車安全的風險因素進行級位劃分。首先,當滿足判斷條件M(Si) =L(Si)時,L(S1)中的因素處于解釋結(jié)構(gòu)圖的第一層級;然后,從原可達矩陣D中去除L(S1)中各因素對應的行和列,得到剩余矩陣D1,對D1進行與第一層級劃分方法相同的操作,確定第二層級L(S2)所包含的因素。重復上述步驟,直至級位劃分結(jié)束,得到可達矩陣的級位劃分結(jié)果:L(S1)={S3,S4,S5,S15,S16,S17},L(S2)={S2,S18},L(S3)={S13,S14},L(S4)={S1,S12},L(S5)={S7,S9},L(S6)={S8,S10},L(S7)={S6,S11}。

2.6 繪制多級遞階結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)級位劃分的結(jié)果及因素間的相互作用關(guān)系,構(gòu)建鐵路機務行車安全風險因素的模糊解釋結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 模糊解釋結(jié)構(gòu)

3 機務行車安全風險分析

3.1 模型解釋

鐵路機務行車安全體系的構(gòu)建是一個復雜的過程。根據(jù)多層遞階解釋結(jié)構(gòu)模型,鐵路機務行車的安全影響因素可歸納為頂層因素、過渡層因素和底層因素3個層級。

(1)最頂層的6個因素對鐵路機務系統(tǒng)的影響最為直接,分別為疲勞駕駛列車(S3)、車輛傷害(S4)、設(shè)備檢修標準(S5)、設(shè)備標準執(zhí)行(S15)、防火防爆(S16)、救援標準執(zhí)行(S17);其次,同為頂層因素的季節(jié)安全(S18)和機具傷害(S2),通過相應的作用手段對鐵路機務行車的安全影響也較為顯著。

(2)過渡層級的6個因素分別為機車配件脫落(S13)、設(shè)備標準(S14)、輪對管理(S1)、檢修標準(S12)、過軌鑒定(S7)、檢修標準執(zhí)行(S9)。過渡層的6個因素之間存在較強的互動性,只對其中一個或幾個因素進行調(diào)整,通常對機務系統(tǒng)的安全達不到整體改觀的效果。因此,對過渡層因素進行整體改進才能實現(xiàn)對鐵路機務系統(tǒng)的安全提升。

(3)底層因素是機務系統(tǒng)發(fā)生事故的根源,底層因素包括設(shè)備超期檢修(S8)、施工管理(S10)、管理履職(S6)和制度制定(S11)。從根源出發(fā),層層遞進,進而達到對整個機務系統(tǒng)的安全防范。

3.2 機務行車安全優(yōu)化建議

鐵路機務系統(tǒng)不僅在鐵路運輸中發(fā)揮著不可替代的作用,對鐵路運輸過程中的突發(fā)故障(或事故)也起到預防和控制的作用[15]。根據(jù)解釋結(jié)構(gòu)模型對影響因素的分析結(jié)果,結(jié)合機務系統(tǒng)本身提出以下建議:

(1)由圖1可見,要想對救援標準的執(zhí)行問題(S17)進行進一步改進,就要提高季節(jié)安全性問題。救援列車、救援起重機、發(fā)電機組等設(shè)備在冬季要按照規(guī)定進行防寒任務的落實(S18)。加強對機車機具的管理(S2)可以避免發(fā)生設(shè)備和檢修標準執(zhí)行不當?shù)膯栴}(S5、S15)。針對疲勞駕駛列車(S3)的問題,機務部門應采取清查機務人員,增加機務人員數(shù)量,滿足線區(qū)要求,并合理分配機務人員到崗等措施。針對車輛傷害(S4)的問題,機車調(diào)度員在駕駛列車時,應確認機下人員及其他機車操作人員均處于安全位置;確認換向手柄位置正確;落實庫內(nèi)動車時的安全措施,做好自控和互控工作,按呼叫應答語言標準執(zhí)行呼叫應答。同時要定期檢查各類電流電壓保險和保護裝置,以防止機車火災(S16)事故的發(fā)生。

(2)對于過渡層,機車配件脫落(S13)和輪對管理(S1)都屬于列車配件方面的問題,其間存在一定的從屬關(guān)系,都可以通過提高檢修標準的執(zhí)行力度(S12、S9)得以改善。針對過軌鑒定(S7)問題,機務人員要嚴格執(zhí)行“要道還道”制度,嚴防拉閘后不確認開關(guān)的合閘狀態(tài),不關(guān)注啟動信號等。

(3)管理履職(S6)、制度制定(S11)、設(shè)備超期檢修(S8)和施工管理(S10)的問題是影響軌道交通機務系統(tǒng)安全問題的最底層因素,雖然不會直接對系統(tǒng)造成影響,但卻是最不可忽視的一部分。在日常管理中應該注重文化培養(yǎng),提高工作人員的整體文化程度和業(yè)務素質(zhì),加強對工作崗位規(guī)章制度的制定指標,確保職能分配公平合理。

4 結(jié)論

(1)本文構(gòu)建了影響鐵路機務行車安全的模糊解釋結(jié)構(gòu)模型,對各類風險因素間的主次與層級關(guān)系進行系統(tǒng)分析,模型充分考慮因素之間的橫向與縱向關(guān)系,并為后續(xù)風險因素權(quán)重的確定提供了參考。

(2)機務系統(tǒng)作為鐵路運輸牽引動力安全可靠的重要保障,通過構(gòu)建解釋結(jié)構(gòu)模型,能夠從理論根源上對影響機務系統(tǒng)的因素進行劃分與說明,為鐵路運輸安全標準的制定奠定基礎(chǔ)。

(3)在鐵路機務系統(tǒng)模糊解釋結(jié)構(gòu)模型建立過程中,將影響鐵路機務行車安全的風險因素概括為3個層次是不夠細致的,后續(xù)的研究將會對此方面進行著重優(yōu)化,以期得到的結(jié)果更加細致全面。