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

（西南交通大學交通運輸學院1） 成都 610031）

（成都鐵路交大危險貨物運輸技術服務中心2） 成都 610031）

0 引 言

危險貨物運輸是鐵路運輸的重要組成部分，由于危險貨物特殊的物化性質和運輸特點，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絡的樞紐位置，所以危險貨物辦理站作業質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模糊隸屬度函數法進行安全評價，對鐵路危險貨物辦理站作業系統安全性這一集模糊性與隨機性為一體的現象，將突變理論和模糊數學相結合，采用多準則的突變級數法對其進行綜合評價，通過全面診斷，及時發現事故隱患，積極預防，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）是法國數學家Rene．Thom創立的一門研究突變（質變）現象的新興學科，它是關于系統狀態變量的特征對控制變量依從關系的數學理論．其基本特點是根據一個系統的勢函數將系統的臨界點分類，研究分類臨界點附近狀態變化的特征，從而歸納出若干初等突變模型，并以此為基礎探索自然和社會中的突變現象［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及示意圖

對于突變模型的勢函數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、二階導數，并令f′（X）＝0和f″（X）＝0，即可得到反映狀態變量與各控制變量間關系的分解形式的分歧方程（見表1）．

1．2 歸一公式的導出

通過分歧方程可導出歸一公式，歸一公式將系統內部各控制變量的不同質態歸化為可比較的同一種質態，即用狀態變量表示的質態．運用歸一公式，可求出表征系統狀態特征的系統總突變隸屬函數值，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則評價方法

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

1）構建評價指標體系．按系統的內在作用機理，將其分解為若干評價指標組成的多層系統．

2）對底層指標（控制變量）進行原始數據規范化．將突變理論與模糊數學相結合，產生一種多維的在［0，1］之間取值的越大越優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變量的不同方面的特征，其原始數據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，應將控制變量的原始數據轉化到0～1范圍內的量綱一的量可比較數值，即對控制變量進行原始數據規格化，同時，無論是效益型指標（數值越大越好），還是成本性指標（數值越小越好），都采用相對隸屬度進行數據處理．

3）歸一運算．利用歸一公式進行綜合量化遞歸運算，求出評價系統的總突變隸屬度值．按歸一公式可計算同一系統各控制變量（指標）的相應中間值，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）重復上述步驟，分別計算出不同評價系統的總突變隸屬函數數值，從而據此進行不同系統間的綜合評價；或者分別計算出不同時期的系統狀態總突變隸屬函數值，從而可對系統狀態作出動態模糊綜合分析．

2 鐵路危險貨物辦理站安全綜合評價指標體系

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

根據《鐵路危險貨物運輸管理規則》規定，危險貨物辦理站的儲運倉庫、作業站臺、專用雨棚等專用設施、設備，要與所辦理危險貨物的品類和運量相適應．耐火等級、防火、防爆、防雷、防靜電、污水排放和污物處理等應符合國家有關規定及技術標準．危險貨物辦理的地點、場所應配備有關檢測設備和報警裝置；作業人員應配備相應的防護用品；裝卸設備應具備防爆、防靜電功能；裝卸能力、計量方式、消防設施、安全作業防護應符合規定要求．貨運人員、技術管理人員、裝卸及駕駛人員應經過鐵路危險貨物運輸業務知識培訓，熟悉本崗位的相關危險貨物知識，掌握鐵路危險貨物運輸規定．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規程及管理制度．有鐵路危險貨物運輸事故處理應急預案，配備應急救援人員和必要的應急救援器材和設備［5］．

根據以上分析和危險貨物運輸生產實踐可知，鐵路危險貨物辦理站作為一個復雜的大系統，其安全狀況受多種因素的影響，涵蓋領域廣泛、各影響因素間相互作用復雜，并且有些指標難以量化，從而使得評價指標體系過于復雜，難于操作．借鑒國內外鐵路危險貨物辦理站安全評價綜合指標體系確定方面的研究成果［6］，辦理站的安全狀況可以從設備設施、防災系統、人員素質以及安全管理4個方面予以考察：（1）設備設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（包裝質量、標識、包裝檢測）、技術設備（倉庫、站臺、專用線、作業器具、裝卸設備等）、車站環境（溫濕度、風霜雨雪等影響儲運安全的自然環境和社會治安等社會環境）4個子指標；（2）防災系統又可以分解為安全設備（包括消防、防雷電設備、防護設備等）、檢測設備（計量、檢測和報警設備等）、應急救援3個子指標；（3）人員素質可以分解為身體素質、文化素質、心理素質和思想素質4個子指標；（4）安全管理又可以分解為結構及人員配置、規章制度、宣傳教育和專項檢查4個子指標．

其多層次安全評價指標體系如圖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建立的評價指標體系，聘請5位專家對2004～2008年度底層指標評分，評分結果采用相對隸屬度函數法轉換成［0，1］范圍內的突變模糊隸屬度函數，列于表2．按照上述突變理論多準則評價方法，由歸一公式逐步向上綜合計算，直到算出最高層指標的突變級數．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年安全評價指標值

如圖1，最底層指標A1，A2，A3和A4構成互補型蝴蝶突變，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產生作用，因此按“互補”原則，取均值有：A＝（XA1＋XA2＋XA3＋XA4）／4＝0．95．

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

準則層指標A，B，C，D構成蝴蝶突變，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年后加緊對原有設備設施的改造和更新，加強防災系統建設和安全管理，提升人員素質，辦理站安全水平不斷提高．此評價結果與運用其他方法（如模糊綜合評判法等）進行評價的結果相同．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：一般數值均偏高，且評價值之間的差距很小，這使得從直觀上根據評價值對評價對象進行“優”、“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：設當底層指標對應的隸屬度均取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n足夠多時，可建立起Yi與Xi之間的對應關系，見表4．這樣可將Yi值變換為之對應的Xi值．

表3 危險貨物辦理站2004～2008年安全總突變隸屬函數值

表4 X－Y對應關系表

4 結束語

基于突變理論的危險貨物辦理站安全生產模糊動態評價，是將突變理論和模糊分析結合起來，對危險貨物辦理站進行多層目標分解，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值，并通過對不同時期的辦理站安全總突變隸屬函數值分析判斷，從而動態地得到評價的結果．由于這一方法對各目標重要性的確定量化是根據各目標在歸一公式本身中的內在作用機理決定的，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，在某些環節還存在不足，主要表現在：一是如何保證底層指標評分值的準確性問題；二是如何對評判指標體系進行分解及對同層指標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境風險評價［J］．自然災害學報，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爆炸分析與模糊動態評價［J］．中國安全科學學報，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．