基于PCA的道路運輸企業(yè)安全評價研究*

陳明仙

（福建船政交通職業(yè)學院安全技術(shù)與環(huán)境工程系，福建福州 350007）

基于PCA的道路運輸企業(yè)安全評價研究*

陳明仙

（福建船政交通職業(yè)學院安全技術(shù)與環(huán)境工程系，福建福州 350007）

對基于主成分分析法的道路運輸企業(yè)安全評價的可行性進行了分析，構(gòu)建了道路運輸企業(yè)安全評價指標體系，建立了道路運輸企業(yè)安全評價主成分分析模型，并通過SPSS進行模型計算.最后通過5家企業(yè)安全評價算例，演示了應用模型的詳細過程，驗證了模型與算法的可行性.

主成分分析；道路運輸；安全評價

道路運輸依然是當今最便捷的交通運輸方式，大量的人和物都通過道路運輸?shù)姆绞竭M行點對點的時空轉(zhuǎn)換，為生產(chǎn)和生活帶來了極大的便利.與此同時，道路運輸事故頻頻發(fā)生，造成了大量的人身傷害和財產(chǎn)損失，也極大影響了運輸活動的正常進行.如2012年8月26日，陜西省延安市安塞縣境內(nèi)的包茂高速安塞服務區(qū)附近發(fā)生特大交通事故，一輛滿載旅客的雙層臥鋪客車與一輛運送甲醇的重型罐車發(fā)生追尾碰撞，隨后燃起的大火導致客車上36人死亡，3人受傷；2011年10月6日，濱保高速天津段發(fā)生一起特大交通事故，一輛載有55名乘客大客車與小客車右側(cè)車身相撞，造成大客車側(cè)翻，并向前滑行208米，造成35人死亡，19人受傷.運輸企業(yè)是道路運輸具體安全活動具體執(zhí)行者和責任者，運輸企業(yè)安全狀況是運輸安全的決定因素之一.因此，應加強運輸企業(yè)安全管理，運用科學的手段對運輸企業(yè)進行綜合安全評價，對不符合安全要求的企業(yè)進行安全提升，避免事故的發(fā)生.

本研究以5家汽車運輸公司為例，確定運輸企業(yè)安全評價指標體系，建立PCA模型，并對給出算例進行分析，得出運輸企業(yè)安全評價結(jié)論，為運輸企業(yè)綜合評價提供一種新方法.

1 基于PCA安全評價的可行性

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）是多元統(tǒng)計分析的一個分支.20世紀30年代由費希爾（Fisher）、霍特林（Hotelling）等人提出并發(fā)展，其大量研究的工作使得多元統(tǒng)計分析成為應用數(shù)學的一個重要分支［1，2］.主成分分析是將其分量相關的原隨機向量，借助于一個正交變換，轉(zhuǎn)化成其分量不相關的新隨機向量，并以方差作為信息量的測度，對新隨機向量進行降維處理，再通過構(gòu)造適當?shù)膬r值函數(shù)，進一步把低維系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一維系統(tǒng)［3，4］.

對運輸企業(yè)安全狀況的評價需要大量數(shù)據(jù)，涉及到眾多的指標，這些指標之間存在著高度的相關性.如“管理機構(gòu)和人員”與“隊伍建設”，“法規(guī)和安全管理制度”與“作業(yè)管理”等數(shù)據(jù)都存在著高度的相關性.運用主成分分析，可將原來的復雜的指標體系進行簡化，組成一組指標之間相互獨立、無關的綜合指標，并根據(jù)需要得到幾個主要綜合指標，反映原來指標的信息.可通過降維的思想，以較少的主成分替代原來復雜的指標，并對其安全狀況進行量化評價［5］.

2 道路運輸企業(yè)安全評價指標體系建立

通過對道路運輸企業(yè)的調(diào)查，結(jié)合道路運輸企業(yè)安全標準建設工作的主要內(nèi)容，參考相關安全標準，將道路運輸企業(yè)安全評價指標分為16項，如圖1所示.

圖1 道路運輸企業(yè)安全評價指標體系

3 道路運輸企業(yè)安全評價PCA模型建立與實現(xiàn)

3.1 道路運輸企業(yè)安全評價PCA模型原理

主成分分析法在道路運輸企業(yè)安全綜合評價中的應用，實際上作了兩個層次的線性合成，第一層次將原始指標通過恰當?shù)木€性組合而形成主成分，按累計方差貢獻率不低于限定值（一般取85%）的原則確定前幾個主成分，這反映了原始指標的信息；第二層次是各主成分以各自的方差貢獻率為權(quán)重，通過線性加權(quán)求和得到綜合評價指標來分析道路運輸企業(yè)安全的優(yōu)劣，反映了各主成分的信息［6］.

3.2 道路運輸企業(yè)安全評價PCA算法

（1）原始數(shù)據(jù)進行標準化處理

由于主成分是從協(xié)方差矩陣S出發(fā)求得的，而協(xié)方差矩陣要受指標量綱和數(shù)量級的影響，不同的量綱和數(shù)量級將得到不同的協(xié)方差矩陣，從而主成分也會因指標量綱和數(shù)量級的改變而不同.為了克服這一缺陷，更客觀地說明主成分的內(nèi)涵，就必須將原始指標數(shù)據(jù)標準化［7，8］.一般采用z－score標準化公式：

由于標準化指標的協(xié)方差矩陣等于其相關系數(shù)矩陣，而相關系數(shù)矩陣不受指標量綱或數(shù)量級的影響，因此，標準化后的主成分是不受量綱和數(shù)量級影響的.

（2）求標準化矩陣Z的相關矩陣

（3）計算相關矩陣R的特征根

通常用Jacobi方法求R陣的P個特征根λ1≥λ2≥…≥λP≥0

（8）根據(jù)Fj（j＝1，2，…，m）值的大小可對樣本進行評價排序［5］.

3.3 基于SPSS的PCA模型計算實現(xiàn)

SPSS是一款功能強大的統(tǒng)計、分析與建模軟件，在其分析模塊中的“降維——分析”模型部分可以幫助實現(xiàn)PCA模型計算及主成分結(jié)果輸出［11］.根據(jù)主成分結(jié)果，根據(jù)已計算的特征向量，得出主成分表達式；再根據(jù)每個主成分特征值占所提取的特征值之和的比例為權(quán)重計算主成分綜合模型；根據(jù)主成分綜合模型計算值進行排序，就可對運輸企業(yè)安全狀況進行評價.（5）求出變量主成分uj

稱uj為變量的第j個主成分，其中Z為指標向量，uj的方差為λj；根據(jù)所選擇uj，計算樣本主成分向量uj：Uj＝Zbj．

（6）選擇主成分個數(shù)

主成分分析最終要將大量復雜指標用提取的幾個綜合指標來代替，同時要最大限度保留原指標的信息，在不失真的前提下減少實際工作.從前面的討論可知，前k個主成分的累積方差貢獻率α（k）表示的是這k個主成分從原始指標x1，x2，…，xp，中提取的總的信息量［9］.因此，確定主成分個數(shù)k實質(zhì)上就是在k與α（k）之間進行權(quán)衡：一方面，要使k盡可能的小；另一方面，要使α（k）盡可能的大.即以較少的主成分獲取足夠多的原始信息［10］.

確定主成分個數(shù)的原則很多，通常是根據(jù)實際問題的需要，使前k個主成分的累積方差貢獻率α（k）達到一定的要求，一般要求α（k）≥0．85．

4 模型應用示例

4.1 導入5家機構(gòu)數(shù)據(jù)

通過專家現(xiàn)場調(diào)查與打分，得出5家運輸企業(yè)安全評價指標分值，如表1所示.

表1 道路運輸企業(yè)安全評價指標分值

4.2 運用SPSS建模并計算

4.2.1 相關矩陣

表2 相關矩陣

4.2.2 方差矩陣

表3 總方差

4.2.3 成分矩陣

表4 成份矩陣

4.2.4 主成分表達式

前3個方差累計貢獻率α（k）為91.335%，大于85%，確定F1、F2、F3為3個主成分，其表達式如下：

從主成分表達式可以看出：

（1）作業(yè)管理、裝備設施、安全投入、安全文化、職業(yè)健康和隱患排查與治理等在第一主成分上有較高載荷，說明第一主成分主要反映了這些指標的信息；

（2）隊伍建設、安全目標、科技創(chuàng)新與信息化、管理機構(gòu)和人員等在第二主成分上有較高載荷，說明第二主成分主要反映了這些指標的信息；

（3）績效考評與持續(xù)改進、應急救援、隱患排查與治理、法規(guī)和安全管理制度等在第三主成分上有較高載荷，說明第三主成分主要反映了這些指標的信息.

4.2.5 綜合表達式

4.2.6 5家運輸企業(yè)安全量化評價及排序

表5 道路運輸安全評價結(jié)果匯總表

通過對5家企業(yè)隱患和歷史事故情況進行對比，綜合評價結(jié)果與企業(yè)隱患及事故情況高度一致.

5 結(jié)論

（1）對運輸企業(yè)安全狀況的評價需要大量隨機、相關的數(shù)據(jù)，造成了數(shù)據(jù)分析的困難，運用主成分分析，可將原來的復雜的指標體系進行簡化，組成一組指標之間相互獨立、無關的綜合指標，并根據(jù)需要得到幾個主要綜合指標，反映原來指標的信息.通過降維的思想，以較少的主成分替代原來復雜的指標，并對其安全狀況進行量化評價.為道路運輸企業(yè)的安全評價提供了一種新方法.

（2）基于運輸企業(yè)安全標準建設指標，建立道路運輸企業(yè)安全評價指標體系，建立基于PCA的道路運輸企業(yè)安全評價模型，基于SPSS構(gòu)建模型并完成計算過程.運用模型對5家道路運輸企業(yè)進行評價，得出量化評價結(jié)果，企業(yè)PD的安全綜合評價得分最高，NF的安全綜合評價得分最低，但在3個主成分上各自的得分排序與綜合排序不完全一致，體現(xiàn)了部分安全指標與整體安全指標的差異.通過對5家企業(yè)隱患和歷史事故情況進行對比，綜合評價結(jié)果與企業(yè)隱患及事故情況高度一致.

（3）本研究旨在建立PCA的安全評價模型，參考了安全標準化的指標體系，在下一步研究中，將對模型指標的適應性進行更深入的探討，對模型的有關參數(shù)進行標定和校驗，對模型進行進一步的優(yōu)化.

［1］Choulakian V.RobustQ-mode principal componentanalysis in L1［J］.Satatistics＆Probalilitry Letter，2001，（37）：135－150.

［2］蔡藝.主成分方法在綜合評價中的應用［J］.中國統(tǒng)計，2005，（2）：24－26.

［3］王金亮，翁秀紅.基于主成分分析法的泥石流危險度綜合評價［J］.地質(zhì)災害與環(huán)境保護，2013，（1）：88－92.

［4］葉宗裕.主成分綜合評價方法存在的問題及改進［J］.統(tǒng)計與信息論壇，2004，（2）：65－68.

［5］徐雅靜，汪遠征.主成分分析方法的改進［J］.數(shù)學的實踐與認識，2006，（6）：68－75.

［6］高惠璇.應用多元統(tǒng)計分析［M］.北京：北京大學出版社，2005.

［7］遲國泰，曹婷婷，張昆.基于相關－主成分分析的人的全面發(fā)展評價指標體系構(gòu)建［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，2012，（1）：111－119.

［8］丁明禎，鄭雙忠，潘開名.企業(yè)安全評價分析的主成分方法［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2004，（2）：14－16.

［9］杜晶，趙黎明.主成分分析應用于綜合評價的局限性［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報社會科學版，2007，（6）：128－130.

［10］傅榮林.主成分綜合評價模型的探討［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，2000，（11）：68－74.

［11］張文彤.SPSS統(tǒng)計分析高級教程［M］.北京：高等教育出版社，2013.

（責任編校：晴川）

Safety Evaluation of Road Transportation Enterprises Based on PCA

CHEN Mingxian
（Fujian Chuanzheng Communications College，F(xiàn)uzhou Fujian 350007，China）

The study analyzes the feasibility of using PCA in the safety evaluation of road transportation enterprises.The safety evaluation indicator system for road transportation enterprises is created.The safety evaluation PCA model for road transport enterprises is established and calculated by SPSS.The evaluation for5 road transportenterprises is done，which shows the details of themodel application.The examples verify the designed model and the algorithm.

PCA；road transportation；safety evaluation

X951

A

1008－4681（2014）05－0078－04

2014－08－27

陳明仙（1983－），男，福建莆田人，福建船政交通職業(yè)學院安全技術(shù)與環(huán)境工程系講師，碩士.研究方向：安全工程.