基于粗糙集-遺傳算法的鐵路貨運事故分析

齊 超

（西安鐵路局 營銷處，陜西 西安 710054）

基于粗糙集-遺傳算法的鐵路貨運事故分析

齊 超

（西安鐵路局 營銷處，陜西 西安 710054）

從人員、貨物、設(shè)備、管理4個方面分析鐵路貨運事故的主要影響因素，提出基于粗糙集-遺傳算法的鐵路貨運事故分析方法。首先使用粗糙集從鐵路貨運事故歷史數(shù)據(jù)中提取有效信息，然后采用基于遺傳算法的鐵路貨運事故屬性約簡算法得到鐵路貨運事故決策規(guī)則表。算例結(jié)果表明該方法高效可行，能夠為預(yù)防鐵路貨運事故發(fā)生提供科學(xué)合理的建議。

鐵路貨運；事故分析；粗糙集；遺傳算法

1 概述

隨著貨運組織改革的推進，鐵路貨物運輸安全作為衡量客戶滿意度的重要指標(biāo)再次受到人們的廣泛關(guān)注。因此，在鐵路運輸生產(chǎn)過程中，分析和防范鐵路貨運事故的發(fā)生極為重要，而許多學(xué)者已經(jīng)針對鐵路貨運事故的預(yù)防措施進行大量研究，通過分析影響貨運安全運輸?shù)闹饕蛩兀瑸橄嚓P(guān)部門科學(xué)決策提供依據(jù)[1]。

鐵路貨運事故是指在鐵路運輸過程中貨物發(fā)生滅失、短少、變質(zhì)、污染、損壞，以及在辦理過程中出現(xiàn)嚴(yán)重差錯等情況[2]。鐵路貨運事故通常是多種不確定因素綜合作用的結(jié)果，其歷史數(shù)據(jù)量大且冗余信息較多，如何從海量數(shù)據(jù)中挖掘出有效預(yù)防鐵路貨運事故發(fā)生的規(guī)則，在保持主要因素與事故類型不變的前提下，提高工作效率顯得極為重要。

粗糙集理論能夠在保持原有分類能力不變的前提下去除數(shù)據(jù)中的冗余信息，而遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應(yīng)全局最優(yōu)化搜索算法，具有廣泛的自適應(yīng)性。通過分析影響鐵路貨運事故的原因，建立反映事故原因與事故類型之間的決策表，提出利用粗糙集-遺傳算法的屬性約簡方法去除決策表中冗余的規(guī)則，為預(yù)防鐵路貨運事故的發(fā)生提供科學(xué)合理的決策依據(jù)[3]。

2 鐵路貨運事故的主要影響因素

2.1 人員因素

在鐵路內(nèi)部，影響貨物運輸安全的人員因素主要表現(xiàn)在：①貨運從業(yè)人員存在責(zé)任心不強、違章作業(yè)的現(xiàn)象；②職工業(yè)務(wù)水平有待提高，存在沒有嚴(yán)格按照規(guī)范操作，簡化作業(yè)流程；③作業(yè)人員應(yīng)變能力不足，對突發(fā)事故處理不當(dāng)，尤其對危險貨物等存在的安全隱患沒有做到冷靜處理、及時上報，未能采取適當(dāng)措施將貨物損失減少至最低。

另外，由于托運人、押運人和收貨人的責(zé)任，也存在貨物運輸安全隱患，表現(xiàn)在：①貨物運單、訂單填寫不規(guī)范或填寫錯誤，錯報、匿報貨物品名，少報重量等；②對于要求裝載加固的貨物，沒有嚴(yán)格按照裝載加固方案要求進行裝載和加固，簡化作業(yè)流程，導(dǎo)致貨物垮塌等；③托運貨物的包裝不符合規(guī)定。

2.2 貨物因素

一些特殊貨物本身會存在一些貨運安全隱患，如闊大貨物和危險貨物。闊大貨物的建筑限界尺寸、相鄰線路中心線間距、動態(tài)偏載量和作用力，危險貨物自身的理化性質(zhì)等都對鐵路貨運安全造成較大影響。

2.3 設(shè)備因素

由于零散貨物快運等一系列新興貨運產(chǎn)品的相繼推出，現(xiàn)行鐵路運輸貨物種類繁多、尺寸不一、包裝紛雜，這對貨運基礎(chǔ)設(shè)備和裝卸機械設(shè)備提出更高的要求，而目前鐵路貨運設(shè)備普遍較為陳舊，一些設(shè)備更新的車站，由于新設(shè)備缺乏相應(yīng)的使用、管理與維修制度，并且責(zé)任落實不到位，影響貨物運輸安全；另外，由于貨運設(shè)備不足、維修不到位等原因?qū)е碌能圀w代用現(xiàn)象也同樣威脅鐵路貨運安全[1]。

2.4 管理因素

目前，鐵路貨運安全管理存在的主要問題有：①思想重視程度不高；②在處理問題上缺乏嚴(yán)格把關(guān)；③安全檢查存在應(yīng)付心態(tài)，使貨運安全存在一定的隱患。

3 基于粗糙集-遺傳算法的鐵路貨運事故分析

3.1 粗糙集理論知識

定義 1：四元組 S = (U，A，V，f ) 是一個決策表。其中，U 為論域；A 為屬性集，A = C∪D，C∩D = φ，C 為條件屬性集，D 為決策屬性集；V =a∪∈AVa，其中 Va為屬性 a 的值域；f 為一個信息函數(shù)。

定義 2：令 R 為 1 組等價關(guān)系。當(dāng) r ∈R 時，如果 ind (R) = ind (R-{r})，則稱 r 為 R 中必要的。如果每一個 r ∈R 都為R 中必要的，則稱R 為獨立的。設(shè)Q ? P ，若 Q 是獨立的，并且 ind (Q) = ind (P)，則稱Q 為P 的一個約簡。

定義 3：決策屬性d 對條件屬性c 的正域為posc(d ) =

3.2 屬性約簡算法

屬性約簡問題屬于 NP 完全問題，因而提出具體算法如下。

（1）染色體編碼[4]。采用長度 l (即 l 為條件屬性的個數(shù)) 的二進制字符串 {0，1} 表示每個個體編碼，其中每一位對應(yīng)于 1 個條件屬性。因此，對于 (c1，c2，…，cl)，如果個體中包含第 i (i = 1，2，…，l ) 個屬性，則 ci= 1；否則， ci= 0。

（3）遺傳算子設(shè)計[5]。①選擇，采用輪盤賭策略進行選擇。②交叉，采用單點交叉算子，以交叉概率 pc在其交叉點處相互交換 2 個個體的部分染色體，產(chǎn)生 2 個新的個體。③變異，采用均勻變異算子，以變異概率 pm隨機反轉(zhuǎn)某個等位基因的二進制字符值。④停止規(guī)則，當(dāng)?shù)綌?shù)達到最大代數(shù) Max_Gen或 γreduct(C)(d ) = γC(d ) 時 停止運算。

該算法的具體步驟如下。

輸入：S = (U，A，V，f )。輸出：S = (U，A，V，f ) 的所有約簡。

步驟 1：計算出決策屬性 d 關(guān)于條件屬性 c 的支持度 γc(d )。

步驟 2：reduct (C) 為屬性 C 的約簡。令 reduct (C) = φ，逐一去掉單個屬性 ci∈C，當(dāng) γC-{ci}≠ γc(d )時，則 reduct (C) = reduct (C) ∪{ci}；當(dāng) γreduct(C)(d ) = γc(d )時，則終止計算。否則，轉(zhuǎn)入步驟 3。

步驟 3：由隨機數(shù)產(chǎn)生 Pop_size 個長度為 |C| (條件屬性的個數(shù)) 的二進制串所代表的個體組成初始種群，其對應(yīng)位隨機取 0 或 1，計算初始種群中每個個體的適應(yīng)度。

步驟 4：按照輪盤賭方法選擇個體，依據(jù)交叉概率 pc和變異概率 pm產(chǎn)生新一代群體，變異時保持該屬性對應(yīng)的基因位不發(fā)生變異。

步驟 5：計算新一代群體中每個個體的適應(yīng)度。

步驟 6：依據(jù)最優(yōu)保存策略將最優(yōu)個體復(fù)制到下一代群體中，并且依最優(yōu)保存策略保存最優(yōu)個體。

步驟 7：判斷是否連續(xù) t 代的最優(yōu)個體適應(yīng)值不再提高，如果是則終止計算，并且輸出最優(yōu)個體，否則轉(zhuǎn)入步驟 4。

3.3 鐵路貨運事故分析決策規(guī)則生成算例

在歷年的貨運事故中選取 15 次最具有代表性的事故作為論域，將影響因素作為條件屬性集，將事故類型作為決策屬性集，確定從業(yè)人員是否違章作業(yè)、從業(yè)人員業(yè)務(wù)素質(zhì)水平、托運貨物是否符合規(guī)定、闊大貨物裝載加固是否符合要求、危險貨物自身理化性質(zhì)是否活躍、運輸設(shè)備情況、管理是否完善 7 個因素為條件屬性，分別用 c1，c2，…，c7表示，鐵路貨運事故為決策屬性。通過對原始事故數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)除噪、離散化、歸一化后，建立鐵路貨運事故決策表如表 1 所示，其中 c1，c2，…，c7的取值規(guī)則如表 2 所示。此處將所考慮的 7 個因素作為造成鐵路貨運事故的主要原因，其他一些次要因素則被忽略[6]，D 的取值為：0 表示發(fā)生一般事故；1 表示發(fā)生重大事故。

通過屬性約簡去掉冗余條件屬性和重要信息得到簡化信息表，從而得到鐵路貨運事故預(yù)警規(guī)則[7]。假設(shè) pc= 0.7，pm= 0.01，Max_Gen = 100，得到最優(yōu)解為1011010，即 c1，c3，c4，c6屬性保留。由此可知，決定鐵路貨運事故類型的主要是從業(yè)人員是否按章作業(yè)、托運貨物是否符合規(guī)定、闊大貨物裝載加固是否符合要求、運輸設(shè)備狀況是否良好 4 個因素，因而在上述 4 個方面應(yīng)加大監(jiān)管力度，完善相應(yīng)管理體制[8]。去除表 1 中的 c2，c5，c7屬性后，省略重復(fù)的序列內(nèi)容，約簡后的決策規(guī)則如表 3 所示。

表 2 條件屬性取值規(guī)則

表 3 約簡后的決策規(guī)則

由表 3 可知，為確保鐵路貨運安全，降低鐵路貨運事故發(fā)生頻率，應(yīng)主要從去掉冗余后的 4 個制約因素著手加以規(guī)避及改進，具體為：①提升從業(yè)人員執(zhí)行力，嚴(yán)查違規(guī)操作，加強貨運相關(guān)崗位人員的責(zé)任心；②將預(yù)防鐵路貨運事故風(fēng)險把控關(guān)口前移，嚴(yán)格檢查運輸貨物，對于具有不可控因素的貨物應(yīng)嚴(yán)格按照貨物運輸相關(guān)制度予以處理，消除貨物運輸安全隱患；③對于闊大貨物嚴(yán)格把關(guān)其尺寸要求和裝載加固方案，杜絕運輸過程中偏移、侵限、散落等事故發(fā)生；④加大貨物運輸設(shè)備日常檢修維護保養(yǎng)工作，結(jié)合實際貨物運輸需求，及時補充或更換貨物運輸設(shè)備，杜絕車體代用及其他影響鐵路貨運安全事件。

4 結(jié)束語

鐵路實施貨運組織改革以來，提升貨運服務(wù)質(zhì)量、提高客戶滿意度成為鐵路亟待解決的問題，而最大限度地減少鐵路貨運事故、保障貨物運輸安全是鐵路貨物運輸?shù)闹刂兄亍Ｍㄟ^從大量歷史數(shù)據(jù)中提取有效數(shù)據(jù)生成決策規(guī)則，為找出鐵路貨運事故發(fā)生原因提供科學(xué)依據(jù)，同時還可據(jù)此采取有針對性措施預(yù)防類似事故發(fā)生，這對于鐵路不斷減少貨運事故發(fā)生、降低保價理賠率、提升貨運服務(wù)質(zhì)量具有重要意義，也為提高鐵路生產(chǎn)效率和經(jīng)營效益奠定基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯：馮姍姍

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2015-04-30