SOM網(wǎng)絡(luò)在鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

關(guān)守安，朱立富，潘科

(1.遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004； 2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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SOM網(wǎng)絡(luò)在鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

關(guān)守安1，朱立富2，潘科2

(1.遼寧省安全科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004； 2.大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

為合理確定鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)水平，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型.根據(jù)鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)及國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，比較全面、系統(tǒng)地構(gòu)建了鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)及附屬設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.為了彌補(bǔ)現(xiàn)有鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法的不足，提出了基于自組織特征映射(SOM)網(wǎng)絡(luò)的鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并將訓(xùn)練后的模型應(yīng)用于中石油某線(xiàn)路的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，確定了該線(xiàn)路的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).實(shí)例計(jì)算表明，該模型假設(shè)合理，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況.

鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)；自組織特征映射(SOM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；指標(biāo)體系；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

0 引言

鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)是危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)闹匾绞剑推肥氰F路專(zhuān)用線(xiàn)運(yùn)輸?shù)闹饕ｋU(xiǎn)貨物.隨著石油化工和鐵路運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)已不容忽視，近幾年來(lái)鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全的研究發(fā)展迅速[1-6].風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是保證線(xiàn)路安全運(yùn)營(yíng)的重要手段，根據(jù)《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全監(jiān)督管理規(guī)定》的相關(guān)規(guī)定，企業(yè)應(yīng)對(duì)其所屬的危險(xiǎn)貨物鐵路專(zhuān)用線(xiàn)進(jìn)行安全評(píng)價(jià).

在評(píng)價(jià)工作中，評(píng)價(jià)方法的合理性直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性.目前，在鐵路專(zhuān)用線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中常用的方法主要有：事故樹(shù)分析法(FTA)[4]、安全檢查表(SCA)[5]、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)法[6]、模糊數(shù)學(xué)方法等[7-8].事故樹(shù)分析法、安全檢查表法很難將鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)定量化，模糊數(shù)學(xué)方法雖然可以將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果定量化，但該方法的核心是建立隸屬函數(shù)，而模糊隸屬度的確定帶有很強(qiáng)的主觀性和隨意性，由于油庫(kù)鐵路裝卸系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性[9]，這些方法在應(yīng)用上都有一定的局限性.隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和完善，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[4,10-11]，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中可以解決系統(tǒng)復(fù)雜性和不確定性的問(wèn)題，同時(shí)該方法具有逼近復(fù)雜非線(xiàn)性系統(tǒng)和自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力的優(yōu)點(diǎn)，因此通過(guò)建立基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)理論的鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)及附屬設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，確定鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)及裝卸系統(tǒng)的安全狀態(tài)，可以為鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)及其附屬設(shè)施定量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及其風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)，對(duì)于完善定量化評(píng)價(jià)方法也具有重要意義.

1 SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)理論

自組織特征映射(SOM)網(wǎng)絡(luò)[4]是由芬蘭學(xué)者Teuvo Kohonen最先提出的，該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由全連接的神經(jīng)元陣列組成的無(wú)教師自組織、自學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò).通常認(rèn)為處于空間中不同區(qū)域的神經(jīng)元有不同的分工，當(dāng)一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接受外界輸入模式時(shí)，將會(huì)分為不同的反應(yīng)區(qū)域，各區(qū)域?qū)斎肽Ｊ骄哂胁煌南囗憫?yīng)特征.SOM網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)典型特征就是可以在一維或二維的處理單元陣列上，形成輸入信號(hào)的特征拓?fù)浞植迹虼薙OM網(wǎng)絡(luò)具有抽取輸入信號(hào)模式特征的能力.

設(shè)網(wǎng)絡(luò)輸入X∈Rn，輸出神經(jīng)元i與輸入單元的連接權(quán)值為wi∈Rn，則輸出神經(jīng)元i的輸出oi為：

oi=wiX

網(wǎng)絡(luò)實(shí)際具有響應(yīng)的輸出單元k，其輸出為：

以上兩式可修正為：

式中：wij為輸出神經(jīng)元i和輸入神經(jīng)元j之間的連接權(quán)值；xi為輸入神經(jīng)元i的輸出；σ(t)為非線(xiàn)性函數(shù)；ε為一個(gè)很小的正數(shù)；rk為系數(shù)，它與權(quán)值及橫向連接有關(guān)；Si為與處理單元i相關(guān)的處理單元集合；ok稱(chēng)為浮動(dòng)閾值函數(shù).

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

2.1 建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

針對(duì)鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)挠嘘P(guān)作業(yè)特點(diǎn)，并根據(jù)《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全監(jiān)督管理規(guī)定》(交通運(yùn)輸部令[2015]第1號(hào))、《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸辦理站(專(zhuān)用線(xiàn)、專(zhuān)用鐵路)辦理規(guī)定》(第十三次補(bǔ)充修改)(運(yùn)營(yíng)貨管電[2010]2030號(hào))、《鐵路危險(xiǎn)貨物辦理站、專(zhuān)用線(xiàn)(專(zhuān)用鐵路)貨運(yùn)安全設(shè)備設(shè)施暫行技術(shù)條件》(鐵運(yùn)[2010]105號(hào))中關(guān)于鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)中關(guān)于“承運(yùn)單位及人員”、“裝卸設(shè)備及設(shè)施”、“安全管理”等方面的要求，建立了鐵路專(zhuān)用線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示.

圖1 鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)及附屬設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

根據(jù)建立的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合收集的數(shù)據(jù)建立SOM網(wǎng)絡(luò)的鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，如圖2所示.

圖2 基于SOM網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)

具體步驟為：

(1)學(xué)習(xí)樣本的輸入并進(jìn)行歸一化：設(shè)鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)因素集為{y1,y2,…,yn}，y1,y2,…,yn為1級(jí)指標(biāo)，每個(gè)1級(jí)指標(biāo)有m個(gè)影響因素(即2級(jí)指標(biāo))，則有待評(píng)價(jià)樣本特征值矩陣為X=(xij).(·)表示矩陣為點(diǎn)值矩陣，X的第i行，第j列的元素為xij；xij為第i個(gè)指標(biāo)在第j個(gè)影響因素下的特征值.由于本文選取的指標(biāo)多為定性指標(biāo)，專(zhuān)家打分時(shí)易受主觀因素的影響，為了盡可能獲得準(zhǔn)確、可靠的輸入數(shù)據(jù)，采用集值統(tǒng)計(jì)法，根據(jù)不同專(zhuān)家的知識(shí)程度、經(jīng)驗(yàn)、考慮問(wèn)題的角度賦予不同的權(quán)重，即依據(jù)模糊數(shù)學(xué)的思想，讓專(zhuān)家對(duì)某一指標(biāo)而是給出一個(gè)區(qū)間值，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理，如對(duì)于指標(biāo)yij，請(qǐng)專(zhuān)家ps依據(jù)該指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)該指標(biāo)有關(guān)情況給出一個(gè)特征值區(qū)間，其中s=1，2，…，q)，表示專(zhuān)家數(shù)量，專(zhuān)家自身權(quán)重為ωs，則2級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)yij的特征值xij可按下式進(jìn)行計(jì)算：

而1級(jí)指標(biāo)yi的特征值Xi可由下式確定：

式中:ωij為指標(biāo)yij的權(quán)重，權(quán)重的獲取采用層次分析法.

(2)根據(jù)選取的指標(biāo)特征尋找獲勝節(jié)點(diǎn)；

(3)定義優(yōu)勝領(lǐng)域；

(4)對(duì)優(yōu)勝領(lǐng)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)調(diào)整權(quán)值；

(5)學(xué)習(xí)訓(xùn)練結(jié)束判定.

3 實(shí)例分析

3.1 樣本輸入

以中石油吉林銷(xiāo)售公司下屬配送中心的11家油庫(kù)鐵路專(zhuān)用線(xiàn)及附屬設(shè)施為研究對(duì)象，根據(jù)大連某安全評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)對(duì)其安全評(píng)價(jià)的結(jié)果分為四級(jí)[12]：Ⅳ為危險(xiǎn)級(jí)，Ⅲ為警示級(jí)，Ⅱ?yàn)榕R界級(jí)，Ⅰ為安全級(jí)，將這四個(gè)等級(jí)作為訓(xùn)練樣本的目標(biāo)值.樣本數(shù)據(jù)為該評(píng)價(jià)體系的1級(jí)指標(biāo)分值，經(jīng)該安全評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的課題組成員打分并根據(jù)式(1)及式(2)處理后獲得，其中每個(gè)2級(jí)評(píng)價(jià)因子得分范圍是[0，100]，加權(quán)后的訓(xùn)練樣本見(jiàn)表1.

表1 訓(xùn)練樣本

在進(jìn)行鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)及附屬設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，首先利用具有聚類(lèi)功能的函數(shù)newsom創(chuàng)建一個(gè)SOM網(wǎng)絡(luò)，代碼為：net=newsom(minmax(P),[2 2])，其中，P為輸入向量，由表1決定，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)層為2×2的結(jié)構(gòu).然后利用函數(shù)train和仿真函數(shù)sim對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和仿真.由于訓(xùn)練步數(shù)的大小影響著網(wǎng)絡(luò)的聚類(lèi)性能，這里設(shè)置訓(xùn)練步數(shù)為10、100和1 000，分別觀察其分類(lèi)性能.由圖3可以很直觀的看出，樣本數(shù)據(jù)被成功歸為4類(lèi)，聚類(lèi)結(jié)果如表2所示，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知，當(dāng)訓(xùn)練步數(shù)為10時(shí)，樣本序號(hào)為1-2的分為一類(lèi)，4-6的分為一類(lèi)，樣本3為單獨(dú)一類(lèi)，這與實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不一致.當(dāng)訓(xùn)練步數(shù)為100時(shí)，序號(hào)為1-3的樣本被化為一類(lèi)，5、6被劃分為一類(lèi)，這種分類(lèi)還是不夠精確.只有當(dāng)訓(xùn)練步數(shù)為1 000時(shí)，樣本才被成功分為4類(lèi).

圖3 SOM網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)圖

表2 SOM網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練聚類(lèi)結(jié)果

訓(xùn)練步數(shù)聚類(lèi)結(jié)果104423331110044423313100044332211

3.2 樣本測(cè)試

本文應(yīng)用MATLAB R2008平臺(tái)，將測(cè)試樣本輸入到已經(jīng)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)中，最后得出測(cè)試結(jié)果，與實(shí)際評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)3個(gè)測(cè)試樣本的分類(lèi)正確率為100%.測(cè)試樣本及結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 測(cè)試樣本

3.3 應(yīng)用實(shí)例

以中石油吉林銷(xiāo)售公司某鐵路專(zhuān)用線(xiàn)為實(shí)例，利用上文確定的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行評(píng)價(jià).該鐵路專(zhuān)用線(xiàn)有2條，站臺(tái)數(shù)量1臺(tái)，站臺(tái)使用面積1 400 m2，1座100 m鋼結(jié)構(gòu)裝卸棧橋1座，棧橋設(shè)有10個(gè)鶴位.庫(kù)區(qū)設(shè)有4 000 m3汽油儲(chǔ)罐，4 000 m3柴油儲(chǔ)罐，400 m3乙醇儲(chǔ)罐.油庫(kù)共分接卸區(qū)、發(fā)付區(qū)、儲(chǔ)存區(qū)、生活區(qū)和綠化區(qū)共5個(gè)區(qū)域.該鐵路專(zhuān)用線(xiàn)到達(dá)物質(zhì)為乙醇、汽油和柴油.專(zhuān)用線(xiàn)盡頭設(shè)有車(chē)檔，裝卸車(chē)場(chǎng)留有消防通道，該專(zhuān)用線(xiàn)已經(jīng)過(guò)吉林市氣象災(zāi)害防御科技中心組織的防雷設(shè)施檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)論合格，且該專(zhuān)用線(xiàn)經(jīng)吉林市公安消防支隊(duì)組織的消防驗(yàn)收，驗(yàn)收合格，按照2.1節(jié)的指標(biāo)體系，依據(jù)《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全監(jiān)督管理規(guī)定》等鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該專(zhuān)用線(xiàn)打分后的指標(biāo)值為：[83.42，79.25，82.33，80.25].根據(jù)3.1節(jié)的訓(xùn)練結(jié)果對(duì)該專(zhuān)用線(xiàn)進(jìn)行分類(lèi)，分類(lèi)結(jié)果為Ⅲ級(jí)，為“良好級(jí)”，其危險(xiǎn)貨物鐵路裝卸系統(tǒng)的安全保障條件符合相關(guān)要求，可以滿(mǎn)足安全需要，但仍需要加強(qiáng)對(duì)鐵路專(zhuān)用線(xiàn)的日常管理和監(jiān)督檢查，并完善應(yīng)急預(yù)案及應(yīng)急救援體系.

4 結(jié)論

(1)根據(jù)鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)的運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)及《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全監(jiān)督管理規(guī)定》、《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸辦理站(專(zhuān)用線(xiàn)、專(zhuān)用鐵路)辦理規(guī)定》等關(guān)于的專(zhuān)用線(xiàn)運(yùn)營(yíng)要求建立的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是合理的;

(2)通過(guò)實(shí)例訓(xùn)練和測(cè)試結(jié)果表明，基于SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論建立的鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型對(duì)未知體系的測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確、可靠.SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于鐵路危險(xiǎn)貨物專(zhuān)用線(xiàn)等復(fù)雜系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中.

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Risk Assessment of Railway Siding for Transporting Hazardous Materials Based on SOM Method

GUAN Shouan1,ZHU Lifu2,PAN Ke2

(1.Liaoning Academy of Safety Science,Shenyang 110004,China； 2.School of Civil & Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028,China)

A risk assessment model for the railway siding was established based on neural network to determine the risk grade.The railway siding risk assessment index system is established based on the characteristics of railway siding operation regulations.A comprehensive risk assessment method of railway siding operation is developed with the SOM neural network method to improve present methods.The result of the case study is in line with the actual situation and indicates that this method used is feasible and rational.

railway siding;transporting hazardous materials;SOM neural network;index system;risk assessment

1673-9590(2015)03-0104-05

2014-06-24

關(guān)守安(1979-)，男，工程師，博士研究生,主要從事風(fēng)險(xiǎn)分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究E-mail:gsa1999@sina.com.

A