基于層次分析法和熵值法的城市軌道交通車站安全評價＊

潘麗莎 陳 龍 劉 蘭 陳 波 秦 勇

（1.廣州市地下鐵道總公司，510380，廣州；2.北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室，100044，北京∥第一作者，高級工程師）

城市軌道交通具有運營專業性強、技術設備復雜、客流量大等特點，若發生安全事故，將會造成大量的人員傷亡和財產損失。因此，采用安全態勢感知技術對車站的安全狀態進行綜合評價，以客觀反映城市軌道交通車站的安全狀況，對確保車站的安全運營具有重要意義。

近年來，國內對態勢感知在交通領域的應用進行了一些研究，文獻［1］結合Elman神經網絡和BP神經網絡進行民航安全態勢評估，為決策者提供民航安全態勢和未來趨勢；文獻［2］提出基于多維聯系數的城市交通安全態勢監控模型，得到了城市軌道交通安全態勢綜合監控值；文獻［3］提出了基于因果圖、隱馬爾科夫鏈和支持向量機等三種方法，實現對城市軌道交通系統的安全態勢感知；文獻［4］針對區域公路網構建了安全態勢獲取、態勢理解和態勢預測三個層次的安全態勢評價研究框架，以評價公路網交通安全狀況。

本文以某地鐵車站為研究對象，根據車站安全態勢影響因素構建安全態勢評價指標體系，利用熵值法和層次分析法構建安全態勢評價模型，從而得到車站安全態勢值并進行安全等級劃分，以綜合反映車站的安全態勢狀況。

1 車站安全態勢評價指標體系

1.1 備選評價指標集的確定

城市軌道交通車站安全態勢備選評價指標集包含對乘客出行安全影響較大的關鍵因素，通過對某地鐵車站的調研可知，城市軌道交通車站安全態勢變化是由人、設備、環境和管理4個因素［5］及其相互之間作用、相互影響造成的。對這4個因素進行分析，結合指標體系建立的原則，初步確定了安全態勢評價指標體系的備選評價指標集為：

1）人的因素備選評價指標集＝｛乘客、工作人員、客流｝；

2）設備因素備選評價指標集＝｛列車、通過型設施設備（通道、樓梯等）、環控系統、綜合監控系統、電梯系統、火災自動報警系統、自動售檢票系統、車門和站臺屏蔽門｝；

3）環境因素備選評價指標集＝｛站內乘候車環境、外部環境｝；

4）管理因素備選評價指標集＝｛安全管理、規章制度、事故救援、應急能力｝。

1.2 評價指標體系的建立

從城市軌道交通車站安全的基本內涵出發，參考上述的備選指標集，建立城市軌道交通車站安全態勢評價指標體系如下：

1）以車站安全態勢為目標層；

2）以人的因素、設備因素、環境因素和管理因素為準則層；

3）以站臺客流擁擠度、火災自動報警系統報警指數、電梯系統安全指數、安全管理分值、站內綜合環境指數等12個安全評價指標作為指標層。

城市軌道交通車站安全態勢評價指標體系，見圖1所示。

2 車站安全態勢評價

2.1 評價方法的選擇

車站安全態勢評價中，指標權重的精確度和科學性直接決定了安全態勢評價結果的準確性。從目前的研究看，對于權重的確定，可以分為主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權法根據專家的經驗主觀判斷確定，主要有 Delphi 法、AHP（層次分析）法等［6］；客觀賦權法根據評價指標的實際數據由EVM（熵值法）、PCA 法、灰色關聯分析法［7］等來確定。不同的方法有各自的適用范圍和優缺點，其中AHP法對各指標之間的重要程度的分析更具邏輯性，可信度較大，但對各指標之間相對重要程度的判斷具有主觀性。為此，本文采用將AHP 法與熵值法相結合的方法，充分利用了客觀評價（熵值法）和主觀評價（AHP法）的優點。

2.2 評價模型

為準確評價車站安全狀況，首先要構建車站安全態勢評價模型。以下按標準化、計算熵值，用AHP方法對方案進行評價，通過三個步驟構建評價模型。

圖1 城市軌道交通車站安全態勢評價指標體系

2.2.1 標準化

設某目標層的一級指標為xi、二級指標為xi，j，其中：i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n。則有判斷矩陣

計算第j項指標下第i個方案所占指標的比重：

則可得決策矩陣為：

2.2.2 計算熵值

計算第j列指標下的熵值為

其中，j＝1，2，…，n，k＝1／lnm。由式（2）可知，0≤Ej≤1，則每個Ej指標的偏差度為：

則指標xi的權值為：

可得權值向量為：

2.2.3 用AHP法對方案進行評價

根據前面的計算結果，得到各方案對應某個一級指標的權重向量為：

由式（4）可得各方案對應各個一級指標的權值矩陣為：

對m個一級指標進行兩兩比較，構造AHP的判斷矩陣，并對判斷矩陣進行一致性檢驗，可以得出各一級指標權重向量為ωAHP＝（γ1，γ2，…，γk）T，各方案的總權重向量為：

依據總權重的大小計算安全態勢值，并根據安全態勢值進行安全等級劃分，以綜合評價車站的安全狀況。

3 實例分析

本文選擇具有代表性的某地鐵車站作為研究對象，根據評價指標體系中各指標對于數據的要求，獲取車站2011年全年共365組數據，并對原始數據進行歸一化處理。

3.1 車站準則層的權重

如圖1所示，目標層為車站安全態勢，準則層（一級指標）為人的因素、設備因素、環境因素和管理因素；指標層（二級指標）為12個指標。針對準則層的人的因素、設備因素、環境因素、管理因素采用熵值法計算對應的權重，分別見圖2～圖5。

圖2 人的因素的權重

圖3 設備因素的權重

圖4 環境因素的權重

圖5 管理因素的權重

3.2 車站安全態勢評價

根據專家經驗對準則層4 個因素的人的因素B1、設備因素B2、環境因素B3和管理因素B4進行兩兩比較［8］，構造判斷矩陣A，見表1。

由表1計算出判斷矩陣的最大特征值為λmax＝4.0734，其對應的特征向量為ωAHP＝（0.423 0.104 0.051 0.423）T，一致性指標為0.025，隨機一致性指標為0.89；則計算出一致性比率為0.027 5＜0.1，通過一致性檢驗。根據式（6）可以計算出車站安全態勢的權重，見圖6所示。

表1 判斷矩陣A

圖6 車站的安全態勢權重

根據專家經驗，對車站安全態勢權重進行標準化處理，得車站安全態勢值，見圖7所示。

圖7 車站的安全態勢值

為了更加直觀、科學合理地評價車站的安全態勢，將城市軌道交通車站安全態勢值作為界定安全等級的依據。按照有關專家建議和文獻［9］，本文將城市軌道交通車站安全態勢劃分為五級，得到安全等級界定的區間值，見表2所示。

表2 城市軌道交通車站安全態勢等級界定

根據某地鐵車站2011年全年安全態勢值分布情況和表2可得該車站的安全等級狀況，見表3所示。

表3 某地鐵車站2011年安全態勢等級狀況表

由表3和圖7可以看出某地鐵車站一年的安全狀況：2011年中有60 d安全處于一級，其中3月24日、6月19日和6月26日安全態勢值大于0.9，乘客出行安全快捷；有237 d處于低風險的二級，說明車站運轉良好，乘客有一個較為安全的乘候車環境；有68 d處于中風險的三級，需要加強車站管理，采取防控措施，以確保乘客出行安全和車站運營安全，其中9 d安全態勢值分布在0.4～0.5范圍內，存在較大的安全風險，其主要分布在春節前、元旦、五一和十一期間，這段時間內因車站客流量較大、通過型設備的負荷過高、乘客違章出行及發生客傷事件等情況，建議車站工作人員應該加強客流疏導、加強設備巡檢力度和乘客安全教育工作，以降低安全隱患。

4 結語

本文將層次分析法和熵值法應用到城市軌道交通車站的安全態勢評價，構建車站安全態勢評價指標體系，獲得準則層和目標層各指標的權重，最終得到車站安全態勢值并進行安全等級劃分。結果表明，用此方法能夠準確地評價軌道交通車站的安全態勢，并為車站安全態勢預測奠定了基礎。

［1］歐韜，周長春.基于神經網絡的民航安全態勢評價模型及仿真［J］.中國安全生產科學技術，2011（2）：34.

［2］胡啟洲，吳娟.基于多維聯系樹的城市交通安全態勢監控模型［J］.中國安全生產科學技術，2011（10）：16.

［3］范匯川.軌道交通安全態勢感知研究［D］.北京：北京交通大學，2011.

［4］牛建峰，叢浩哲，王俊驊.區域公路網交通安全態勢評估關鍵技術的探討［J］.上海公路，2009（3）：54.

［5］施毓鳳，楊晟，孫力彤.城市軌道交通的安全管理問題［J］.城市軌道交通研究，2003（2）：26.

［6］宋光興，楊德禮.基于決策者偏好及賦權法一致性的組合賦權法［J］.系統工程與電子技術，2004（9）：1226.

［7］Oliveira L B d， Camponogara E. Multi－agent model predictive control of signaling split in urban traffic network［J］.Transportation Research Part C，2010（1）：120.

［8］李銘輝.我國地鐵運營安全評價體系研究［D］.北京：北京交通大學，2007.

［9］胡啟洲，王海涌，劉英舜.道路交通安全態勢監控的測定方法［M］.北京：科學出版社，2012.