基于云模型和不確定AHP的列控運(yùn)營安全評估

郭榮昌， 陳光武， 趙小娟， 火久元， 范多旺

(1. 蘭州交通大學(xué) 自動控制研究所， 甘肅 蘭州 730070； 2. 蘭州交通大學(xué) 甘肅省高原交通信息工程及控制重點(diǎn)實(shí)驗室， 甘肅 蘭州 730070； 3. 蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是高鐵中的核心裝備和安全相關(guān)系統(tǒng)，能控制列車運(yùn)行間隔，防止超速，保證列車正點(diǎn)高效運(yùn)行[1,2]。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全狀態(tài)對行車安全具有重要的影響。

目前國內(nèi)在高鐵安全標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化、安全評估與認(rèn)證體系、概率安全、安全管理等方面做了大量研究[3-8]，而在列控運(yùn)營安全方面的研究較少。已有的列控運(yùn)營安全相關(guān)的研究主要是從多級可拓評價[9]和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[10]的角度進(jìn)行。多級可拓評價方法局限于評估技巧的改進(jìn)，很少從安全的模糊性和隨機(jī)性等本質(zhì)屬性上進(jìn)行評估。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法的核心思想是將列控系統(tǒng)看成一個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，采用涌現(xiàn)理論和熵理論對安全進(jìn)行安全評估，其關(guān)鍵在于安全要素網(wǎng)絡(luò)和涌現(xiàn)機(jī)制的構(gòu)建，而目前現(xiàn)有的安全要素網(wǎng)絡(luò)和涌現(xiàn)機(jī)制都不夠完善，并且復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法需要大量數(shù)據(jù)，這也影響了此類方法的推廣應(yīng)用。

云模型是研究定性概念和定量數(shù)值之間相互轉(zhuǎn)換的不確定性認(rèn)知模型，具有非常好的處理模糊性和隨機(jī)性的能力[11-13]。為了解決上述問題，考慮到列控運(yùn)營安全的模糊性和隨機(jī)性，本文引入了云模型和不確定層次分析法AHP(Analytic Hierarchy Process)對列控運(yùn)營安全進(jìn)行評估。首先建立了列控運(yùn)營安全評估體系；其次采用不確定AHP計算評估體系的權(quán)重區(qū)間，利用集對分析理論得到權(quán)重精確值；然后給出了基于云模型的列控運(yùn)營安全評估方法；最后以實(shí)例表明了評估方法的有效性。

1 列控運(yùn)營安全評估體系

列控安全評估涉及很多影響因素，且各個因素影響程度均不相同，只有綜合考慮各種因素，才能夠反映列控運(yùn)營的整體安全狀態(tài)。然而由于技術(shù)水平的限制，很難對所有的因素進(jìn)行信息采集。此外，不同運(yùn)行條件也對列控運(yùn)營的安全狀態(tài)造成差異。因此本文借鑒已有的工作，覆蓋人、機(jī)、環(huán)、管四方面，依據(jù)科學(xué)性、代表性原則，構(gòu)建列控運(yùn)營安全評估指標(biāo)體系見圖1。

指標(biāo)體系由目標(biāo)層、項目層和指標(biāo)層3個層次構(gòu)成。U是目標(biāo)層，表示列控運(yùn)營安全狀態(tài)的評估結(jié)果；U1，U2，U3，U4構(gòu)成項目層，表示列控運(yùn)營狀態(tài)的安全評估因素，是從不同方面對目標(biāo)層的具體描述；指標(biāo)層是項目層的細(xì)化，表示具體的評估狀態(tài)量。

2 安全評估體系權(quán)重計算

2.1 采用不確定AHP計算指標(biāo)體系的權(quán)重區(qū)間

安全評估體系權(quán)重的計算是列控安全運(yùn)營評估的1個難點(diǎn)。不確定AHP采用的是區(qū)間標(biāo)度，可以很好地反映專家對指標(biāo)體系主觀判斷的模糊性[14]，因此，采用不確定AHP來描述專家對各安全因素之間相對重要度的評估，具體步驟如下:

Step1計算區(qū)間數(shù)判斷矩陣

不失一般性，假設(shè)指標(biāo)體系某級有n個安全因素，各專家采用1～9標(biāo)度法對安全因素之間的相對重要度進(jìn)行評估；之后將專家意見進(jìn)行綜合，得到區(qū)間數(shù)判斷矩陣

A=Aijn×n=[aij,bij]=

( 1 )

式中:aij、bij為評判區(qū)間的上下限。

Step2計算權(quán)重區(qū)間

依據(jù)判斷矩陣A得到一致性逼近矩陣M=(mij)n×n，有

( 2 )

計算一致性逼近矩陣M的權(quán)重Wiw1,w2,…,wn，有

( 3 )

計算出權(quán)重Wiw1,w2,…,wn后，計算極差矩陣ΔM1、ΔM2，權(quán)重傳遞誤差ΔkWj，有

( 4 )

式中：k=1,2。

區(qū)間數(shù)判斷矩陣A的權(quán)重區(qū)間為

( 5 )

2.2 利用集對分析計算權(quán)重精確值

μj=aj+bji+cjj

( 6 )

式中:i、j為差異度和對立度系數(shù);aj=wj-Δ1Wj，bj=Δ1Wj+Δ2Wj，cj=1-wj-Δ2Wj。

分別計算出確定性區(qū)間相對權(quán)重Pj和不確定性相對權(quán)重Qj，有

( 7 )

( 8 )

3 基于云模型的安全評估方法

評估方法模型見圖2，基于云模型的安全評估主要步驟為:

Step1確定安全評估等級S；

Step2邀請專家進(jìn)行評估，并對專家評價信息進(jìn)行預(yù)處理；

Step3依據(jù)安全評估等級生成標(biāo)準(zhǔn)云；

Step4將安全評估的信息生成指標(biāo)層云模型；

Step5指標(biāo)層云模型經(jīng)過綜合得到項目層云模型，項目層云模型經(jīng)過綜合得到綜合云；

Step6對標(biāo)準(zhǔn)云和綜合云進(jìn)行相似度計算，取相似度最大的標(biāo)準(zhǔn)云等級為安全評估等級。

3.1 確定安全評估等級S

建立風(fēng)險嚴(yán)重度等級S={S1,S2,…,SP}，P為列控運(yùn)營安全等級個數(shù)。

3.2 專家評價

邀請專家對指標(biāo)體系U的項目層和指標(biāo)層中的指標(biāo)進(jìn)行評價，評價值在[0,1]之間，0為最不安全，1為最安全。

3.3 安全評估標(biāo)準(zhǔn)云設(shè)計

Step1根據(jù)區(qū)間的上下限值，計算期望Exi為

( 9 )

Step2由于安全評估中各個等級的評價邊界值是兩個級別相互過渡的臨界值，所以該評估域的邊界值應(yīng)該屬于與其相鄰的兩個級別，即為

(10)

Step3計算Hei=η。η為常數(shù)，其取值大小反映安全評估標(biāo)準(zhǔn)云評估標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)性大小。η越大，評估標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)性越大，評估標(biāo)準(zhǔn)越難以確定，故其取值不宜太大。

3.4 指標(biāo)層云模型

對專家評價結(jié)果Xij(xi1j,xi2j,…,xiMj)進(jìn)行處理，其中i為項目層因素Ui的序號，M為Ui對應(yīng)指標(biāo)層評估因素的個數(shù)，j=1,2,…,J；計算得到M個評估云模型Cim(Exim,Enim,Heim)，其中m=1,2,…,M；Exim是Cim期望；Enim是Cim的熵；Heim是Cim的超熵。計算步驟如下：

Step1Cim的期望為

(11)

Step2Cim的熵為

(12)

Step3Cim的超熵為

(13)

3.5 項目層云模型和綜合云計算

計算出指標(biāo)層云模型之后，根據(jù)云的數(shù)字特征和對應(yīng)的權(quán)重計算出對應(yīng)的項目層云模型為

Ci=(EXi,ENi,HEi)

(14)

計算出項目層云模型之后，再根據(jù)式(14)，計算得到綜合云模型CZ(EXZ,ENZ,HEZ)。

3.6 云相似度計算和運(yùn)營風(fēng)險等級確定

分別計算綜合云相對于各個標(biāo)準(zhǔn)云的相似度，取相似度最大的標(biāo)準(zhǔn)云等級為列控運(yùn)營安全評估等級。相似度的定義和計算步驟見文獻(xiàn)[16]。

4 實(shí)例驗證

以蘭新高鐵某段CTCS-3級列控系統(tǒng)為研究對象，采用本文提出的評估方法對運(yùn)營安全進(jìn)行評估。

4.1 評估體系權(quán)重計算

(1) 計算權(quán)重區(qū)間

以項目層指標(biāo)U4說明計算過程。邀請10個專家對項目層指標(biāo)U4對應(yīng)的指標(biāo)層因素U41、U42、U43和U44進(jìn)行兩兩比較，專家經(jīng)過商討，得到判斷矩陣為

依據(jù)式( 3 )～式( 5 )，計算得到U41、U42、U43和U44的權(quán)重區(qū)間為

W′=([0.433 4,0.576 2]，[0.240 3,0.382 2]，[0.139 5,0.214 4]，[0.047 2,0.057 8])

(2) 計算精確權(quán)重值

μ1=0.433 4+0.142 8i+0.423 8j

μ2=0.240 3+0.141 9i+0.617 8j

μ3=0.139 5+0.074 9i+0.785 6j

μ4=0.047 2+0.010 6i+0.942 2j

根據(jù)式( 7 )，計算得到

Pj=[0.428 2,0.297 6,0.169 3,0.050 3]

Qj=[0.236 2,0.236 6,0.254 9,0.272 5]

依據(jù)式( 8 )，計算得到U41、U42、U43和U44的精確權(quán)重值

(3) 計算體系權(quán)重值

同理，計算得到

4.2 確定安全評估等級S

參考EN50126標(biāo)準(zhǔn)[17]和已有的研究成果，將列控運(yùn)營安全等級分為4級，分別為：Ⅰ級，安全水平不可接受，必須采取措施降低風(fēng)險；Ⅱ級，安全水平不理想，當(dāng)風(fēng)險降低不可行時，需要在鐵路組織同意下接受風(fēng)險；Ⅲ級，安全水平可以容忍，風(fēng)險可以被合理控制；Ⅳ級，安全水平高，風(fēng)險可以忽略。所以，安全評估等級S={Ⅰ,Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}。

4.3 專家評估

邀請10位列控運(yùn)營安全方面的專家對該高鐵列控的運(yùn)營安全進(jìn)行評估。評估按照評估體系進(jìn)行分層打分，打分分值在[0,1]范圍之內(nèi)，0表示安全等級為Ⅰ級，1表示安全等級為Ⅳ級。

4.4 計算標(biāo)準(zhǔn)云

依據(jù)評價集S={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}，按照等分原則將安全區(qū)間[0,1]分為4個子區(qū)間，分別為：[0,0.25)(Ⅰ級)，[0.25,0.5](Ⅱ級)，[0.5,0.75)(Ⅲ級)，[0.75,1](Ⅳ級)。依據(jù)經(jīng)驗取常數(shù)η為0.025，可由式( 9 )、式(10)，計算出評價標(biāo)準(zhǔn)云為：Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)云CⅠ(0,0.106 2,0.025)，Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)云CⅡ(0.375,0.106 2,0.025)，Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)云CⅢ(0.625,0.106 2,0.025)，Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)云CⅣ(1,0.106 2,0.025)。采用正向云生成器可生成評價標(biāo)準(zhǔn)云見圖3。

4.5 指標(biāo)層云模型

以指標(biāo)層因素U22為例，說明指標(biāo)層云模型的計算過程。

10位專家對鐵路運(yùn)輸服務(wù)影響屬性的評價結(jié)果為X22j=(0.63,0.76,0.67,0.85,0.81,0.87,0.73,0.63,0.75,0.85)。

將X22j代入式(11)～式(13)，計算得到Ex22=0.73，En22=0.45，He22=0.012。所以，指標(biāo)層因素U22的云模型C22(Ex22,En22,He22)為(0.73,0.45,0.012)。同理，分別計算指標(biāo)層其他因素的云模型，得到表1。

表1 指標(biāo)層云模型

4.6 項目層云模型和綜合云模型

4.7 計算相似度

采用MATLAB 6.0計算相似度，得到綜合云C和標(biāo)準(zhǔn)云的相似度δ(δ1,δ2,δ3,δ4)為(0.010,0.103,0.424,0.463)。從結(jié)果看出，綜合云C和Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)云的相似度最大，所以運(yùn)營安全評估等級為Ⅳ級；但由于綜合云C和Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)云的相似度δ3的大小和δ4相差不大，也可認(rèn)為安全評估處于Ⅲ級和Ⅳ級之間，更靠近Ⅳ級。所以評估結(jié)果為存在少許風(fēng)險，但存在的風(fēng)險可以被合理控制，基本可以認(rèn)為風(fēng)險可以忽略不計。安全評估結(jié)果與現(xiàn)場情況相同，這說明評估結(jié)果合理，也證明了本文方法的正確性和有效性。畫出綜合云C(紅色部分)與標(biāo)準(zhǔn)云(黑色部分)的圖形見圖4。從圖可見，綜合云介于Ⅲ級和Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)云之間，但是更靠近Ⅳ級，這與相似度計算結(jié)果相同。

5 結(jié)論

在研究列控運(yùn)營安全評估理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文將不確定AHP、集對分析理論和云模型理論引入到列控運(yùn)營安全評估之中，并用實(shí)例進(jìn)行計算和驗證，得到以下結(jié)論：

(1) 利用不確定AHP確定了安全評估體系的權(quán)重區(qū)間，符合專家的工程實(shí)踐和思維決策。通過集對分析將權(quán)重區(qū)間轉(zhuǎn)化為權(quán)重精確值，使得計算結(jié)果更加科學(xué)合理。

(2) 利用云模型較好地處理模糊性和隨機(jī)性的能力，建立了標(biāo)準(zhǔn)云模型、指標(biāo)層云模型和綜合云模型，兼顧了安全評估中的不確定性和隨機(jī)性。

(3) 最后通過實(shí)例驗證了基于云模型和不確定AHP在列控運(yùn)營安全評估中應(yīng)用的可行性和有效性。

本方法從風(fēng)險本質(zhì)屬性模糊性和隨機(jī)性的角度出發(fā)，客觀科學(xué)的評估了列控運(yùn)營安全的等級，為現(xiàn)場列控運(yùn)營的安全評估提供了更加科學(xué)的方法，具有良好的應(yīng)用價值。同時，本文中的評估方法也可以應(yīng)用于其他安全評估領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1] 寧濱，唐濤，李開成，等. 高速列車運(yùn)行控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社, 2012.

[2] 郭進(jìn)，張亞東. 中國高速鐵路信號系統(tǒng)分析與思考[J].北京交通大學(xué)學(xué)報, 2012, 36(5):90-94.

GUO Jin, ZHANGYadong. Study and Consideration on Chinese High Speed Railway Signal System[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2012, 36(5): 90-94.

[3] 燕飛，唐濤. IEC61508及其在鐵路安全相關(guān)系統(tǒng)研制開發(fā)中的應(yīng)用研究[J].鐵道學(xué)報, 2005, 27(3): 124-128.

YAN Fei, TANG Tao. Study on IEC61508 Application in Railway Safety Related System[J].Journal of the China Railway Society, 2005, 27(3): 124-128.

[4] 郜春海，燕飛，唐濤. 軌道交通信號系統(tǒng)安全評估方法研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2005, 15(10): 78-83.

GAO Cunhai, YAN Fei, TANG Tao. Study on Safety Assessment of Rail Traffic Signaling system[J].China Safety Science Journal, 2005, 15(10): 78-83.

[5] 劉超，唐濤，李開成. 高速鐵路信號系統(tǒng)的安全管理評價研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報, 2013, 23(1):129-135.

LIU Chao, TANG Tao, LI Kaicheng. Research on Assessing Safety Management of High Speed Railway Signal System[J]. China Safety Science Journal, 2013, 23(1): 129-135.

[6] 肖雪梅，王艷輝，張思帥，等. 基于耗散結(jié)構(gòu)和熵的高速鐵路事故演化機(jī)理研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2012, 22(5): 99-105.

XIAO Xuemei, WANG Yanhui, ZHANG Sishuai, et al. Evolution Mechanism of High Speed Railway Accident Based on Dissipative Structure and Entropy Theory[J]. China Safety Science Journal, 2012, 22(5): 99-105.

[7] 劉敬輝，戴賢春，郭湛，等. 鐵路系統(tǒng)基于風(fēng)險的定量安全評估方法[J]. 中國鐵道科學(xué), 2009, 30(5): 123-128.

LIU Jinghui, DAI Xianchun, GUO Zhan, et al. Quantitative Safety Assessment Method Based on Risk in Railway System[J]. China Railway Science, 2009, 30(5): 123-128.

[8] 王欣，左忠義. 基于系統(tǒng)動力學(xué)的高鐵安全管理研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2013, 23(10): 158-163.

WANG Xin, ZUO Zhongyi. Research on High Speed Rail Safety Management Based on System Dynamics[J]. China Safety Science Journal, 2013, 23(10): 158-163.

[9] 張亞東，郭進(jìn)，戴賢春，等. 基于多級可拓評價法的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)運(yùn)營安全風(fēng)險評價[J]. 中國鐵道科學(xué), 2013, 34(5): 114-119.

ZHANG Yadong, GUO Jin, DAI Xianchun, et al. Operation Safety Risk Evaluation of Train Control System Based on Multilevel Extensible Evaluation Method[J]. China Railway Science, 2013, 34(5): 114-119.

[10] XIAO Xuemei, WANG Yanhui, JIA Limin. Hierarchical Network Model of Safe High-speed Rail Operation[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2011(2261): 49-56.

[11] 姚文斌，王真，趙玲，等. 基于云模型的災(zāi)難恢復(fù)能力評價方法研究[J].計算機(jī)科學(xué),2015, 42(8): 152-156.

YAO Wenbin, WANG Zhen, ZHAO Ling, et al. Study on Disaster Recovery Capability Evaluation Approach Based on Cloud Model[J]. Computer Science, 2015, 42(8): 152-156.

[12] 劉延華，陳國龍，吳瑞芬. 基于云模型和AHP的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)可生存性評估[J]. 通信學(xué)報, 2014, 35(8): 107-115.

LIU Yanhua, CHEN Guolong, WU Ruifen. Survivability Evaluation of Network Information System Based on the Cloud Model and Analytic Hierarchy Process[J]. Journal on Communications, 2014, 35(8):107-115.

[13] 蘇兆品，張婷，張國富，等. 基于云模型和模糊聚合的應(yīng)急方案評估[J].模式識別與人工智能, 2014, 27(11): 1 047-1 056.

SU Zhaopin, ZHANG Ting, ZHANG Guofu, et al. Evaluation of Emergency Disposal Schemes Based on Cloud Model and Fuzzy Aggregation[J].Pattern Recognition and Artificial Intellgence, 2014, 27(11):1 047-1 056.

[14] 俞素平，李素梅. 基于集對分析的隧道設(shè)計安全風(fēng)險評估研究[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2014, 33(4): 38-43.

YU Suping, LI Sumei. Security Risk Assessment of Tunnel Design Based on Set Pair Analysis[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2014, 33(4): 38-43.

[15] 施志堅，王華偉，王祥. 基于多元聯(lián)系數(shù)集對分析的航空維修風(fēng)險態(tài)勢評估[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2016, 38(3):588-594.

SHI Zhijian, WANG Huawei, WANG Xiang. Risk State Evaluation of Aviation Maintenance Based on Multiple Connection Number Set Pair Analysis[J]. Systems Engineering and Electronics, 2016, 38(3): 588-594.

[16] 張仕斌，許春香. 基于云模型的信任評估方法研究[J].計算機(jī)學(xué)報, 2013, 36(2):422-431.

ZHANG Shibin, XU Chunxiang. Study on the Trust Evaluation Approach Based on Cloud Model[J]. Chinese Journal of Computers, 2013,36(2):422-431.

[17] European Committee for Electro Technical Standardization. EN 50126 Railway Application-the Specification and Demonstration of Reliability, Availability Maintainability and Safety (RAMS)[S].Brussels: European Committee for Electro Technical Standardization, 1999.