基于STAMP-ISM的地鐵事故分析方法研究

于耀程，帥 斌，黃文成

基于STAMP-ISM的地鐵事故分析方法研究

于耀程，帥 斌，黃文成

（西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都 611756）

作為城市軌道交通的重要支柱之一，地鐵已經成為現代城市生活中不可缺少的一部分。一旦地鐵運營發生事故，不僅會帶來巨大的經濟損失，也會威脅到人民的生命安全。本文將STAMP模型與三角模糊DEMATEL-ISM模型相結合，以更加深入地分析地鐵運營事故，對地鐵事故影響因素進行等級劃分，繪制地鐵事故影響因素多級階梯圖，深入剖析地鐵事故因素之間的邏輯關系，從而有針對性地提出地鐵事故的預防措施。以上海地鐵10號線列車追尾事故為案例進行分析，結果表明：STAMP模型與三角模糊DEMATEL-ISM模型的結合解決了傳統STAMP模型無法突出重點的缺陷，也解決了傳統ISM模型對二因素影響關系分類的局限性，可以更加全面深入地分析該事故各致因因素間的影響結果，從而有針對性地預防事故的發生。

地鐵事故；STAMP模型；DEMATEL-ISM；上海地鐵10號線

0 引 言

地鐵是我國公民出行的主要方式之一，在我國城市軌道交通中占據著舉足輕重的地位，一旦地鐵運營出現事故，將會帶來巨大的損失，因此分析地鐵事故從而制定有針對性的措施來保障地鐵運營安全有著重要意義。如：陳慧陽[1]以地鐵火災事故為研究對象，建立地鐵火災事故故障樹模型，并得出了危險源識別表，為地鐵火災事故的預防奠定了一定的理論基礎；吳海濤[2]對國內外多起事故案例進行深入分析，從而得出導致地鐵部分事故的主要風險因素；劉建[3]對地鐵消防系統的各項特征指標進行分析，同時使用物元分析對地鐵消防系統的安全性、可靠性進行詳細的評價，最后基于評價結果得出地鐵消防系統的薄弱環節及管理重點。但是，國內地鐵運營事故定量化研究較少。

系統理論事故建模與過程（Systems- Theoretic Accident Modeling and Process，STAMP）是針對復雜系統提出的事故致因模型，可從控制的角度厘清各組織內及組織間的事故原因，被廣泛地應用于各種事故分析中。如：李華[4]利用STAMP模型揭示建筑安全事故致因因素間的相互關系從而對其進行有效預防和控制，章仕杰[5]運用STAMP模型從控制角度詳細分析了豐城重大坍塌事故。但使用STAMP模型分析事故不易突出重點，也無法得到事故影響因素的影響強度，使得在制定相關預防措施時無法抓住重點。為了解決這一缺陷，本文在STAMP模型的基礎上引入解釋結構模型。解釋結構模型（Interpretative Structural Modeling，ISM）可以分析復雜系統因素間的相互作用關系，如：楊永旭[6]提出了基于解釋結構模型的可持續供應商績效影響因素分析方法；王凌峰[7]使用ISM分析了上市公司高管薪酬-績效敏感性的17個影響因素間的作用關系。傳統ISM方法假設各因素間的關系只有兩種情況，即有直接關系和無直接關系，但在實際情況中，影響因素之間的情況較為復雜，不能簡單地歸為有直接關系和無直接關系，為此本文需要引入決策試驗和評價試驗法[4]（Decision Making Trial and Evaluation Laboratory, DEMATEL）與三角模糊數來對ISM進行改進得到三角模糊DEMATEL-ISM模型，該模型可以更加深入詳細地分析兩因素之間的關系。

綜上所述，本文將使用STAMP模型與三角模糊DEMATEL-ISM模型相結合，對地鐵事故因素進行詳細、深入的研究，得出各個致因因素間的因果關系，從而有針對性地提出事故預防措施，為我國地鐵運營安全提供一定的實踐指導。

1 STAMP模型

STAMP模型認為事故是由不充分的控制和安全約束的缺失造成的，它將安全問題轉化為控制問題。STAMP模型主要使用3種基本結構來分析事故致因因素，分別是安全約束、分層控制結構與過程模型。

安全約束與分層控制模型如圖1所示[8]，整個安全系統被分為多層，子系統之間以上、下層的關系聯系在一起，其中上層系統發出安全約束條件用以約束下層系統的行為與決策，同時下層系統所收到的結果也將反饋于上層子系統，這就是STAMP模型中的安全約束與分層控制模型。

圖1 分層控制模型

過程模型如圖2所示，控制器向執行器輸入控制命令，執行器執行控制過程并將控制效果反饋給控制器，輔助其制定下一步控制決策。

圖2 過程模型

根據我國地鐵相關運營規定，使用STAMP模型制定地鐵運營安全控制結構，可分為：物理層、基層、管理層以及政府層。（1）物理層主要包含運營設備和自然環境。運營設備的故障以及暴雨等自然災害可能會導致事故發生。（2）基層主要包括地鐵值班人員和地鐵值班站長。值班人員接受值班站長的指揮，對地鐵運營過程進行一系列的操作，保障地鐵列車的安全運營。（3）管理層主要包括地鐵公司董事長與地鐵公司總經理。地鐵公司董事長負責在收到新規定或政策后及時召開董事會討論相關規定或政策的落實方法，并將討論結果擬定成文件；地鐵公司總經理負責根據上述文件并結合實際情況協調各站總攬具體落實工作。（4）政府層主要指國家交通運輸部，主要為地鐵運營制定相關規范和規則，同時也對地鐵運營工作進行監督檢查。

2 三角模糊DEMATEL-ISM模型

解釋結構模型可以將復雜的系統分解為多個子系統因素，利用專家經驗知識確定其中任意兩因素之間的關系，即確定它們之間是否有直接關系，最終得出一個多級階梯的結構模型[9]。而當引入DEMATEL時，則需要專家對這兩因素之間的關系進行更加詳細的分類打分。為了提高專家打分的客觀性，將專家的評價分值轉化為三角模糊評價變量[10]，打分規則如表1所示。由表1可知專家的每一個評價分值都對應一個三角模糊評價變量。

表1 兩因素關系專家評分及三角模糊評價變量表

三角模糊DEMATEL-ISM的求解步驟如下：

（3）根據專家權重比例求取加權之后的平均直接影響矩陣中第行第列的元素取值如下：

（4）計算標準化參數，利用對矩陣進行標準化處理得到矩陣：

（5）求取綜合影響關系矩陣：

式中，為單位矩陣。

（6）求取整體影響關系矩陣：

式中，k=1代表因素s對s有影響，k=0代表因素s對s無影響。

（10）根據影響因素分層繪制ISM多級階梯圖。

3 案例分析

2011年9月27日14:51分上海地鐵10號線列車由豫園站向老西門站運行過程中下行區間百米標176處兩列車不慎發生追尾。經初步統計，約有40余名乘客受傷，大部分為輕微傷，未發現重傷。

3.1 地鐵運營安全控制結構的建立

依據STAMP模型并結合地鐵運營的實際情況，建立上海地鐵10號線運營的安全控制結構，如圖3所示。國家交通運輸部制定出城市軌道交通中地鐵運營的政策與規定，下發至各地鐵運營公司，由董事長帶頭召開董事會討論政策、規定的落實辦法并將討論結果擬定成文件，由總經理負責執行。總經理根據文件內容協調各站工作任務后，將具體任務告知各站站長，再由各站長指揮站內值班人員對地鐵運營設備進行操作。因運營設備還會受到外界環境的干擾，故為了保證地鐵一直處于正常運營，操作人員需要及時接收運營設備反饋的信息，并匯總后上報各值班站長。站長再反饋給總經理，總經理匯總所有結果將政策的落實情況反饋給董事長，董事長再召開董事會針對規定政策落實的結果商議下一步改進措施。每隔一段時間，國家交通運輸部會收集各地鐵公司的運營情況，從而對相關政策和規定進行進一步完善修改。

圖3 上海地鐵10號線運營安全控制結構圖

3.2 地鐵運營事故影響因素分析

通過分析上海地鐵10號線“9·27”事故調查報告，并與地鐵運營安全控制結構圖相結合，從物理層、基層、管理層和政府層出發，深入分析造成上海地鐵10號線事故的主要影響因素，最終得到如表2所示的11個主要影響因素以及每個因素所屬層級和主要表現。

表2 上海地鐵10號線事故影響因素分析

3.3 基于三角模糊DEMATEL-ISM模型的地鐵事故影響分析

邀請6位專家對表2中11個因素中兩兩因素的影響強度進行打分，構建相應的評價分值矩陣，對應求得三角模糊評價變量矩陣，并依據前面三角模糊DEMATEL-ISM的求解步驟（2）～（7）計算得到可達矩陣的取值如下所示：

根據式（11）可求得第一層對應可達集、先行集以及共同集，如表3所示。

表3 第一層可達集、先行集以及共同集

由表3可知第一層所含影響因素為1、2、3,刪除可達矩陣中第1、2、3行和列，并計算第二層可達集、先行集以及共同集，結果如表4所示。

表4 第二層可達集、先行集以及共同集

由表4可知第二層所含影響因素為4、5、7、8，刪除可達矩陣中第4、5、7、8行和列，并計算第三次可達集、先行集以及共同集，結果如表5所示。

表5 第三層可達集、先行集以及共同集

由表5可知第三層所含影響因素為6、9，刪除可達矩陣中第6、9行和列，并計算第四次可達集、先行集以及共同集，結果如表6所示。

表6 第四層可達集、先行集以及共同集

由表6可知第四層所含影響因素為10、11，所有因素都已劃分完成，得到因素層級劃分如表7所示。

表7 地鐵事故致因因素層級劃分

根據地鐵事故致因因素層級的劃分可以得到地鐵事故致因因素多級階梯圖如圖4所示。

圖4 地鐵事故致因因素多級階梯圖

本次地鐵事故中11個影響因素共分為4層，其中1、2、3為近鄰致因，是直接導致上海地鐵10號線發生事故的原因；10、11為本質致因，是導致上海地鐵10號線發生事故的本質原因；4、5、7、8以及6、9均為過渡致因，是導致事故發生的間接因素，連接著本次事故的本質致因和近鄰致因。

綜上所述，國家交通運輸部門未能及時完善相關政策以及監督檢查上的失職是本次事故的本質致因，因此政府需要進一步完善地鐵運營的相關應急措施，使地鐵在遭遇突發事件后可以依據相關政策進行補救，同時要安排好監督檢查工作，以預防事故發生。

地鐵公司董事長落實政策不及時徹底、地鐵公司總經理協調不當、地鐵值班站長指揮不當和判斷錯誤、值班人員的疲勞工作和玩忽職守是本次事故的過渡致因。當新的規定政策發出時，地鐵公司董事長應及時召開董事會并徹底落實相關政策，從而及時將落實辦法傳達給總經理執行；總經理需要依據落實方法和各站實際情況，全面協調好各站的工作任務，為各站站長開展各站工作打下基礎；各站站長需要對站內實際情況做出準確地判斷并做出正確的指導以引導各值班人員順利完成各項站內工作，為了防止各站值班人員玩忽職守導致事故發生，各站站長也需要派人做好實地監督工作，同時也要安排好值班人員的換班時間和休息時間，以防止值班人員因過度疲勞而導致事故發生。

運營設備故障、自然災害，以及操作不當是本次事故的直接原因，地鐵部門應加大對一線運營設備的檢修頻率，同時加固設備地基，增強設備所在機房的密閉性，降低外界環境的影響。對相關操作人員要進行定期的培訓與考核，保證不會出現員工違規操作的現象發生。

4 結 語

本文首先介紹了STAMP模型的基本信息以及應用情況，接著又敘述了三角模糊DEMATEL-ISM方法的基礎信息以及運算步驟。最終將STAMP模型與三角模糊DEMATEL-ISM相結合應用分析上海地鐵10號線追尾事故，使用STAMP模型構建了上海地鐵10號線地鐵運營安全控制結構，并結合具體事故報告，從物理層、基層、管理層以及政府層四層出發，得到上海地鐵10號線事故的11個影響因素。其次，利用三角模糊DEMATEL-ISM模型對各影響因素之間的邏輯關系進行深入剖析，得到上海地鐵10號線事故影響因素層級劃分以及多級階梯圖。結果表明，將STAMP模型與三角模糊DEMATEL-ISM模型結合既可以解決傳統STAMP模型分析缺乏重點的缺陷，又可以解決傳統ISM模型中任兩因素關系分類的局限性，更加深入分析事故影響因素間的邏輯關系以及影響強度，最終根據相應的結果有針對性地提出控制地鐵事故的措施建議。

[1] 陳慧陽, 牟瑞芳, 沙明華. 基于主要突發事件的地鐵運營安全危險源辨識研究[J]. 交通運輸工程與信息學報, 2017, 15 (4): 120-126.

[2] 吳海濤, 羅霞. 基于ISM-FCM的地鐵運營風險因素演化分析與權重計算[J]. 交通運輸工程與信息學報, 2017, 15 (3): 41-48.

[3] 劉建, 代楊. 基于物元理論的地鐵消防系統安全可靠性評價[J]. 交通運輸工程與信息學報, 2011, 9 (3): 99-102, 117.

[4] 李華, 金萌, 鐘興潤. 基于STAMP模型的建筑事故致因因素定量分析方法研究[J]. 中國安全生產科學技術, 2020, 16 (4): 169-175.

[5] 章仕杰, 傅貴. 基于STAMP模型的豐城坍塌事故原因分析[J]. 安全, 2019, 40 (8): 46-51.

[6] 楊永旭, 劉吉林. 基于ISM的可持續供應商績效影響因素分析[J]. 物流科技, 2020, 43 (6): 41-45.

[7] 王凌峰, 詹雅晴, 王璐. 基于ISM方法的高管薪酬-績效敏感性影響因素交互作用機理分析[J]. 系統科學學報, 2020 (4): 122-126.

[8] 牛豐, 王昱, 周誠. 基于STAMP 模型的地鐵施工安全事故致因分析[J]. 工程與管理學報, 2016, 33 (1): 73-78.

[9] 周景陽, 何鵬旺. 基于解釋結構模型 (ISM) 的裝配式建筑成本影響因素分析[J]. 工程管理學報, 2019, 33 (1): 39-44.

[10] 閔桂龍, 端木京順, 高建國, 等. 基于模糊DEMATEL的航空維修安全管理體系研究[J]. 中國安全科學學報, 2015, 25 (11): 145-149.

Analytical Approach to Metro Accidents Based on STAMP-ISM

YU Yao-cheng, SHUAI Bin, HUANG Wen-cheng

（School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China）

As an important pillar of urban rail transit, the metro has become an indispensable part of modern city life. Therefore, if accidents occur in the metro, they will not only bring huge economic losses, but also threaten people’s lives. In this paper, the STAMP and triangular fuzzy DEMATEL-ISM models are combined to analyze metro accidents in depth and classify the influencing factors into a multi-level ladder diagram. After these, precautions to prevent such metro accidents can be proposed. Finally, the result is obtained by analyzing the accident on Shanghai metro line 10. It is determined that the traditional STAMP model cannot highlight the key factors, and the traditional ISM has limitations in classifying the relationship between two factors. However, the combination of the STAMP and triangular fuzzy DEMATEL-ISM models can solve these problems and analyze the impact of the accident in depth for the purpose of accident prevention.

metro accidents; STAMP model; DEMATEL-ISM; Shanghai metro line 10

1672-4747（2021）02-0046-07

U298.1

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2021.02.005

2020-07-15

國家自然科學基金（71173177）；西南交通大學研究生創新實驗實踐項目（YC201507103）；西南交通大學研究生學術培養提升計劃（跨學科創新培育）專題項目（2018KXK04）；西南交通大學2018年優秀博士培育項目

于耀程（1996—），男，陜西咸陽人，碩士研究生，研究方向：事故致因分析，E-mail：1410138567@qq.com

帥斌（1967—），男，四川樂山人，教授，博導，研究方向：交通運輸經濟、事故致因分析等，E-mail：bsh67@126.com

于耀程，帥斌，黃文成. 基于STAMP-ISM的地鐵事故分析方法研究[J]. 交通運輸工程與信息學報，2021, 19(2): 46-52.

YU Yao-cheng, SHUAI Bin, HUANG Wen-cheng. Analytical Approach to Metro Accidents Based on STAMP-ISM[J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(2): 46-52.

（責任編輯：劉娉婷）