城市軌道交通網絡運營安全的綜合評估

張靜萱，劉 兵，李曉璐，朱廣宇*

(1.國家鐵路局規劃與標準研究院，北京 100055；2.北京交通大學綜合交通運輸大數據應用技術交通運輸行業重點實驗室，北京 100044)

軌道交通運營網絡通常是指多條運營線路構成的復雜系統。它是中國重要的基礎設施，同時也是各區域經濟、文化交流的關鍵紐帶。軌道交通網絡的運營安全評價是指在事故發生之前，識別影響系統安全運營的關鍵因素，構建評價指標體系，提出評價方法，評估事故發生的可能性及嚴重程度[1]。近年來，因設備設施故障、管理不當、自然災害等因素導致的列車運營時有發生，造成了較為嚴重的經濟損失和人員傷亡[2]。另外，軌道交通網絡規模的日益擴大，雖然給人們的日常出行帶來了便利，但也加大了安全運營管理的難度。因此，合理地進行軌道交通網絡運營安全評價，對于制訂及時有效的控制措施，降低事故發生的頻率，提高軌道交通網絡運營管理的水平具有重要意義。

現有研究目前主要集中在評價指標和評價方法的研究方面。在評價指標方面，許慧等[3]分析了114起重大事故案例，總結出人為、設備、自然和管理四大類城市軌道交通運營的主要風險因素，并得出各個風險因素及其耦合方式對城市軌道交通線路運營的影響程度；Wang等[4]通過分析暴雨、雷電、地震、大風和大雨等惡劣天氣對軌道交通網絡安全運營的影響，基于馬氏距離測量函數，構建了軌道交通運營環境安全評價的指標體系；劉云等[5]基于事故樹分析構建了城市軌道交通站點運營安全評價的指標體系。張建平等[6]通過分析軌道交通系統的構成要素，從人、機、環、管4個方面，構建了站點運營風險評價的指標體系；在評價方法方面，段海洋等[7]運用層次分析法對城市軌道交通運營安全進行評價；高鵬等[8]通過梯形模糊數理論對軌道交通供電設備進行風險評估；尉強[9]通過引入網絡分析法、系統動力學和模糊綜合評判法，對青島地鐵2號線開展地鐵運營安全風險評價；Gao等[10]運用模糊層次綜合評價方法，對地鐵隧道火災的風險進行了評價；黎新華等[11]通過對運營事故的統計分析，基于DEMATEL和ISM模型構建了軌道交通站點運營安全評價的方法。

上述研究從系統安全的影響要素出發，構建了軌道交通運營安全評估的指標體系，但這些研究大多集中于單一站點、設施設備等子系統運營安全的評價，不足以全面、客觀地反映軌道交通網絡運營的安全水平。另外，在評價方法的構建方面，雖然大多數研究能對軌道交通運營系統的安全進行較為全面的評價，但評價結果受人為因素的干擾較強。同時研究對風險評估的討論有限，難以掌握網絡運營的全貌。

可拓物元模型利用評價指標的經典域和節域物元體現各指標的差異和攜帶的實際信息的重要程度，能夠將更多運營信息用于軌道交通網絡的安全評價[12]，能夠彌補當前研究的不足。因此在當前研究的基礎上，現結合軌道交通網絡運營的特點，通過識別易于引起軌道交通網絡運營風險的因素，構建科學合理的評估指標體系，并基于熵權可拓物元模型提出面向軌道交通網絡運營安全的評價模型。

1 軌道交通網絡運營安全評估指標體系的構建

軌道交通系統是一個相對封閉的系統，設施設備和外部環境通常是干擾列車安全運營的主要因素。結合軌道交通網絡的運營特性，將運營安全評價的過程劃分為運營安全的感知、理解和分析過程，如圖1所示。運營安全的感知主要是通過艇機載荷、及車載傳感器獲取列車安全狀態、線路周邊地質災害及基礎設施安全狀態信息；運營安全的理解主要是利用大數據處理技術，實現對飛艇及無人機檢測信息、基礎設施和自然災害檢測、列車運行安全信息的融合挖掘；運營安全的分析主要是在列車運行狀態辨識、周圍環境狀態辨識和基礎設施狀態辨識的基礎上，結合多源數據融合的特征，提出評價方法，綜合分析軌道交通網絡的運營安全。從評價的目的出發，構建的面向軌道交通網絡運營安全評價指標體系如圖2所示。

圖1 軌道交通網絡運營安全評價的過程

圖2 面向軌道交通網絡運營安全評價的指標體系

2 軌道交通網絡運營安全評價方法的構建

為全面、客觀地評價軌道交通網絡的運營安全，建立多層級、多數量、彼此之間獨立且緊密聯系的評價指標體系是很有必要的，然而這些指標通常口徑不一，有的是一個量值，有的是一段描述，指標之間難免存在交叉或不相容。因此，需要選擇一個能夠兼顧指標簡單關系且可操作性強的運營安全評價方法。熵權可拓物元模型借助信息熵的思想，綜合考慮各指標在時序上的變化情況，對其進行賦權，同時通過明確各指標的經典域和節域物元，運用關聯函數確定各評價指標之間的關聯度，從而確定被評價對象的風險等級。它能夠科學、客觀地解決評價對象內容不相容的問題，適用于軌道交通復雜系統的運營安全評價。

2.1 基于熵權模型確定指標權重

利用艇機載荷及車載傳感器采集列車安全狀態、線路周邊地質災害及基礎設施安全狀態這些信息，獲取各時期評價指標的量值，采用熵權模型，確定指標權重。其具體步驟如下。

(1)評價指標判斷矩陣標準化。假設aij(l)為i指標在j時期的量值，其標準化的方法為

(1)

式(1)中：amin(l)和amax(l)分別為由m個時間段內n個評價指標量值構成的運營安全評價指標判斷矩陣中的最小值和最大值；xij(l)為指標i在j時期標準化后的取值；l為參與評價的軌道交通線路，l=1,2,…,L。

(2)評價指標的熵Fl(i)。熵是對事物“不確定性”程度最好的度量標準，當指標的信息熵越小時，指標蘊含的信息量就越大，指標對應的權重也就越高[13]。

(2)

式(2)中：Fl(i)為第l條軌道交通線路上指標i的熵；m為參與評價的時間段的數量。

(3)評價指標的權重計算。

(3)

2.2 基于可拓物元模型劃分軌道交通網絡的運營安全等級

可拓物元評價方法是將待評對象視為物元，通過物元分析來確定不同評價等級的評估標準，再運用關聯函數分別計算待評價對象對每一個等級的關聯度值，從而客觀反映出被評價對象的狀態等級，并且可以體現被評價對象之間相互影響和相互作用的拓展過程，完整反映出評價對象的綜合水平。可拓物元模型利用評價指標的經典域和節域物元體現各指標的差異和攜帶信息的重要程度，能夠將軌道交通網絡更多的實時運營信息用于安全評價[14]。采用可拓物元模型進行軌道交通網絡運營風險等級劃分的具體步驟如下。

(1)經典域的確定。評價指標的風險等級、名稱以及對應風險等級評價指標的量值區間構成的物元即為評價指標的經典域。劃分評價指標的風險等級后，采用數理統計的方法對軌道交通網絡歷史運營信息進行挖掘和分析，計算得到各個風險等級下指標的量值區間，以此構建評價指標的經典域，可表示為

(4)

式(4)中：Rk為第k風險等級下評價指標的經典域；v為評價指標集合，v={v1,v2,…,vn}；zk為k風險等級下指標的量值區間的集合，zk={zk(1),zk(2),…,zk(n)}，zk(i)=[ck(i),dk(i)]，i=1,2,…,n，k=1,2,…,G，G為劃分得到的指標運營風險等級的總數，dk(i)、ck(i)分別為指標i在k風險等級中的上界和下界值。

(2)節域的確定。評價指標的風險等級、名稱以及指標值域構成的有序三元組即為評價指標的節域Rp，可表示為

Rp=(Op,v,zp)=

(5)

式(5)中：Rp為評價指標的節域；Op為評價指標的風險等級集合；v為評價指標集合，v={v(1),v(2),…,v(n)}；zp為評價指標的值域集合；dp(i)、cp(i)(i=1,2,…,n)分別為評價指標i值域的上界和下界值。

(3)評價軌道交通線網物元的確定。進行軌道交通網絡運營安全的評價需要綜合考慮各條線路的運營安全狀態[15]。因此，利用艇機載荷及車載傳感器，獲取各線路的列車安全狀態、線路周邊地質災害及基礎設施安全狀態信息，量化各條線路的評價指標，構建待評價軌道交通網絡的物元，可表示為

(6)

(4)風險關聯度的確定。第l條參與評價的軌道交通線路的指標量值與評價指標經典域之間的距離為

(7)

由此，第l條軌道交通線路的第i個評價指標與第k運營風險等級的關聯度函數Nlk(i)為

(8)

2.3 線路權重的計算方法

進行軌道交通線網運營安全評價時，假設各線路的重要度僅與線路的客運或貨運總量有關，同時假設線路列車不存在客貨混載的情況。各線路權重的計算方法為

(9)

式(9)中：μl為軌道交通線路l的權重；q(l)為線路l的客運或貨運總量。

2.4 待測評線路風險等級的劃分

對各運營線路評價指標進行加權求和，即可得到軌道交通線網運營風險的綜合關聯度值，取最大關聯度對應的風險等級作為待評價線網的運營風險等級。具體步驟如下。

(1)對軌道交通線路評價指標的綜合關聯度按下式加權求和，得到運營線路的綜合關聯度。

(10)

式(10)中：Nkl為第l條線路與第k風險等級的綜合關聯度，取max{Nkl}對應的風險等級作為線路l最終的評價結果；γl(i)為線路l上評價指標i的權重值；Nlk(i)為線路l上評價指標i與第k運營風險等級的綜合關聯度。

(2)對軌道交通線路的綜合評估結果按式(11)加權求和，得到軌道交通線網的綜合關聯度。

(11)

式(11)中：Nk為軌道交通線網與第k運營風險等級的綜合關聯度。

(3)對軌道交通網絡的綜合評估結果Nk進行判斷。如果?Nk≤0,k=1,2,…,G，那么軌道交通網絡運營風險等級最終的評估結果取min{|Nk|}對應的k值；若?Nk≥0,k=1,2,…,G，那么取軌道交通網絡運營安全最終的評估結果max{|Nk|}對應的k值。

3 實例分析

以中國某3條軌道交通線路構成的網絡為分析對象，運用提出的評價方法對其運營安全進行評價。具體步驟如下。

步驟一獲取各線路評價指標的量值，確定指標權重。綜合考慮軌道交通網絡的運營特性、歷史故障致因，從評價的目標出發，構建了包含28個一級指標、7個二級指標、3個三級指標的評價指標體系。通過利用艇機載荷及車載傳感器這些檢測設備，獲取實驗網絡8個運營時間段內的列車運營狀態、線路周邊地質災害及基礎設施運營狀態這些信息，量化各條軌道交通線路的評價指標，構建評價指標判斷矩陣，并利用式(9)計算各線路的指標權重，結果如表1所示。

表1 線路指標權重及待評價時期線路指標量值

圖3給出了3條線路評價指標的權重分布。可以看出，3條線路評價指標的權重分布存在差異，驅動裝置故障率、鉤舌故障率、緊急制動觸發裝置故障率、溫濕度指數、異物入侵率、道床傷損率和高架結構的穩定性是影響線路1運營安全的重要因素；滾動軸承磨耗率、鉤尾故障率、基礎制動裝置故障率、溫濕度指數、地質綜合條件、道岔傷損率和高架結構的穩定性是影響線路2運營安全的重要因素；驅動裝置故障率、鉤身故障率、緊急制動觸發裝置故障率、低能見度、地質綜合條件、軌枕傷損率和橋隧結構的穩定性是影響線路3運營安全的重要因素。造成線路指標權重分布差異的主要致因是軌道交通線路的運營里程長，線路所處的地質、氣候環境以及客流強度存在較大的差異。

圖3 軌道交通線路的指標權重

步驟二劃分運營風險等級及確定評價指標的經典域。將軌道交通網絡的運營風險等級按照從高到低的順序，劃分為5個風險等級，并結合線路的歷史運營信息，確定了經典域劃分的規則,結果如表2所示。

表2 評價指標的經典域

步驟三確定線路權重及運營安全的綜合評估結果。采用式(10)對線路評價指標與經典域之間的關聯度進行計算，加權求和后最終得到各線路運營安全的綜合評估值，其結果如表3所示。

軌道交通線路運營安全的綜合評估結果如圖4所示，可以看出，線路2在當前時間段處于第5安全等級，運營的安全性較高；線路1和線路3分別處于第2和第3安全等級，運營的安全性較低。由此可知，在軌道交通線網實際運營過程中應加大對線路1和線路3的安全管理，以提高全網的運營安全水平。

圖4 軌道交通線路運營安全評估結果

步驟四軌道交通網絡運營安全綜合評估結果。將表3計算得到的線路運營綜合評價值按式(11)進行加權求和，最終得到軌道交通網絡在各個風險等級區間的綜合關聯度值，結果如圖5所示。從中可以看出，當前時間段軌道交通網絡處于第3運營風險等級。

表3 軌道交通線路運營安全綜合評價

圖5 軌道交通網絡運營安全評價結果

4 結論

(1)綜合考慮軌道交通網絡的運營特性、歷史故障致因，從列車運行狀態、周圍環境狀態和基礎設施狀態3個方面構建了面向軌道交通網絡運營安全綜合評價的指標體系；并基于熵權可拓物元模型提出了軌道交通網路運營安全綜合評價方法，運用熵權法較為客觀地確定了線路評價指標的權重，根據指標經典域和節域的劃分規則，較為準確地確定了軌道交通網絡運營的風險等級。

(2)應用所提出的軌道交通網絡運營風險評價方法，通過計算綜合關聯度值得出了各指標風險等級和風險值與線路風險的相關性，并分別最終確定了驅動裝置故障率、鉤舌故障率、緊急制動觸發裝置故障率、溫濕度指數、異物入侵率、道床傷損率和高架結構的穩定性是影響3條線路1運營安全的重要因素；滾動軸承磨耗率、鉤尾故障率、基礎制動裝置故障率、溫濕度指數、地質綜合條件、道岔傷損率和高架結構的穩定性是影響線路2運營安全的重要因素；驅動裝置故障率、鉤身故障率、緊急制動觸發裝置故障率、低能見度、地質綜合條件、軌枕傷損率和橋隧結構的穩定性是影響線路3運營安全的重要因素。在實際運營過程中，可針對這些因素，采取相應的風險防范化解措施，有利于提高項目風險防范措施的有效性。

(3)以3條線路構成的網絡為例，分析得出了當前時間段實驗軌道交通網絡的運營安全等級為第3級，屬于中等安全，同時證明了提出的熵權可拓物元模型對于軌道交通網絡運營安全的評估適用性。