基于突变理论的铁路危险货物办理站安全评价

王 喆 蔡梦贤

（西南交通大学交通运输学院1） 成都 610031）

（成都铁路交大危险货物运输技术服务中心2） 成都 610031）

0 引 言

危险货物运输是铁路运输的重要组成部分，由于危险货物特殊的物化性质和运输特点，加大了运输管理的难度，同时对安全也提出了更高的要求．危险货物办理站处于危险货物运输网络的枢纽位置，所以危险货物办理站作业质量的好坏对整个危险货物运输有着举足轻重的影响．本文提出用突变级数模糊隶属度函数法进行安全评价，对铁路危险货物办理站作业系统安全性这一集模糊性与随机性为一体的现象，将突变理论和模糊数学相结合，采用多准则的突变级数法对其进行综合评价，通过全面诊断，及时发现事故隐患，积极预防，真正作到防患于未然．

1 突变理论综合评价方法

突变理论（catastrophe theory）是法国数学家Rene．Thom创立的一门研究突变（质变）现象的新兴学科，它是关于系统状态变量的特征对控制变量依从关系的数学理论．其基本特点是根据一个系统的势函数将系统的临界点分类，研究分类临界点附近状态变化的特征，从而归纳出若干初等突变模型，并以此为基础探索自然和社会中的突变现象［1－2］．

1．1 常用的突变理论基本模型［3］

常用的突变模型有尖点突变、燕尾突变及蝴蝶突变，见表1．

表1 初等突变模型的势函数及示意图

对于突变模型的势函数f（X），它的所有临界点集合成一平衡曲面，通过对f（X）分别求一、二阶导数，并令f′（X）＝0和f″（X）＝0，即可得到反映状态变量与各控制变量间关系的分解形式的分歧方程（见表1）．

1．2 归一公式的导出

通过分歧方程可导出归一公式，归一公式将系统内部各控制变量的不同质态归化为可比较的同一种质态，即用状态变量表示的质态．运用归一公式，可求出表征系统状态特征的系统总突变隶属函数值，这是利用突变理论进行综合分析评判的基本运算公式．常用的三种突变模型的归一公式如下．

燕尾突变

1．3 基于突变理论的多准则评价方法

突变评价法（catastrophe evaluation method）是在突变理论基础上发展起来的一种综合评价方法，主要步骤是［4］：

1）构建评价指标体系．按系统的内在作用机理，将其分解为若干评价指标组成的多层系统．

2）对底层指标（控制变量）进行原始数据规范化．将突变理论与模糊数学相结合，产生一种多维的在［0，1］之间取值的越大越优型的突变模糊隶属度值．归一公式中，控制变量表征的是状态变量的不同方面的特征，其原始数据取值范围和度量单位各不相同，它们之间无法进行相互比较．因此，在使用归一公式之前，应将控制变量的原始数据转化到0～1范围内的量纲一的量可比较数值，即对控制变量进行原始数据规格化，同时，无论是效益型指标（数值越大越好），还是成本性指标（数值越小越好），都采用相对隶属度进行数据处理．

3）归一运算．利用归一公式进行综合量化递归运算，求出评价系统的总突变隶属度值．按归一公式可计算同一系统各控制变量（指标）的相应中间值，对该中间值进行突变理论综合评价时，必须考虑两个原则，即“互补”与“非互补”原则．

4）重复上述步骤，分别计算出不同评价系统的总突变隶属函数数值，从而据此进行不同系统间的综合评价；或者分别计算出不同时期的系统状态总突变隶属函数值，从而可对系统状态作出动态模糊综合分析．

2 铁路危险货物办理站安全综合评价指标体系

利用突变理论对办理站进行评价时，必须根据评价目的对评价总指标进行多层次逐渐分解，排列成倒树状目标层次结构．原始数据只需要知道最底层指标的数据就可以了．一个指标进行分解，是为了得到更具体的指标，以便进行量化，分解到一般可计量的子指标时，分解就可停止．考虑到一般突变模型中某状态变量的控制变量不超过4个，所以，相应的一般各指标分解也不要超过4个．

根据《铁路危险货物运输管理规则》规定，危险货物办理站的储运仓库、作业站台、专用雨棚等专用设施、设备，要与所办理危险货物的品类和运量相适应．耐火等级、防火、防爆、防雷、防静电、污水排放和污物处理等应符合国家有关规定及技术标准．危险货物办理的地点、场所应配备有关检测设备和报警装置；作业人员应配备相应的防护用品；装卸设备应具备防爆、防静电功能；装卸能力、计量方式、消防设施、安全作业防护应符合规定要求．货运人员、技术管理人员、装卸及驾驶人员应经过铁路危险货物运输业务知识培训，熟悉本岗位的相关危险货物知识，掌握铁路危险货物运输规定．建立健全危险货物受理、承运、装卸、储存保管、消防、劳动安全防护等安全作业规程及管理制度．有铁路危险货物运输事故处理应急预案，配备应急救援人员和必要的应急救援器材和设备［5］．

根据以上分析和危险货物运输生产实践可知，铁路危险货物办理站作为一个复杂的大系统，其安全状况受多种因素的影响，涵盖领域广泛、各影响因素间相互作用复杂，并且有些指标难以量化，从而使得评价指标体系过于复杂，难于操作．借鉴国内外铁路危险货物办理站安全评价综合指标体系确定方面的研究成果［6］，办理站的安全状况可以从设备设施、防灾系统、人员素质以及安全管理4个方面予以考察：（1）设备设施可以分解为货物自身危险性（如易燃、易爆、毒害性、放射性等）、货物包装（包装质量、标识、包装检测）、技术设备（仓库、站台、专用线、作业器具、装卸设备等）、车站环境（温湿度、风霜雨雪等影响储运安全的自然环境和社会治安等社会环境）4个子指标；（2）防灾系统又可以分解为安全设备（包括消防、防雷电设备、防护设备等）、检测设备（计量、检测和报警设备等）、应急救援3个子指标；（3）人员素质可以分解为身体素质、文化素质、心理素质和思想素质4个子指标；（4）安全管理又可以分解为结构及人员配置、规章制度、宣传教育和专项检查4个子指标．

其多层次安全评价指标体系如图1所示．

图1 铁路危险货物办理站安全评判体系

3 实例计算

按照图1建立的评价指标体系，聘请5位专家对2004～2008年度底层指标评分，评分结果采用相对隶属度函数法转换成［0，1］范围内的突变模糊隶属度函数，列于表2．按照上述突变理论多准则评价方法，由归一公式逐步向上综合计算，直到算出最高层指标的突变级数．具体计算过程如下（以2004年度为例）．

表2 危险货物办理站2004～2008年安全评价指标值

如图1，最底层指标A1，A2，A3和A4构成互补型蝴蝶突变，采用归一公式（3）有

由于各控制变量之间可以互相弥补不足，综合起来，共同对上一层评价指标产生作用，因此按“互补”原则，取均值有：A＝（XA1＋XA2＋XA3＋XA4）／4＝0．95．

指标B1，B2和B3构成非互补型燕尾突变，C1，C2，C3和C4构成非互补型蝴蝶突变，D1，D2，D3和D4构成互补型蝴蝶突变，分别采用式（2）、（3）可计算出：B＝0．89，C＝0．92，D＝0．96．

准则层指标A，B，C，D构成蝴蝶突变，按“非互补”原则，可计算出2004年办理站安全综合评判值为0．89．同理，可计算出2005～2008年度的办理站安全综合评价值，计算结果如表3所列．可以看出，在承运货物危险性不断增大的情况下，办理站自2006年后加紧对原有设备设施的改造和更新，加强防灾系统建设和安全管理，提升人员素质，办理站安全水平不断提高．此评价结果与运用其他方法（如模糊综合评判法等）进行评价的结果相同．2004～2008年间，该危险货物办理站的安全总突变隶属函数值均较大，由此可以看出，突变评价法计算出的综合评价值存在这样一个缺陷：一般数值均偏高，且评价值之间的差距很小，这使得从直观上根据评价值对评价对象进行“优”、“劣”判定常常很困难．为了克服突变评价法的上述缺陷，可以利用得分变换的方法加以修正．具体方法是：设当底层指标对应的隶属度均取Xi（i＝1，2，…，n）时，由突变评价法进行计算，得到其综合评价值Yi（i＝1，2，…，n）．当n足够多时，可建立起Yi与Xi之间的对应关系，见表4．这样可将Yi值变换为之对应的Xi值．

表3 危险货物办理站2004～2008年安全总突变隶属函数值

表4 X－Y对应关系表

4 结束语

基于突变理论的危险货物办理站安全生产模糊动态评价，是将突变理论和模糊分析结合起来，对危险货物办理站进行多层目标分解，然后通过归一公式进行量化递归运算，得到危险货物办理站安全总的突变隶属函数值，并通过对不同时期的办理站安全总突变隶属函数值分析判断，从而动态地得到评价的结果．由于这一方法对各目标重要性的确定量化是根据各目标在归一公式本身中的内在作用机理决定的，因而相对地减少了主观性，使评判更趋于实际，且计算简单，事例表明，此方法用于评价是合理可行的，并且与运用其他方法（如模糊综合评判法等）进行评价的结果相同．

运用突变理论进行危险货物办理站安全评价还是一种尝试，在某些环节还存在不足，主要表现在：一是如何保证底层指标评分值的准确性问题；二是如何对评判指标体系进行分解及对同层指标的重要性进行排序问题．因此，如何保证评价过程中某些步骤的正确实现还需作进一步的探讨和研究．

［1］Raftoyiannis I G．Dynamic buckling of a simple geometrically imperfect frame using catastrophe theory［J］．International Journal of Mechanical Sciences，2006，48（10）：1 021－1 030．

［2］ Wenyu Doua，Sanjoy Ghose．A dynamic nonlinear model of online retail competition using cusp catastrophe theory［J］．Journal of Business Research．2006，59（7）：838－848．

［3］冯 平，李绍飞，李建柱．基于突变理论的地下水环境风险评价［J］．自然灾害学报，2008，17（2）：13－18．

［4］周荣义，黎忠文，牛会永．基于突变理论的油库火灾爆炸分析与模糊动态评价［J］．中国安全科学学报，2006，16（6）：97－101．

［5］中华人民共和国铁道部．铁路危险货物运输管理规则［Z］．北京：中国铁道出版社，2008．

［6］卢延夫．铁路危险货物办理站安全评价体系的研究［J］．铁道货运，2008（1）：31－33．