基于AHP-灰色关联分析的铁路阔大货物运输安全性评价

张捷如

(1.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都　610031;2.西南交通大学 全国铁路列车运行图编制研发培训中心，四川 成都　610031)

随着社会的发展，世界各地需要运输的阔大货物日益增加，如巨型车床、大型供电设备、机械、钢材等。这些具备长、大、重特点的货物称为阔大货物，运输要求相对于普通货物更高。进行阔大货物运输安全性研究，对于做好运输工作，加强铁路在货物运输市场的竞争力，增进社会效益，促进国民经济的良好发展具有深远意义。

针对铁路货物运输安全性问题，国内外的学者们进行了相关的研究。在超限等级划分层面，前苏联和其他东欧国家将货物超限分为4个超限等级，区别于我国铁路货物运输的3个超限等级。我国目前对阔大货物运输安全性的研究还处于起步阶段，国外更为注重建立模型求解。文献[1]创建了含有280个事故的安全评价模型。文献[2]分析货物运输的影响因素，并简要提出解决方法。文献[3]基于AHP分析法评价货物运输装载加固方案。文献[4]借助动态模糊理论对铁路货运安全进行动态评价。文献[5] 以“人-机-环”作为安全评价的出发点，得出人的因素是造成铁路事故的最重要原因的结论。文献[6]基于事故致因理论提出问题指标考核法进行安全性评价。

目前多数阔大货物运输安全性的评价方法对评价指标的选取局限于站点，忽略对隐性情况的判定，不能得知整体的安全水平，从而不能更好预防事故的发生。确定指标权重时多采用专家评分法，该方法更适用于评价定性指标，对于定量指标的评价准确性较差。本文建立阔大货物运输安全评价体系，采用AHP-灰色关联度分析方法对其运输安全性进行评价，以期提高阔大货物的运输质量。

1　阔大货物运输安全性影响因素分析

阔大货物运输是一项复杂的系统工程，涉及到车辆、机务、工务、电务等多个部门，本文主要从货物装载加固、线路参数、管理水平入手确定阔大货物安全性的影响因素[7]。

1.1　货物装载加固

1)承运车辆。阔大货物可以通过普通敞车、平车、集装箱专用车运输。在选择阔大货物车型时，应遵循保证安全、降低超限等级、降低质心高度、降低成本的原则[8]。

2)超限等级。货物超限等级越高运行条件越差，超限等级过高会影响列车的正常运营组织，威胁列车运行的安全性。我国将超限等级划分为一级超限、二级超限、超级超限3个超限等级[9]。

3)质心位置。阔大货物的形状多数不规则，为降低货物的超限等级使车辆能够顺利通过，在装载过程中货物的质心可能偏离列车的纵、横中心线，导致车辆一侧的负荷过重，这将影响车辆通过曲线时转向架的作业，降低运行稳定性。

4)集重程度。车辆的承载状况分为均匀荷载、集中荷载。集中荷载是指列车局部承受货物载荷，在装载过程中应尽量避免这种情况的出现，争取达到均匀承载。

5)加固强度。运输过程中因为货物会受到各个方向的力，需要对货物进行加固，以保证车辆运行的安全性与稳定性。铁路货物运输事故的发生往往是因为加固措施不完善造成的[10]。

1.2　线路参数

1)建筑限界及其他限界。铁路限界是铁路的基本技术法规，建筑接近限界和其他限界规定了车辆运行所需要的安全空间[11]。

2)最小电气化接触高度。最小电气化接触高度是在进行装卸作业和调度指挥作业过程中为确保人身与设备安全而设置的电气化设施区段铁路限界。阔大货物具有笨重、长大的特点，因而电气化区段的空间限制会对阔大货物的运输造成影响。

3)最小线间距。最小线间距是指两条铁路线路中心线之间的最小距离。为满足列车运行时最小线间距的要求以确保安全，装有阔大货物的车辆会被限制或禁止会车，进而导致货物送达时间延长，同时加大铁路行车指挥难度[12]。

1.3　管理水平

1)机构设置和人员配置。阔大货物的运输环节复杂、技术性强，对作业人员的自身要求比较高。对作业人员的考察和评价主要体现在受教育程度、日常技术业务考核、人员年龄构成和参加阔大货物运输培训等方面[13]。

2)安全监督检查。相关部门应建立完善的阔大货物运输安全监督检查机构，制定严密的安全监督管理办法，明确各部门职责，及时清除安全隐患，对于未能落实管理的单位应予以警告和监督。

3)安全培训教育。相关部门应建立完善的安全教育培训机制，针对不同岗位人员制定不同的长期培训计划，明确培训的内容、目的 、形式，经常组织安全教育的相关活动。

4)应急预案。在运输途中如发生事故将造成严重影响，预防和及时的处理阔大货物的运输事故，会减少人员伤亡、降低财产损失、减轻事故对社会的危害程度。应急预案须包含应急组织机构体系、应急保障、工作机制与监督管理等层面。

2　阔大货物运输安全评价体系构建

2.1　评价指标体系建立原则

1)目的性原则。指标体系以提高阔大货物运输安全为目标，需涵盖为达到评价目的所需要的基本内容，应做到指标精炼、简洁以减少评价的成本和时间[14]。

2)独立性原则。每个指标涵义清晰、相互独立，同一层次的指标应做到不重叠，不存在因果关系。指标体系层次要清晰、简单明了。

3)系统性原则。指标体系的建立应满足相关性、层次性、整体性和综合性，要全方位反映阔大货物运输的安全性状况[15]。

4)可行性原则。指标要可行，符合客观实际；要有相对稳定的数据来源且易于操作；要含义清晰、数据规范且资料便于收集[16-17]。

2.2　评价指标体系的建立

以阔大货物安全性为目标层，以阔大货物运输安全性的影响因素为准则层与指标层，构建阔大货物运输安全性分析评价指标体系如图1所示。

图1　阔大货物运输安全性评价指标体系

3　阔大货物运输安全性评价方法

3.1　确定权重向量

采用AHP法确定权重向量。

1)构建判断矩阵

对于同一层次上的两个指标可以两两比较建立判断矩阵

A=(aij)n×n,

式中：aij为判断矩阵的标度，aij=1～9，随着1～9数字的增加，指标i相对于j的重要程度增加[18]，1表示指标i和j同等重要，9表示指标i相对于j绝对重要，aii=1，aij=1/aji，i=(1,2，……,n),j=(1,2，……,n),n为同一层次上的指标个数。

2)权重的计算

利用几何平均法计算判断矩阵A的几何平均值

(1)

(2)

由此得到评价指标权重向量

W=[w1w2……wn]T。

(3)

3)一致性检验

进行一致性检验以确定AHP方法得到的权重向量是否有效。A的最大特征值[19]

式中(AW)i为AW的第i个元素。

一致性指标

(4)

根据矩阵维数查找判断矩阵的平均随机一致性指标RI,如表1所示。

表1　平均随机一致性指标RI

由式(4)及表1计算一致性比率

当CR<0.1时，认为该判断矩阵具有满意的一致性，否则，需要重新调整判断矩阵的指标权重。

3.2　确定最优运输方案

采用灰色关联分析法确定评价指标关联系数矩阵E与综合评判矩阵R[20]。

1)确定指标特征量矩阵

假设系统有k个待选方案，记为X=[X1X2……Xk]T，每个方案都有m个评价指标组成评判方案优劣的指标集，xql(q=1,2,……，k，l=1,2,……，m)表示方案q的第l个指标值，可得到决策矩阵

2)参考方案的确定

参考方案可由[X1]，[X2]，……,[Xk]中的最优指标构成一个虚拟的最优方案，设理想方案为X0=[x01x02……x0m]，得到由k+1个方案构成的指标特征量矩阵

3)特征量矩阵的规范化

各指标具有不同的量纲且数值间差异较大，为消除它们对决策结果的影响，需对指标特征量矩阵X′做规范化处理，转化为规范化矩阵S[21]。令

式中：z为指标取值范围的最小值；Z为指标取值范围的最大值；0≤sql≤1，sql的值越大方案越优。

车辆质心高度的无量纲化公式为：

(5)

式中：h′为车辆质心高度；h为k个方案中车辆质心高度的最小值。

货物质心横向偏移量的无量纲化公式为：

(6)

式中：ph为横向偏移量；pc为最大允许横向偏移量。

因为0≤sql≤1，sql的值越大方案越优，且[X1]，[X2]，……,[Xk]中的最优指标构成一个虚拟的最优方案X0=[x01x02……x0m]，因此最优方案对应的规范化向量S0=[1 1 …… 1]。

X′的规范化矩阵

(7)

4)关联系数矩阵

由式(7)知，最优指标集S0={1,1,……，1}，将该指标集作为参考数据列，将规范化处理后的各方案指标值{Sq}={sq1,sq2,……，sqm}作为被比较数列，所以待决策方案Xq的决策矩阵Sq中元素的关联系数ξql

(8)

式中：ρ为分辨系数，ρ=0.5；ξql为最优指标集S0在第l个因素处的关联系数。

由式(8)计算关联度系数，得各指标的关联系数矩阵

(9)

5)确定综合评判矩阵

根据式(3)和式(9)得到综合评价矩阵

R=E×W=[r1r2……rk],

(10)

根据公式(10)计算的结果，对各方案优劣进行排序。某方案的关联度越大，越接近于最优参考方案，则该方案最优。

4　实例分析

成都—北京方向的铁路要承运一件阔大货物，该阔大货物为圆筒形，采用焊接加固方式并自带钢架，底部高40 mm，总质量36 t，全长13 100 mm，负重面长12 500 mm，粗细不均，大头处直径为3 460 mm，小头处直径为2 600 mm，质心距大头6 600 mm。

以该阔大货物的装载加固为例，基于AHP—灰色关联分析法分析其运输安全性。

4.1　确定指标权重向量和规范化矩阵

1)确定指标权重向量

根据图1所示装载加固准则层下承运车辆、超限等级、质心位置、纵向偏移量、横向偏移量、集重程度和加固强度7个评价指标，构建装载加固准则层的判断矩阵，对于装载加固层上的7个指标两两比较从而建立判断矩阵

根据式(3)得到装载加固准则层的权重向量

Wz=[0.07 0.21 0.17 0.17 0.14 0.13 0.11]

。

(11)

2)确定规范化矩阵

经过计算和估算，确定3个可行性装载加固方案，如表2所示。

表2　装载加固指标

根据表2所示，3种方案承运车辆的选择都能适应货物运输、纵向偏移量为0，且加固程度良好，即它们是最优的，因此，这3种方案的3个指标在规范化矩阵S′中的无量纲化值均为1。

一般情况下，为简化运算,根据超限程度对运输安全的影响程度，定义一级超限的无量纲化值取为0.8，二级超限的规范化取值为0.6，超级超限取值为0。

根据式(5)求得3个方案的车辆质心高度规范化值，s23=0.90，s33=0.94，s43=1。

已知最大允许横向偏移量为1 250 mm，根据式(6)计算货物质心横向偏移量的规范化值s25=1，s35=0.12，s45=1。

由于集重程度的值均小于1,因此无需做规范化处理。

经标准化处理后的规范化矩阵

(12)

4.2　确定关联度系数矩阵

由式(12)得

由式(8)～(9)得

(13)

4.3　计算综合关联度

由式(10)～(13)得出综合判断矩阵

[0.07 0.21 0.17 0.17 0.14 0.13 0.11]T=[0.862 30.779 90.845 9]。

对于阔大货物运输安全而言，灰色关联度越高，说明越接近于最优方案，安全系数高；反之，则越偏离最优方案，安全系数低。因此，安全度最高的是方案1，其次为方案3，安全度最差的是方案2。常用的评价等级划分有3级、5级、7级，对于本文评价而言,3级评判标准过于粗糙，而7级的评判标准使得评判过于复杂，因而选用5级评判标准，如表3所示。

表3　评价等级

根据表3得知，方案1、3的评价等级为好；方案2的评价等级为较好。因此在3个方案当中方案1、3更适合该阔大货物的运输。

对铁路阔大货物运输安全性评价体系准则层中的线路参数和管理水平，采用同样方法进行评价。求出指标体系中准则层的3个因素的灰色关联度，乘上相应的权重后再相加，所得结果即为阔大货物运输安全性评价体系的综合评价结果。

5　结语

本文对阔大货物运输的安全性影响因素进行分析，从装载加固、线路参数、管理水平3个层面构建阔大货物运输安全性评价体系。使用AHP法计算指标权重，采用灰色关联分析法对不同的运输方案进行比选。并通过阔大货物装载加固实例验证AHP-灰色关联分析法评价阔大货物运输安全性的可靠性。今后可以对定性评价因素进行细化，并对开发综合评估软件方面进行研究，以期得到更为合理、客观的评价结果。

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