基于STAMP-ISM的地铁事故分析方法研究

于耀程，帅 斌，黄文成

基于STAMP-ISM的地铁事故分析方法研究

于耀程，帅 斌，黄文成

（西南交通大学，交通运输与物流学院，成都 611756）

作为城市轨道交通的重要支柱之一，地铁已经成为现代城市生活中不可缺少的一部分。一旦地铁运营发生事故，不仅会带来巨大的经济损失，也会威胁到人民的生命安全。本文将STAMP模型与三角模糊DEMATEL-ISM模型相结合，以更加深入地分析地铁运营事故，对地铁事故影响因素进行等级划分，绘制地铁事故影响因素多级阶梯图，深入剖析地铁事故因素之间的逻辑关系，从而有针对性地提出地铁事故的预防措施。以上海地铁10号线列车追尾事故为案例进行分析，结果表明：STAMP模型与三角模糊DEMATEL-ISM模型的结合解决了传统STAMP模型无法突出重点的缺陷，也解决了传统ISM模型对二因素影响关系分类的局限性，可以更加全面深入地分析该事故各致因因素间的影响结果，从而有针对性地预防事故的发生。

地铁事故；STAMP模型；DEMATEL-ISM；上海地铁10号线

0 引 言

地铁是我国公民出行的主要方式之一，在我国城市轨道交通中占据着举足轻重的地位，一旦地铁运营出现事故，将会带来巨大的损失，因此分析地铁事故从而制定有针对性的措施来保障地铁运营安全有着重要意义。如：陈慧阳[1]以地铁火灾事故为研究对象，建立地铁火灾事故故障树模型，并得出了危险源识别表，为地铁火灾事故的预防奠定了一定的理论基础；吴海涛[2]对国内外多起事故案例进行深入分析，从而得出导致地铁部分事故的主要风险因素；刘建[3]对地铁消防系统的各项特征指标进行分析，同时使用物元分析对地铁消防系统的安全性、可靠性进行详细的评价，最后基于评价结果得出地铁消防系统的薄弱环节及管理重点。但是，国内地铁运营事故定量化研究较少。

系统理论事故建模与过程（Systems- Theoretic Accident Modeling and Process，STAMP）是针对复杂系统提出的事故致因模型，可从控制的角度厘清各组织内及组织间的事故原因，被广泛地应用于各种事故分析中。如：李华[4]利用STAMP模型揭示建筑安全事故致因因素间的相互关系从而对其进行有效预防和控制，章仕杰[5]运用STAMP模型从控制角度详细分析了丰城重大坍塌事故。但使用STAMP模型分析事故不易突出重点，也无法得到事故影响因素的影响强度，使得在制定相关预防措施时无法抓住重点。为了解决这一缺陷，本文在STAMP模型的基础上引入解释结构模型。解释结构模型（Interpretative Structural Modeling，ISM）可以分析复杂系统因素间的相互作用关系，如：杨永旭[6]提出了基于解释结构模型的可持续供应商绩效影响因素分析方法；王凌峰[7]使用ISM分析了上市公司高管薪酬-绩效敏感性的17个影响因素间的作用关系。传统ISM方法假设各因素间的关系只有两种情况，即有直接关系和无直接关系，但在实际情况中，影响因素之间的情况较为复杂，不能简单地归为有直接关系和无直接关系，为此本文需要引入决策试验和评价试验法[4]（Decision Making Trial and Evaluation Laboratory, DEMATEL）与三角模糊数来对ISM进行改进得到三角模糊DEMATEL-ISM模型，该模型可以更加深入详细地分析两因素之间的关系。

综上所述，本文将使用STAMP模型与三角模糊DEMATEL-ISM模型相结合，对地铁事故因素进行详细、深入的研究，得出各个致因因素间的因果关系，从而有针对性地提出事故预防措施，为我国地铁运营安全提供一定的实践指导。

1 STAMP模型

STAMP模型认为事故是由不充分的控制和安全约束的缺失造成的，它将安全问题转化为控制问题。STAMP模型主要使用3种基本结构来分析事故致因因素，分别是安全约束、分层控制结构与过程模型。

安全约束与分层控制模型如图1所示[8]，整个安全系统被分为多层，子系统之间以上、下层的关系联系在一起，其中上层系统发出安全约束条件用以约束下层系统的行为与决策，同时下层系统所收到的结果也将反馈于上层子系统，这就是STAMP模型中的安全约束与分层控制模型。

图1 分层控制模型

过程模型如图2所示，控制器向执行器输入控制命令，执行器执行控制过程并将控制效果反馈给控制器，辅助其制定下一步控制决策。

图2 过程模型

根据我国地铁相关运营规定，使用STAMP模型制定地铁运营安全控制结构，可分为：物理层、基层、管理层以及政府层。（1）物理层主要包含运营设备和自然环境。运营设备的故障以及暴雨等自然灾害可能会导致事故发生。（2）基层主要包括地铁值班人员和地铁值班站长。值班人员接受值班站长的指挥，对地铁运营过程进行一系列的操作，保障地铁列车的安全运营。（3）管理层主要包括地铁公司董事长与地铁公司总经理。地铁公司董事长负责在收到新规定或政策后及时召开董事会讨论相关规定或政策的落实方法，并将讨论结果拟定成文件；地铁公司总经理负责根据上述文件并结合实际情况协调各站总揽具体落实工作。（4）政府层主要指国家交通运输部，主要为地铁运营制定相关规范和规则，同时也对地铁运营工作进行监督检查。

2 三角模糊DEMATEL-ISM模型

解释结构模型可以将复杂的系统分解为多个子系统因素，利用专家经验知识确定其中任意两因素之间的关系，即确定它们之间是否有直接关系，最终得出一个多级阶梯的结构模型[9]。而当引入DEMATEL时，则需要专家对这两因素之间的关系进行更加详细的分类打分。为了提高专家打分的客观性，将专家的评价分值转化为三角模糊评价变量[10]，打分规则如表1所示。由表1可知专家的每一个评价分值都对应一个三角模糊评价变量。

表1 两因素关系专家评分及三角模糊评价变量表

三角模糊DEMATEL-ISM的求解步骤如下：

（3）根据专家权重比例求取加权之后的平均直接影响矩阵中第行第列的元素取值如下：

（4）计算标准化参数，利用对矩阵进行标准化处理得到矩阵：

（5）求取综合影响关系矩阵：

式中，为单位矩阵。

（6）求取整体影响关系矩阵：

式中，k=1代表因素s对s有影响，k=0代表因素s对s无影响。

（10）根据影响因素分层绘制ISM多级阶梯图。

3 案例分析

2011年9月27日14:51分上海地铁10号线列车由豫园站向老西门站运行过程中下行区间百米标176处两列车不慎发生追尾。经初步统计，约有40余名乘客受伤，大部分为轻微伤，未发现重伤。

3.1 地铁运营安全控制结构的建立

依据STAMP模型并结合地铁运营的实际情况，建立上海地铁10号线运营的安全控制结构，如图3所示。国家交通运输部制定出城市轨道交通中地铁运营的政策与规定，下发至各地铁运营公司，由董事长带头召开董事会讨论政策、规定的落实办法并将讨论结果拟定成文件，由总经理负责执行。总经理根据文件内容协调各站工作任务后，将具体任务告知各站站长，再由各站长指挥站内值班人员对地铁运营设备进行操作。因运营设备还会受到外界环境的干扰，故为了保证地铁一直处于正常运营，操作人员需要及时接收运营设备反馈的信息，并汇总后上报各值班站长。站长再反馈给总经理，总经理汇总所有结果将政策的落实情况反馈给董事长，董事长再召开董事会针对规定政策落实的结果商议下一步改进措施。每隔一段时间，国家交通运输部会收集各地铁公司的运营情况，从而对相关政策和规定进行进一步完善修改。

图3 上海地铁10号线运营安全控制结构图

3.2 地铁运营事故影响因素分析

通过分析上海地铁10号线“9·27”事故调查报告，并与地铁运营安全控制结构图相结合，从物理层、基层、管理层和政府层出发，深入分析造成上海地铁10号线事故的主要影响因素，最终得到如表2所示的11个主要影响因素以及每个因素所属层级和主要表现。

表2 上海地铁10号线事故影响因素分析

3.3 基于三角模糊DEMATEL-ISM模型的地铁事故影响分析

邀请6位专家对表2中11个因素中两两因素的影响强度进行打分，构建相应的评价分值矩阵，对应求得三角模糊评价变量矩阵，并依据前面三角模糊DEMATEL-ISM的求解步骤（2）～（7）计算得到可达矩阵的取值如下所示：

根据式（11）可求得第一层对应可达集、先行集以及共同集，如表3所示。

表3 第一层可达集、先行集以及共同集

由表3可知第一层所含影响因素为1、2、3,删除可达矩阵中第1、2、3行和列，并计算第二层可达集、先行集以及共同集，结果如表4所示。

表4 第二层可达集、先行集以及共同集

由表4可知第二层所含影响因素为4、5、7、8，删除可达矩阵中第4、5、7、8行和列，并计算第三次可达集、先行集以及共同集，结果如表5所示。

表5 第三层可达集、先行集以及共同集

由表5可知第三层所含影响因素为6、9，删除可达矩阵中第6、9行和列，并计算第四次可达集、先行集以及共同集，结果如表6所示。

表6 第四层可达集、先行集以及共同集

由表6可知第四层所含影响因素为10、11，所有因素都已划分完成，得到因素层级划分如表7所示。

表7 地铁事故致因因素层级划分

根据地铁事故致因因素层级的划分可以得到地铁事故致因因素多级阶梯图如图4所示。

图4 地铁事故致因因素多级阶梯图

本次地铁事故中11个影响因素共分为4层，其中1、2、3为近邻致因，是直接导致上海地铁10号线发生事故的原因；10、11为本质致因，是导致上海地铁10号线发生事故的本质原因；4、5、7、8以及6、9均为过渡致因，是导致事故发生的间接因素，连接着本次事故的本质致因和近邻致因。

综上所述，国家交通运输部门未能及时完善相关政策以及监督检查上的失职是本次事故的本质致因，因此政府需要进一步完善地铁运营的相关应急措施，使地铁在遭遇突发事件后可以依据相关政策进行补救，同时要安排好监督检查工作，以预防事故发生。

地铁公司董事长落实政策不及时彻底、地铁公司总经理协调不当、地铁值班站长指挥不当和判断错误、值班人员的疲劳工作和玩忽职守是本次事故的过渡致因。当新的规定政策发出时，地铁公司董事长应及时召开董事会并彻底落实相关政策，从而及时将落实办法传达给总经理执行；总经理需要依据落实方法和各站实际情况，全面协调好各站的工作任务，为各站站长开展各站工作打下基础；各站站长需要对站内实际情况做出准确地判断并做出正确的指导以引导各值班人员顺利完成各项站内工作，为了防止各站值班人员玩忽职守导致事故发生，各站站长也需要派人做好实地监督工作，同时也要安排好值班人员的换班时间和休息时间，以防止值班人员因过度疲劳而导致事故发生。

运营设备故障、自然灾害，以及操作不当是本次事故的直接原因，地铁部门应加大对一线运营设备的检修频率，同时加固设备地基，增强设备所在机房的密闭性，降低外界环境的影响。对相关操作人员要进行定期的培训与考核，保证不会出现员工违规操作的现象发生。

4 结 语

本文首先介绍了STAMP模型的基本信息以及应用情况，接着又叙述了三角模糊DEMATEL-ISM方法的基础信息以及运算步骤。最终将STAMP模型与三角模糊DEMATEL-ISM相结合应用分析上海地铁10号线追尾事故，使用STAMP模型构建了上海地铁10号线地铁运营安全控制结构，并结合具体事故报告，从物理层、基层、管理层以及政府层四层出发，得到上海地铁10号线事故的11个影响因素。其次，利用三角模糊DEMATEL-ISM模型对各影响因素之间的逻辑关系进行深入剖析，得到上海地铁10号线事故影响因素层级划分以及多级阶梯图。结果表明，将STAMP模型与三角模糊DEMATEL-ISM模型结合既可以解决传统STAMP模型分析缺乏重点的缺陷，又可以解决传统ISM模型中任两因素关系分类的局限性，更加深入分析事故影响因素间的逻辑关系以及影响强度，最终根据相应的结果有针对性地提出控制地铁事故的措施建议。

[1] 陈慧阳, 牟瑞芳, 沙明华. 基于主要突发事件的地铁运营安全危险源辨识研究[J]. 交通运输工程与信息学报, 2017, 15 (4): 120-126.

[2] 吴海涛, 罗霞. 基于ISM-FCM的地铁运营风险因素演化分析与权重计算[J]. 交通运输工程与信息学报, 2017, 15 (3): 41-48.

[3] 刘建, 代杨. 基于物元理论的地铁消防系统安全可靠性评价[J]. 交通运输工程与信息学报, 2011, 9 (3): 99-102, 117.

[4] 李华, 金萌, 钟兴润. 基于STAMP模型的建筑事故致因因素定量分析方法研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2020, 16 (4): 169-175.

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

[6] 杨永旭, 刘吉林. 基于ISM的可持续供应商绩效影响因素分析[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-绩效敏感性影响因素交互作用机理分析[J]. 系统科学学报, 2020 (4): 122-126.

[8] 牛丰, 王昱, 周诚. 基于STAMP 模型的地铁施工安全事故致因分析[J]. 工程与管理学报, 2016, 33 (1): 73-78.

[9] 周景阳, 何鹏旺. 基于解释结构模型 (ISM) 的装配式建筑成本影响因素分析[J]. 工程管理学报, 2019, 33 (1): 39-44.

[10] 闵桂龙, 端木京顺, 高建国, 等. 基于模糊DEMATEL的航空维修安全管理体系研究[J]. 中国安全科学学报, 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

国家自然科学基金（71173177）；西南交通大学研究生创新实验实践项目（YC201507103）；西南交通大学研究生学术培养提升计划（跨学科创新培育）专题项目（2018KXK04）；西南交通大学2018年优秀博士培育项目

于耀程（1996—），男，陕西咸阳人，硕士研究生，研究方向：事故致因分析，E-mail：1410138567@qq.com

帅斌（1967—），男，四川乐山人，教授，博导，研究方向：交通运输经济、事故致因分析等，E-mail：bsh67@126.com

于耀程，帅斌，黄文成. 基于STAMP-ISM的地铁事故分析方法研究[J]. 交通运输工程与信息学报，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.

（责任编辑：刘娉婷）