城市轨道交通网络运营安全的综合评估

张静萱，刘 兵，李晓璐，朱广宇*

(1.国家铁路局规划与标准研究院，北京 100055；2.北京交通大学综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室，北京 100044)

轨道交通运营网络通常是指多条运营线路构成的复杂系统。它是中国重要的基础设施，同时也是各区域经济、文化交流的关键纽带。轨道交通网络的运营安全评价是指在事故发生之前，识别影响系统安全运营的关键因素，构建评价指标体系，提出评价方法，评估事故发生的可能性及严重程度[1]。近年来，因设备设施故障、管理不当、自然灾害等因素导致的列车运营时有发生，造成了较为严重的经济损失和人员伤亡[2]。另外，轨道交通网络规模的日益扩大，虽然给人们的日常出行带来了便利，但也加大了安全运营管理的难度。因此，合理地进行轨道交通网络运营安全评价，对于制订及时有效的控制措施，降低事故发生的频率，提高轨道交通网络运营管理的水平具有重要意义。

现有研究目前主要集中在评价指标和评价方法的研究方面。在评价指标方面，许慧等[3]分析了114起重大事故案例，总结出人为、设备、自然和管理四大类城市轨道交通运营的主要风险因素，并得出各个风险因素及其耦合方式对城市轨道交通线路运营的影响程度；Wang等[4]通过分析暴雨、雷电、地震、大风和大雨等恶劣天气对轨道交通网络安全运营的影响，基于马氏距离测量函数，构建了轨道交通运营环境安全评价的指标体系；刘云等[5]基于事故树分析构建了城市轨道交通站点运营安全评价的指标体系。张建平等[6]通过分析轨道交通系统的构成要素，从人、机、环、管4个方面，构建了站点运营风险评价的指标体系；在评价方法方面，段海洋等[7]运用层次分析法对城市轨道交通运营安全进行评价；高鹏等[8]通过梯形模糊数理论对轨道交通供电设备进行风险评估；尉强[9]通过引入网络分析法、系统动力学和模糊综合评判法，对青岛地铁2号线开展地铁运营安全风险评价；Gao等[10]运用模糊层次综合评价方法，对地铁隧道火灾的风险进行了评价；黎新华等[11]通过对运营事故的统计分析，基于DEMATEL和ISM模型构建了轨道交通站点运营安全评价的方法。

上述研究从系统安全的影响要素出发，构建了轨道交通运营安全评估的指标体系，但这些研究大多集中于单一站点、设施设备等子系统运营安全的评价，不足以全面、客观地反映轨道交通网络运营的安全水平。另外，在评价方法的构建方面，虽然大多数研究能对轨道交通运营系统的安全进行较为全面的评价，但评价结果受人为因素的干扰较强。同时研究对风险评估的讨论有限，难以掌握网络运营的全貌。

可拓物元模型利用评价指标的经典域和节域物元体现各指标的差异和携带的实际信息的重要程度，能够将更多运营信息用于轨道交通网络的安全评价[12]，能够弥补当前研究的不足。因此在当前研究的基础上，现结合轨道交通网络运营的特点，通过识别易于引起轨道交通网络运营风险的因素，构建科学合理的评估指标体系，并基于熵权可拓物元模型提出面向轨道交通网络运营安全的评价模型。

1 轨道交通网络运营安全评估指标体系的构建

轨道交通系统是一个相对封闭的系统，设施设备和外部环境通常是干扰列车安全运营的主要因素。结合轨道交通网络的运营特性，将运营安全评价的过程划分为运营安全的感知、理解和分析过程，如图1所示。运营安全的感知主要是通过艇机载荷、及车载传感器获取列车安全状态、线路周边地质灾害及基础设施安全状态信息；运营安全的理解主要是利用大数据处理技术，实现对飞艇及无人机检测信息、基础设施和自然灾害检测、列车运行安全信息的融合挖掘；运营安全的分析主要是在列车运行状态辨识、周围环境状态辨识和基础设施状态辨识的基础上，结合多源数据融合的特征，提出评价方法，综合分析轨道交通网络的运营安全。从评价的目的出发，构建的面向轨道交通网络运营安全评价指标体系如图2所示。

图1 轨道交通网络运营安全评价的过程

图2 面向轨道交通网络运营安全评价的指标体系

2 轨道交通网络运营安全评价方法的构建

为全面、客观地评价轨道交通网络的运营安全，建立多层级、多数量、彼此之间独立且紧密联系的评价指标体系是很有必要的，然而这些指标通常口径不一，有的是一个量值，有的是一段描述，指标之间难免存在交叉或不相容。因此，需要选择一个能够兼顾指标简单关系且可操作性强的运营安全评价方法。熵权可拓物元模型借助信息熵的思想，综合考虑各指标在时序上的变化情况，对其进行赋权，同时通过明确各指标的经典域和节域物元，运用关联函数确定各评价指标之间的关联度，从而确定被评价对象的风险等级。它能够科学、客观地解决评价对象内容不相容的问题，适用于轨道交通复杂系统的运营安全评价。

2.1 基于熵权模型确定指标权重

利用艇机载荷及车载传感器采集列车安全状态、线路周边地质灾害及基础设施安全状态这些信息，获取各时期评价指标的量值，采用熵权模型，确定指标权重。其具体步骤如下。

(1)评价指标判断矩阵标准化。假设aij(l)为i指标在j时期的量值，其标准化的方法为

(1)

式(1)中：amin(l)和amax(l)分别为由m个时间段内n个评价指标量值构成的运营安全评价指标判断矩阵中的最小值和最大值；xij(l)为指标i在j时期标准化后的取值；l为参与评价的轨道交通线路，l=1,2,…,L。

(2)评价指标的熵Fl(i)。熵是对事物“不确定性”程度最好的度量标准，当指标的信息熵越小时，指标蕴含的信息量就越大，指标对应的权重也就越高[13]。

(2)

式(2)中：Fl(i)为第l条轨道交通线路上指标i的熵；m为参与评价的时间段的数量。

(3)评价指标的权重计算。

(3)

2.2 基于可拓物元模型划分轨道交通网络的运营安全等级

可拓物元评价方法是将待评对象视为物元，通过物元分析来确定不同评价等级的评估标准，再运用关联函数分别计算待评价对象对每一个等级的关联度值，从而客观反映出被评价对象的状态等级，并且可以体现被评价对象之间相互影响和相互作用的拓展过程，完整反映出评价对象的综合水平。可拓物元模型利用评价指标的经典域和节域物元体现各指标的差异和携带信息的重要程度，能够将轨道交通网络更多的实时运营信息用于安全评价[14]。采用可拓物元模型进行轨道交通网络运营风险等级划分的具体步骤如下。

(1)经典域的确定。评价指标的风险等级、名称以及对应风险等级评价指标的量值区间构成的物元即为评价指标的经典域。划分评价指标的风险等级后，采用数理统计的方法对轨道交通网络历史运营信息进行挖掘和分析，计算得到各个风险等级下指标的量值区间，以此构建评价指标的经典域，可表示为

(4)

式(4)中：Rk为第k风险等级下评价指标的经典域；v为评价指标集合，v={v1,v2,…,vn}；zk为k风险等级下指标的量值区间的集合，zk={zk(1),zk(2),…,zk(n)}，zk(i)=[ck(i),dk(i)]，i=1,2,…,n，k=1,2,…,G，G为划分得到的指标运营风险等级的总数，dk(i)、ck(i)分别为指标i在k风险等级中的上界和下界值。

(2)节域的确定。评价指标的风险等级、名称以及指标值域构成的有序三元组即为评价指标的节域Rp，可表示为

Rp=(Op,v,zp)=

(5)

式(5)中：Rp为评价指标的节域；Op为评价指标的风险等级集合；v为评价指标集合，v={v(1),v(2),…,v(n)}；zp为评价指标的值域集合；dp(i)、cp(i)(i=1,2,…,n)分别为评价指标i值域的上界和下界值。

(3)评价轨道交通线网物元的确定。进行轨道交通网络运营安全的评价需要综合考虑各条线路的运营安全状态[15]。因此，利用艇机载荷及车载传感器，获取各线路的列车安全状态、线路周边地质灾害及基础设施安全状态信息，量化各条线路的评价指标，构建待评价轨道交通网络的物元，可表示为

(6)

(4)风险关联度的确定。第l条参与评价的轨道交通线路的指标量值与评价指标经典域之间的距离为

(7)

由此，第l条轨道交通线路的第i个评价指标与第k运营风险等级的关联度函数Nlk(i)为

(8)

2.3 线路权重的计算方法

进行轨道交通线网运营安全评价时，假设各线路的重要度仅与线路的客运或货运总量有关，同时假设线路列车不存在客货混载的情况。各线路权重的计算方法为

(9)

式(9)中：μl为轨道交通线路l的权重；q(l)为线路l的客运或货运总量。

2.4 待测评线路风险等级的划分

对各运营线路评价指标进行加权求和，即可得到轨道交通线网运营风险的综合关联度值，取最大关联度对应的风险等级作为待评价线网的运营风险等级。具体步骤如下。

(1)对轨道交通线路评价指标的综合关联度按下式加权求和，得到运营线路的综合关联度。

(10)

式(10)中：Nkl为第l条线路与第k风险等级的综合关联度，取max{Nkl}对应的风险等级作为线路l最终的评价结果；γl(i)为线路l上评价指标i的权重值；Nlk(i)为线路l上评价指标i与第k运营风险等级的综合关联度。

(2)对轨道交通线路的综合评估结果按式(11)加权求和，得到轨道交通线网的综合关联度。

(11)

式(11)中：Nk为轨道交通线网与第k运营风险等级的综合关联度。

(3)对轨道交通网络的综合评估结果Nk进行判断。如果∀Nk≤0,k=1,2,…,G，那么轨道交通网络运营风险等级最终的评估结果取min{|Nk|}对应的k值；若∃Nk≥0,k=1,2,…,G，那么取轨道交通网络运营安全最终的评估结果max{|Nk|}对应的k值。

3 实例分析

以中国某3条轨道交通线路构成的网络为分析对象，运用提出的评价方法对其运营安全进行评价。具体步骤如下。

步骤一获取各线路评价指标的量值，确定指标权重。综合考虑轨道交通网络的运营特性、历史故障致因，从评价的目标出发，构建了包含28个一级指标、7个二级指标、3个三级指标的评价指标体系。通过利用艇机载荷及车载传感器这些检测设备，获取实验网络8个运营时间段内的列车运营状态、线路周边地质灾害及基础设施运营状态这些信息，量化各条轨道交通线路的评价指标，构建评价指标判断矩阵，并利用式(9)计算各线路的指标权重，结果如表1所示。

表1 线路指标权重及待评价时期线路指标量值

图3给出了3条线路评价指标的权重分布。可以看出，3条线路评价指标的权重分布存在差异，驱动装置故障率、钩舌故障率、紧急制动触发装置故障率、温湿度指数、异物入侵率、道床伤损率和高架结构的稳定性是影响线路1运营安全的重要因素；滚动轴承磨耗率、钩尾故障率、基础制动装置故障率、温湿度指数、地质综合条件、道岔伤损率和高架结构的稳定性是影响线路2运营安全的重要因素；驱动装置故障率、钩身故障率、紧急制动触发装置故障率、低能见度、地质综合条件、轨枕伤损率和桥隧结构的稳定性是影响线路3运营安全的重要因素。造成线路指标权重分布差异的主要致因是轨道交通线路的运营里程长，线路所处的地质、气候环境以及客流强度存在较大的差异。

图3 轨道交通线路的指标权重

步骤二划分运营风险等级及确定评价指标的经典域。将轨道交通网络的运营风险等级按照从高到低的顺序，划分为5个风险等级，并结合线路的历史运营信息，确定了经典域划分的规则,结果如表2所示。

表2 评价指标的经典域

步骤三确定线路权重及运营安全的综合评估结果。采用式(10)对线路评价指标与经典域之间的关联度进行计算，加权求和后最终得到各线路运营安全的综合评估值，其结果如表3所示。

轨道交通线路运营安全的综合评估结果如图4所示，可以看出，线路2在当前时间段处于第5安全等级，运营的安全性较高；线路1和线路3分别处于第2和第3安全等级，运营的安全性较低。由此可知，在轨道交通线网实际运营过程中应加大对线路1和线路3的安全管理，以提高全网的运营安全水平。

图4 轨道交通线路运营安全评估结果

步骤四轨道交通网络运营安全综合评估结果。将表3计算得到的线路运营综合评价值按式(11)进行加权求和，最终得到轨道交通网络在各个风险等级区间的综合关联度值，结果如图5所示。从中可以看出，当前时间段轨道交通网络处于第3运营风险等级。

表3 轨道交通线路运营安全综合评价

图5 轨道交通网络运营安全评价结果

4 结论

(1)综合考虑轨道交通网络的运营特性、历史故障致因，从列车运行状态、周围环境状态和基础设施状态3个方面构建了面向轨道交通网络运营安全综合评价的指标体系；并基于熵权可拓物元模型提出了轨道交通网路运营安全综合评价方法，运用熵权法较为客观地确定了线路评价指标的权重，根据指标经典域和节域的划分规则，较为准确地确定了轨道交通网络运营的风险等级。

(2)应用所提出的轨道交通网络运营风险评价方法，通过计算综合关联度值得出了各指标风险等级和风险值与线路风险的相关性，并分别最终确定了驱动装置故障率、钩舌故障率、紧急制动触发装置故障率、温湿度指数、异物入侵率、道床伤损率和高架结构的稳定性是影响3条线路1运营安全的重要因素；滚动轴承磨耗率、钩尾故障率、基础制动装置故障率、温湿度指数、地质综合条件、道岔伤损率和高架结构的稳定性是影响线路2运营安全的重要因素；驱动装置故障率、钩身故障率、紧急制动触发装置故障率、低能见度、地质综合条件、轨枕伤损率和桥隧结构的稳定性是影响线路3运营安全的重要因素。在实际运营过程中，可针对这些因素，采取相应的风险防范化解措施，有利于提高项目风险防范措施的有效性。

(3)以3条线路构成的网络为例，分析得出了当前时间段实验轨道交通网络的运营安全等级为第3级，属于中等安全，同时证明了提出的熵权可拓物元模型对于轨道交通网络运营安全的评估适用性。