地铁网络脆弱性风险评价研究

朱月月，李晓娟，李璐璐

(福建农林大学 交通与土木工程学院， 福州350000)

地铁网络错综复杂，线路交叉，站点相连，在事故发生时，其产生的影响随着站点线路而扩散，这使得地铁网络的脆弱性增强.对地铁网络脆弱性进行风险因素评价，从而提高地铁的安全性是城市轨道交通不可忽视的一个问题.

国内外学者对地铁脆弱性方面做了大量有价值的研究.Petersen等通过研究地铁中站点从而分析其对脆弱性的重要程度[1]；Johansson等通过研究瑞典南部地铁从基础设施方面讨论地铁的脆弱性[2]；Jenelius通过对地铁网络连边的研究分析，认为构成了脆弱性的因素主要由部件失效的概率及其导致的不利影响而产生的[3].Bell等的通过对道路交通系统与公交运行网的脆弱性评价结果，分析公路交通的脆弱性[4].Chen BY 等将交通系统中的站点与路段这两个因素作为研究对象，分析系统内的站点与路段.研究两个因素对地铁脆弱性的影响[5].白亚飞通过从暴露性、敏感性、适应性三个角度构建了评价指标体系，分析地铁车站在大客流条件下的脆弱性情况[6].袁竞峰提出根据运营情况和事故数据的统计分析，将地铁脆弱性归纳为物理、结构和社会功能三类，并认为脆弱性对地铁运营的每个阶段都造成不同的影响[7].许葭等在分析地铁网络脆弱性时，使用复杂网络和AHP，选取11个指标，构建地铁网络脆弱性评价模型[8].周珺等人以深圳轨道交通为研究对象，基于Matlab计算网络的平均度、网络密度、平均路径长度、聚类系数等指标，研究了换乘车站故障情况下对轨道交通网络可靠性的影响[9].王志如的评价指标体系是从最大连通始末节点数目、区间长度效率的故障规模和换乘效率三方面建立的，通过研究地铁网络拓扑结构的脆弱性，从中得出在蓄意攻击下地铁具有脆弱性[10].李大愚通过研究乘客因素对地铁网络的影响，选取大客流量、乘客出行延误时间两个这方面，分析研究当受到外部攻击时地铁网络的脆弱性变化，研究表明地铁的脆弱性是受乘客数量、可换乘性等因素的综合影响[11].综合来看，现有的研究主要是从地铁网络的拓扑结构和地铁网络的流量特征出发，缺乏对地铁网络脆弱性风险因素的全面分析.

本文以福州地铁二号线为研究对象，通过DEA对关键脆弱点的各风险因素进行评价分析.针对影响地铁网络脆弱性的关键因素，提出了相关的建议，可以从预防角度有效的控制地铁网络的脆弱性.

1 地铁网络脆弱性评价指标体系的建立

1.1 地铁网络脆弱性风险因素辨识

1.1.1 风险因子辨识的概念

风险因子称为危险源.危险源是指可能导致人身伤害和(或)健康损害的根源、状态或行为，而危险源辨识是指识别危险源的存在确定其特征的过程[12].因此，地铁网络脆弱性风险因素的辨识可以认为是确定地铁网络脆弱性风险因素，并分析因素特性的过程.

1.1.2 风险因子辨识的原则

进行地铁网络脆弱性风险因素识别时，应该遵循以下原则[13].

1) 综合性原则.地铁网络系统是一个交错复杂的系统，因此对地铁网络进行风险因素辨识的时候，要综合考虑地铁网络的风险因素，从多角度进行地铁网络脆弱性因素的辨识.

2) 系统性原则.在评价体系中，风险源的辨识是一切的前提.辨识风险源直接影响着评价的结果.所以，地铁脆弱性的风险辨识需要完整具体对地铁网络脆弱性进行分析，从而保证分析结果的正确.

3) 科学性原则.为了更好的对目标进行评价需要合理的选取风险因子，因此在风险因子的选取上需要体现准确性、合理性、完整性，对目标对象进行客观描述.选取的因子需要相互独立，相互影响的因子会干扰评价结果，消除指标存在联系的可能，才能保证评价结果的准确性.

1.1.3 风险因子辨识方法

风险因子辨识的目的是通过适当的方法，找出潜在的风险因素.目前，较为常见的辨识方法有：问卷调查法、头脑风暴法、数据分析法等.

1.2 地铁网络脆弱性的风险因素

地铁的运营过程具有规律性，且地铁在空间上的分布很广，会受到各种不利条件的作用.地铁网络脆弱性的被激发而导致整个地铁安全运营受到影响必是因为地铁存在的某种因素而引起的.本文将地铁网络脆弱性的影响因素分为“人、设、环、管”四大部分.

1.2.1 影响地铁网络的人员因素

1)地铁网络内部人为因素

地铁运营过程都离不开人员的管控，因此地铁员工的行为可能导致地铁意外的发生.地铁员工因素也可分为由于自身因素导致的风险和员工间配合发生问题从而产生的风险.主要有：驾驶员操作不当、调度员指挥不当、监控人员疲劳作业、站务人员玩忽职守等.

2)地铁网络外部人为因素

乘客是造成地铁网络中的重要不确定因素.乘车高峰期的客流量和乘客的危险行为等对地铁网络的正常运营有着巨大的考验，容易对设备设施造成损坏.如大客流条件下的拥堵、无序的上下车、触碰紧急制动按钮等都有极可能对地铁造成不利影响.

1.2.2 影响地铁网络的设备设施因素

地铁网络的运营安全与设备设施的损耗程度及保养维修水平等方面相挂钩.设备设施磨损程度越小，维修保养程度越高，则发生事故的概率就越低，脆弱性也就越低.

1)车辆系统：车辆直接与乘客交往，因此应具备安全舒适美观等特点.车辆系统的选型和技术参数是安全运营的基础.

2)通信信号系统：通信信号系统是确保地铁运营安全，对地铁运行进行指挥关键系统设备.无论是通号系统自身还是其供电出现问题，都会造成信息无法正常传递，影响地铁的正常运营，从而发生事故.车载信号故障是通号故障的主要原因.

3)线路轨道系统：线路轨道系统是保障地铁网络运营安全的子系统之一.若轨道出了问题，则一定会使得地铁运营中断.线路影响因素主要为：轨道磨耗严重、整体道床沉降、道岔方向不良、尖轨与基本轨不密贴或较长距离不密贴等.

4)供电系统：地铁供电系统引起的事故主要是触电事故和电气火灾.火灾产生的因素主要有：线路出现短路、变压器散热不良或人为操作不当导致失火.供电系统是向地铁网络供电，一旦发生故障，则会使得地铁网络停电，运营中断.

1.2.3 影响地铁网络的环境因素

1)地铁内部环境

地铁系统内部环境是员工工作环境和企业文化构成，工作环境主要是：地铁站台展厅环境以及地铁的线路环境.工作的环境会直接影响工作人员的态度、心情以及积极性.

2)自然环境

影响地铁运营的自然灾害主要有：台风、洪水、地震等，这些灾害会对地铁带来影响从而导致地铁运营中断或延误，更严重的是由于自然灾害所引发的次生灾害.

1.2.4 影响地铁网络的管理因素

地铁网络的管理程度直接影响着地铁运营的安全与否.管理连接了员工、设备设施、环境以及管理各个影响因素.良好的管理水平对地铁运营起到至关重要的作用.影响管理的因素主要有：安全标识的完善程度、员工安全管理水平、应急机制完善程度等.

1.3 地铁网络脆弱性评价指标体系

通过对地铁网络脆弱性风险因素分析，建立评价指标体系，如图1所示.

图1 评价指标体系Figure 1 Evaluation index system

2 地铁网络脆弱性风险评价

2.1 数据包络分析法

数据包络分析方法(DEA)是运筹学和研究经济生产边界的一种方法.它是通过数学规划对各指标进行评价研究的分析方法.DEA大多用在评价多输入和多输出系统的相对有效性，并为决策中的安全风险提供技术支持[14].

2.2 DEA评价的依据

根据输入和输出变量的定义，通过对变量的分析来评价系统的有效性，同时简化了确定因素的复杂过程，基于输入变量的输出和线性规划的DEA模型的权值，不需要设置数值权重，因此可以有效地消除主观因素对结果的影响，具有很强的客观性和适用性[15].因为地铁脆弱性受“人、设、环、管”的相互影响，且影响因素较多.因此，用DEA方法对地铁网络脆弱性风险评价进行研究分析.

2.3 DEA模型构建PH

假设有n个决策单元DMU，并且DMU都有各自的评价指标yi，yij，表示第j个DMU的第i个指标，这有以下线性规划.

(1)

(2)

(3)

其中:

λ=(λ1,λ2,…,λn)T≥0}

若(P)拥有最优解μ，δ有μ>0，且Vp=0，则称Yo对应的决策单元为DEA有效(S).S表示只输入或输出的单一情况.

3 实例分析

3.1 评价分析

以福州地铁已运营的二号线为例进行分析.将风险因素单元看为一个决策单元，根据输入输出因素间的联系，将风险因子作为输入变量，并且将“人-设-管-环”作为输出变量.请10位福州地铁二号线的管理人员填写问卷(见表1)，指标评价等级设为{低，较低，中，较高，高}，对应分值为{1,3,5,7,9}.结果如表2.

表1 地铁网络脆弱性风险等级评分表Table 1 Rating table of subway network vulnerability risk Grade

表2 风险指标数据表Table 2 Data table of risk indicators

将DEA-SOLVER Pro5.0的参数设置后进行数据分析，结果见表3、4.

表3 指标数据分析Table 3 Index data analysis

表4 指标数据相关性Table 4 Correlation of indicator data

各决策单元的有效性计算结果见表5.

表5 有效性分析Table 5 Validity analysis

根据有效性分析表得出：对于地铁网络脆弱性风险的影响，Risk2的指标为1，为有效指标，Riskl、Risk3和Risk4小于1，为无效指标.

3.3 分析结果与建议

根据以上数据分析得出了“人-设-管-环”与福州地铁二号线的脆弱性风险的相关性，确定了“设”对福州地铁二号线的脆弱性风险的影响最大.同时在风险指标的中，数据二级指标乘客的行为与客流量大对地铁网络脆弱性风险的评价分数最高，也列入考虑因素中.

根据以上分析结果对地铁二号线提出以下建议.

1)设施因素

保养维修地铁设备，保持设备正常运行，员工需对设备进行有规划的监控管理，时刻监控设备的状态是否正常，设备功能的参数是否在指定范围内.在设备使用一段时间后对设备进行拆卸和清洗，使其能正常安全地继续工作.

2)乘客和客流因素

在设计地铁时应该考虑到地铁沿线的人口情况，避免因人口过多导致地铁设施供给不足；应加强对乘客调控与疏导，尽可能的降低客流量大对地铁造成影响.同时需要对乘客的行为进行监管和引导，以减少乘客因不熟悉环境或从众心理的不良行为对地铁带来的危险.

4 结 语

目前我国地铁已进入高速发展的阶段，而保障地铁网络安全和运营是首要解决的问题，这就突显了地铁网络脆弱性风险评价研究的重要性.本文基于DEA方法从“人、设、环、管”四方面对福州地铁二号线的风险因素进行分析，发现一级指标中“设”和二级指标乘客的行为与客流量大等方面的脆弱性风险影响较为显著，提出了相应的改进措施，有利于降低地铁网络的脆弱性.在本研究中，构建地铁网络脆弱性评价指标体系能够为地铁网络脆弱性风险研究提供了新的视角，有助于更好地保证地铁网络的安全性.