多模型加权组合的城轨运营安全评价方法

任 娜

(陕西交通职业技术学院轨道交通学院，陕西 西安 710018)

城市轨道交通给居民出行提供了更多选择，缓解了城市早晚高峰的交通压力，我国各大城市都在积极开展轨道交通建设。自1981年我国首条地铁对外开放使用至今，全国已经有43个城市在使用城市轨道交通，其中1993年开始投入使用的上海地铁系统是迄今为止世界上线路最长、规模最大的城市轨道交通系统。据统计，截至2019年5月，全国有多条轨道交通线路日均客流量超过一百万人，由此可见城市轨道交通运营压力巨大。城市轨道交通人流量密集，车站空间封闭狭窄，如果出现安全事故，影响巨大，故此对城市轨道交通的安全评价和风险预估一直是研究的重点。

储震等[1]建立了基于相关性准则的广义加权组合评价模型，对城轨运营的安全性进行评估，为研究组合评价方法提供了全新的思路，实验表明，该类方法在理论及实际应用等方面具有较高的价值；涂圣文等[2]研究了一段双车道公路试验路段沿线事故修正系数CMF分布情况，并设计了线形组合事故预测模型，对线形组合路段进行了分析，研究表明，所设计的方法能够有效预测双车道公路的事故发生率，可有效解决双车道公路频发事故的问题。张延风等[3]为解决威胁评估问题,提出了一种基于层次分析法(AHP)和熵值法的目标多属性威胁评估方法，根据评估目标的多属性进行其威胁性的评估，仿真实验表明，所提出的方法在威胁评估方面具有较高的准确率，能够有效应用在实际当中；王子煜等[4]从系统功能核验、系统联动测试、运营准备等方面入手，对中国城市轨道交通产业进行安全性评估，归纳了车辆系统安全评估的要点，实验结果表明，该方法对于新开通运营线路的安全评估具有一定的有效性。

层次分析法可对评价的目标加以分析，把影响因素按照关联性进行划分并组合，使用合理的计算方法，计算出各层中重要数值[5]。可变模糊评价法是在工程模糊集理论的基础上改进而来的，利用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价，增加预测、决策、评价的可信度，该评价方法已经普遍应用在洪水灾害评估、农业生态环境评估、系统安全评估等领域，实证验证了其可靠性[6]。熵值法是一种客观加权方法；熵变小是由于无法确定量变小，导致信息量变大，熵变大则是由于无法确定量变大，导致信息量变小[3]。本文使用层次分析法和熵值法组合加权得出指标权重，并利用加权可变模糊评价方法对城轨线路运营安全进行综合评价。

1 多模型加权组合的城轨运营安全评价方法

1.1 城轨运营安全评价指标体系

将对城轨运营安全造成影响的主要因素分为5类一级指标，分别为管理指标Z1、环境指标Z2、列车载客指标Z3、设备指标Z4以及车站指标Z5[7]。城轨运营安全评价指标体系如图1所示。

图1 城轨运营安全评价指标体系

从图1可以看出，5类一级指标中的管理指标、环境指标和设备指标3个一级指标又可分为不同的二级指标。具体解释如下：

1) 管理指标Z1。①调度员安全保障指标Z11，考核调度员的职称、工龄、年龄等是否满足工种特性要求，工作强度是否过轻或过重等[8]；②驾驶员安全保障指标Z12，考核驾驶员的职称、工龄、年龄是否满足工种特性要求以及其工作强度。

2)环境指标Z2。①隧道稳定指标Z21，对隧道的变形数值加以监控；②轨道安全保障指标Z22，对钢轨的损伤以及损伤分布进行考核，以判断钢轨是否可以继续使用。

3)列车载客指标Z3。线路运力运量匹配度Z31，线路区间在同一个时间段内，线路区间总个数和超载率个数比值。

4)设备指标Z4。①车辆安全指标Z41，车辆发生故障的概率以及故障对车辆安全的影响程度[9]；②信号系统安全指标Z42，信号系统发生故障的概率、故障修复的平均时间以及故障对安全的影响程度；③供电系统安全指标Z43，供电方式对供电系统安全指标的影响程度；④通信系统安全指标Z44，无线系统故障、广播系统、专线电话系统、监控系统、数据传输系统等对通信系统的影响[10-12]。

5)车站指标Z5。线路车站安全综合指标Z51，车站指标只对客流量加以考虑，各安全指标综合在一起即为线路车站安全综合指标。

1.2 多模型加权组合评价

1.2.1组合权重的获取

使用层次分析法和熵值法分别计算5个一级指标的权重，分别为υi与ηi，两种方法加权组合得出组合权重γi：

(1)

式中：n为指标个数。

1.2.2获取指标特征值

1)指标特征值矩阵的获取。假设指标样本集{Z1,Z2,…,Zk}是由k个等待评价的指标组成，在指标a内，第b个指标值为zab，则需要评价的指标特征值矩阵Z为：

Z=(zab){Z1,Z2,…,Zk}

(2)

式中：b=1,2,…,k；a=1,2,…,k。

2)指标评价区间矩阵的获取。假设依据w个级别对评价指标进行评价区间划分，从1级到w级逐渐递增，级别越高评价越差，指标评价区间矩阵Bxy为：

Bxy=[[xbg,ybg]]

(3)

式中：[xbg,ybg]为指标b标准值区间，其中xbg为区间上限，ybg为区间下限；g为指标特征量；x,y为评价指标系数。

3)依据上述指标评价区间矩阵Bxy，对可变范围评价区间矩阵Bws进行计算，计算方法如下：

Bws=[[wbg,sbg]]

(4)

式中：wbg为可变区间上限；sbg为可变区间下限。当级别为g时指标b标准值区间为[wbg,sbg]：

(5)

4)隶属度获取。根据式(4)以及实际情况和指标特性，获取区间[xbg,ybg]的相对隶属度σx(zab)g=1的点值矩阵T，如式(6)所示：

T=[Tbg]

(6)

5)隶属于各个级别的指标值zab相对隶属度矩阵的获取。比较指标特征值zab和Tbg，zab小于Tbg或zab大于Tbg，式(7)、式(8)分别为其相对隶属函数：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：x和l分别为可变模糊模型的参数，其组合形式有：1)l=1，x=1；2)l=2，x=1；3)l=1，x=2；4)l=2，x=2。同时，x和l又分别是优化标准参数和距离参数，x=1与x=2是最小一乘方准则和最小二乘方准则；l=1和l=2分别是海明距离和欧氏距离。

式(11)是一个非归一化综合相对隶属矩阵，该矩阵与可变模糊模型参数的4种组合相对应：

(11)

式(11)经过归一化处理后，得到式(12)：

Ua=[uag]

(12)

7) 安全综合评价。计算指标a的级别特征向量Ga：

Ga=(1,2,…,w)Ua

(13)

根据指标在模型中的级别特征值，使用熵权法算出模型的权重后，即可通过线性加权法获得综合级别特征值Gv。式(14)为判断准则，以此准则综合评价指标的安全性。

(14)

2 仿真实验

以南昌市地铁2号线作为研究对象，用本文方法对该线路城轨运营安全性进行评价。使用VC ++ 语言编写安全评价程序软件，验证本文方法评价结果的正确性。

2.1 城轨运营样本

从图1中能够看出城轨运营安全样本体系一共分为2层，第一层是一级指标，第二层是二级指标，第二层与第一层是从属关系，第二层是城轨运营安全样本体系最重要的部分。根据南昌市轨道交通有限公司提供的2019年端午节前后，分别为端午节前一天(样本1)、端午节当天(样本2)与第二天(样本3)以及端午节之后的工作日(样本4)的运营数据，按照本文方法得到的城轨运营安全指标体系各项指标的值，见表1。

表1 城轨运营安全指标体系指标值

2.2 指标权重

按照南昌地铁2号线端午期间的运营数据对矩阵内指标数值进行判断，得到各指标权重υ、指标熵权η，加权组合后得到综合权重值γ，结果见表2。依据表2中城轨线路运营安全评价指标体系中第二层指标的权重值，评价南昌地铁2号线端午节前后的城轨线路运营安全性。

表2 二级指标权重

2.3 城轨运营安全评价

表3 评价结果与级别特征值

3 结束语

基于城轨运营安全指标体系，本文使用层次分析法和熵值法组合加权得出指标权重，并利用加权可变模糊评价方法对南昌地铁2号线的城轨运营安全性进行评价，以2019年端午节假期前后的城轨线路运营情况为样本，计算各指标组合权重，获得该阶段城轨运营安全等级，评价结果与实际结果基本一致。在今后的研究中可以通过进一步补充并完善城轨线路安全体系指标，增强本文方法评价的全面性，更好地服务于城市轨道交通运营。