基于改进 ISM-DEMATEL 的高速铁路 列车晚点致因因素分析

孙延浩，张 涛，刘宁馨，赵 阳，李 昂

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团 有限公司 运输及经济研究所，北京 100081)

0 引言

高速铁路行车服务质量的核心就是在保证列车安全性和顾客舒适性的基础上，提高列车的正点率。然而高速铁路列车在运行过程中因为受到人为失误、设备故障、自然环境等随机因素的干扰，难免会出现列车晚点的现象。一旦发生列车晚点，不仅会影响旅客行程，降低高速铁路列车服务质量，严重的情况下还会引起路网的运输中断，破坏客流均衡和路网持续性。因此采取科学合理的手段对高速铁路列车晚点致因因素展开研究十分必要。

对于高速铁路列车晚点的研究，不少专家学者做了大量的工作。袁强等[1]提出一种基于超统计理论的高速铁路列车晚点分布模型。石晶等[2]以武广高速铁路(武汉—广州南)列车为例，针对高速铁路列车晚点时间分布规律，运用Logistic回归分析模型预测相邻、相间列车晚点时间。孟子悦等[3]应用统计学中皮尔逊相关系数法探究高速列车晚点特征。谭萌等[4]结合武广高速铁路实绩运行数据研究高速铁路列车晚点现状，发现高速列车发生到达晚点的情况较为严重。孙延浩等[5]采用改进的灰色马尔科夫模型对列车晚点时间进行预测。袁志明等[6]通过设计随机森林模型对高速铁路列车晚点的恢复时间进行预测，并构建能够描述列车晚点在运行线上传播的晚点状态概率转移矩阵，反映列车晚点在运行线上传播及恢复的情况。可以看出，目前关于高速铁路列车晚点的研究大部分集中在晚点分布和晚点预测上，而对于列车晚点的致因只进行简单的概括性的总结和介绍，缺少理论性的建模分析。

目前关于致因因素分析的方法主要有主成分分析法、数据包络法、实验室决策分析法(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)[7]以及结构解释模型法(Interpretive Structural Modeling，ISM)[8]，其中后两者适用场景更为广泛。相较于其他方法，ISM不仅可以分析致因因素间的关联关系和影响程度，还能辨识出因素间的逻辑结构和影响机制，ISM在计算时需要进行大量的复杂矩阵运算，为减少可达矩阵的计算量，将DEMATEL引入到ISM的计算中，并利用三角模糊数(Triangular Fuzzy Number，TFN)进行改进，提出一种改进的集成ISM-DEMATEL方法对高速铁路列车晚点的致因因素进行分析，以期为高速铁路列车的正点高效运行和列车调度指挥提供理论支撑。

1 高速铁路列车晚点致因因素分析

高速铁路列车晚点是指高速铁路在运营中由于受到内外界各种随机因素的干扰，使得列车实际的出发或到达时刻晚于时刻表规定的时刻，行车的时间轨迹与计划运行图的规定时间轨迹相背离[9]。高速铁路运输系统是一个内部元素众多且联系紧密的巨系统，在日常运营组织中各个子系统协调互联、相辅相成，共同完成运输任务。因此从系统论角度出发，基于“人—机—环—管”4个方面对高速铁路列车晚点的致因因素进行分析，为保证所分析因素的可靠性和客观性，共邀请10名相关领域的专家和学者，利用问卷的方式对高速铁路列车晚点致因因素进行判定。经与专家反复讨论，最终将其分为人为因素、设备因素、环境因素和其他因素4个大类，16个具体致因因素，得到高速铁路列车晚点致因因素如表1所示。

表1 高速铁路列车晚点致因因素Tab.1 Factors causing high speed railway train delay

（1）人为因素。影响高速铁路列车晚点的人为因素分为铁路系统内部人员因素和铁路系统外部人员因素，内部因素主要是内部人员管理不当，或者工作人员操作不当导致的；外部因素大部分是由于旅客和闲杂人员导致的。

（2）设备因素。高速铁路设备密集，且大部分长期暴露在户外环境中，设备运行环境条件比较恶劣。一旦出现设备故障，多数情况下会导致高速铁路列车出现晚点现象。

（3）环境因素。环境因素是导致高速铁路列车晚点的外部致因，我国幅员辽阔，线路环境复杂，故环境因素极易导致列车晚点，如在大风或暴雨等一些极端天气下，会致使列车限速、折返、迂回甚至停运，引发高速铁路列车晚点。

（4）其他因素。其他因素包括节假日突增的客流量、面对突发事件时缺少有效的应急管理体制等，这些因素都会对高速铁路列车的正常运行产生干扰。

以上干扰因素之间相互影响，相互耦合，通过简单的分析无法对高速铁路列车的晚点致因形成一个科学、客观的认识，有必要采用相应的数学模型对其展开深入的研究。

2 改进的集成ISM-DEMATEL方法

DEMATEL是一种基于图论和矩阵工具对系统要素进行分析的重要方法，主要利用因素间的影响关系来构建影响矩阵。ISM可操作性强，已被广泛应用于现代系统工程分析中。考虑到高速铁路列车晚点的致因因素众多且因素间具有较强的耦合性，可将DEMATEL与ISM方法进行集成，构建一种集成的ISM-DEMATEL方法。由于DEMATEL基于专家的经验或者知识，其主观性较强，为降低主观性带来的影响，需对DEMATEL进行改进，故将模糊理论引入到DEMATEL中，利用TFN来表征专家的偏好信息。对直接影响矩阵进行模糊化处理，再通过转换法(Converting Fuzzy numbers into Crisp Scores，CFCS)将模糊数转化为精确值[10]，最后再与ISM方法进行集成，其具体步骤如下。

步骤1：确定语言变量和TFN的对应关系。

步骤2：构建致因因素间的TFN直接影响矩阵Zk= [zikj]n×n。其中zikj= (aikj，bikj，cikj)为第k (k = 1，2，…，q)个专家给出的因素αi对因素αj的影响程度；aikj和cikj分别为TNF的上确界和下确界；bikj为TNF最有可能取值。

步骤3：利用CFCS法对TNF进行去模糊化处理。首先标准化TNF，设likj，mikj和rikj分别是aikj，cikj和bikj的标准化数值，其计算公式依次为

步骤5：利用矩阵X计算综合影响矩阵T = [tij]n×n。其中T = X (I - X)-1，I作为单位矩阵参与运算。

步骤6：计算各因素的影响度和被影响度。将综合影响矩阵T中的元素按行相加得到影响度fi=再将T中的元素按列相加得到被影响度ei=

步骤7：计算原因度和中心度。原因度表示因素间的因果关系，通过计算影响度fi和被影响度ei之差获得，即Ni= fi- ei，若原因度大于0，则为原因因素，若原因度小于0，则为结果因素。将影响度fi和被影响度ei相加获得中心度，即Mi= fi+ ei。

步骤8：计算可达矩阵H = T + I = [hij]n×n。

步骤9：建立前因集Ri与可达集Ai。为了使解释结构模型更加合理，此时引入阈值λ（0≤λ≤ 1），通过λ来识别出影响程度小的因素，并加以取舍。λ值越大，结构体系的层次越简单，但因素间的影响关系也越模糊；λ值越小，结构体系的层次越详实，但又缺乏整体性。对于可达矩阵H来说，如果hij≥λ，则kij= 1，如果hij＜ 1，则kij= 0。kij为因素i与元素j的关联值。

式中：Ri为前因集；Ai为可达集；共同集Pi= Ri∩ Ai，若满足Pi= Ri，则Ri为最高级因素集。

步骤10：建立解释结构模型。

3 案例分析

3.1 ISM-DEMATEL方法分析过程

为了对某条高速铁路线路列车晚点的致因因素进行分析，某铁路局集团公司邀请5位行车组织与运输安全方面的专家对该条高速铁路线路列车晚点的16个致因因素间的关系采用TNF进行评估。语言变量分为“无影响”“影响非常小”“影响小”“影响大”和“影响非常大”5个层级，其分别对应0，1，2，3，4共5个数值。语言变量及其对应TFN如表2所示。

表2 语言变量及其对应TFNTab.2 Linguistic variables and TFN

根据步骤1到步骤3通过CFCS去模糊化后，获取高速铁路列车晚点致因因素直接影响矩阵如表3所示。

表3 高速铁路列车晚点致因因素直接影响矩阵Tab.3 Direct influence matrix of factors causing high speed railway train delay

根据中心度和原因度，绘制高速铁路列车晚点致因因素关系图如图1所示，可以看出α7，α8，α9，α10和α11的原因度为负，表示这些因素会受到其他因素的影响，从而导致高速铁路列车出现晚点；α1，α2，α12，α13，α14和α16的中心度较高，表明它们是导致列车晚点关键因素，需要相关部门认真对待。

图1 高速铁路列车晚点致因因素关系图Fig.1 Relationship of factors causing high speed railway train delay

再次，根据步骤8，构建高速铁路列车晚点致因因素的可达矩阵，根据专家建议进行多次试算确定阈值λ为0.38，高速铁路列车晚点致因因素可达矩阵如表5所示。

表5 高速铁路列车晚点致因因素可达矩阵Tab.5 Reachability matrix of factors causing high speed railway train delay

最后，根据表3的可达矩阵和步骤9、步骤10，得到高速铁路列车晚点ISM解释结构模型图如图2所示。

图2 高速铁路列车晚点ISM解释结构模型图 Fig.2 ISM hierarchy model of high speed railway train delay

3.2 研究结论与分析

从解释结构模型可以看出，高速铁路列车晚点致因因素之间有着复杂的联系，具体体现在以下4个方面。

（1）线路故障、通信信号设备故障、高速铁路列车故障和供电设备故障是导致列车晚点的直接原因。同时旅客的行为也是导致列车晚点的重要原因，尤其是旅客的不良行为，比如吸烟或者误按紧急制动按钮，这些行为也容易导致设备发生故障。因此降低设备的故障率，是防止列车晚点的重要手段之一。

其次，根据步骤4到步骤7计算列车晚点致因因素的影响度、被影响度、中心度和原因度，各致因因素的影响度、被影响度、中心度和原因度如表4所示。

表4 各致因因素的影响度、被影响度、 中心度和原因度Tab.4 Influence degree, affected degree, center degree, and cause degree of each factor

（2）相关人员的处置能力十分关键。对于第2层和第3层致因因素来说，相关人员的处置能力十分关键。尤其是当发生突发事件时，高效的应急处置能力是降低事件进一步传播的重要保障。因此要着重提高相关人员的业务能力，减少工作失误，同时也要健全和完善应急管理体制，进而降低列车晚点发生的概率，或者减少高速铁路列车进一步的延误传播，将列车晚点影响区域尽量控制在最小范围内。

（3）风雨雪和一些地质灾害等环境因素，对高速铁路设备的影响十分严重。对于第4层因素来说，风雨雪和一些地质灾害等环境因素，其本身破坏并不大，但是这些因素对高速铁路设备的影响十分严重。而设备故障是导致列车晚点的直接原因，同时这些环境致因因素发生的频度也较高。因此必须重点关注这类因素。一方面，增加有效的监测设备，保证风雨雪等灾害预警系统的可靠性和准确性。另一方面，通过历史自然灾害数据的分析，对列车运行时段的天气状况进行预判，提前做好应急准备，尽量降低列车晚点发生概率。

（4）管理不当是引发高速铁路列车晚点的最底层原因。“人—机—环”虽然都可以直接导致列车发生晚点，但管理因素是导致其他3类因素引发事故的根本原因，故需构建一套科学的且行之有效的管理制度，明确每个人的职责所在，并设立反馈渠道，及时对管理制度进行调整或者更正。

4 结束语

列车正点率是衡量高速铁路服务质量的重要指标之一，然而列车在运行过程中很容易受到运输设备故障、自然条件、人为失误等随机因素的干扰，进而发生晚点。为了深入科学分析高速铁路列车晚点的致因因素，通过构建一种改进的ISMDEMATEL分析方法，探究高速铁路列车晚点致因因素的内在联系，清晰得出关键因素所在的层级和影响途径。同时该方法为类似复杂系统事件致因分析提供了一种新的分析思路，虽然改进ISM-DEMATEL法依然存在着一定的主观性，但是仍不失为一种分析高速铁路列车晚点致因因素的有效方法。