鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全指標(biāo)屬性約簡(jiǎn)研究*

王文憲，況　瑢，郭經(jīng)緯，呂紅霞

(1. 河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 焦作 454000；2. 西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院， 四川 成都610031)

0　引言

作為我國(guó)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸占總運(yùn)量的80%以上。截止2016年底，全路危險(xiǎn)貨物辦理站數(shù)量達(dá)76個(gè)，接軌站1 300余個(gè)，辦理危險(xiǎn)貨物的運(yùn)輸專用線超過(guò)2 000條，實(shí)現(xiàn)運(yùn)量約1.4億噸[1]。鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)桨l(fā)、裝卸作業(yè)主要集中在專用線辦理，專用線作為鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)闹匾鳂I(yè)場(chǎng)所，安全設(shè)備設(shè)施是否齊全，安全管理制度是否健全，從業(yè)人員專業(yè)技能是否可靠等，均會(huì)對(duì)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)陌踩栽斐芍苯佑绊?。因此，鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)是重要的基礎(chǔ)工作，可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的有效性與準(zhǔn)確性，從而減少安全事故的發(fā)生。

針對(duì)鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)方面的研究，Glickman[2]通過(guò)統(tǒng)計(jì)年度鐵路編組站液體貨物泄漏事件概率并對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行量化評(píng)估；Cozzani[3]構(gòu)建了鐵路編組站危險(xiǎn)性評(píng)估理論框架；張江華[4]系統(tǒng)歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)分析的相關(guān)研究成果及不足；其他學(xué)者王喆[5-6]、劉雪鵬[7]等，在構(gòu)建專用線危貨運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)體系基礎(chǔ)上，采用諸如突變理論、灰色評(píng)價(jià)模型以及模糊綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行量化分析。以上研究的重點(diǎn)側(cè)重于鐵路專用站及專用線評(píng)價(jià)方法的選擇，在評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇中通常只分析其原則，針對(duì)評(píng)價(jià)體系構(gòu)建中指標(biāo)相關(guān)性、冗余性處理的研究較少。

粗糙集理論[8](RS，Rough Set)于1982年由波蘭數(shù)學(xué)家的Pawlak提出，主要用于學(xué)習(xí)、表達(dá)以及歸納具有不確定性及不完整性的數(shù)據(jù)知識(shí)，在沒(méi)有任何先驗(yàn)知識(shí)及附加信息的情況下，從知識(shí)分類角度利用數(shù)據(jù)本身自帶信息對(duì)其進(jìn)行推理。粗糙集理論的屬性約簡(jiǎn)方法中，基于區(qū)分矩陣的屬性約簡(jiǎn)算法易于理解，且具有多項(xiàng)式時(shí)間復(fù)雜性的優(yōu)點(diǎn)[9]，被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域中與金融學(xué)領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)挖掘、評(píng)價(jià)指標(biāo)精簡(jiǎn)等方面。基于上述分析，本文在分析鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全影響因素基礎(chǔ)上，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用基于改進(jìn)區(qū)分矩陣的粗糙集屬性約簡(jiǎn)方法，在保證知識(shí)分類質(zhì)量不變的前提下，對(duì)評(píng)價(jià)體系指標(biāo)進(jìn)行精簡(jiǎn)，從而提高評(píng)價(jià)過(guò)程中的科學(xué)性。

1　評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建

鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)挠绊懸蛩乇姸?，評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建需從總體上反映專用線運(yùn)輸事故的本質(zhì)。事故致因理論認(rèn)為：造成事故的原因包括人的因素、設(shè)備因素、線路因素以及管理因素，所以從“人、機(jī)、路、管”角度出發(fā)，鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)挠绊懸蛩匾矐?yīng)該從資質(zhì)管理C1、安全設(shè)備設(shè)施C2、運(yùn)輸設(shè)備設(shè)施C3以及安全管理C4這4個(gè)方面考慮[10]。

1.1　資質(zhì)管理

危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸托運(yùn)人資質(zhì)是由國(guó)家相關(guān)部門認(rèn)定，從事該類運(yùn)輸業(yè)務(wù)單位所獲得的危險(xiǎn)貨物存儲(chǔ)、運(yùn)營(yíng)資格[11]。《危規(guī)》規(guī)定，從事鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)耐羞\(yùn)人或單位必須具備相應(yīng)的資質(zhì)。資質(zhì)管理包含的考核指標(biāo)包括托運(yùn)人的資質(zhì)證書(shū)以及危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)許可2種證書(shū)，而且需要滿足危險(xiǎn)貨物的各項(xiàng)規(guī)定。

1.2　安全設(shè)備設(shè)施

鐵路危險(xiǎn)貨物專用線的設(shè)施設(shè)備中，每一個(gè)零部件的質(zhì)量與使用規(guī)范都對(duì)整條專用線的安全狀況造成直接影響。安全設(shè)備設(shè)施包含的考核指標(biāo)包括危險(xiǎn)貨物的消防設(shè)施、防雷設(shè)施以及防靜電設(shè)施，安全檢測(cè)及報(bào)警設(shè)備，應(yīng)急救援物資，安全監(jiān)控系統(tǒng)等，此外還包括設(shè)施之間的安全距離是否符合標(biāo)準(zhǔn)[12]。

1.3　運(yùn)輸設(shè)備設(shè)施

在危險(xiǎn)貨物的運(yùn)輸過(guò)程中，不同外界條件的作用都有可能導(dǎo)致各類危險(xiǎn)貨物事故的發(fā)生，此外，某些危險(xiǎn)貨物還會(huì)因?yàn)槟Σ琳駝?dòng)而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并生成有毒物質(zhì)。因此，運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)貨物要與所使用的運(yùn)輸工具與包裝相適應(yīng)，危險(xiǎn)貨物載運(yùn)工具及安全附件需要符合《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)則》要求。危險(xiǎn)貨物的運(yùn)輸包裝應(yīng)該是由取得國(guó)家規(guī)定的企業(yè)生產(chǎn)，由鐵路總公司認(rèn)定的包裝檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)合格。

1.4　安全管理

鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸過(guò)程中包含各類復(fù)雜的技術(shù)作業(yè)流程，且對(duì)安全條件要求較高，其制度管理涉及社會(huì)與環(huán)境的安全。因此，鐵路危險(xiǎn)貨物專用線應(yīng)根據(jù)自身的運(yùn)營(yíng)狀況及技術(shù)條件，制定與實(shí)施各項(xiàng)嚴(yán)格的管理制度與應(yīng)急預(yù)案。安全管理所包含的考核指標(biāo)主要包括安全管理制度、從業(yè)人員安全培訓(xùn)以及應(yīng)急預(yù)案等內(nèi)容的規(guī)范情況等[13]。

綜上，構(gòu)建鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)體系如圖1所示。該體系包含有4個(gè)二級(jí)指標(biāo)，以及16個(gè)三級(jí)指標(biāo)。

圖1　鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)體系Fig.1　Rail line dangerous freights transport security assessment system

2　基于粗糙集理論的屬性約簡(jiǎn)

2.1　改進(jìn)區(qū)分矩陣設(shè)計(jì)

基于粗糙集理論的鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)體系約簡(jiǎn)的關(guān)鍵在于區(qū)分矩陣設(shè)計(jì)。但由于某些不相容決策表中，區(qū)分矩陣屬性約簡(jiǎn)與正域?qū)傩约s簡(jiǎn)之間并不等價(jià)，因此需要對(duì)傳統(tǒng)意義上的區(qū)分矩陣進(jìn)行適應(yīng)性的修正。

定義1鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)決策表S=(U,A,V,F)，論域U={u1,u2,…,un}為鐵路專用線危貨運(yùn)輸統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)結(jié)果組成的樣本集；A=C∪D為有限屬性集，其中子集C為條件屬性集，為評(píng)價(jià)體系中的各個(gè)三級(jí)指標(biāo)，子集D為決策屬性集，反映鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸二級(jí)指標(biāo)安全等級(jí)評(píng)價(jià)類別，且C與D滿足C∩D=φ；V=(Ua∈A,Va)為屬性取值的集合，其中Va是屬性a的值域，也就是屬性a的取值范圍；F:U×A→V為信息函數(shù)，用于確定論域U中每個(gè)樣本u關(guān)于屬性a的信息值，且?a∈A,x∈U，F(xiàn)(u,a)∈Va。

(1)

(2)

定義4在簡(jiǎn)化決策表S′=(U′,C,D,V,F)中，簡(jiǎn)化區(qū)分矩陣為M′=m(i′,j′)，矩陣中包含的元素定義如下[14]：

(3)

定義5假設(shè)M′=m(i′,j′)為簡(jiǎn)化決策表S′=(U′,C,D,V,F)的簡(jiǎn)化區(qū)分矩陣，且P?C，如果P滿足：1)?φ≠m(i′,j′)∈M′，且P∩m(i′,j′)≠φ；2)?a∈P,P′=P-{a}均不滿足1)，則稱P是C關(guān)于D的一個(gè)屬性約簡(jiǎn)。

2.2　屬性約簡(jiǎn)算法流程

通過(guò)基于粗糙集約簡(jiǎn)理論的改進(jìn)區(qū)分矩陣設(shè)計(jì)，結(jié)合鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)體系的特點(diǎn)，對(duì)該體系中指標(biāo)精簡(jiǎn)的具體實(shí)施步驟如下：

Step1 確定屬性集C，匯總現(xiàn)有成果，構(gòu)建鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)指標(biāo)集C，其中ci∈C為鐵路專用線危貨運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)指標(biāo)；

Step2 確定樣本集即論域U，其中ui∈U為歷史數(shù)據(jù)中某個(gè)年度或某個(gè)時(shí)段的鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值；

Step3 屬性值語(yǔ)義界定，確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)ci的屬性值以及相應(yīng)評(píng)語(yǔ)集，并確定每個(gè)樣本u關(guān)于屬性a的信息值F(u,a)；

Step4 構(gòu)建屬性約簡(jiǎn)決策表S=(U,A,V,F)，結(jié)合各類指標(biāo)評(píng)語(yǔ)集與歷史數(shù)據(jù)構(gòu)建類似于二維矩陣的關(guān)系數(shù)據(jù)表，該表中每一列數(shù)據(jù)代表論域中的一個(gè)樣本，每一行代表論域中所有樣本關(guān)于某個(gè)屬性即評(píng)價(jià)指標(biāo)ci的值；

Step5 確定評(píng)價(jià)體系指標(biāo)屬性集C的不可區(qū)分關(guān)系ind(C)，計(jì)算過(guò)程如下[15]：

1)對(duì)每一個(gè)指標(biāo)ci(i=1,2,…,r)信息值函數(shù)值f(uj,ci)(j=1,2,…,n)的最大值和最小值，分別記為Mi與mi；

2)以靜態(tài)鏈表依次存儲(chǔ)對(duì)象u1,u2,…,un，令表頭指針指向u1；

3)進(jìn)行“分配”與“收集”

第i次“分配”：構(gòu)建Mi-mi+1空對(duì)列，設(shè)置對(duì)列k的頭指針和尾指針?lè)謩e為frontk和frontk，并將鏈表中的對(duì)象u∈U按其在鏈表中的次序分配至隊(duì)列f(u,ci)-mi中；

第i次“收集”：將表頭指針指向第一個(gè)非空對(duì)列的頭指針，并修改每一個(gè)非空對(duì)列的尾指針，令其指向下一個(gè)非空對(duì)列的對(duì)頭對(duì)象，如此將Mi-mi+1個(gè)對(duì)列重組為一個(gè)鏈表；

4)對(duì)于不為空集矩陣元素m(i,j)≠φ，如果該元素只有一個(gè)指標(biāo)c，則將其并入集合reduce(C)，并將包含指標(biāo)c所有矩陣元素去掉，然后在C-T-reduce(C)中取任意指標(biāo)c*并入集合T，在所有包含指標(biāo)c*的矩陣元素中去掉指標(biāo)c*。

集合reduce(C)所包含的指標(biāo)即為約簡(jiǎn)后的指標(biāo)。

2.3　算法復(fù)雜程度分析

傳統(tǒng)基于粗糙集屬性約簡(jiǎn)算法時(shí)間復(fù)雜度為O(|C||U|2)，故基于改進(jìn)區(qū)分矩陣的屬性約簡(jiǎn)算法在時(shí)間復(fù)雜度上較原算法更優(yōu)。

3　實(shí)例分析

以成都鐵路局某家石化有限公司所屬專用線為案例，結(jié)合路局安全監(jiān)察網(wǎng)公布的2011—2016年專用線事故分析報(bào)告，組織10位鐵路運(yùn)輸安全領(lǐng)域?qū)＜腋鶕?jù)該公司實(shí)際狀況，按照?qǐng)D1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行打分，選取10份構(gòu)成信息決策表論域U={u1,u2,…,u10}，16個(gè)三級(jí)指標(biāo)構(gòu)成條件屬性集C={c1,c2,…,c16}，二級(jí)指標(biāo)安全程度等級(jí)構(gòu)成決策屬性D，如表1所示。

表1　專家打分樣表Table 1　The expert scoring table

鑒于決策表屬性值的離散數(shù)值表達(dá)特性，本文通過(guò)調(diào)研與專家問(wèn)詢確定各指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化處理得到轉(zhuǎn)化Rough Set數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3中，決策屬性d1,d2,d3,d4分別代表資質(zhì)管理、安全設(shè)備設(shè)施、運(yùn)輸設(shè)備設(shè)施以及安全管理4個(gè)一級(jí)指標(biāo)的評(píng)定結(jié)果，本文根據(jù)這4個(gè)一級(jí)指標(biāo)的評(píng)定結(jié)果分別對(duì)其下屬的二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行約簡(jiǎn)。

根據(jù)Step6，構(gòu)建簡(jiǎn)化的區(qū)分矩陣如表4所示。

表2　指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2　Index grading standard table

表3　原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化Rough Set數(shù)據(jù)Table 3　Raw data converted into rough set data

表4　資質(zhì)管理屬性簡(jiǎn)化區(qū)分矩陣Table 4　Simplified discernibility matrix ofqualification management

根據(jù)表4，由Step6計(jì)算得到資質(zhì)管理類指標(biāo)的約簡(jiǎn)結(jié)果為reduce(C1)={c11,c12}，即托運(yùn)人資質(zhì)證書(shū)以及危貨運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)許可指標(biāo)屬于不可約簡(jiǎn)屬性。

根據(jù)Step6，構(gòu)建簡(jiǎn)化的區(qū)分矩陣如表5所示。

表5　安全設(shè)備設(shè)施屬性簡(jiǎn)化區(qū)分矩陣Table 5　Simplified discernibility matrix of safetyequipment and facilities

根據(jù)表5，由Step6計(jì)算得到資質(zhì)管理類指標(biāo)的約簡(jiǎn)結(jié)果為reduce(C2)={c21,c24,c25}，即消防避雷防靜電設(shè)施、安全監(jiān)控系統(tǒng)以及設(shè)施間安全距離等指標(biāo)均屬于約簡(jiǎn)后需要保留的資質(zhì)管理類指標(biāo)。

同理，運(yùn)輸設(shè)備設(shè)施以及安全管理類指標(biāo)的約簡(jiǎn)結(jié)果分別為reduce(C3)={c31,c32,c35}與reduce(C4)={c42,c43}，即貨物裝卸存儲(chǔ)設(shè)施、載運(yùn)工具安全標(biāo)準(zhǔn)以及貨物包裝檢測(cè)結(jié)果屬于約簡(jiǎn)后需要保留的運(yùn)輸設(shè)備設(shè)施類指標(biāo)，從業(yè)人員安全培訓(xùn)以及安全應(yīng)急預(yù)案屬于約簡(jiǎn)后需要保留的安全管理類指標(biāo)。

4　結(jié)論

1)基于改進(jìn)區(qū)分矩陣的屬性約簡(jiǎn)算法時(shí)間復(fù)雜度為O(|C||U|)，優(yōu)于傳統(tǒng)算法的時(shí)間復(fù)雜度O(|C||U|2)。

2)通過(guò)改進(jìn)區(qū)分矩陣對(duì)決策表進(jìn)行屬性約簡(jiǎn)，得到了約簡(jiǎn)后的條件屬性集為{c11，c12，c21，c24，c25，c31，c32，c35，c42，c43}，從而使決策表在具備原有的分類能力的基礎(chǔ)上條件屬性由原來(lái)的 16 個(gè)縮減為10個(gè)， 即：托運(yùn)人資質(zhì)證書(shū)、危貨運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)許可、消防避雷防靜電設(shè)施、安全監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)施間安全距離、貨物裝卸存儲(chǔ)設(shè)施、載運(yùn)工具安全標(biāo)準(zhǔn)、貨物包裝檢測(cè)結(jié)果、從業(yè)人員安全培訓(xùn)以及安全應(yīng)急預(yù)案，從而顯著地簡(jiǎn)化了決策表。

3)約簡(jiǎn)后的剩余的屬性是決定鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全程度的關(guān)鍵要素，所以約簡(jiǎn)結(jié)果表明：在鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸過(guò)程中，嚴(yán)格審查危貨運(yùn)輸公司的資質(zhì)與許可，加強(qiáng)工作人員的專業(yè)培訓(xùn)，以及嚴(yán)格審查各類運(yùn)輸設(shè)施設(shè)備的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以切實(shí)保障專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)陌踩a(chǎn)與運(yùn)營(yíng)。

4)基于改進(jìn)區(qū)分矩陣的指標(biāo)屬性約簡(jiǎn)，使得原鐵路專用線危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)體系的指標(biāo)數(shù)減少了6個(gè)，評(píng)價(jià)體系更為簡(jiǎn)單清晰，從而減少了后續(xù)評(píng)價(jià)工作的計(jì)算量與復(fù)雜程度。

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