基于DEMATEL和ISM融合的城市軌道交通車站運營安全評價方法研究

黎新華，李俊輝

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，廣東 廣州 501650)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，伴隨而來的各種安全問題也越發(fā)突出，城市軌道交通車站作為軌道交通系統(tǒng)中的重要組成部分，其環(huán)境封閉、客流密集和設(shè)備集中等特性所帶來的安全隱患不斷暴露。車站運營事故具有事件的連鎖性、時間的緊迫性、環(huán)境的特殊性、救援的艱難性、事態(tài)的嚴(yán)重性、影響的深遠(yuǎn)性等特性。因此，研究城市軌道交通車站運營安全的評價方法，是開展城市軌道交通運營安全評價、預(yù)警、應(yīng)急救援等技術(shù)的基礎(chǔ)，有助于完善城市軌道交通車站應(yīng)急管理，減少車站突發(fā)事件及人員傷亡。

在城市軌道交通系統(tǒng)及車站運營安全評價方法研究方面，國內(nèi)外學(xué)者分別從可拓學(xué)、層次分析法、決策樹、粗糙集等方面進行了分析[1-6]。上述方法在將影響因素轉(zhuǎn)化為評價或預(yù)警指標(biāo)的過程多通過經(jīng)驗定性確定。在影響因素的系統(tǒng)分析方法上，決策試驗和評價實驗室 (Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL) 法，以及解釋結(jié)構(gòu)模型 (Interpretive Structure Modeling，ISM) 是常用于復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的定性與定量相結(jié)合的 2 種方法，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。2 種方法存在一定的共性，都需要通過專家確定各因素之間的關(guān)系，建立關(guān)系矩陣，不同之處在于 DEMATEL 側(cè)重于影響因素之間的影響度計算，而 ISM 方法可以很好地用于影響因素的分層。近年來，部分學(xué)者將兩者的優(yōu)勢進行整合，可以減少單獨運用 2 種方法時的重復(fù)矩陣計算，大幅度減少計算工作量，并且能同時對影響因素進行分層和影響度計算[11]。為此，在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過 DEMATEL 和 ISM 融合計算，篩選出城市軌道交通運營安全評價指標(biāo)并確定各指標(biāo)的權(quán)重，從而應(yīng)用于城市軌道交通車站運營安全評價。

1 城市軌道交通車站運營安全的影響因素

通過對歷年國內(nèi)外軌道交通車站運營安全事故的原因分析，結(jié)合專家頭腦風(fēng)暴會，確定城市軌道交通車站運營安全影響因素及相互聯(lián)系。將提取出來的所有要素分為 5 類：員工素質(zhì)、客流特征、設(shè)備設(shè)施、安全管理、外部環(huán)境。綜合分析相關(guān)文獻(xiàn)資料[7-11]，將城市軌道交通車站系統(tǒng)中的 5 類子系統(tǒng)細(xì)化為 22 個影響因子，用ai(i= 1，2，…，22) 表示，各個因素之間相互關(guān)聯(lián)并相互影響。城市軌道交通車站運營安全影響因素隸屬關(guān)系如表1 所示，城市軌道交通車站運營安全影響因素關(guān)系總圖如圖1 所示。

表1 城市軌道交通車站運營安全影響因素隸屬關(guān)系Tab.1 Hierarchical relationship between the factors on safe operation of urban rail stations

圖1 中的單向箭頭表示因素之間的影響關(guān)系。在圖1 的基礎(chǔ)上，建立影響因素之間的關(guān)系矩陣，用數(shù)字表示某因素對另一個因素是否有直接影響，其影響程度的大小通過專家打分進行確定，如無直接影響其對應(yīng)矩陣數(shù)值為 0，從而形成量化的關(guān)系矩陣。各因素自身的量化可以通過歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、問卷調(diào)查、專家打分等進行量化。例如，客流特征中的“客流身份構(gòu)成”因素指的是將該車站客流的性別、職業(yè)、年齡構(gòu)成比例進行綜合，可以通過駐站觀測調(diào)查統(tǒng)計得出，再將性別、職業(yè)和年齡進行折算形成評估指標(biāo)，其他定性因素如“客流組織性”等則通過專家評估給出評分。

2 DEMATEL 和 ISM 融合的城市軌道交通車站運營安全評價方法

2.1 DEMATEL 和 ISM 融合的評價指標(biāo)和權(quán)重確定方法

DEMAETL 方法是運用圖論與矩陣論原理進行系統(tǒng)因素分析的方法，通過系統(tǒng)中各因素之間的邏輯關(guān)系構(gòu)建直接影響矩陣，計算各因素對其他因素的影響度及被影響度，從而計算各因素的中心度與原因度，該方法的不足為無法直觀表示各因素的層級關(guān)系。而 ISM 模型是定性表示系統(tǒng)構(gòu)成要素，以及要素之間的相互依賴、相互制約和關(guān)聯(lián)情況的模型。通過建立系統(tǒng)要素相鄰矩陣和可達(dá)性矩陣，對可達(dá)性矩陣進行分析，最終建立系統(tǒng)要素的多級遞階層次結(jié)構(gòu)，該方法的不足為無法定量表示各要素之間的影響程度。綜合運用上述方法可以從影響城市軌道交通車站運營安全的眾多因素中找出主要影響因素，并以此確定評價指標(biāo)和確定權(quán)重。為此提出 DEMATEL 和 ISM 融合的思想和步驟，對計算的過程進行調(diào)整和改進，使其能完成評價指標(biāo)的篩選和權(quán)重計算。計算步驟如下。

圖1 城市軌道交通車站運營安全影響因素關(guān)系總圖Fig.1 General relationship between the factors on safe operation of urban rail stations

（1）初步確定所有可能的影響因素，設(shè)為a1，…，an。

（2）通過專家打分方法確定系統(tǒng)因素之間的直接影響矩陣X(X= [xij]n×n)。其中，xij(i= 1，2，…，n；j= 1，2，…，n) 表示ai對aj的影響程度，如果i=j，則xij= 0。

（3）將矩陣X進行規(guī)范化處理，得到新的矩陣G(G= [gij]n×n)為

式中：gij(i= 1，2，…，n；j= 1，2，…，n) 表示規(guī)范化處理后新矩陣G中的元素。

（4）計算綜合影響矩陣T(T= [tij]n×n)為

式中：tij(i= 1，2，…，n；j= 1，2，…，n) 表示綜合影響矩陣T中的元素。

（5）計算可達(dá)矩陣R(R= [rij]n×n)為

式中：rij(i= 1，2，…，n；j= 1，2，…，n) 表示可達(dá)矩陣R中的元素。

（6）各影響因素的結(jié)構(gòu)分級。根據(jù)可達(dá)矩陣R統(tǒng)計每個因素的可達(dá)集P(si) 和先行集Q(si)，將滿足以下條件的因素：P(si) ∩Q(si) =P(si)，放入集合L1，L1中的因素處于有向圖的第一級，并將其作為評價指標(biāo)體系。

（7） 利用公式 ⑵ 計算各參數(shù)的計算公式為式中：f為各影響因素的影響度；ei為各影響因素的被影響度；mi為各影響因素的中心度。

（8）將步驟 6 篩選出的第一級評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)的中心度mi進行處理得到各指標(biāo)權(quán)重ai，計算公式為

式中：ai為各指標(biāo)權(quán)重。

2.2 城市軌道交通車站運營安全評價指標(biāo)確定和權(quán)重計算

（1）確定城市軌道交通車站安全的初始影響因素集。將城市軌道交通車站安全影響因素體系中的各因素記為ai(i= 1，2，…，n)，根據(jù)前面的分析，共有 22 個影響因素，即n= 22。

（2）確定直接影響矩陣X。組織城市軌道交通系統(tǒng)安全技術(shù)部門專家、車站一線技術(shù)骨干對以上22 個影響因素進行問卷調(diào)查，對直接影響矩陣X(X= [xij]n×n) 中的xij進行賦值，2 個因素之間的關(guān)系越密切，則矩陣對應(yīng)的數(shù)字就越大。直接影響矩陣如表2 所示。

（3）可達(dá)矩陣計算。按照公式 ⑴ 對直接影響矩陣X(X= [xij]n×n) 進行規(guī)范化處理，根據(jù)公式 ⑵ 和公式 ⑶ 計算出的可達(dá)矩陣如表3 所示。

（4）評價指標(biāo)的確定。根據(jù)表3 的可達(dá)矩陣R，按照 ISM 劃分層級結(jié)構(gòu)的步驟進行各因素的層級結(jié)構(gòu)劃分，由于該過程需要反復(fù)進行集合的統(tǒng)計運算，人工求解過程繁瑣，編寫 Matlab 程序進行運算，輸入可達(dá)矩陣后可以直接輸出劃分的層數(shù)及各因素對應(yīng)的層級。經(jīng)計算，城市軌道交通車站運營安全影響因素可分為 5 層，各級影響因素集為：第一層次L1= {a5，a6，a8，a9，a10，a11，a12，a13，a14}；L2= {a3，a7，a17，a21，a22}；L3= {a1，a2，a4，a18}；L4= {a16，a20}；L5= {a15，a19}。第一層次包含的因素有員工安全素質(zhì)、乘客安全及自救意識、進出站客流量、客流的組織性、電扶梯系統(tǒng)可靠性、屏蔽門系統(tǒng)可靠性、供電系統(tǒng)可靠性、乘客信息系統(tǒng)可靠性、綜合監(jiān)控及火災(zāi)報警系統(tǒng)可靠性是影響車站運營安全的直接因素，這些因素從根本上對城市軌道交通車站運營事故的發(fā)生產(chǎn)生影響，可以作為評價城市軌道交通車站運營安全狀態(tài)的指標(biāo)。城市軌道交通車站運營安全評價指標(biāo)體系如圖2 所示。

表2 直接影響矩陣Tab.2 Matrix of the immediate factors

表3 可達(dá)矩陣Tab.3 Reachable matrix

（5）評價指標(biāo)權(quán)重的計算。根據(jù)公式 ⑸ 至公式 ⑺ 計算出各影響因素的中心度mi。根據(jù)圖2 所示的評價指標(biāo)體系，對選定的各評價指標(biāo)對應(yīng)的中心度，按照公式 ⑻ 進行計算，最終得到各指標(biāo)的權(quán)重集合為a5= 0.18，a6= 0.13，a8= 0.07，a9= 0.33，a10= 0.11，a11= 0.08，a12= 0.09，a13= 0.01，a14= 0.01。各影響因素的中心度計算結(jié)果如表4 所示。

2.3 案例分析

由于確定的城市軌道交通車站運營安全評價屬性不同，為便于綜合評價，采取專家根據(jù)評價對象各單項指標(biāo)的資料、數(shù)據(jù)等信息單獨打分評價的方法進行量化，將評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)劃分為安全、較安全、危險、非常危險 4 個等級，分別對應(yīng)區(qū)間 (100，80]，(80，60]，(60，40]，(40，0]。專家針對 9 個指標(biāo)進行獨立打分，取單項指標(biāo)的平均值作為該單項指標(biāo)的評價結(jié)果，最后結(jié)合指標(biāo)權(quán)重進行加權(quán)求和，最終確定該車站的評價等級。以某地鐵公司為例，選擇 6 個車站進行評價。某地鐵 6 個車站指標(biāo)專家打分和最終評價結(jié)果如表5 所示。

由表5 可以看出，各評價車站的安全性排名為：車站 3＞ 車站 2＞ 車站 4＞ 車站 1＞ 車站 6＞ 車站 5，其中車站 3 和車站 2 都處于安全水平，其余車站處于較安全水平。

3 結(jié)束語

利用 DEMATEL 法與 ISM 法融合的方法，并進行適當(dāng)改進后，運用于城市軌道交通車站運營安全評價的指標(biāo)篩選和權(quán)重確定。DEMATEL 方法計算出的中心度反映了城市軌道交通車站運營安全影響因素在所有因素中的重要程度，根據(jù)其數(shù)值計算出的指標(biāo)權(quán)重能夠反映指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系。ISM 法能夠深入挖掘影響車站運營安全的關(guān)鍵因素，以及這些因素之間的相互影響和層次關(guān)系。案例分析表明，提出的城市軌道交通運營安全評價方法能夠確定評價指標(biāo)并能夠計算得到各指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合專家打分確定各指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)后，可以用于城市軌道交通車站運營安全評價等級劃分和安全性排序比較，具有較高的應(yīng)用價值。

圖2 城市軌道交通車站運營安全評價指標(biāo)體系Fig.2 An indicator system for operational safety assessment of urban rail transit

表4 各影響因素的中心度計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of the centrality of the in fl uencing factors

表5 車站指標(biāo)專家打分和最終評價結(jié)果Tab.5 Experts’ grades and fi nal assessment results of the factors