基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)及模糊層次分析法的鐵路 危貨運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

馬 欣

(陜西省交通運(yùn)輸發(fā)展研究中心， 陜西 西安 710000)

危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸是鐵路貨物運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展的需要，危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸量急劇增加，而同時(shí)，由于危貨運(yùn)輸造成的突發(fā)事件頻繁發(fā)生[1]。根據(jù)歐洲某研究結(jié)果顯示：在近70年發(fā)生的3 222起危險(xiǎn)貨物事故中,41%是在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生的[2]。因此，對(duì)危貨運(yùn)輸途中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)事故誘發(fā)因素加以分析，找出事故誘因的關(guān)鍵因素，對(duì)鐵路危貨運(yùn)輸具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)展開(kāi)了廣泛研究，例如吳宗之[3]等通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)200起典型危險(xiǎn)品公路運(yùn)輸事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用概率分析的方法進(jìn)行研究，指出交通事故是主要原因；曹雪玲[4]等通過(guò)分析研究鐵路危貨運(yùn)輸現(xiàn)狀，提出了信息化管理方法；殷原[5]等應(yīng)用模糊評(píng)價(jià)的方法對(duì)鐵路專用線危貨運(yùn)輸安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。以上方法在危貨運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中具有一定的代表性并取得了一定的成果，但缺少對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中各環(huán)節(jié)可能致因因素的系統(tǒng)分析，本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸過(guò)程中事故致因網(wǎng)，并對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論由于其系統(tǒng)性及其復(fù)雜性，被廣泛應(yīng)用于交通領(lǐng)域的研究，例如軌道交通網(wǎng)絡(luò)[6]、城市立體交通網(wǎng)絡(luò)[7]、高速鐵路網(wǎng)絡(luò)[8]等。本文中根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)，結(jié)合鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸過(guò)程，對(duì)運(yùn)輸途中各環(huán)節(jié)的影響因素進(jìn)行分析，構(gòu)建鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)該模型中各致因因素進(jìn)行分析，從而找出關(guān)鍵致因因素，在實(shí)際中通過(guò)加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵因素的控制，從而降低事故發(fā)生的概率。同時(shí)，本文中結(jié)合模糊層次分析法，將各致因因素進(jìn)行分類，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，對(duì)三大評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 模型構(gòu)建

1.1 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型過(guò)程中，關(guān)鍵的一步即對(duì)點(diǎn)及線進(jìn)行合理的定義。吳建軍等[9]在研究城市交通系統(tǒng)復(fù)雜性時(shí)用節(jié)點(diǎn)表示交通狀態(tài)，用邊表示交通狀態(tài)的演化關(guān)系，交通狀態(tài)表現(xiàn)為車輛的位置信息，從而構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行更深入的分析。馬欣等[10]在研究7.23甬溫鐵路事故時(shí)，將點(diǎn)定義為該事故的各誘導(dǎo)因素，將線定義為各因素之間的相關(guān)影響，構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。基于此，本文中在研究危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸時(shí)用節(jié)點(diǎn)表示在危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸過(guò)程中造成威脅的因素，用邊表示各因素之間的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，具體步驟如下：

STEP1：分析鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸過(guò)程中的各主要影響因素。

STEP2：結(jié)合事故案例及文獻(xiàn)學(xué)習(xí)等，找出各因素之間的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建鄰接矩陣。

STEP3:根據(jù)鄰接矩陣，構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)該模型進(jìn)行相應(yīng)的分析。

鐵路運(yùn)輸?shù)奈ｋU(xiǎn)貨物分為9類25項(xiàng)[11]，每類貨物由于沸點(diǎn)、閃點(diǎn)、熔點(diǎn)、自燃溫度、比重、水溶性、蒸汽比重、爆炸極限范圍、蒸汽壓、毒害性、允許濃度等理化性質(zhì)不同，發(fā)生事故的類型和危害性也有差別[12]。本文中結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究資料，以危險(xiǎn)貨物第3類易燃液體-汽油的運(yùn)輸過(guò)程為例[13]，分析歸納導(dǎo)致影響汽油運(yùn)輸安全的因素共計(jì)89項(xiàng)，見(jiàn)表1。

表1 鐵路汽油危貨運(yùn)輸過(guò)程主要影響因素

續(xù)表1

分析表1中的各因素，結(jié)合實(shí)際情況、文獻(xiàn)資料查閱[14]及小組討論等方法，研究各因素之間的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建各因素間鄰接矩陣，并構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 鐵路汽油危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)

1.2 基于模糊層次分析法構(gòu)建危貨運(yùn)輸評(píng)估模型

通過(guò)文獻(xiàn)學(xué)習(xí)，目前對(duì)于鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸主要從人或管理上的懈怠或貽誤因素，危險(xiǎn)貨物及設(shè)備因素、環(huán)境的脆弱性和不安全狀態(tài)三大方面入手進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)[15-16]。在本文的研究中，以該三大方面的影響因素作為第一層評(píng)價(jià)因素，以上文中具體89個(gè)因素作為第二層評(píng)價(jià)因素，并根據(jù)各影響因素的具體特性，將第二層評(píng)價(jià)因素歸類于第一層評(píng)價(jià)因素，從而進(jìn)行進(jìn)一步的分析，具體如表2。

表2 鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸評(píng)價(jià)體系

2 模型分析

2.1 基本定義

1)節(jié)點(diǎn)的度。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)的度指該網(wǎng)絡(luò)中，與某節(jié)點(diǎn)相連接的邊的個(gè)數(shù)。通常情況下, 在N×N鄰接矩陣中，節(jié)點(diǎn)i的度ki可采取下式進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中：N指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)；aij指在該網(wǎng)絡(luò)中與節(jié)點(diǎn)i相連接的邊的個(gè)數(shù)。

2)各因素權(quán)重。在該復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型中，定義各節(jié)點(diǎn)度值與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)之比表示該因素所占的權(quán)重，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)所代表的因素的權(quán)重值wi可通過(guò)下式計(jì)算

wi=ki/N.

(2)

式中：N指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

并根據(jù)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)將各因素的權(quán)重值進(jìn)行歸一化，即

(3)

式中：m指因素i所在的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)中所含的因素個(gè)數(shù)。

則第一層評(píng)價(jià)因素j的權(quán)重向量為

(4)

(j=1,2,3;m表示第一層因素j中所含的因素個(gè)數(shù))

3)各因素評(píng)價(jià)值。文章中為了比較形象的反映出各致因因素本身對(duì)于鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)挠绊?，采用百分制等?jí)評(píng)分，建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集V，如表3所示，則評(píng)語(yǔ)集記作V={v1,v2,v3,v4,v5}。

表3 鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸評(píng)語(yǔ)集

(5)

5)模糊評(píng)價(jià)。應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)[15]的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果是被評(píng)事物對(duì)各等級(jí)模糊子集的隸屬度，構(gòu)成一個(gè)模糊向量，而不是一個(gè)值。對(duì)于第一層因素的評(píng)價(jià)結(jié)果可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算

( 6)

式中：“°”為加權(quán)平均型模糊算子。

6)綜合評(píng)價(jià)。對(duì)該危貨運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，主要是對(duì)第一層評(píng)價(jià)因素的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行合成，這里，綜合考慮第一層三個(gè)評(píng)價(jià)因素間的關(guān)系，選用加法合成的方法進(jìn)行最終綜合評(píng)價(jià)

O=λ1B1+λ2B2+λ3B3

(7)

2.2 提出假設(shè)

在對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析時(shí)，通常對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的度分布、聚類系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)直徑、平均最短距離、網(wǎng)絡(luò)效率等統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步了解網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性及動(dòng)力學(xué)特性。在本文中，為了對(duì)基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸評(píng)估體系進(jìn)行分析，應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)特性及動(dòng)力學(xué)特性，特做出以下假設(shè)：

假設(shè)1：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的度值反映了該節(jié)點(diǎn)所代表因素與其他因素之間的影響程度

假設(shè)2：節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值體現(xiàn)了該節(jié)點(diǎn)所代表因素對(duì)事故的影響程度由上文可知，本文在構(gòu)建鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸致因網(wǎng)絡(luò)時(shí)，用邊表示各因素之間的相關(guān)關(guān)系，因此在該網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的度完全可以反映該節(jié)點(diǎn)對(duì)事故的影響及重要程度，假設(shè)1成立。又由于節(jié)點(diǎn)度值反映了該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)的相關(guān)關(guān)系，因此該因素與其他因素間影響越密切，越有可能觸發(fā)其他因素處于危險(xiǎn)狀態(tài)從而誘導(dǎo)事故發(fā)生，因此代表該因素的節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值可反映其對(duì)事故的影響程度，假設(shè)2成立。

3 模型計(jì)算

計(jì)算該復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的權(quán)值結(jié)果如表4所示。

節(jié)點(diǎn)的權(quán)重值反映了該節(jié)點(diǎn)對(duì)事故的影響程度，同時(shí)可以反映出其與其他各節(jié)點(diǎn)的相互影響關(guān)系，節(jié)點(diǎn)的權(quán)重越大，該節(jié)點(diǎn)所代表因素與其他因素影響及對(duì)事故影響越大，則該因素的安全狀態(tài)情況對(duì)其他因素的影響也就越大，對(duì)其進(jìn)行有效控制則會(huì)影響更多因素的狀態(tài)，進(jìn)而減少事故的誘導(dǎo)因素，控制事故發(fā)生。經(jīng)分析，在鐵路汽油危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，位于前五位的誘導(dǎo)因素分別為：車輛及安全狀況、車輛通行阻力、火源、部門的組織協(xié)調(diào)能力、線路線性復(fù)雜性，因此，在鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸過(guò)程中，對(duì)車輛的性能及安全狀況進(jìn)行徹底檢查，保證車輛狀況良好，并在運(yùn)輸過(guò)程中注意隔絕火源等，可以有效減少汽油鐵路運(yùn)輸途中的事故率，保證運(yùn)營(yíng)安全。

表4 各危害因素權(quán)重值

根據(jù)上文定義，求出第一層評(píng)價(jià)因素中人或管理上的懈怠或貽誤因素的權(quán)重向量W1得：

0.03,0.05,0.06,0.02,0.09,0.05,0.02,0.03,

0.04,0.05,0.05,0.02,0.02,0.03,0.03,0.02,

0.04,0.03,0.01,0.01,0.02,0.03,0.01,0.02,

0.01,0.01,0.01,0.01,0.03)

(8)

評(píng)價(jià)矩陣R1為：

(9)

則計(jì)算可得B1為：

B1=W1°R1=

[0 0.057 0.591 0.287 0.065]

(10)

同理，計(jì)算可得B2為：

B2=W2°R2=

[0 0.101 0.234 0.551 0.114]

(11)

計(jì)算可得B3為：

B3=W3°R3=

[0 0.201 0.435 0.351 0.013]

(12)

則：O=λ1B1+λ2B2+λ3B3=

[0 0.120 0.420 0.396 0.064]

(13)

根據(jù)鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸評(píng)語(yǔ)集的評(píng)價(jià)指標(biāo)為 [危險(xiǎn) 較危險(xiǎn) 一般 較安全 安全 ]；據(jù)計(jì)算，各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重值分別為[0 0.120 0.420 0.396 0.064]，由于0.420>0.396>0.120>0.064>0，所以評(píng)價(jià)因素[一般]對(duì)應(yīng)的權(quán)重值最大，說(shuō)明在該危

貨運(yùn)輸過(guò)程中存在較大的安全隱患。同時(shí)，從人或管理上的懈怠或貽誤因素，危險(xiǎn)貨物及設(shè)備因素、環(huán)境的脆弱性和不安全狀態(tài)這三個(gè)第一層評(píng)價(jià)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，分別在一般、較安全、一般的權(quán)重值最大，說(shuō)明在該危貨運(yùn)輸過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)人為因素的管理，是減少事故發(fā)生的有效途徑。同時(shí)，運(yùn)輸環(huán)境對(duì)事故的發(fā)生也有較大的影響，因此，可以根據(jù)運(yùn)輸環(huán)境及季節(jié)，制定有效的運(yùn)輸方案。

4 結(jié)論及展望

本文中應(yīng)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)影響運(yùn)輸過(guò)程的各因素進(jìn)行分析，從而可以得出各因素的影響權(quán)重值，找出對(duì)事故影響最大的因素，并對(duì)所有因素的重要程度可進(jìn)行排序，這在運(yùn)輸過(guò)程為減少事故的人力、財(cái)力部署具有重大的意義。同時(shí)，將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與模糊層次分析法結(jié)合起來(lái)，通過(guò)選取合適的第一層評(píng)價(jià)因素，對(duì)所有影響因素進(jìn)行整合，并采用模糊綜合評(píng)價(jià)的方法，對(duì)該運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以幫助我們對(duì)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)恼w性風(fēng)險(xiǎn)有一定的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)本文研究，使得我們?cè)诤暧^及微觀上均對(duì)危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸有一定的認(rèn)識(shí)，可以使我們對(duì)運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行有針對(duì)性的控制。但是，由于資料文件來(lái)源及個(gè)人認(rèn)識(shí)的局限性，對(duì)于鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸過(guò)程中影響因素歸納還不全面，本文中僅主要圍繞汽油類危貨運(yùn)輸展開(kāi)，在后續(xù)的研究中可擴(kuò)展研究面，對(duì)所有危貨運(yùn)輸進(jìn)行更全面的學(xué)習(xí)，從而為運(yùn)輸過(guò)程提供更加有效的指導(dǎo)。