基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價研究

任龍龍，郭 松，孫鵬舉，羅玉屏，胡大欣

REN Longlong1, GUO Song2, SUN Pengju3, LUO Yuping1, HU Daxin4

（1.石家莊鐵道大學 交通運輸學院，河北 石家莊 050043；2.中國鐵路成都局集團有限公司 運輸部，四川 成都 610000；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081；4.中國鐵路沈陽局集團有限公司 運輸部，遼寧 沈陽 110000)

(1.School of Traffic and Transportation, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, Hebei, China； 2.Department of Transportation, China Railway Chengdu Group Co., Ltd., Chengdu 610000, Sichuan, China; 3.Transportation & Economic Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081, China)

高速鐵路應急處置預案是對典型故障、突發(fā)事件、搶險維修、災害天氣等場景的應急管理、指揮和救援計劃，能夠提高高速鐵路突發(fā)事件的應急響應能力，保證高速鐵路行車安全[1]。高速鐵路應急演練不僅是對應急預案的完善和修正，而且是對運營人員故障處置和應急響應能力的檢驗。通過分析高速鐵路應急演練的影響因素，構(gòu)建高速鐵路應急演練定量化評價方法，實現(xiàn)高速鐵路應急演練定量化評價，能夠驗證預案的適應性和檢驗人員應急響應能力，積累突發(fā)事件應急救援經(jīng)驗，從而促進運營單位應急處置能力的提升。

1 高速鐵路應急演練評價指標體系構(gòu)建

1.1 評價影響因素分析

制定適合于高速鐵路應急演練的評價指標體系，需要預先對高速鐵路應急演練相關(guān)評價影響因素進行分析，主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）高速鐵路應急救援堅持以人為本和安全優(yōu)先的原則，準確規(guī)范的處置是確保安全的必要條件，高速鐵路應急演練的評價需要能夠檢驗操作人員處置故障的能力，對作業(yè)流程是否符合規(guī)范，有無違反《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》等規(guī)章做出評判[2]。

（2）高速鐵路吸引旅客的重要因素是運行速度快和發(fā)車間隔短，這也導致高速鐵路運行密度大，一旦發(fā)生故障將會引發(fā)一系列的列車晚點，高速鐵路應急演練的評價需要能夠?qū)收咸幚淼臅r長做出評判[3]。

（3）高速鐵路的運營是復雜的綜合體系，故障的處理需要“車、機、工、電、輛、供、通、客”系統(tǒng)中全部或部分協(xié)調(diào)配合，并且高速鐵路橋梁隧道密集，增加了應急救援難度，因而應急演練的評價應對各個工種的配合程度做出評判[4]。

（4）高速鐵路應急演練應切實提升高速鐵路作業(yè)人員應急處置的能力，演練過程中故障是否實際處理，作業(yè)過程中有無其他人員指導，是否在非預知的情況下進行也是影響應急演練效果的重要條件，在應急演練評價中需要綜合考慮這些因素。

1.2 評價指標體系構(gòu)建方法

評價指標體系的構(gòu)建需要能反映高速鐵路應急演練的效果，考慮高速鐵路應急演練的影響因素及指標的可量化能力，應滿足其合理性和全面性。德爾菲法[5]能充分發(fā)揮各位專家的作用，把專家意見的分歧表達出來，取各家之長，避各家之短，較為全面地探究高速鐵路應急演練場景的評價指標內(nèi)容，在此運用德爾菲法對評價準則層指標進行確定，其步驟如下。①確定高速鐵路應急演練評價內(nèi)容，準備相關(guān)調(diào)研的高速鐵路應急演練材料及各項說明要求。②成立專家小組，邀請高速鐵路應急方面有資深研究的專家，向?qū)＜姨峁┱{(diào)研內(nèi)容、相關(guān)要求及必要材料。③專家通過相關(guān)材料和自身認知，填寫高速鐵路應急演練評價指標調(diào)查表。④分析整理返回的調(diào)查表，根據(jù)專家意見制定第二次專家調(diào)查表，連同前一次的意見反饋給專家。⑤再次對回收的調(diào)查表分析整理，往復進行，直到專家意見不改變?yōu)橹埂?/p>

1.3 高速鐵路應急演練評價指標體系構(gòu)建

1.3.1 準則層指標確定

通過調(diào)研，充分考慮科學、獨立和完整的原則[6]，以高速鐵路應急演練預案優(yōu)化和效果體現(xiàn)為目標，提出高速鐵路應急演練評價指標體系的初始準則為規(guī)范性、協(xié)作性、合理性、全面性、時效性、適應性、崗位表現(xiàn)和場景設置8項[7]，采用德爾菲法確定演練評價的準則層指標，具體如下。

（1）專家權(quán)威性。專家的權(quán)威程度通常由專家本身的學術(shù)造詣、指標判斷的依據(jù)和研究內(nèi)容的熟悉程度決定。通過計算專家權(quán)威度均符合要求。

（2）問卷結(jié)果分析。第一輪專家調(diào)查結(jié)果顯示合理性、全面性和適應性的平均數(shù)低于5，部分專家認為應該將崗位表現(xiàn)和場景設置單獨拿出來，在場景評價的整體層面上對演練進行折算。按照專家的意見進行第二輪問卷調(diào)查，專家認為應該將崗位表現(xiàn)和場景設置單獨拿出來，在場景評價的整體層面上對演練進行折算，權(quán)重所占比例各為10%。

（3）準則層指標確定。專家認為崗位表現(xiàn)和場景設置雖不屬于作業(yè)層面卻對演練的整體效果有影響，因而在演練的作業(yè)層面不必考慮，但在演練的實際效果層面需要考慮其所帶來的影響。在演練作業(yè)層面上以規(guī)范性、協(xié)作性、時效性3項指標作為演練評價的準則層指標，再以具體場景為研究對象，得到各準則層下相應的指標層指標，進而構(gòu)建相應的評價指標體系。

1.3.2 指標層指標的選取原則

指標層指標的選取需要遵循一定的原則，具體如下。①規(guī)范性。以演練人員有無按規(guī)定進行處置、有無違反《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》等規(guī)章及處置作業(yè)是否符合規(guī)范等作為量化依據(jù)。②協(xié)作性。以各工種之間的配合程度及有無推諉扯皮等作為量化依據(jù)。③時效性。以各階段完成時間所處的測度范圍作為量化依據(jù)。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價模型設計

2.1 評價模型特點分析

評價模型需要能結(jié)合構(gòu)建的高速鐵路應急演練評價指標體系對演練做出量化的評價。根據(jù)高速鐵路應急演練的實際情況和影響因素，應急演練評價模型具備以下特點。

（1）非線性映射。高速鐵路應急演練評價效果的基礎性工作是評價指標模型的構(gòu)建，實際評價過程中，各個評價指標之間相互影響，呈現(xiàn)復雜的非線性關(guān)系，因而需要建立非線性評價模型。

（2）大數(shù)據(jù)分析。高速鐵路應急演練樣本數(shù)量豐富，以往演練過程中存在的問題比較鮮明，重點卡控部位相對明確，具有很大的參考價值，在應急演練評價模型構(gòu)建中，應盡可能利用量化的經(jīng)驗數(shù)據(jù)對演練效果進行客觀、科學地分析評價。

（3）多層次結(jié)構(gòu)。高速鐵路應急演練評價模型是多層次系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復雜，需要從多個層面來設計評價指標，并且演練流程之間具有關(guān)聯(lián)性，需要考慮各評價項點權(quán)重的量化。

2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價模型設計

BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價法是一種交互式的定量化評價方法，通過模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)，根據(jù)期望輸出不斷修改指標權(quán)值，直到用戶滿意為止。BP神經(jīng)網(wǎng)絡具有較強的非線性映射能力和柔性網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[8]，其通過分析大量樣本數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，解決人為選取權(quán)重的不精確和評價影響因素復雜的問題。結(jié)合基于具體場景的高速鐵路應急演練評價指標體系，構(gòu)建基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價模型，具體步驟如下。

（1）評價模型隱含層數(shù)量。單隱含層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以映射所有連續(xù)函數(shù)，設置BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型為3層，其中隱含層數(shù)為1層。

（2）評價模型隱含層節(jié)點數(shù)。評價模型隱含層節(jié)點的功能是從高速鐵路應急演練場景樣本數(shù)據(jù)中提取和存儲內(nèi)部規(guī)則。采用經(jīng)驗公式確定隱含層節(jié)點數(shù)范圍，其中x為輸入節(jié)點數(shù)，y為輸出節(jié)點數(shù)，a是1至10之間的常數(shù)。使用試錯法進行最佳隱含層節(jié)點數(shù)的確定。

（3）評價模型輸入輸出層。先以高速鐵路應急演練場景的指標層指標作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層，將準則層指標作為輸出層，然后再用準則層指標作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層，將演練場景預案優(yōu)化及演練效果得分作為輸出層。

（4）評價模型訓練與檢驗。模型構(gòu)建后，將高速鐵路應急演練場景樣本數(shù)據(jù)隨機分成2部分用作訓練和檢驗。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of evaluation model of high-speed railway emergency drills based on BP neural network

3 案例分析

以“受電弓掛異物，隨車機械師登頂處置”場景作為研究對象，選取近年來高速鐵路開通運營前運行試驗期間100條線路“受電弓掛異物，隨車機械師登頂處置”場景的應急演練數(shù)據(jù)為基礎數(shù)據(jù)，對其進行評價。

3.1 評價指標體系構(gòu)建

結(jié)合“受電弓掛異物，隨車機械師登頂處置”場景構(gòu)建評價指標體系，其中規(guī)范性準則反映出受電弓掛異物后各個崗位人員處置的合理性及有無違反規(guī)定，協(xié)作性準則反映出列車調(diào)度員、司機、隨車機械師和列車長之間的配合程度，時效性準則反映出從發(fā)現(xiàn)受電弓掛異物到緊急處置及故障處理完畢恢復正常運行所用時間，構(gòu)建基于“受電弓掛異物，隨車機械師登頂處置”場景的高速鐵路應急演練評價指標體系如表1所示。

表1 基于“受電弓掛異物，隨車機械師登頂處置”場景的高速鐵路應急演練評價指標體系Tab.1 High-speed railway emergency drill evaluation index system based on the scenario of“the pantograph failure caused by intrusion and the on-board mechanic climbs to the train top to handle the failure”

3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價模型構(gòu)建

以演練場景的指標層作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層，將演練場景的準則層作為輸出層，然后再以3個準則層作為輸入層，將演練場景預案優(yōu)化及演練效果作為輸出層?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價模型，包含3個基于準則層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型和1個基于目標層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型。邀請專家對以往該場景寫實記錄進行分析回顧，對評價指標層量化處理，給出準則層面分數(shù)，保留以往的最終效果得分，得到100組數(shù)據(jù)。將其中90組數(shù)據(jù)作為訓練樣本，剩余10組數(shù)據(jù)作為檢測樣本。對收集到的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，使樣本的數(shù)值介于0和1之間?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價模型流程如圖2所示。

神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層節(jié)點數(shù)等于其下屬指標數(shù)，采用MATLAB軟件運算，通過試錯法確定最佳隱含層節(jié)點數(shù)，構(gòu)建各BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如表2所示。

對樣本進行訓練，設置網(wǎng)絡最大訓練次數(shù)為10 000，精度е= 0.000 1，創(chuàng)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，將剩余10組的檢測樣本導入模型進行驗證，得到各BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型的檢驗結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，4個BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型的自檢正確率均為100%，檢驗正確率最低為99.45%，在可接受的范圍內(nèi)，說明訓練效果較好，結(jié)果有效。因此，4個BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型可以運用到“受電弓掛異物，隨車機械師登頂處置”的高速鐵路應急演練評價中。

選取近年來100條線路運行試驗中“受電弓掛異物，隨車機械師登頂處置”場景的數(shù)據(jù)作為研究對象，以其中10條線路中該場景數(shù)據(jù)進行檢測分析，以過往評價組專家對該場景的評分作為期望輸出，將指標層的指標值輸入訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡模型中，各BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型的測試結(jié)果如表4所示。

圖2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價模型流程Fig.2 Process of evaluation model of high-speed railway emergency drills based on BP neural network

表2 各BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 個Tab.2 Network structure of each BP neural network evaluation model

表3 各BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型的檢驗結(jié)果Tab.3 Verification results of each BP neural network evaluation model

表4 各BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型的測試結(jié)果Tab.4 Test results of each BP neural network evaluation model

通過比較3個基于準則層的神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型可得，準則層規(guī)范性指標B1中列車調(diào)度員關(guān)于準許登頂手續(xù)的辦理C13和車上工作人員關(guān)于登頂?shù)臏蕚浼暗琼斪鳂I(yè)C15相對重要；準則層協(xié)作性指標B2中司機與列車調(diào)度員C22的信息交互相對重要；準則層時效性指標B3中從隨車機械師申請登頂?shù)骄邆涞琼敆l件所用時間C32和從具備登頂條件到故障處理完成所用時間C33相對重要。分析場景預案優(yōu)化及演練效果評價模型中的失分部分，可得準則層規(guī)范性指標所占比重較大，如得分最低的場景6中隨車機械師與司機關(guān)于登頂作業(yè)的申請C12和隨車機械師、司機等工作人員關(guān)于登頂前的確認C14是本次演練的薄弱項點，需重點加強。

4 結(jié)束語

高速鐵路應急演練能夠驗證高速鐵路應急處置預案的適應性，檢驗相關(guān)人員的應急響應能力，促進運營單位應急處置能力的提升?；贐P神經(jīng)網(wǎng)絡的高速鐵路應急演練評價研究，從準則層和目標層分別構(gòu)建了BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型，能夠?qū)崿F(xiàn)場景演練的定量化評價，反映出應急演練場景中的薄弱項點及演練效果，為實際演練場景的評判提供一個量化、可操作性的評判依據(jù)，進而優(yōu)化高速鐵路應急演練的預案和提高對高速鐵路故障應急處置的效率。