基于加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度的城市軌道交通新線運營前安全風險評價方法

李松峰，劉書浩，馮旭杰，賈文崢，沙 茜

（交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅猛，截至2020年底，我國（不含港澳臺，下同）有43個城市開通城市軌道交通，運營里程7 354.7km，全年累計完成客運量175.9 億人次[1]。隨著運營里程和客運量的持續(xù)快速增長，城市軌道交通安全運行的壓力和挑戰(zhàn)日益加大。新開通線路受前期工程質(zhì)量、系統(tǒng)磨合及人員技能水平等影響，載客后短期內(nèi)各類問題集中顯現(xiàn)，其運營安全風險管控要求往往高于線網(wǎng)其他運營線路，成為各地保障運營安全的重點。對新線運營安全風險水平進行客觀、量化評價，得到新線風險水平排序，不僅能夠便于企業(yè)根據(jù)評價結(jié)果開展針對性的整改，提高新線運營安全風險管控能力，而且能為行業(yè)主管部門開展轄區(qū)內(nèi)不同城市新開通線路質(zhì)量評比提供有效手段，對于提升新線運行穩(wěn)定性和可靠性，引導各地提高線路建設(shè)與運營籌備標準具有重要意義。

關(guān)于城市軌道交通運營安全風險評價，國內(nèi)外均已開展了相關(guān)研究，并取得了一定成果。從風險評價方法維度，總體上可分為定性評價、定量評價和定性定量相結(jié)合3 種評價方法。國外城市軌道交通運營安全風險評價以定性評價為主，由于相關(guān)研究起步早，目前已積累了較為豐富的實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù)資料，并通過法律法規(guī)、標準規(guī)范和規(guī)范性文件等轉(zhuǎn)化為相關(guān)制度，其中以歐美國家最具代表性。英國鐵路條例辦公室（Office of Rail and Road,ORR）以《鐵路和其他軌道交通系統(tǒng)安全條例》和《風險管理成熟度模型》為基礎(chǔ)，通過行政許可手段對軌道交通運營企業(yè)及其經(jīng)營線路開展風險評價，并將定性評價結(jié)果設(shè)定為5個等級[2-5]。歐洲電工標準化委員會（European Committee for Electrotechnical Standardization,CENELEC）發(fā)布了《軌道交通：可靠性、可用性、可維修性和安全性（RAMS）的規(guī)范和驗證》（EN50126），通過對全生命周期內(nèi)各專業(yè)系統(tǒng)的所有安全相關(guān)活動進行定性評價，為工程風險水平提供全鏈條安全證據(jù)[6]。美國交通運輸部發(fā)布了《公共交通危險分析指南》，基于系統(tǒng)安全工程理論對公交體系的風險實施有效的識別、確認和分析，以達到主動防御、消除或控制已知風險的目的[7]。雖然國外有關(guān)風險評價的研究均已形成自成體系的理論及方法，且隨著評價模型和指標體系的逐步完善而不斷更新版本，但其主流的定性評價方法因主觀性強、評價重點易偏離等根本性問題無法有效解決，只能輔助其他手段加以驗證或修正。國內(nèi)對前述3種評價方法皆有研究，以定量和定性定量相結(jié)合的方法為主。定性評價方面，主要以層次分析[8]、模糊數(shù)[9]、隸屬度[10]等方法為基礎(chǔ)，結(jié)合專家咨詢或打分，對相關(guān)方案進行評價。定性評價方法具有可操作性強、簡便、直觀的優(yōu)點，對復雜程度較低、方案差異較明顯的評價場景較為適用，但無法規(guī)避前文提到的根本性問題。定量和定性定量相結(jié)合評價方面，主要圍繞構(gòu)建風險評價數(shù)學模型和指標體系開展相關(guān)研究，常用的模型算法有數(shù)據(jù)包絡(luò)分析[11]、可拓理論[12]、信息熵[13]等。定量和定性定量相結(jié)合的評價方法能夠在一定程度上解決單純依靠定性評價帶來的諸多問題，以定量化的方式更加直觀、科學地界定評價結(jié)果，但理論及模型復雜、計算繁瑣、實操性不強是其主要短板。

值得關(guān)注的是，國內(nèi)外現(xiàn)有的風險評價方法大多針對已投入運營一段時間的線路或某一專業(yè)系統(tǒng)，運行環(huán)境、設(shè)施設(shè)備狀態(tài)、風險分布特征、管控措施等均與新線運營前存在較大差異，直接套用可能造成輸出結(jié)果的偏差，影響風險評價的客觀性和準確性。為此，本文從審批程序、工程完整度、工程質(zhì)量、運營準備等方面構(gòu)建新線運營前安全風險評價指標體系，探索提出一種能夠充分發(fā)掘灰色信息、降低指標模糊性的評價模型和方法，以期客觀評價新線運營前安全風險，為行業(yè)主管部門和企業(yè)針對薄弱環(huán)節(jié)開展專項整治提供有效抓手，進一步提升我國城市軌道交通新線運營前安全風險管控水平。

1 新線運營前安全風險評價指標體系

城市軌道交通新線運營前安全風險評價是一個多主體、多目標的評價過程。針對這一特點，本文使用目前在評價領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的目標層次分類方法，按照“目標層—準則層—指標層”這3級，把新線運營前安全風險評價指標體系抽象為如圖1 所示的遞階層次結(jié)構(gòu)。其中，目標層級為評價的總體目標，即新線運營前安全風險評價；準則層級主要從工程全生命周期視角對規(guī)劃、建設(shè)和運營進行切分，覆蓋新線運營前的各個環(huán)節(jié)，并結(jié)合實踐經(jīng)驗，將影響新線安全風險水平的因素提煉為審批程序、工程完整度、工程質(zhì)量、運營準備4 個方面；指標層級主要基于準則層級的定位和要點進行細化，審批程序涉及的兩項指標主要反映《城市軌道交通初期運營前安全評估技術(shù)規(guī)范第1 部分：地鐵和輕軌》（以下簡稱《規(guī)范》）中規(guī)定條件和程序的符合度[14]；工程完整度涉及的3 項指標主要針對甩項工程，突出甩項工程規(guī)模、復雜程度和對服務(wù)的影響程度；工程質(zhì)量涉及的3 項指標主要針對新線初期運營前安全評估報告中的問題類別，通過問題數(shù)量及嚴重程度反映風險水平；運營準備涉及的兩項指標主要針對運營單位介入深度等問題。

圖1 城市軌道交通新線運營前安全風險評價指標體系

總體上看，該指標體系系統(tǒng)考慮了行政審批、工程建設(shè)、運營管理等對評價目標的影響，能夠體現(xiàn)新線運營前安全風險評價需經(jīng)過多個利益相關(guān)方的權(quán)衡，并需要開展綜合效益最大化目標下的多目標分析。

各項評價指標的含義及計算方法如下：

（1）前提條件符合率。該條線路關(guān)于批復、許可和驗收文件存在的問題數(shù)量與《規(guī)范》要求的全部批復、許可和驗收文件數(shù)量之比，為定量指標。

（2）審批程序合規(guī)率。部分批復、許可或驗收文件可能存在與法定程序或要求不完全一致的情況，如有關(guān)主管部門針對某一審批事項以說明、函等形式替代證書、批復等。該指標的計算方法為完全符合規(guī)定的各類文件數(shù)量與國家規(guī)定的全部文件數(shù)量之比，為定量指標。

（3）甩項工程規(guī)模。新線開通時有甩項工程的，需由相關(guān)部門正式批復，明確甩項工程清單。該指標表示甩項工程的數(shù)量，為定量指標。

（4）甩項工程復雜程度。該指標表示甩項工程的功能復雜程度，如一般認為車站出入口、某處電扶梯等為較簡單的甩項工程，車輛段、停車場、主變電所、車站等則屬于較復雜的甩項工程，為定性指標。

（5）甩項工程對服務(wù)水平的影響程度。結(jié)合甩項工程規(guī)模及復雜程度，判定新開通線路的甩項工程對服務(wù)水平的影響程度，為定性指標。

（6）試運行跑圖質(zhì)量。對比不同線路按照開通運營時列車運行圖連續(xù)組織行車20日以上關(guān)鍵指標表現(xiàn)情況，判定各線路試運行跑圖質(zhì)量，為定量指標。為便于計算，該指標以各線路關(guān)鍵指標中表現(xiàn)最優(yōu)指標個數(shù)為準。

（7）測試項目通過率。針對新線開通需開展并通過的系統(tǒng)功能核驗和聯(lián)動測試項目，該指標表示各項測試項目結(jié)果為通過的數(shù)量占全部測試項目的比例，為定量指標。

（8）工程建設(shè)水平。新線開通評估時所有工程建設(shè)相關(guān)問題的數(shù)量與可能造成后果嚴重程度的乘積，為定量指標。

（9）運營接管及介入程度。表示運營單位臨時接管、進駐現(xiàn)場以及介入深度的情況，為定性指標。

（10）運營籌備水平。新線開通評估時所有運營籌備相關(guān)問題的數(shù)量與可能造成后果嚴重程度的乘積，為定量指標。

2 基于加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度的新線運營前安全風險評價模型

在構(gòu)建城市軌道交通新線運營前安全風險評價指標體系基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)對不同線路運營前安全風險水平的客觀評價，需要基于所選的評價方法，針對性建立安全風險評價模型。

2.1 模型構(gòu)建思路及理論基礎(chǔ)

城市軌道交通新線運營前安全風險評價需要根據(jù)具體的新開通線路情況及其評估資料進行決策，線路安全風險管控總體最優(yōu)是問題求解的關(guān)鍵。從我國新線開通的實際情況看，新線運營前安全風險評價問題涉及多種影響因素，需要引入一套適用且科學的決策理論和方法。目前，針對這種需要將多個影響因素或指標轉(zhuǎn)化為一個能夠反映綜合情況的量值，以完成決策及評價的問題，常采用綜合評價方法。對于綜合評價方法的選取，本文主要考慮兩個方面——評價方法的適用性和評價對象的特點。

評價方法的適用性方面，新線運營前安全風險評價問題存在部分定性的影響因素，造成評價關(guān)鍵信息不可避免地存在一定缺失或模糊?；疑到y(tǒng)理論對求解信息缺失及模糊類的問題較為適用。該理論針對信息不完全確知的灰色系統(tǒng)，重點對數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系進行量化處理，從而充分發(fā)掘并得到有效信息。在灰色系統(tǒng)理論中，灰色關(guān)聯(lián)度法主要通過分析各備選數(shù)列與最優(yōu)數(shù)列構(gòu)成曲線間的幾何相似程度，確定二者間的關(guān)聯(lián)程度，幾何形狀越相似，則關(guān)聯(lián)度越大，表明備選方案越接近最優(yōu)方案[15]。

評價對象的特點方面，從前述評價指標體系可知，影響城市軌道交通新線運營前安全風險評價的因素較多，不僅包括可量化的定量指標，還有一定比例的定性指標，需要在評價時充分考慮不同評價指標的權(quán)重，通過指標加權(quán)的方式達到修正評價結(jié)果的目的。

綜上，本文通過加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度綜合評價方法構(gòu)建評價模型，以實現(xiàn)對城市軌道交通新線運營前安全風險的評價。

2.2 評價模型

本文提出的城市軌道交通新線運營前安全風險評價的加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度評價模型為：

式（1）中：B為m條線路的運營前安全風險評價結(jié)果矩陣，B=(bi,i=1,2,…,m)，bi為方案i中線路的風險評價結(jié)果；W為各評價指標的權(quán)重向量，W=(wj,j=1,2,…,n)，wj為第j個指標的權(quán)重；G為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣，G=(ξij,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)，ξij為方案i中第j個指標與第j個最優(yōu)指標的關(guān)聯(lián)系數(shù)。

由式（1）可知，評價模型涉及兩個關(guān)鍵要素，即灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣G和評價指標權(quán)重向量W，以下分別進行闡述。

（1）灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣[16]

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度理論，新線與相對最優(yōu)線路指標向量的關(guān)聯(lián)度可作為判斷新線運營前安全風險管控水平的標準。假設(shè)相對最優(yōu)線路的評價矩陣R0=(r01,r02,…,r0n)，則新開通線路指標rij與相對最優(yōu)線路指標r0j間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

式（2）中：ρ為分辨系數(shù)，0 ≤ρ≤1，通常取ρ=0.5。

經(jīng)過計算，可得到評價模型的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為：

對于評價線路中的指標rij，由于各指標所涉及的評價內(nèi)容不同，導致量綱不統(tǒng)一，因此需要針對各指標值的特點，進行歸一化處理，實現(xiàn)由實際值到評價值的轉(zhuǎn)化。

定性指標方面，由于其含義及指向具有一定的模糊性，無法直接得到準確值，可應(yīng)用模糊統(tǒng)計的方法確定其隸屬度。通常情況下，針對某一評價指標，可將經(jīng)過比選后得到的相對最優(yōu)線路的相對隸屬度記為1，并以此為標準采用專家咨詢法得到其他方案中該評價指標rij。

定量指標方面，其指向及含義清晰且可計算出準確值，為了與定性指標保持量綱的統(tǒng)一，需要將其歸一化為隸屬于[0,1]區(qū)間的值。

量綱歸一化處理后，可將定性指標及定量指標合并組成模型中的評價矩陣R。

將R代入式（2），可得關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣G。

（2）評價指標權(quán)重向量

層次分析法是解決評價指標權(quán)重問題的通用方法。本文采用專家咨詢法直接得到評價指標權(quán)重，具體如下：

如果當前層指標為A1,A2,…,An，上一層指標為C，則可對A1,A2,…,An進行兩兩比較，得到aij。記A=(aij)n×n，則A為指標A1,A2,…,An相應(yīng)于上一層指標C的判斷矩陣。

判斷矩陣A的最大特征根為λmax，λmax的標準化特征向量為ω=(ω1,ω2,…,ωn)T，則該特征向量為同一層各指標相對上一層的權(quán)重排序。

對每個C均可求得權(quán)向量，如果上一層m個指標的權(quán)重分別為a1,a2,…,am，那么該層每個指標的組合權(quán)重為：。

照此方法逐層計算，即可得到各評價指標的權(quán)重向量W=(wj,j=1,2,…,n)。

（3）結(jié)果計算

將關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣G和權(quán)重向量W代入式（1），計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)與各評價指標權(quán)重，可得新線與相對最優(yōu)線路的加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度bi。

bi反映了各比選方案與最優(yōu)方案的關(guān)聯(lián)程度，因最優(yōu)方案通常設(shè)定為1，則比選方案的加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度越接近1，就表明該方案與最優(yōu)方案的擬合程度越高，在所有方案中實施效果越好。全部參與新線運營前安全風險評價線路的加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度的數(shù)值，即代表各線路運營前安全風險管控水平高低。

3 案例分析

3.1 新線路評估情況

選取2019 年7 月—2020 年7 月期間，天津、重慶、深圳、鄭州4 個城市的4 條新開通線路為研究對象，根據(jù)相關(guān)線路初期運營前安全評估報告，應(yīng)用本文提出的加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度模型評價其運營前安全風險水平。對照前述評價指標體系，各線路的相關(guān)評價關(guān)鍵信息如表1所示。

表1 新線運營前安全風險評價關(guān)鍵信息

3.2 模型計算

（1）評價指標計算

在10 個評價指標中，涉及定性指標3 個，定量指標7 個。針對定性指標，結(jié)合評價指標體系中相關(guān)指標定義與計算方法，借助專家咨詢及模糊標度法確定其量值。各線路定性指標值見表2。

表2 各線路定性指標值

定量指標涉及的參數(shù)較多，需結(jié)合各線路特點，按照評價指標體系中相應(yīng)指標的計算方法分別求解。各線路定量指標的計算結(jié)果見表3。

表3 各線路定量指標值

將表3 的定量指標作無量綱化處理，并將結(jié)果與表2中定性指標合并，得到評價矩陣R。

（2）評價指標權(quán)重確定

如前所述，評價指標權(quán)重直接通過專家咨詢法獲取。通過自上而下的兩兩比較，可求得全部10個指標的權(quán)重，結(jié)果見表4。

表4 指標權(quán)重統(tǒng)計表

（3）結(jié)果輸出

根據(jù)前述評價矩陣R，選定相對最優(yōu)線路P0=(1,1,1,1,1,1,1,1,1,1)，根據(jù)式（2）和式（3）求得灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣G，將其與評價指標權(quán)重向量W一并代入式（1），求得4 條新線路基于加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度的評價結(jié)果B：

從評價結(jié)果看，加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度b1=0.8797，更接近1，表明線路1與相對最優(yōu)線路的相似性最高，故本案例中運營前安全風險管控最優(yōu)的為線路1。4條線路的運營前安全風險管控水平從高到低排序為：線路1＞線路4＞線路3＞線路2。

3.3 結(jié)果分析

從4條線路的實際情況和風險評價結(jié)論來看，線路1 不涉及前提條件和審批程序方面的問題，工程質(zhì)量方面的問題數(shù)量較少，未出現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動測試不通過的項目，且甩項工程復雜度和規(guī)模較小，對全線服務(wù)水平影響較低。因此，采用本文構(gòu)建的評價模型，4 條新開通線路的最優(yōu)輸出結(jié)果符合總體預期和基本判斷，說明該模型在評價新線運營前安全風險管控水平方面具有一定合理性和適用性。

從評價方法的科學性和精確性來看，線路1與線路2 在影響運營安全問題數(shù)量、各部分問題分布等方面十分相似，但線路2 的評價結(jié)果排序卻在最后，主要原因是線路2 的甩項工程規(guī)模最大且最為復雜，特別是全線2 座車站暫緩開通、停車場不能投用，對運營組織和服務(wù)的影響較大。線路3 與線路4 的評價結(jié)果相差不大，但二者在問題數(shù)量、甩項工程規(guī)模與復雜程度等方面的指標懸殊較大，一定程度上驗證了新線運營前安全風險評價是多因素共同作用的結(jié)果，需要充分考慮評價指標體系內(nèi)各項指標的表現(xiàn)，利用科學的方法作出客觀的評價。由此可以說明，本文所提出的評價方法能夠基于指標權(quán)重及內(nèi)在關(guān)聯(lián)情況，充分發(fā)掘各比選方案的灰色信息，并通過模型對評價結(jié)果進行精準、持續(xù)的輸出。

從對評價結(jié)果的改進和優(yōu)化來看，評價指標體系中準則層指標的權(quán)重排序為工程質(zhì)量（0.35）、運營準備（0.28）、工程完整度（0.22）、審批程序（0.15），指標層中運營接管及介入程度（0.168）、試運行跑圖質(zhì)量（0.136）、工程建設(shè)水平（0.133）的權(quán)重位列前三，表明相關(guān)指標對新線運營前安全風險評價的結(jié)果影響較大。綜合4條線路的指標值、權(quán)重和模型輸出情況，可針對性提出新線運營前安全風險管控的要點及建議如下。

（1）抓實抓細運營準備各項工作，突出強調(diào)運營單位接管工程及介入的時間和深度，為正式載客運營做好充分準備。

（2）加大對工程質(zhì)量的重視程度，特別是試運行跑圖關(guān)鍵技術(shù)指標的符合性，以及各設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)中不能實現(xiàn)原設(shè)計功能或可能存在造成乘客傷亡風險問題的管控情況。

（3）嚴格控制甩項工程規(guī)模和復雜程度，特別是直接面向乘客的分部分項工程，如車站、換乘通道、出入口、電扶梯等。

4 結(jié)語

為提升我國城市軌道交通新線運營前安全風險管控水平，本文從審批程序、工程完整度、工程質(zhì)量、運營準備等4 個方面，構(gòu)建了涵蓋10 個指標的城市軌道交通新線運營前安全風險評價指標體系，明確了評價指標的含義及計算方法。同時，結(jié)合城市軌道交通新線運營前安全風險評價特點，在全面分析比選的基礎(chǔ)上，研究提出了一種基于加權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度的安全風險評價模型和方法。最后，采用該指標體系和模型對國內(nèi)4 個城市的新線運營前安全風險進行評價，模型輸出結(jié)果與工程實際基本吻合，說明本文所構(gòu)建的評價指標體系及評價模型具有一定的合理性和適用性。

城市軌道交通新線運營前安全風險評價涉及復雜的評價指標體系和眾多評價指標，特別是管理體制機制、移交銜接、工程建設(shè)、運營管理與服務(wù)等影響因素深度關(guān)聯(lián)，需要結(jié)合實踐持續(xù)優(yōu)化完善。此外，按照交通運輸部關(guān)于城市軌道交通運營安全評估的制度設(shè)計，如何對初期運營階段線路投入正式運營前的風險水平進行客觀評價，是下一步亟需研究解決的問題。