基于模糊聚類的地鐵車站安全分類方法＊

魯娥

（常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州 213164）

0.引言

隨著軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，地鐵車站數(shù)量越來越龐大，不同車站位置不同、周圍環(huán)境不同、動(dòng)態(tài)運(yùn)營(yíng)條件不同，因此運(yùn)營(yíng)過程中的安全狀態(tài)水平也不同，針對(duì)車站安全狀態(tài)制定針對(duì)性措施可有效維持車站運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者針對(duì)車站安全展開了研究，主要從影響車站安全的因素出發(fā)建立評(píng)價(jià)體系，張軍峰[1]等利用風(fēng)險(xiǎn)控制理論分析了高鐵車站風(fēng)險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)管理體系，苗長(zhǎng)俊[2]綜合車站人員、設(shè)備、環(huán)境、管理水平4個(gè)方面評(píng)估了車站安全狀態(tài)，程學(xué)慶等[3]提出了基于恐怖襲擊、擁擠踩踏、火災(zāi)爆炸、疾病衛(wèi)生4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件管控的蝴蝶結(jié)模型，潘麗莎等[4]從預(yù)防事故的角度建立人、設(shè)備、環(huán)境、管理4個(gè)方面2個(gè)層次的指標(biāo)體系對(duì)地鐵車站安全態(tài)勢(shì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，周雯等[5]采用灰色層次分析法針對(duì)火災(zāi)、擁擠踩踏、電梯故障3種主要突發(fā)事件評(píng)價(jià)車站安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。這些研究對(duì)高鐵、地鐵車站的安全性影響因素進(jìn)行了科學(xué)分析，評(píng)價(jià)結(jié)果或者是靜態(tài)性質(zhì)的，或者是針對(duì)突發(fā)事件的，而在實(shí)際應(yīng)用層面中，地鐵車站的運(yùn)營(yíng)安全水平還會(huì)受到客流條件和當(dāng)時(shí)環(huán)境影響，管理決策層必須針對(duì)車站安全動(dòng)態(tài)變化調(diào)整管理措施，本文將從地鐵車站安全管理角度出發(fā)，在以往研究基礎(chǔ)上，分析影響車站安全的動(dòng)態(tài)因素并進(jìn)行科學(xué)分類，為地鐵車站安全的分類管理提供依據(jù)。

一般地鐵線路上設(shè)置車站在二三十個(gè)左右，間距從1km到數(shù)10km不等，車站位置不同不僅影響著車站客流量，通常也會(huì)影響車站服務(wù)設(shè)施的配備和空間設(shè)置，這些條件最終將導(dǎo)致同一城市或同一條線路上各車站的安全水平并不一致，在制定安全管理政策時(shí)，如果忽視車站間安全特性差異，將導(dǎo)致安全管理效益出現(xiàn)差異，只有安全水平與政策相符的車站能夠獲得預(yù)期成效。因此，有必要針對(duì)車站安全狀態(tài)進(jìn)行分類，針對(duì)不同安全類型的車站分別制定改善政策，通過精細(xì)化管理提高所有車站的安全水平。

1.構(gòu)建車站分類指標(biāo)體系

地鐵車站的瞬時(shí)安全水平受客流變化、設(shè)備故障、大型活動(dòng)、突發(fā)事件影響極大，偶發(fā)性強(qiáng)、結(jié)果不確定性較高、發(fā)生規(guī)律預(yù)測(cè)困難，一般需要針對(duì)每種特定情況制定政策，以車站瞬時(shí)安全水平分類后分類管理實(shí)際意義不大，因此，本文的地鐵車站安全動(dòng)態(tài)分類是在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上，將安全狀態(tài)相似的車站歸為一類，針對(duì)不同車站安全類型采取不同的管理對(duì)策，提高地鐵安全管理水平。

1.1 車站靜態(tài)安全條件

根據(jù)安全評(píng)價(jià)理論和相關(guān)安全管理法規(guī)來看，影響評(píng)價(jià)對(duì)象安全狀態(tài)的因素包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2大類型，靜態(tài)因素一般包括評(píng)價(jià)對(duì)象本身的設(shè)備、設(shè)施、物理屬性等，動(dòng)態(tài)因素一般包含評(píng)價(jià)對(duì)象操作和管理相關(guān)的人員、管理制度等。不同的研究者，對(duì)車站安全水平進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)會(huì)采用包括人員、設(shè)備、環(huán)境、管理4個(gè)方面的不同指標(biāo)，苗長(zhǎng)俊采用相似方法構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，其中的評(píng)價(jià)指標(biāo)既包含靜態(tài)指標(biāo)、也包含了動(dòng)態(tài)指標(biāo)，但是車站一旦投入運(yùn)營(yíng)，動(dòng)態(tài)指標(biāo)如車站人員水平基本上都由同樣的培訓(xùn)體系選拔而來，對(duì)于車站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)管理來說實(shí)際上是固定的，其他“動(dòng)態(tài)”指標(biāo)放在“日”“周”的時(shí)間尺度上，表現(xiàn)也基本穩(wěn)定，因?yàn)闊o論是工作人員業(yè)務(wù)水平或安全法制都不可能以“日”“周”甚至“月”的頻率不斷更新；同樣地，車站設(shè)備管理水平在設(shè)備壽命周期內(nèi)基本服務(wù)水平在時(shí)間尺度上也呈現(xiàn)出穩(wěn)定的服務(wù)水平。正因車站在人員、設(shè)備、環(huán)境、管理方面的穩(wěn)定性，車站本身投入運(yùn)營(yíng)之后，會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的安全水平；不同車站因人員、設(shè)備、環(huán)境和管理不同，將會(huì)呈現(xiàn)不同的安全條件，這個(gè)安全條件是車站安全水平變化的基礎(chǔ)，是地鐵車站以安全管理為目的進(jìn)行動(dòng)態(tài)分類的重要組成。因?yàn)閺娜藛T、設(shè)備、環(huán)境、管理4個(gè)方面評(píng)價(jià)得到的地鐵車站安全水平其實(shí)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在本研究中稱為車站靜態(tài)安全條件，具體指標(biāo)見表1。

表1 地鐵車站靜態(tài)安全條件指標(biāo)及其獲取方法表

1.2 車站客流規(guī)律

車站客流量越大、客流組成越復(fù)雜、客流變化越劇烈，對(duì)車站內(nèi)部運(yùn)營(yíng)安全影響就越大。根據(jù)城市特色不同和地鐵車站位置差異，地鐵車站的客流規(guī)律不盡相同，針對(duì)不同客流規(guī)律合理安排管理人員、管控措施可有效提高客流秩序、運(yùn)行速度、減少?zèng)_突。除偶發(fā)大客流，車站客流通常有規(guī)律可循，如日客流量、站內(nèi)客流分布、周客流量分布規(guī)律等，影響車站運(yùn)營(yíng)安全的因素不僅有客流量大小，也包括客流量帶來的車站客流飽和度，還包括站內(nèi)客流速度水平及不同位置客流運(yùn)行速度均衡性、客流沖突點(diǎn)數(shù)量及沖突點(diǎn)客流運(yùn)行速度。車站客流規(guī)律指標(biāo)如表2所示。

表2 地鐵車站客流規(guī)律影響因素及其計(jì)算方法表

1.3 車站周邊環(huán)境

車站周邊環(huán)境也會(huì)對(duì)站內(nèi)安全造成影響，如建筑環(huán)境、不良天氣。建筑環(huán)境是指地鐵站周圍建筑物功能，如知名景點(diǎn)會(huì)為車站的帶來復(fù)雜的不熟悉路線的團(tuán)體客流、商業(yè)街區(qū)通常會(huì)有復(fù)雜的銜接通道、老舊住宅小區(qū)會(huì)帶來老年客流增長(zhǎng)等，由此可見，建筑環(huán)境影響車站內(nèi)運(yùn)行線路復(fù)雜性、客流組成變化，線路或客流組成越復(fù)雜、安全性越低。不良天氣指的是當(dāng)天天氣狀況，如雨、雪天氣會(huì)使站內(nèi)地面潮濕，影響運(yùn)營(yíng)安全；隨著城市擴(kuò)張，同一線路不通車站可能天氣不同，也可能因地質(zhì)條件不同導(dǎo)致同樣天氣對(duì)車站造成安全影響不同，所以不良天氣應(yīng)以站內(nèi)影響運(yùn)營(yíng)安全的指標(biāo)來表示，如空氣濕度、站內(nèi)能見度，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，以不良天氣綜合指標(biāo)表示，如表3所示。

表3 地鐵車站客流規(guī)律影響因素及其計(jì)算方法表

2.車站動(dòng)態(tài)安全模糊聚類模型

聚類是指將具有相似屬性的實(shí)物歸為一類，將原本沒有類別標(biāo)記的樣本盡量按照某種規(guī)律分為若干子集。傳統(tǒng)聚類方法可分為劃分方法、層次方法、基于密度方法、基于網(wǎng)格方法和基于模型方法，本質(zhì)上需要人工對(duì)樣本進(jìn)行預(yù)分類或給定參數(shù)干預(yù)。模糊聚類能夠根據(jù)樣本間的親屬性、相似性等客觀特征進(jìn)行聚類分析。地鐵車站動(dòng)態(tài)安全性實(shí)際上并沒有嚴(yán)格的屬性區(qū)分，所以在探索時(shí)先采用模糊聚類法，將地鐵車站按照其靜態(tài)安全條件、客流規(guī)律和周邊環(huán)境等安全規(guī)律分為不同類型，通過車站動(dòng)態(tài)安全模糊聚類模型描述車站之間的相似程度完成分類后，針對(duì)同類子集進(jìn)行安全管理。

Ef是車站模糊聚類集合，顯示

在地鐵車站安全指標(biāo)體系中，指標(biāo)值可以通過歸一化處理使其數(shù)據(jù)屬于[0,1]區(qū)間，使公式1能夠用于模糊聚類。原始數(shù)據(jù)中每個(gè)車站的一條數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)含9個(gè)參數(shù)，假設(shè)車站數(shù)量為n，那么對(duì)于每一個(gè)指標(biāo)特征來說，有n個(gè)數(shù)值，可以記為對(duì)該指標(biāo)特征進(jìn)行歸一化處理即可得到其隸屬值。首先計(jì)算每一個(gè)指標(biāo)特征的均值和方差，然后計(jì)算其極差標(biāo)準(zhǔn)化值，具體步驟和計(jì)算方法見公式2：

其中是指標(biāo)xk的原始數(shù)據(jù)均值，Sk2是指標(biāo)xk的原始數(shù)據(jù)方差，是原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化值，標(biāo)準(zhǔn)化值的最大值和最小值為得到xik后，可以采用模糊相似關(guān)系計(jì)算樣本集中車站與車站之間的相似關(guān)系矩陣其中車站xi和xj的相似程度為rij為：

通過反復(fù)合成運(yùn)算求解模糊矩陣傳遞閉包使模糊矩陣不再變化，模糊集合上的任何α(0 ≤α≤1)截集都是模糊集合上的普通集合，代表了一種分類，從而完成了地鐵車站動(dòng)態(tài)安全的模糊聚類分類模型構(gòu)建。

3.驗(yàn)證計(jì)算

為了檢驗(yàn)地鐵車站動(dòng)態(tài)安全模糊聚類模型的有效性，構(gòu)建模擬原始數(shù)據(jù)集見表4，經(jīng)過極差標(biāo)準(zhǔn)化處理后數(shù)據(jù)見表5，車站集的模糊相似關(guān)系矩陣見表6，傳遞包矩陣見表7。

表4 車站動(dòng)態(tài)安全指標(biāo)數(shù)據(jù)采集表

表5 極差標(biāo)準(zhǔn)化處理后的原始數(shù)據(jù)距離表

表6 矩陣元素值表

表6 矩陣元素值表

j i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 0.7 0.5 5 0.5 2 0.5 6 0.6 5 0.6 2 0.4 7 0.2 8 2 0.7 1 0.3 2 0.3 6 0.4 3 0.5 5 0.3 5 0.5 0.4 2 3 0.5 5 0.3 2 1 0.5 8 0.5 8 0.6 4 0.6 6 0.5 9 0.3 8 4 0.5 2 0.3 6 0.5 8 1 0.4 0.5 9 0.6 7 0.6 0.1 6 5 0.5 6 0.4 3 0.5 8 0.4 1 0.5 7 0.4 1 0.4 3 0.4 5 6 0.6 5 0.5 5 0.6 4 0.5 9 0.5 7 1 0.5 8 0.5 9 0.3 4 7 0.6 2 0.3 5 0.6 6 0.6 7 0.4 1 0.5 8 1 0.7 7 0.4 1 8 0.4 7 0.5 0.5 9 0.6 0.4 3 0.5 9 0.7 7 1 0.4 9 9 0.2 8 0.4 2 0.3 8 0.1 6 0.4 5 0.3 4 0.4 1 0.4 9 1

表7 傳遞閉包矩陣元素值表

表7 傳遞閉包矩陣元素值表

j i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 0.6 4 0.6 4 0.5 8 1 0.6 4 0.6 4 0.4 9 2 1 1 0.6 4 0.6 4 0.5 8 1 0.6 4 0.6 4 0.4 9 3 0.6 4 0.6 4 1 0.6 6 0.5 8 0.6 4 0.6 6 0.6 6 0.4 9 4 0.6 4 0.6 4 0.6 6 1 0.5 8 0.6 4 0.6 7 0.6 7 0.4 9 5 0.5 8 0.5 8 0.5 8 0.5 8 1 0.5 8 0.5 8 0.5 8 0.4 9 6 1 1 0.6 4 0.6 4 0.5 8 1 0.6 4 0.6 4 0.4 9 7 0.6 4 0.6 4 0.6 6 0.6 7 0.5 8 0.6 4 1 0.7 7 0.4 9 8 0.6 4 0.6 4 0.6 6 0.6 7 0.5 8 0.6 4 0.7 7 1 0.4 9 9 0.4 9 0.4 9 0.4 9 0.4 9 0.4 9 0.4 9 0.4 9 0.4 9 1

表8 α=0.64的截集元素值表

從表7數(shù)值可以看出，α=1時(shí)，車站1、2、6是同一類型。取α=0.64，得到截集元素值見表8，車站1、2、6相同，車站3、4、7、8相同，因此，試驗(yàn)集車站分為3種類型，車長(zhǎng)1、2、6聚為一類車站，車站3、4、7、8聚為一類車站，車站9為一類車站，原始數(shù)據(jù)顯示同類車站在評(píng)價(jià)指標(biāo)上具有較強(qiáng)的相似性，驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

4.結(jié)論與進(jìn)一步研究展望

地鐵運(yùn)營(yíng)安全管理精細(xì)化水平不斷提高，構(gòu)建地鐵車站動(dòng)態(tài)安全評(píng)價(jià)體系并采用模糊聚類法進(jìn)行分類，有助于管理者充分挖掘同類車站的安全特性，從而將車站按照不同安全條件分類進(jìn)行針對(duì)性安全管理，這對(duì)于提高地鐵系統(tǒng)管理水平發(fā)揮著重要基礎(chǔ)作用。本文完成了地鐵車站動(dòng)態(tài)安全分類模型構(gòu)建，驗(yàn)證計(jì)算表明分類結(jié)果可靠，管理者可根據(jù)同類車站動(dòng)態(tài)安全性的相似指標(biāo)做針對(duì)性提升，實(shí)現(xiàn)不同車站的精細(xì)化管理。未來可以從以下幾個(gè)方面開展進(jìn)一步研究：一是長(zhǎng)期收集積累歷史數(shù)據(jù)，尤其是車站各類安全事件，用于開發(fā)車站安全水平預(yù)測(cè)模型，進(jìn)一步提高安全管理的實(shí)時(shí)性和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防能力；二是進(jìn)一步研究各層級(jí)的影響因素與車站安全水平之間的量化關(guān)系，以定量計(jì)算代替定性比較，為進(jìn)一步可量化管理措施提供依據(jù)；三是研究指標(biāo)獲取的科學(xué)方法；四是研發(fā)智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，降低各類數(shù)據(jù)采集難度，開發(fā)符合地鐵系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；五是廣泛開展實(shí)證研究，提高模型和方法的適應(yīng)性。