基于STAMP-ISM的地鐵事故分析方法研究

于耀程，帥 斌，黃文成

基于STAMP-ISM的地鐵事故分析方法研究

于耀程，帥 斌，黃文成

（西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都 611756）

作為城市軌道交通的重要支柱之一，地鐵已經(jīng)成為現(xiàn)代城市生活中不可缺少的一部分。一旦地鐵運營發(fā)生事故，不僅會帶來巨大的經(jīng)濟損失，也會威脅到人民的生命安全。本文將STAMP模型與三角模糊DEMATEL-ISM模型相結(jié)合，以更加深入地分析地鐵運營事故，對地鐵事故影響因素進行等級劃分，繪制地鐵事故影響因素多級階梯圖，深入剖析地鐵事故因素之間的邏輯關(guān)系，從而有針對性地提出地鐵事故的預防措施。以上海地鐵10號線列車追尾事故為案例進行分析，結(jié)果表明：STAMP模型與三角模糊DEMATEL-ISM模型的結(jié)合解決了傳統(tǒng)STAMP模型無法突出重點的缺陷，也解決了傳統(tǒng)ISM模型對二因素影響關(guān)系分類的局限性，可以更加全面深入地分析該事故各致因因素間的影響結(jié)果，從而有針對性地預防事故的發(fā)生。

地鐵事故；STAMP模型；DEMATEL-ISM；上海地鐵10號線

0 引 言

地鐵是我國公民出行的主要方式之一，在我國城市軌道交通中占據(jù)著舉足輕重的地位，一旦地鐵運營出現(xiàn)事故，將會帶來巨大的損失，因此分析地鐵事故從而制定有針對性的措施來保障地鐵運營安全有著重要意義。如：陳慧陽[1]以地鐵火災(zāi)事故為研究對象，建立地鐵火災(zāi)事故故障樹模型，并得出了危險源識別表，為地鐵火災(zāi)事故的預防奠定了一定的理論基礎(chǔ)；吳海濤[2]對國內(nèi)外多起事故案例進行深入分析，從而得出導致地鐵部分事故的主要風險因素；劉建[3]對地鐵消防系統(tǒng)的各項特征指標進行分析，同時使用物元分析對地鐵消防系統(tǒng)的安全性、可靠性進行詳細的評價，最后基于評價結(jié)果得出地鐵消防系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)及管理重點。但是，國內(nèi)地鐵運營事故定量化研究較少。

系統(tǒng)理論事故建模與過程（Systems- Theoretic Accident Modeling and Process，STAMP）是針對復雜系統(tǒng)提出的事故致因模型，可從控制的角度厘清各組織內(nèi)及組織間的事故原因，被廣泛地應(yīng)用于各種事故分析中。如：李華[4]利用STAMP模型揭示建筑安全事故致因因素間的相互關(guān)系從而對其進行有效預防和控制，章仕杰[5]運用STAMP模型從控制角度詳細分析了豐城重大坍塌事故。但使用STAMP模型分析事故不易突出重點，也無法得到事故影響因素的影響強度，使得在制定相關(guān)預防措施時無法抓住重點。為了解決這一缺陷，本文在STAMP模型的基礎(chǔ)上引入解釋結(jié)構(gòu)模型。解釋結(jié)構(gòu)模型（Interpretative Structural Modeling，ISM）可以分析復雜系統(tǒng)因素間的相互作用關(guān)系，如：楊永旭[6]提出了基于解釋結(jié)構(gòu)模型的可持續(xù)供應(yīng)商績效影響因素分析方法；王凌峰[7]使用ISM分析了上市公司高管薪酬-績效敏感性的17個影響因素間的作用關(guān)系。傳統(tǒng)ISM方法假設(shè)各因素間的關(guān)系只有兩種情況，即有直接關(guān)系和無直接關(guān)系，但在實際情況中，影響因素之間的情況較為復雜，不能簡單地歸為有直接關(guān)系和無直接關(guān)系，為此本文需要引入決策試驗和評價試驗法[4]（Decision Making Trial and Evaluation Laboratory, DEMATEL）與三角模糊數(shù)來對ISM進行改進得到三角模糊DEMATEL-ISM模型，該模型可以更加深入詳細地分析兩因素之間的關(guān)系。

綜上所述，本文將使用STAMP模型與三角模糊DEMATEL-ISM模型相結(jié)合，對地鐵事故因素進行詳細、深入的研究，得出各個致因因素間的因果關(guān)系，從而有針對性地提出事故預防措施，為我國地鐵運營安全提供一定的實踐指導。

1 STAMP模型

STAMP模型認為事故是由不充分的控制和安全約束的缺失造成的，它將安全問題轉(zhuǎn)化為控制問題。STAMP模型主要使用3種基本結(jié)構(gòu)來分析事故致因因素，分別是安全約束、分層控制結(jié)構(gòu)與過程模型。

安全約束與分層控制模型如圖1所示[8]，整個安全系統(tǒng)被分為多層，子系統(tǒng)之間以上、下層的關(guān)系聯(lián)系在一起，其中上層系統(tǒng)發(fā)出安全約束條件用以約束下層系統(tǒng)的行為與決策，同時下層系統(tǒng)所收到的結(jié)果也將反饋于上層子系統(tǒng)，這就是STAMP模型中的安全約束與分層控制模型。

圖1 分層控制模型

過程模型如圖2所示，控制器向執(zhí)行器輸入控制命令，執(zhí)行器執(zhí)行控制過程并將控制效果反饋給控制器，輔助其制定下一步控制決策。

圖2 過程模型

根據(jù)我國地鐵相關(guān)運營規(guī)定，使用STAMP模型制定地鐵運營安全控制結(jié)構(gòu)，可分為：物理層、基層、管理層以及政府層。（1）物理層主要包含運營設(shè)備和自然環(huán)境。運營設(shè)備的故障以及暴雨等自然災(zāi)害可能會導致事故發(fā)生。（2）基層主要包括地鐵值班人員和地鐵值班站長。值班人員接受值班站長的指揮，對地鐵運營過程進行一系列的操作，保障地鐵列車的安全運營。（3）管理層主要包括地鐵公司董事長與地鐵公司總經(jīng)理。地鐵公司董事長負責在收到新規(guī)定或政策后及時召開董事會討論相關(guān)規(guī)定或政策的落實方法，并將討論結(jié)果擬定成文件；地鐵公司總經(jīng)理負責根據(jù)上述文件并結(jié)合實際情況協(xié)調(diào)各站總攬具體落實工作。（4）政府層主要指國家交通運輸部，主要為地鐵運營制定相關(guān)規(guī)范和規(guī)則，同時也對地鐵運營工作進行監(jiān)督檢查。

2 三角模糊DEMATEL-ISM模型

解釋結(jié)構(gòu)模型可以將復雜的系統(tǒng)分解為多個子系統(tǒng)因素，利用專家經(jīng)驗知識確定其中任意兩因素之間的關(guān)系，即確定它們之間是否有直接關(guān)系，最終得出一個多級階梯的結(jié)構(gòu)模型[9]。而當引入DEMATEL時，則需要專家對這兩因素之間的關(guān)系進行更加詳細的分類打分。為了提高專家打分的客觀性，將專家的評價分值轉(zhuǎn)化為三角模糊評價變量[10]，打分規(guī)則如表1所示。由表1可知專家的每一個評價分值都對應(yīng)一個三角模糊評價變量。

表1 兩因素關(guān)系專家評分及三角模糊評價變量表

三角模糊DEMATEL-ISM的求解步驟如下：

（3）根據(jù)專家權(quán)重比例求取加權(quán)之后的平均直接影響矩陣中第行第列的元素取值如下：

（4）計算標準化參數(shù)，利用對矩陣進行標準化處理得到矩陣：

（5）求取綜合影響關(guān)系矩陣：

式中，為單位矩陣。

（6）求取整體影響關(guān)系矩陣：

式中，k=1代表因素s對s有影響，k=0代表因素s對s無影響。

（10）根據(jù)影響因素分層繪制ISM多級階梯圖。

3 案例分析

2011年9月27日14:51分上海地鐵10號線列車由豫園站向老西門站運行過程中下行區(qū)間百米標176處兩列車不慎發(fā)生追尾。經(jīng)初步統(tǒng)計，約有40余名乘客受傷，大部分為輕微傷，未發(fā)現(xiàn)重傷。

3.1 地鐵運營安全控制結(jié)構(gòu)的建立

依據(jù)STAMP模型并結(jié)合地鐵運營的實際情況，建立上海地鐵10號線運營的安全控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。國家交通運輸部制定出城市軌道交通中地鐵運營的政策與規(guī)定，下發(fā)至各地鐵運營公司，由董事長帶頭召開董事會討論政策、規(guī)定的落實辦法并將討論結(jié)果擬定成文件，由總經(jīng)理負責執(zhí)行。總經(jīng)理根據(jù)文件內(nèi)容協(xié)調(diào)各站工作任務(wù)后，將具體任務(wù)告知各站站長，再由各站長指揮站內(nèi)值班人員對地鐵運營設(shè)備進行操作。因運營設(shè)備還會受到外界環(huán)境的干擾，故為了保證地鐵一直處于正常運營，操作人員需要及時接收運營設(shè)備反饋的信息，并匯總后上報各值班站長。站長再反饋給總經(jīng)理，總經(jīng)理匯總所有結(jié)果將政策的落實情況反饋給董事長，董事長再召開董事會針對規(guī)定政策落實的結(jié)果商議下一步改進措施。每隔一段時間，國家交通運輸部會收集各地鐵公司的運營情況，從而對相關(guān)政策和規(guī)定進行進一步完善修改。

圖3 上海地鐵10號線運營安全控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 地鐵運營事故影響因素分析

通過分析上海地鐵10號線“9·27”事故調(diào)查報告，并與地鐵運營安全控制結(jié)構(gòu)圖相結(jié)合，從物理層、基層、管理層和政府層出發(fā)，深入分析造成上海地鐵10號線事故的主要影響因素，最終得到如表2所示的11個主要影響因素以及每個因素所屬層級和主要表現(xiàn)。

表2 上海地鐵10號線事故影響因素分析

3.3 基于三角模糊DEMATEL-ISM模型的地鐵事故影響分析

邀請6位專家對表2中11個因素中兩兩因素的影響強度進行打分，構(gòu)建相應(yīng)的評價分值矩陣，對應(yīng)求得三角模糊評價變量矩陣，并依據(jù)前面三角模糊DEMATEL-ISM的求解步驟（2）～（7）計算得到可達矩陣的取值如下所示：

根據(jù)式（11）可求得第一層對應(yīng)可達集、先行集以及共同集，如表3所示。

表3 第一層可達集、先行集以及共同集

由表3可知第一層所含影響因素為1、2、3,刪除可達矩陣中第1、2、3行和列，并計算第二層可達集、先行集以及共同集，結(jié)果如表4所示。

表4 第二層可達集、先行集以及共同集

由表4可知第二層所含影響因素為4、5、7、8，刪除可達矩陣中第4、5、7、8行和列，并計算第三次可達集、先行集以及共同集，結(jié)果如表5所示。

表5 第三層可達集、先行集以及共同集

由表5可知第三層所含影響因素為6、9，刪除可達矩陣中第6、9行和列，并計算第四次可達集、先行集以及共同集，結(jié)果如表6所示。

表6 第四層可達集、先行集以及共同集

由表6可知第四層所含影響因素為10、11，所有因素都已劃分完成，得到因素層級劃分如表7所示。

表7 地鐵事故致因因素層級劃分

根據(jù)地鐵事故致因因素層級的劃分可以得到地鐵事故致因因素多級階梯圖如圖4所示。

圖4 地鐵事故致因因素多級階梯圖

本次地鐵事故中11個影響因素共分為4層，其中1、2、3為近鄰致因，是直接導致上海地鐵10號線發(fā)生事故的原因；10、11為本質(zhì)致因，是導致上海地鐵10號線發(fā)生事故的本質(zhì)原因；4、5、7、8以及6、9均為過渡致因，是導致事故發(fā)生的間接因素，連接著本次事故的本質(zhì)致因和近鄰致因。

綜上所述，國家交通運輸部門未能及時完善相關(guān)政策以及監(jiān)督檢查上的失職是本次事故的本質(zhì)致因，因此政府需要進一步完善地鐵運營的相關(guān)應(yīng)急措施，使地鐵在遭遇突發(fā)事件后可以依據(jù)相關(guān)政策進行補救，同時要安排好監(jiān)督檢查工作，以預防事故發(fā)生。

地鐵公司董事長落實政策不及時徹底、地鐵公司總經(jīng)理協(xié)調(diào)不當、地鐵值班站長指揮不當和判斷錯誤、值班人員的疲勞工作和玩忽職守是本次事故的過渡致因。當新的規(guī)定政策發(fā)出時，地鐵公司董事長應(yīng)及時召開董事會并徹底落實相關(guān)政策，從而及時將落實辦法傳達給總經(jīng)理執(zhí)行；總經(jīng)理需要依據(jù)落實方法和各站實際情況，全面協(xié)調(diào)好各站的工作任務(wù)，為各站站長開展各站工作打下基礎(chǔ)；各站站長需要對站內(nèi)實際情況做出準確地判斷并做出正確的指導以引導各值班人員順利完成各項站內(nèi)工作，為了防止各站值班人員玩忽職守導致事故發(fā)生，各站站長也需要派人做好實地監(jiān)督工作，同時也要安排好值班人員的換班時間和休息時間，以防止值班人員因過度疲勞而導致事故發(fā)生。

運營設(shè)備故障、自然災(zāi)害，以及操作不當是本次事故的直接原因，地鐵部門應(yīng)加大對一線運營設(shè)備的檢修頻率，同時加固設(shè)備地基，增強設(shè)備所在機房的密閉性，降低外界環(huán)境的影響。對相關(guān)操作人員要進行定期的培訓與考核，保證不會出現(xiàn)員工違規(guī)操作的現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié) 語

本文首先介紹了STAMP模型的基本信息以及應(yīng)用情況，接著又敘述了三角模糊DEMATEL-ISM方法的基礎(chǔ)信息以及運算步驟。最終將STAMP模型與三角模糊DEMATEL-ISM相結(jié)合應(yīng)用分析上海地鐵10號線追尾事故，使用STAMP模型構(gòu)建了上海地鐵10號線地鐵運營安全控制結(jié)構(gòu)，并結(jié)合具體事故報告，從物理層、基層、管理層以及政府層四層出發(fā)，得到上海地鐵10號線事故的11個影響因素。其次，利用三角模糊DEMATEL-ISM模型對各影響因素之間的邏輯關(guān)系進行深入剖析，得到上海地鐵10號線事故影響因素層級劃分以及多級階梯圖。結(jié)果表明，將STAMP模型與三角模糊DEMATEL-ISM模型結(jié)合既可以解決傳統(tǒng)STAMP模型分析缺乏重點的缺陷，又可以解決傳統(tǒng)ISM模型中任兩因素關(guān)系分類的局限性，更加深入分析事故影響因素間的邏輯關(guān)系以及影響強度，最終根據(jù)相應(yīng)的結(jié)果有針對性地提出控制地鐵事故的措施建議。

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Analytical Approach to Metro Accidents Based on STAMP-ISM

YU Yao-cheng, SHUAI Bin, HUANG Wen-cheng

（School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China）

As an important pillar of urban rail transit, the metro has become an indispensable part of modern city life. Therefore, if accidents occur in the metro, they will not only bring huge economic losses, but also threaten people’s lives. In this paper, the STAMP and triangular fuzzy DEMATEL-ISM models are combined to analyze metro accidents in depth and classify the influencing factors into a multi-level ladder diagram. After these, precautions to prevent such metro accidents can be proposed. Finally, the result is obtained by analyzing the accident on Shanghai metro line 10. It is determined that the traditional STAMP model cannot highlight the key factors, and the traditional ISM has limitations in classifying the relationship between two factors. However, the combination of the STAMP and triangular fuzzy DEMATEL-ISM models can solve these problems and analyze the impact of the accident in depth for the purpose of accident prevention.

metro accidents; STAMP model; DEMATEL-ISM; Shanghai metro line 10

1672-4747（2021）02-0046-07

U298.1

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2021.02.005

2020-07-15

國家自然科學基金（71173177）；西南交通大學研究生創(chuàng)新實驗實踐項目（YC201507103）；西南交通大學研究生學術(shù)培養(yǎng)提升計劃（跨學科創(chuàng)新培育）專題項目（2018KXK04）；西南交通大學2018年優(yōu)秀博士培育項目

于耀程（1996—），男，陜西咸陽人，碩士研究生，研究方向：事故致因分析，E-mail：1410138567@qq.com

帥斌（1967—），男，四川樂山人，教授，博導，研究方向：交通運輸經(jīng)濟、事故致因分析等，E-mail：bsh67@126.com

于耀程，帥斌，黃文成. 基于STAMP-ISM的地鐵事故分析方法研究[J]. 交通運輸工程與信息學報，2021, 19(2): 46-52.

YU Yao-cheng, SHUAI Bin, HUANG Wen-cheng. Analytical Approach to Metro Accidents Based on STAMP-ISM[J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(2): 46-52.

（責任編輯：劉娉婷）