基于改進 ISM-DEMATEL 的高速鐵路 列車晚點致因因素分析

孫延浩，張 濤，劉寧馨，趙 陽，李 昂

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團 有限公司 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081)

0 引言

高速鐵路行車服務(wù)質(zhì)量的核心就是在保證列車安全性和顧客舒適性的基礎(chǔ)上，提高列車的正點率。然而高速鐵路列車在運行過程中因為受到人為失誤、設(shè)備故障、自然環(huán)境等隨機因素的干擾，難免會出現(xiàn)列車晚點的現(xiàn)象。一旦發(fā)生列車晚點，不僅會影響旅客行程，降低高速鐵路列車服務(wù)質(zhì)量，嚴(yán)重的情況下還會引起路網(wǎng)的運輸中斷，破壞客流均衡和路網(wǎng)持續(xù)性。因此采取科學(xué)合理的手段對高速鐵路列車晚點致因因素展開研究十分必要。

對于高速鐵路列車晚點的研究，不少專家學(xué)者做了大量的工作。袁強等[1]提出一種基于超統(tǒng)計理論的高速鐵路列車晚點分布模型。石晶等[2]以武廣高速鐵路(武漢—廣州南)列車為例，針對高速鐵路列車晚點時間分布規(guī)律，運用Logistic回歸分析模型預(yù)測相鄰、相間列車晚點時間。孟子悅等[3]應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)中皮爾遜相關(guān)系數(shù)法探究高速列車晚點特征。譚萌等[4]結(jié)合武廣高速鐵路實績運行數(shù)據(jù)研究高速鐵路列車晚點現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)高速列車發(fā)生到達晚點的情況較為嚴(yán)重。孫延浩等[5]采用改進的灰色馬爾科夫模型對列車晚點時間進行預(yù)測。袁志明等[6]通過設(shè)計隨機森林模型對高速鐵路列車晚點的恢復(fù)時間進行預(yù)測，并構(gòu)建能夠描述列車晚點在運行線上傳播的晚點狀態(tài)概率轉(zhuǎn)移矩陣，反映列車晚點在運行線上傳播及恢復(fù)的情況?？梢钥闯觯壳瓣P(guān)于高速鐵路列車晚點的研究大部分集中在晚點分布和晚點預(yù)測上，而對于列車晚點的致因只進行簡單的概括性的總結(jié)和介紹，缺少理論性的建模分析。

目前關(guān)于致因因素分析的方法主要有主成分分析法、數(shù)據(jù)包絡(luò)法、實驗室決策分析法(Decision Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)[7]以及結(jié)構(gòu)解釋模型法(Interpretive Structural Modeling，ISM)[8]，其中后兩者適用場景更為廣泛。相較于其他方法，ISM不僅可以分析致因因素間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和影響程度，還能辨識出因素間的邏輯結(jié)構(gòu)和影響機制，ISM在計算時需要進行大量的復(fù)雜矩陣運算，為減少可達矩陣的計算量，將DEMATEL引入到ISM的計算中，并利用三角模糊數(shù)(Triangular Fuzzy Number，TFN)進行改進，提出一種改進的集成ISM-DEMATEL方法對高速鐵路列車晚點的致因因素進行分析，以期為高速鐵路列車的正點高效運行和列車調(diào)度指揮提供理論支撐。

1 高速鐵路列車晚點致因因素分析

高速鐵路列車晚點是指高速鐵路在運營中由于受到內(nèi)外界各種隨機因素的干擾，使得列車實際的出發(fā)或到達時刻晚于時刻表規(guī)定的時刻，行車的時間軌跡與計劃運行圖的規(guī)定時間軌跡相背離[9]。高速鐵路運輸系統(tǒng)是一個內(nèi)部元素眾多且聯(lián)系緊密的巨系統(tǒng)，在日常運營組織中各個子系統(tǒng)協(xié)調(diào)互聯(lián)、相輔相成，共同完成運輸任務(wù)。因此從系統(tǒng)論角度出發(fā)，基于“人—機—環(huán)—管”4個方面對高速鐵路列車晚點的致因因素進行分析，為保證所分析因素的可靠性和客觀性，共邀請10名相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者，利用問卷的方式對高速鐵路列車晚點致因因素進行判定。經(jīng)與專家反復(fù)討論，最終將其分為人為因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素和其他因素4個大類，16個具體致因因素，得到高速鐵路列車晚點致因因素如表1所示。

表1 高速鐵路列車晚點致因因素Tab.1 Factors causing high speed railway train delay

（1）人為因素。影響高速鐵路列車晚點的人為因素分為鐵路系統(tǒng)內(nèi)部人員因素和鐵路系統(tǒng)外部人員因素，內(nèi)部因素主要是內(nèi)部人員管理不當(dāng)，或者工作人員操作不當(dāng)導(dǎo)致的；外部因素大部分是由于旅客和閑雜人員導(dǎo)致的。

（2）設(shè)備因素。高速鐵路設(shè)備密集，且大部分長期暴露在戶外環(huán)境中，設(shè)備運行環(huán)境條件比較惡劣。一旦出現(xiàn)設(shè)備故障，多數(shù)情況下會導(dǎo)致高速鐵路列車出現(xiàn)晚點現(xiàn)象。

（3）環(huán)境因素。環(huán)境因素是導(dǎo)致高速鐵路列車晚點的外部致因，我國幅員遼闊，線路環(huán)境復(fù)雜，故環(huán)境因素極易導(dǎo)致列車晚點，如在大風(fēng)或暴雨等一些極端天氣下，會致使列車限速、折返、迂回甚至停運，引發(fā)高速鐵路列車晚點。

（4）其他因素。其他因素包括節(jié)假日突增的客流量、面對突發(fā)事件時缺少有效的應(yīng)急管理體制等，這些因素都會對高速鐵路列車的正常運行產(chǎn)生干擾。

以上干擾因素之間相互影響，相互耦合，通過簡單的分析無法對高速鐵路列車的晚點致因形成一個科學(xué)、客觀的認(rèn)識，有必要采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對其展開深入的研究。

2 改進的集成ISM-DEMATEL方法

DEMATEL是一種基于圖論和矩陣工具對系統(tǒng)要素進行分析的重要方法，主要利用因素間的影響關(guān)系來構(gòu)建影響矩陣。ISM可操作性強，已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代系統(tǒng)工程分析中?？紤]到高速鐵路列車晚點的致因因素眾多且因素間具有較強的耦合性，可將DEMATEL與ISM方法進行集成，構(gòu)建一種集成的ISM-DEMATEL方法。由于DEMATEL基于專家的經(jīng)驗或者知識，其主觀性較強，為降低主觀性帶來的影響，需對DEMATEL進行改進，故將模糊理論引入到DEMATEL中，利用TFN來表征專家的偏好信息。對直接影響矩陣進行模糊化處理，再通過轉(zhuǎn)換法(Converting Fuzzy numbers into Crisp Scores，CFCS)將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為精確值[10]，最后再與ISM方法進行集成，其具體步驟如下。

步驟1：確定語言變量和TFN的對應(yīng)關(guān)系。

步驟2：構(gòu)建致因因素間的TFN直接影響矩陣Zk= [zikj]n×n。其中zikj= (aikj，bikj，cikj)為第k (k = 1，2，…，q)個專家給出的因素αi對因素αj的影響程度；aikj和cikj分別為TNF的上確界和下確界；bikj為TNF最有可能取值。

步驟3：利用CFCS法對TNF進行去模糊化處理。首先標(biāo)準(zhǔn)化TNF，設(shè)likj，mikj和rikj分別是aikj，cikj和bikj的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，其計算公式依次為

步驟5：利用矩陣X計算綜合影響矩陣T = [tij]n×n。其中T = X (I - X)-1，I作為單位矩陣參與運算。

步驟6：計算各因素的影響度和被影響度。將綜合影響矩陣T中的元素按行相加得到影響度fi=再將T中的元素按列相加得到被影響度ei=

步驟7：計算原因度和中心度。原因度表示因素間的因果關(guān)系，通過計算影響度fi和被影響度ei之差獲得，即Ni= fi- ei，若原因度大于0，則為原因因素，若原因度小于0，則為結(jié)果因素。將影響度fi和被影響度ei相加獲得中心度，即Mi= fi+ ei。

步驟8：計算可達矩陣H = T + I = [hij]n×n。

步驟9：建立前因集Ri與可達集Ai。為了使解釋結(jié)構(gòu)模型更加合理，此時引入閾值λ（0≤λ≤ 1），通過λ來識別出影響程度小的因素，并加以取舍。λ值越大，結(jié)構(gòu)體系的層次越簡單，但因素間的影響關(guān)系也越模糊；λ值越小，結(jié)構(gòu)體系的層次越詳實，但又缺乏整體性。對于可達矩陣H來說，如果hij≥λ，則kij= 1，如果hij＜ 1，則kij= 0。kij為因素i與元素j的關(guān)聯(lián)值。

式中：Ri為前因集；Ai為可達集；共同集Pi= Ri∩ Ai，若滿足Pi= Ri，則Ri為最高級因素集。

步驟10：建立解釋結(jié)構(gòu)模型。

3 案例分析

3.1 ISM-DEMATEL方法分析過程

為了對某條高速鐵路線路列車晚點的致因因素進行分析，某鐵路局集團公司邀請5位行車組織與運輸安全方面的專家對該條高速鐵路線路列車晚點的16個致因因素間的關(guān)系采用TNF進行評估。語言變量分為“無影響”“影響非常小”“影響小”“影響大”和“影響非常大”5個層級，其分別對應(yīng)0，1，2，3，4共5個數(shù)值。語言變量及其對應(yīng)TFN如表2所示。

表2 語言變量及其對應(yīng)TFNTab.2 Linguistic variables and TFN

根據(jù)步驟1到步驟3通過CFCS去模糊化后，獲取高速鐵路列車晚點致因因素直接影響矩陣如表3所示。

表3 高速鐵路列車晚點致因因素直接影響矩陣Tab.3 Direct influence matrix of factors causing high speed railway train delay

根據(jù)中心度和原因度，繪制高速鐵路列車晚點致因因素關(guān)系圖如圖1所示，可以看出α7，α8，α9，α10和α11的原因度為負，表示這些因素會受到其他因素的影響，從而導(dǎo)致高速鐵路列車出現(xiàn)晚點；α1，α2，α12，α13，α14和α16的中心度較高，表明它們是導(dǎo)致列車晚點關(guān)鍵因素，需要相關(guān)部門認(rèn)真對待。

圖1 高速鐵路列車晚點致因因素關(guān)系圖Fig.1 Relationship of factors causing high speed railway train delay

再次，根據(jù)步驟8，構(gòu)建高速鐵路列車晚點致因因素的可達矩陣，根據(jù)專家建議進行多次試算確定閾值λ為0.38，高速鐵路列車晚點致因因素可達矩陣如表5所示。

表5 高速鐵路列車晚點致因因素可達矩陣Tab.5 Reachability matrix of factors causing high speed railway train delay

最后，根據(jù)表3的可達矩陣和步驟9、步驟10，得到高速鐵路列車晚點ISM解釋結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示。

圖2 高速鐵路列車晚點ISM解釋結(jié)構(gòu)模型圖 Fig.2 ISM hierarchy model of high speed railway train delay

3.2 研究結(jié)論與分析

從解釋結(jié)構(gòu)模型可以看出，高速鐵路列車晚點致因因素之間有著復(fù)雜的聯(lián)系，具體體現(xiàn)在以下4個方面。

（1）線路故障、通信信號設(shè)備故障、高速鐵路列車故障和供電設(shè)備故障是導(dǎo)致列車晚點的直接原因。同時旅客的行為也是導(dǎo)致列車晚點的重要原因，尤其是旅客的不良行為，比如吸煙或者誤按緊急制動按鈕，這些行為也容易導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。因此降低設(shè)備的故障率，是防止列車晚點的重要手段之一。

其次，根據(jù)步驟4到步驟7計算列車晚點致因因素的影響度、被影響度、中心度和原因度，各致因因素的影響度、被影響度、中心度和原因度如表4所示。

表4 各致因因素的影響度、被影響度、 中心度和原因度Tab.4 Influence degree, affected degree, center degree, and cause degree of each factor

（2）相關(guān)人員的處置能力十分關(guān)鍵。對于第2層和第3層致因因素來說，相關(guān)人員的處置能力十分關(guān)鍵。尤其是當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時，高效的應(yīng)急處置能力是降低事件進一步傳播的重要保障。因此要著重提高相關(guān)人員的業(yè)務(wù)能力，減少工作失誤，同時也要健全和完善應(yīng)急管理體制，進而降低列車晚點發(fā)生的概率，或者減少高速鐵路列車進一步的延誤傳播，將列車晚點影響區(qū)域盡量控制在最小范圍內(nèi)。

（3）風(fēng)雨雪和一些地質(zhì)災(zāi)害等環(huán)境因素，對高速鐵路設(shè)備的影響十分嚴(yán)重。對于第4層因素來說，風(fēng)雨雪和一些地質(zhì)災(zāi)害等環(huán)境因素，其本身破壞并不大，但是這些因素對高速鐵路設(shè)備的影響十分嚴(yán)重。而設(shè)備故障是導(dǎo)致列車晚點的直接原因，同時這些環(huán)境致因因素發(fā)生的頻度也較高。因此必須重點關(guān)注這類因素。一方面，增加有效的監(jiān)測設(shè)備，保證風(fēng)雨雪等災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。另一方面，通過歷史自然災(zāi)害數(shù)據(jù)的分析，對列車運行時段的天氣狀況進行預(yù)判，提前做好應(yīng)急準(zhǔn)備，盡量降低列車晚點發(fā)生概率。

（4）管理不當(dāng)是引發(fā)高速鐵路列車晚點的最底層原因?！叭恕獧C—環(huán)”雖然都可以直接導(dǎo)致列車發(fā)生晚點，但管理因素是導(dǎo)致其他3類因素引發(fā)事故的根本原因，故需構(gòu)建一套科學(xué)的且行之有效的管理制度，明確每個人的職責(zé)所在，并設(shè)立反饋渠道，及時對管理制度進行調(diào)整或者更正。

4 結(jié)束語

列車正點率是衡量高速鐵路服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，然而列車在運行過程中很容易受到運輸設(shè)備故障、自然條件、人為失誤等隨機因素的干擾，進而發(fā)生晚點。為了深入科學(xué)分析高速鐵路列車晚點的致因因素，通過構(gòu)建一種改進的ISMDEMATEL分析方法，探究高速鐵路列車晚點致因因素的內(nèi)在聯(lián)系，清晰得出關(guān)鍵因素所在的層級和影響途徑。同時該方法為類似復(fù)雜系統(tǒng)事件致因分析提供了一種新的分析思路，雖然改進ISM-DEMATEL法依然存在著一定的主觀性，但是仍不失為一種分析高速鐵路列車晚點致因因素的有效方法。