基于貝葉斯網(wǎng)絡的城市軌道交通運營安全風險及防控研究

劉懿文，朱 琳，劉志鋼，駱華榮，杭 海

（1. 上海工程技術(shù)大學，上海 201620；2. 上海市交通委員會軌道交通處，上海 200125；3. 上海市交通委員會執(zhí)法總隊，上海 200125）

城市軌道交通具有客流量大、速度快、起停頻繁，對運行環(huán)境要求高，應急疏散困難等特點[1]。其安全事件的發(fā)生往往不是由單一因素造成，風險之間存在相互影響的關(guān)系。劉福澤等[2]基于貝葉斯網(wǎng)絡模型分析風險源導致的風險事件，對北京軌道交通運營狀態(tài)進行風險評估。劉雙慶等[3]對某城市地鐵運營事故資料進行統(tǒng)計，從人、機、環(huán)、管4個角度分析了運營事故發(fā)生的原因并提出了安全管理對策。趙金寶等[4]根據(jù)大量的城市道路交通事故數(shù)據(jù)，與專家知識結(jié)合構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡，通過參數(shù)學習結(jié)合網(wǎng)絡模型推斷在不同因素下交通事故類型的概率分布。Xu等[5]收集分析了國內(nèi)外軌道車站的風險事故，研究風險之間的相互作用，得出敏感風險與關(guān)鍵風險鏈。

總結(jié)既有研究，缺乏基于數(shù)據(jù)的安全風險分析評價與安全風險防控策略的系統(tǒng)化研究，二者之間往往缺乏相互關(guān)聯(lián)。本文以所收集到的64起地鐵運營風險事件為基礎(chǔ)，更為細致地提取了事件案例中的風險元，將事件的發(fā)生追溯到更具體的原因，由此構(gòu)建貝葉斯風險互動網(wǎng)絡，進行影響強度分析、靈敏性分析，得出關(guān)鍵風險，并制定相應風險防控管理策略。

1 城市軌道交通運營風險互動關(guān)系

城市軌道交通運營安全事件一般是指在運營生產(chǎn)過程中造成了人員傷亡、設(shè)備設(shè)施損壞、財產(chǎn)損失、運營中斷或運營計劃調(diào)整等危害性后果的事件(事故)[6]。城市軌道交通運營系統(tǒng)是復雜的動態(tài)系統(tǒng)，運營安全事件通常由多個風險共同作用，逐級放大后造成[7]；風險存在于安全事件發(fā)生、發(fā)展過程的多個環(huán)節(jié)中，風險元即為在某一特定環(huán)境下，特定時間段內(nèi)對具體實際結(jié)果產(chǎn)生影響的不確定性因素[8]。風險之間這種復雜聯(lián)系表現(xiàn)為相互依存相互影響的互動關(guān)系。基于事故致因理論，事故致因鏈往往包含不止一個風險元。本文的風險元指運營事件風險致因鏈上的各個節(jié)點。將這些風險元作為不同的節(jié)點依據(jù)事件發(fā)生的因果關(guān)系連接起來，利用貝葉斯網(wǎng)絡構(gòu)建風險互動網(wǎng)絡，從系統(tǒng)整體角度來研究風險之間的關(guān)系。

對所獲取的64起樣本事件進行篩選，按照風險鏈構(gòu)建方法[9]，從事故后果角度分析，選取滿足以下3個條件的安全事件：①風險事件發(fā)生在正式運營的線路、車站、車場等城市軌道交通系統(tǒng)范圍內(nèi)；②造成人員傷亡，財產(chǎn)損失，導致運營計劃調(diào)整或列車延誤15 min以上；③事件中包含不止一個風險元。分析結(jié)果顯示地鐵實際運營的 64起案例中未發(fā)生人員傷亡等高風險重大事故，因此主要圍繞運營事件進行分析。根據(jù)事故發(fā)生因果關(guān)系，從事件中提取了56條不重復風險致因鏈，整合風險鏈上的風險節(jié)點也即風險元并剔除重復節(jié)點，例如：風險鏈1：車輛制動設(shè)備故障→制動不緩→列車迫停；風險鏈 2：車門故障→制動不緩→列車迫停。從這兩條風險鏈中可提取以下風險元：車輛制動設(shè)備故障、車門故障、制動不緩、列車迫停。其中，車輛制動設(shè)備故障、車門故障為風險鏈中的根節(jié)點，一般是設(shè)備的具體故障因素、人的不安全行為因素；制動不緩為風險鏈的中間節(jié)點，通常為設(shè)備功能狀態(tài)；列車迫停為風險鏈的葉節(jié)點，為系統(tǒng)運營后果。最終，經(jīng)過合并重復節(jié)點后，從56條風險鏈中共提取出28個節(jié)點，即風險元，具體見表1所示。

表1 運營安全事件風險元Table 1 Operational security incident risk item

2 構(gòu)建城市軌道交通風險互動網(wǎng)絡

2.1 貝葉斯網(wǎng)絡

貝葉斯網(wǎng)絡由有向無環(huán)圖和條件概率組成，由(D，C)來表示，D為有向無環(huán)圖(包括節(jié)點與弧線)，C為條件概率，表示父節(jié)點fi指向Xi節(jié)點條件概率的參數(shù)集，其中Xi(1≤i≤n)為一組隨機變量(子節(jié)點)。

將先驗知識與觀測概率結(jié)合從而可以對節(jié)點進行概率推理，計算公式如下：

其中，P(β|α)是條件概率，指當α發(fā)生時，β發(fā)生的可能性；P(α)和P(β)分別指α、β發(fā)生的先驗概率；所求P(α|β)指β發(fā)生時，α發(fā)生的后驗概率。

2.2 構(gòu)建風險互動網(wǎng)絡

風險具有不確定性，而貝葉斯網(wǎng)絡模型結(jié)合了因果關(guān)系與概率，可以用來研究風險之間互動關(guān)系[10]。因此，本文采用貝葉斯網(wǎng)絡構(gòu)建風險互動網(wǎng)絡，并運用GeNie2.0構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡模型?；谒⒌某鞘熊壍澜煌ㄟ\用安全事件致因鏈及風險“父子”關(guān)系，以所提取的風險元作為網(wǎng)絡節(jié)點，連接生成風險互動網(wǎng)絡，如圖1所示。

圖1 城市軌道交通運營安全事件的貝葉斯風險互動關(guān)系網(wǎng)絡Figure 1 Bayesian risk interaction network diagram of urban rail transit operation safety events

網(wǎng)絡圖中的每個節(jié)點即風險元。所有可以引出指向其他節(jié)點的風險元稱為父節(jié)點，被引出指向的節(jié)點則對應為其子節(jié)點。父、子節(jié)點是一種對應關(guān)系，一個節(jié)點的父節(jié)點在不同的風險因果關(guān)系中也可能是其他節(jié)點的子節(jié)點。根據(jù)節(jié)點對應風險在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中的頻率，將父、子節(jié)點之間的相互關(guān)系作為先驗知識，來對每個節(jié)點輸入條件概率。

2.3 影響強度分析

風險之間的影響關(guān)系存在一定程度上的差異，影響強度大小可以用父節(jié)點與子節(jié)點之間連接線的寬度來表示。父節(jié)點對子節(jié)點的影響強度越大，則連接線越粗。對影響強度的量化可以用節(jié)點的條件概率與先驗概率的歐式距離公式來計算表示[11]，如式(2)。

E(Xi，fi)表示父節(jié)點fi與子節(jié)點Xi的影響強度，其值域為[0，1]。P(Xi|fi)表示父節(jié)點為fi的Xi子節(jié)點條件概率，P(Xi)為子節(jié)點Xi的先驗概率。

圖1展示了所建立的城市軌道交通運營安全風險關(guān)系網(wǎng)絡中風險元之間的影響強度分析結(jié)果。以上風險網(wǎng)絡中影響強度最大的8個父子節(jié)點路徑分別是：①信號SD設(shè)備故障→無法排列進路；②維修施工人員誤操作或違規(guī)操作→道岔設(shè)備故障；③制動不緩→司機誤操作、違規(guī)操作或技能不熟練；④信號設(shè)備離線或信號中斷→列車無速度碼；⑤車門故障→開門動車；⑥道岔定位失表→擠岔；⑦車輛牽引設(shè)備故障→無法牽引；⑧供電軌/受電弓/接觸網(wǎng)設(shè)備故障→觸網(wǎng)失電。可以從這 8個風險路徑中發(fā)現(xiàn)主要涉及設(shè)備與人員兩類風險因素，而設(shè)備類風險涵括信號、車輛、供電3個專業(yè)。

2.4 靈敏性分析

靈敏性分析通過研究輸入數(shù)據(jù)的微小變化對輸出后驗概率的影響來幫助驗證貝葉斯網(wǎng)絡模型的概率參數(shù)。參數(shù)敏感度越高，對推理結(jié)果的影響越顯著。靈敏性計算公式如式(3)、(4)所示。

其中，P(y|e)(θ)是關(guān)于概率參數(shù)θ的后驗概率，可以表示為2個關(guān)于參數(shù)θ的線性函數(shù)比值；P(y|e)(θ)是y，e關(guān)于θ的聯(lián)合概率分布；P(e)(θ)是e關(guān)于參數(shù)θ的先驗概率；a、b、c、d是常數(shù)項。而S(θ|y,e)是P(y|e)(θ)對θ的偏導數(shù)。如果參數(shù)θ的導數(shù)很大，那么θ的小偏差可能導致目標后驗值出現(xiàn)較大的差異。如果導數(shù)很小，那么即使參數(shù)有很大的偏差，后驗值也不會產(chǎn)生明顯區(qū)別。根據(jù)這個特質(zhì)可以確定網(wǎng)絡中哪些參數(shù)對目標概率有更強的影響。

Kjaerulff等[12]在2000年提出了基于GeNie軟件靈敏性分析的相關(guān)算法。本文將節(jié)點“風險事件發(fā)生”設(shè)置為目標節(jié)點，使用靈敏性分析工具，得到不同顏色深度的節(jié)點圖，如圖2所示。

圖2 靈敏性分析Figure 2 Sensitivity analysis

在這28個風險元中，依據(jù)靈敏性大小排列出了前10位較敏感風險元，如表2所示。

表2 風險元靈敏值Table 2 Risk item sensitivity value

風險元的靈敏性越高，造成風險事件發(fā)生的可能性就越高。從以上分析結(jié)果中信息交互滯后的靈敏性值是最高為0.372，其次較高是道岔設(shè)備故障、車輛制動設(shè)備故障。

3 風險預防及控制管理策略

3.1 人為因素

在城市軌道交通運營中人為因素主要是乘客與工作人員的不安全行為。根據(jù)對 64起風險事件案例分析，其中有26起運營風險事件發(fā)生涉及人為因素，主要是地鐵工作人員的不安全行為，包括司機、維修施工人員、乘務員等其他工作人員存在技能不熟練、誤操作、違規(guī)操作或者操作遺漏等。

人為因素具有主觀能動性，在影響強度分析中也發(fā)現(xiàn)，人為因素對設(shè)備等其他因素的影響強度較高。例如維修施工人員誤操作、違規(guī)操作對道岔信號設(shè)備的影響較大，容易造成道岔故障，進而引發(fā)道岔定位失表并最終導致地鐵運營造成延誤等后果。在靈敏性分析中，司機行為因素達到了 0.312，維修施工人員行為因素達0.185，這兩條分析結(jié)果也能說明人為因素在一定條件下可以影響其他因素，工作人員良好的專業(yè)素養(yǎng)、應急反應能力可以挽回事態(tài)的惡化甚至阻斷事故發(fā)生。因此加強員工安全意識，提高員工的工作能力至關(guān)重要。

針對人為因素提出以下對策：

1) 提高乘客安全意識，引導乘客安全乘車，并完善地鐵內(nèi)部安全設(shè)施，結(jié)合監(jiān)控監(jiān)測等手段，提前防范風險，保障地鐵運營安全。

2) 強化員工自覺履職守法的法治觀念，提高公共安全與國家資產(chǎn)守法責任意識，保持員工對“安全紅線”的敬畏與警戒。杜絕員工工作懈怠、違規(guī)作業(yè)行為。

3) 加強司機、乘務、調(diào)度、檢修施工等崗位職業(yè)技能培訓，要進一步提高各崗位隊伍人員素質(zhì)、體質(zhì)等綜合能力的動態(tài)評估管控。特別是調(diào)度、司機等關(guān)鍵崗位加強值乘作業(yè)期間的心理生理狀態(tài)掌握，建立合理的輪崗換班機制。

3.2 設(shè)備因素

設(shè)備因素是影響城市軌道交通運營的客觀因素，包括各系統(tǒng)設(shè)備老化、設(shè)計缺陷、維修養(yǎng)護不合理以及人為因素導致設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)故障。根據(jù)本文案例統(tǒng)計分析，設(shè)備故障影響運營事件發(fā)生的比例高達89.06%，依次是信號、車輛、供電、通信設(shè)備。

影響強度分析結(jié)果說明信號設(shè)備與車輛設(shè)備較容易受到影響且影響強度值普遍較高，其中信號SD設(shè)備、道岔、車門、車輛牽引設(shè)備發(fā)生故障后導致的影響相對其他設(shè)備較大。而這幾種設(shè)備在靈敏性分析中，道岔設(shè)備故障的靈敏值達到0.335，車輛制動設(shè)備故障靈敏值達0.316，這兩種設(shè)備的靈敏性處于較高水平。由此說明道岔設(shè)備和車輛制動設(shè)備狀態(tài)的細微變化對整個系統(tǒng)安全有很大影響。

針對設(shè)備因素提出策略：加強設(shè)備設(shè)施全壽命維護管理體系的落地。對于車輛、信號、供電等多發(fā)故障的設(shè)施設(shè)備夯實基礎(chǔ)管理，采用高精度傳感采集技術(shù)對關(guān)鍵部件的狀態(tài)進行實時成像、圖像分析以及故障診斷，并將數(shù)據(jù)收集建立可視化數(shù)據(jù)平臺，通過數(shù)據(jù)挖掘分析實現(xiàn)對設(shè)備可靠性實時監(jiān)測及潛在風險預警，為維修保養(yǎng)工作的周期性提供合理建議。

3.3 環(huán)境因素

在收集的案例中未發(fā)生由于環(huán)境因素導致的運營事件。惡劣的運行環(huán)境是不可消除的危險因素，為預防或控制其損失，在日常運營生產(chǎn)過程中通過采取各種生產(chǎn)技術(shù)和管理手段進行環(huán)境風險預防和控制，且目前基本可以消除其危害。

城市軌道交通環(huán)境包括外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境。外部環(huán)境通常受自然因素、天氣因素和社會活動影響。內(nèi)部環(huán)境是指地鐵運營作業(yè)環(huán)境，包括車站、線路區(qū)間、車場、設(shè)備用房等區(qū)域。對于多數(shù)城市來說地鐵運營環(huán)境多處于一個封閉的環(huán)境中，自然因素相對穩(wěn)定，惡劣天氣因素可能會影響到地鐵運營的安全，往往會導致地鐵延誤、運營計劃的調(diào)整等。

針對環(huán)境因素提出以下策略：

1) 強化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，完善地鐵車站防災設(shè)計，確保防災備品備件的齊全。對于較容易發(fā)生的異物侵限風險區(qū)域，加強對運營外部環(huán)境監(jiān)控與治理，做好惡劣天氣預警及防護工作。

2) 建立全覆蓋的地鐵運營監(jiān)控系統(tǒng)，對客流實時監(jiān)控，實現(xiàn)對大客流預警，避免或減少突發(fā)大客流帶來的運營影響。

3) 優(yōu)化應急預案、加強應急演練，提高各部門應對自然災害、惡劣天氣的現(xiàn)場處置能力。

3.4 管理因素

管理因素并不是導致風險運營事件發(fā)生的直接因素，然而從人為、設(shè)備、環(huán)境因素致使事故發(fā)生的案例中，或多或少可以反映出管理這一環(huán)節(jié)存在的不足。換句話說，管理因素對其他3個因素有著調(diào)節(jié)作用。在靈敏性分析結(jié)果中，信息交互滯后的靈敏性值達到了0.372，相比其他風險敏感值處于較高水平。這說明在應急處理環(huán)節(jié)，命令下達與信息傳遞反饋的不及時不暢通易造成列車的延誤等運營事件發(fā)生。

針對管理因素提出以下策略：

1) 管理單位應細化相關(guān)規(guī)章制度，明確操作規(guī)范，嚴格規(guī)范操作人員按要求操作。完善各崗位培訓、檢查、考核機制。

2) 做好監(jiān)督管理工作，加強現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)管。編制應急預案，加強應急演練。統(tǒng)籌運營調(diào)整、響應協(xié)調(diào)、信息傳遞等，確保應急搶修組織的有序高效。

3) 針對信息交互滯后風險，應加強信息化建設(shè)和一體化管理改革，確保信息渠道暢通，提高各部門之間信息交流與溝通效益，做好信息交互、互聯(lián)互控工作。增強信息發(fā)布的時效性和真實性，杜絕現(xiàn)場人員瞞報、漏報、錯報、遲報行為，確?？焖儆行幹?。

4 結(jié)語

1) 本文對所收集的城市軌道交通運營安全事件案例進行了詳細分析，提取風險致因鏈，基于貝葉斯網(wǎng)絡構(gòu)建了風險互動網(wǎng)絡。通過影響強度分析與靈敏性分析，得出人為與設(shè)備因素引發(fā)其他風險的概率較高。其中信號設(shè)備故障、車輛設(shè)備故障、信息交互滯后對運營系統(tǒng)安全影響最大。

2) 針對分析結(jié)果，從影響城市軌道運營安全的4個因素：人為、設(shè)備、環(huán)境、管理的角度，結(jié)合關(guān)鍵風險路徑節(jié)點、敏感風險元分別提出了風險預防控制的管理思路與策略。后續(xù)將持續(xù)對所建立的風險互動關(guān)系進行進一步論證分析，并適時引入地鐵運營安全風險管控機制中加以驗證。

3) 基于所分析的樣本事件中未涉及環(huán)境因素導致運營事件的案例，此處默認為運營環(huán)境處于安全狀態(tài)，可能為分析不全面之處。其次，本文考慮到風險的致因關(guān)系及交互作用，但忽略了不同風險或同類風險之間的耦合關(guān)系對運營事件發(fā)生的影響。再者，雖然結(jié)合數(shù)據(jù)分析結(jié)果提出了相應的風險防控策略，但是沒有給出詳細措施方案，形成完整的管理體系。后續(xù)研究可以根據(jù)城市軌道交通運營單位的實際需求，建立風險分級的管理體系。