基于SEM-CM模型的城市軌道交通運營安全評價研究

摘" 要：城市軌道交通是公共交通中的重要組成部分，確保運營安全平穩(wěn)有序是城市軌道交通行業(yè)的重要職責(zé)。針對目前研究城市軌道交通運營安全的諸多模型中，存在的主觀性較強(qiáng)，缺乏客觀數(shù)據(jù)支撐問題，引入結(jié)構(gòu)方程（SEM）結(jié)合云模型（CM），構(gòu)建城市軌道交通運營安全評價模型，從設(shè)施設(shè)備、管理層面、人為因素、自然環(huán)境4個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系，通過SPSS、Amos軟件運用結(jié)構(gòu)方程對各項指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行信效度檢驗及適配度分析，挖掘出數(shù)據(jù)內(nèi)部的重要特征后得出相應(yīng)權(quán)重。然后，計算出各指標(biāo)的云模型數(shù)字特征，使用Matlab軟件繪制出云圖，進(jìn)行結(jié)果對比分析。以貴陽市城市軌道交通為例，得出最后結(jié)論表明該模型能更好消除主觀性，與實例的實際運營情況相符。

關(guān)鍵詞：軌道交通；運營安全評價；結(jié)構(gòu)方程；云模型；評價指標(biāo)

中圖分類號：U121" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0082-04

Abstract： Urban rail transit is an important part of public transport， and it is an important responsibility of urban rail transit industry to ensure safe and orderly operation. In view of the strong subjectivity and lack of objective data support in many models studying the operation safety of urban rail transit， the structural equation model （SEM） combined with cloud model （CM） is introduced to construct the evaluation model of urban rail transit operation safety， and the evaluation index system is constructed from four aspects： facilities and equipment， management， human factors and natural environment. Through SPSS， Amos software use structural equation to test the reliability and validity of each index data and analyze the fitness， dig out the important characteristics of the data and get the corresponding weight. Then， calculate the digital characteristics of the cloud model of each index， use the Matlab software to draw the cloud picture， and compare the results. Taking Guiyang urban rail transit as an example， the final conclusion shows that the model can better eliminate subjectivity， which is consistent with the actual operation of the example.

Keywords： rail transit; operation safety evaluation; structural equation model; cloud model; evaluation index

自城市軌道交通高速發(fā)展以來，公共交通分擔(dān)率日益增長，軌道交通運營安全也成為了各城市密切關(guān)注的問題，為切實加強(qiáng)交通運輸安全穩(wěn)定工作、確保城市軌道交通安全運行，各家軌道交通運營單位采取了各種培訓(xùn)、演練、預(yù)想等措施，力爭運營安全方面零事苗、事件發(fā)生。在這方面國內(nèi)外學(xué)者也做出了諸多深入研究，例如，倫敦地鐵通過對員工、乘客進(jìn)行風(fēng)險分析，預(yù)測軌道交通運營過程中危險因素存在的各種風(fēng)險，分析出原因后，及時采取措施整改運營狀況[1]。 已有90多年運營史的日本地鐵[2]，一直在努力更新設(shè)備、技術(shù)確保軌道交通運營安全。侯靖宇[3]采用熵權(quán)法、可拓理論相結(jié)合的方法，建立模糊綜合方法對軌道交通運營安全進(jìn)行評價。張渺[4]運用組合賦權(quán)、云模型相結(jié)合構(gòu)建地鐵運營安全評價模型，得出評價結(jié)果與實際結(jié)果相符。

城市軌道交通運營安全評價，綜合考慮因素廣。結(jié)構(gòu)方程理論在綜合指標(biāo)評價中較為成熟，對指標(biāo)權(quán)重的確定實用性強(qiáng)。間接影響因素較多，對觀測變量（潛在變量）的分析處理傳統(tǒng)方法已經(jīng)不適用，結(jié)構(gòu)方程能夠靈活處理觀測變量存在的弊端之處，間接經(jīng)過觀測指標(biāo)的數(shù)據(jù)資料反映潛變量，可允許存在一定測量誤差以此提高模型的擬合優(yōu)度；云模型對于評價過程中的隨機(jī)性、模糊性具有很好的解釋，通過數(shù)字特征Ex、En、He進(jìn)行定性概念與定量之間的轉(zhuǎn)換，通過云圖可以直觀將定性指標(biāo)定量化之后進(jìn)行數(shù)字化表述，提高評估結(jié)果可靠性。因此，本文將結(jié)構(gòu)方程與云模型相結(jié)合對城市軌道交通運營安全進(jìn)行評價。

1" SEM-CM模型構(gòu)建

1.1" 評價指標(biāo)體系選取

根據(jù)GB/T" 50438—2007《地鐵運營安全評價標(biāo)準(zhǔn)》[5]，深入分析各類學(xué)者在城市軌道交通運營安全中選取的評價指標(biāo)并結(jié)合實際，綜合選取設(shè)施設(shè)備、管理層面、人為因素、自然環(huán)境4個一級指標(biāo)12個二級指標(biāo)，建立城市軌道交通運營安全評價指標(biāo)集[6]，如圖1所示。

1.2" 基于SEM的指標(biāo)權(quán)重確定

1.2.1" SEM基礎(chǔ)理論

結(jié)構(gòu)方程模型（SEM）由測量、結(jié)構(gòu)方程2部分組成。

測量方程表達(dá)式

式中：x、y表示外、內(nèi)生顯變量；∧x、∧y表示x與ξ之間的系數(shù)矩陣、y與η之間的系數(shù)矩陣；ξ表示外源潛變量；η表示內(nèi)生潛變量；δ表示x測量誤差；ε表示y測量誤差。

結(jié)構(gòu)方程表達(dá)式

η=Bη+Гξ+ζ，（2）

式中：B、Г表示系數(shù)矩陣，ζ表示方程中的干擾項。

1.2.2" 基于SEM的評價指標(biāo)因素分析

SEM由測量、結(jié)構(gòu)模型2部分組成，測量模型由潛在、觀測變量組成，由評價指標(biāo)體系可知，城市軌道交通運營安全評價體系包括4個潛在變量、12個觀測變量。將測量模型導(dǎo)入Amos軟件中，與結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合得出SEM模型如圖2所示[7]。

評價指標(biāo)體系原始數(shù)據(jù)通過問卷調(diào)查的方式，邀請軌道交通行業(yè)專家及專業(yè)知識豐富、業(yè)務(wù)能力強(qiáng)的員工進(jìn)行問卷填寫，數(shù)據(jù)權(quán)威性較高，原始樣本數(shù)據(jù)獲取后經(jīng)過SPSS處理，得出Cronbach'α系數(shù)對樣本數(shù)據(jù)的信度進(jìn)行檢驗（表1）。

樣本數(shù)據(jù)信度值檢驗通過后，運用KMO和Bartlett來分析數(shù)據(jù)效度檢驗（表2）。

將信效度達(dá)標(biāo)后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SEM模型中，通過Amos軟件進(jìn)行一階、二階適配度檢驗，選擇卡方自由度比χ2/df、調(diào)整適配度指數(shù)AGFI、適配度指數(shù)GFI、比較適配指數(shù)CFI、增值適配指數(shù)IFI、非規(guī)范適配指數(shù)TLI與近似誤差均方根RMSEA等指標(biāo)進(jìn)行模型的適配度檢驗（表3）。

運用Amos軟件得出各評價指標(biāo)的路徑系數(shù)，通過路徑系數(shù)運用式（3）計算出評價指標(biāo)權(quán)重[8]。

式中：WU為各評價指標(biāo)權(quán)重；λu為路徑系數(shù)。

將WUi表示為一階指標(biāo)權(quán)重，WUij表示為一階指標(biāo)i對應(yīng)二階指標(biāo)j權(quán)重i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，n。計算公式均運用式（3）。

1.3" 基于云模型的評價方法

1.3.1" 云模型基礎(chǔ)理論

云模型（Cloud Model，CM）基本概念：設(shè)X為普通集合X={x}，且X?U（U精確數(shù)值的定量論域）T表示U上的一個定性概念，則x對于T的隸屬度為CT（x）∈[0，1]，是服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，則每一個隨機(jī)數(shù)x的表達(dá)式見式（4）。

將定性概念T從論域U到區(qū)間[0，1]映射在空間中的分布稱為云模型，簡稱云（Cloud），每一個隨機(jī)數(shù)x為一個云滴，在云圖上為一個點。

1.3.2" 構(gòu)建云模型評價標(biāo)準(zhǔn)

將城市軌道交通運營安全評價有效論域設(shè)置為[0，10]，其中[0，2）表示低風(fēng)險、[2，5）表示較低風(fēng)險、[5，7）表示中等風(fēng)險、[7，9）表示較高風(fēng)險、[9，10]表示高風(fēng)險，分為5個等級標(biāo)準(zhǔn)，分別對應(yīng){V1，V2，V3，V4，V5}5個評語集，根據(jù)5個評語集計算出標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征值（Ex，En，He）（表4），并繪制出標(biāo)準(zhǔn)云圖[9]（圖3）。

式中：Bimax、Bimin為區(qū)間i上的最大、最小邊界值，k取值為0.05。

表4" 評價標(biāo)準(zhǔn)等級劃分及對應(yīng)的特征值

V={V1，V2，V3，V4，V5}，Vi表示一級評價指標(biāo)，采用專家打分法按照區(qū)間[0，10]對二級評價指標(biāo)分別進(jìn)行打分。評價矩陣見式（6）。

第i個一級指標(biāo)對應(yīng)的第j個二級評價指標(biāo)的評價矩陣為CUj，其各二級指標(biāo)層面評價指標(biāo)云（Exj，Enj，Hej）的基本計算方法如逆向云發(fā)生器步驟，公式具體應(yīng)用見式（7）—（10）。

得出各二級評價指標(biāo)的評價指標(biāo)云，將評價指標(biāo)云與各二級評價指標(biāo)所對應(yīng)的權(quán)重代入式（11），可得到各一級評價指標(biāo)云。將各一級評價指標(biāo)云與各一級指標(biāo)所對應(yīng)的權(quán)重代入下式（11），可得出最終的綜合評價云。

根據(jù)計算出的評價指標(biāo)云，運用Matlab軟件繪制對比云圖，與劃分的區(qū)間[0，2）低風(fēng)險、[2，5）較低風(fēng)險、[5，7）中等風(fēng)險、[7，9）較高風(fēng)險、[9，10]高風(fēng)險與繪制出來的標(biāo)準(zhǔn)云對比，得出評價結(jié)果。

2" 實例分析

以貴陽軌道交通1、2、3號線為例，將SEM-CM評價模型運用在實際中，邀請軌道行業(yè)內(nèi)具有經(jīng)驗豐富的運營經(jīng)歷、業(yè)務(wù)能力強(qiáng)的專家及工作人員對貴陽軌道交通實際運營安全的調(diào)查問卷打出分值。

2.1" 權(quán)重計算

運用SPSS進(jìn)行信效度檢驗，Cronbach'α為0.853，KMO為0.895，Bartlett顯著結(jié)果為0.000，信效度檢驗較好，將檢驗通過的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SEM模型中進(jìn)行適配度檢驗，一階模型適配度較好，運算出二階模型適配度值結(jié)果為χ2/df=1.112，AGFI=0.989，GFI=0.978，CFI=0.996，IFI=0.998，TLI=0.985，RMSEA=0.019，適配度均通過。最后，運算出各評價指標(biāo)的路徑系數(shù)，通過公式算出評價指標(biāo)對應(yīng)權(quán)重（表5）。

2.2" 綜合評價

根據(jù)各專家及工作人員對貴陽軌道交通運營安全的評價意見，可通過云模型得出各評價指標(biāo)的數(shù)字特征值見表6。

由式（11）計算出貴陽軌道交通運營安全評價綜合云的數(shù)字特征為（2.760，0.243，0.063），為風(fēng)險較低，與實際運營情況相符合，評價云圖如圖4所示。

3" 結(jié)論

從設(shè)施設(shè)備層面、管理層面、人為因素、自然環(huán)境4個方面構(gòu)建城市軌道交通運營安全評價指標(biāo)，運用SPSS對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行信效度檢驗，檢驗通過的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Amos中，對SEM模型一階、二階適配度進(jìn)行檢驗，檢驗均通過，表明數(shù)據(jù)真實較好，通過SEM模型得出路徑系數(shù)，通過公式計算出各評價指標(biāo)權(quán)重。

運用CM模型，使用Matlab軟件繪制出標(biāo)準(zhǔn)云圖，再運用各評價指標(biāo)權(quán)重運算出相應(yīng)云數(shù)字特征，繪制出各評價指標(biāo)云圖與標(biāo)準(zhǔn)云圖相比較，得出結(jié)果與實際例子真實情況相符，驗證了運用SEM-CM模型對城市軌道交通運營安全評價具有客觀性較強(qiáng)、可信度較高的優(yōu)勢。

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