基于熵权法与灰色关联分析的铁路安全综合评价_冯运卿

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[12 ] [11 ]
测和结果两个角度构建了铁路安全综合评价指标体系 。 运用熵权法 分别计算了基于预测和基于结果的铁路安全评价指标的权重 。 在基 于预测的铁路安全指标方面, 人为因素是造成铁路行车事故的主要方 , “铁路事故损失 ” 面。在基于结果的铁路安全指标方面 因素对铁路 安全影响最大。以基于结果的铁路安全评价指标权重为基础, 结合灰 色关联分析法计算了 1985 —2007 年铁路安全的灰色关联度, 并绘制 了我国铁路安全度变化曲线, 对我国铁路安全整体发展趋势进行了分 析。结果表明, 我国铁路安全状况分为 3 个阶段: 第一阶段为 1985 — 1990 年, 由于当时我国铁路技术装备还不够发达, 铁路安全整体水平 较低, 并且有下降的趋势; 第二阶段为 1991 —2000 年, 我国铁路整体 安全度获得了较大提高, 虽然部分年份安全度出现波动, 但安全度整 2001 年以来, 体趋势获得了很大提升; 第三阶段为 2001 —2007 年, 我 国铁路安全度一直高于 0. 8 , 处于较高水平, 并进入了平稳期。 总的 来说, 我国铁路整体安全水平获得了很大程度提高, 铁路整体安全度 已经达到较高水平 。 关键词: 交通运输安全工程; 熵权法; 灰色关联分析; 铁路安全评价 中图分类号: U298 文献标识码: A DOI: 10.13637/j.issn.1009-6094.2014.02.017
作者简介: 冯运卿, 博士研究生, 从事铁路安全理论与实践研究; 李雪梅( 通信作者) , 教授, 从事运输经济理论与政策 xmli@ bjtu. edu. cn。 研究,
工、 旧轨侵限、 路料卸车、 坏人破坏 5 个方面, 设备因素可以分 为线路质量不良、 钢轨与夹板折断、 路基下沉塌陷、 山体坍方 落石 4 个方面。具体指标体系见表 1 。
73
Vol. 14
No. 2
安 全 与 环 境 学 报 指标的熵权计算步骤如下
[21 ]
第 14 卷第 2 期 。
基于结果的铁路安全评价从铁路事故率及事故件数 、 铁 路伤亡人数、 铁路事故损失 3 个方面建立安全评价指标体系, 对我国铁路安全现状进行定量评价 。 1 ) 铁路事故率及事故件数因素 。 铁路事故状况用事故 率和事故件数来体现, 该因素包括 5 个指标: 百万机车行走事 、 故率 铁路行车重大事故件数 、 铁路行车大事故件数、 铁路行 铁路行车一般事故件数 。 车险性事故件数、 2 ) 铁路伤亡人数因素。 铁路伤亡因素主要通过历年来 铁路的伤亡状况来体现, 该因素包括 4 个指标: 行车路外重伤 人数、 行车路外死亡人数、 行车路内重伤人数、 行车路内死亡 人数。 3 ) 铁路事故损失因素。 铁路事故损失因素通过铁路事 故发生后对铁路部门和国家的损失来体现, 该因素包括 6 个 铁路行车事故直接经 指标: 铁路行车事故中断正线行车时间 、 济损失、 铁路客车报废数、 铁路客车破损数、 铁路机车报废台 数、 铁路机车破损台数。 基于结果的铁路安全评价指标体系见表 2 。各指标数据 》 、 《中国铁道年鉴 》 来源于 1985 —2007 年《中国交通年鉴 和 《全国铁路统计资料汇编 》 。
ij n
2
2. 1
基于熵权法的铁路安全评价指标权重计算
熵权法介绍 熵是来源于热力学的一个概念 。1948 年, 信息论的创始
[20 ]
∑r
i =1
3 ) 计算第 j 项指标的熵值: H j = - K∑ P ij lnP ij ( j = 1 , 2,
i =1
人申农
首次引进信息熵来描述信号源信号的不确定性, 现 、 。 已在工程技术 社会经济等领域得到了广泛应用 申农利用 概率统计方法给出了信源的信息熵定义 。 系统可能处于 n 种不同状态, 而每种状态出现的概率为
[19 ] 大事故分析》 , 将基于预测的铁路安全评价指标分为人为 、 因素 设备因素两方面。人为因素可以分为违章作业 、 大修施
行了概述, 并以铁路行车安全为实例进行了分析 。 20 世纪 80 年代初期, 安全系统工程引入后, 我国也开始 了安全评价理论和方法的研究 。 肖贵平
[3 ]
在对我国铁路行
1 ) 评价指标隶属度矩阵标准化 。 n 个被评价对象对应于 m 个评价指标的指标值构成隶属
1m 11 12 r21 r22 … r2m 度评价矩阵 R: R = 。 r n1 r n2 … r nm
r
r

r
在此评价指标体系中, 各指标在量纲、 内容及取值优劣标 准等方面存在不同, 因此有必要对各指标值作标准化处理 。 标准化处理方法有两种: 当指标数据越大越好, 即为正指标 其标准化公式为 r ij = 时, x ij - minx ij ; 当指标数据越小越 maxx ij - minx ij maxx ij - x ij 。本 maxx ij - minx ij
第 14 卷第 2 期 2014 年 4 月
6094 ( 2014 ) 02007307 文章编号: 1009-
安 全 与 环 境 学 报 Journal of Safety and Environment 涛等
[7 ]
Vol. 14 No. 2 Apr. , 2014
在对比分析中外铁路道口安全形势及研究现状的基
好, 即为逆指标时, 其标准化公式为 r ij =
文中数据指标均为逆指标, 因此标准化后对矩阵转置, 得到矩 阵 R' = ( r' ij )
n ×m
。其中, r ij 为评价指标的隶属度。 r ij
n
2 ) 对各指标值做归一化处理, 计算第 j 项指标下第 i 个评 价对象指标值的比重: P ij = 。
[1 ]
1
铁来自百度文库安全评价指标选取
如人、 设 从目前的研究看, 影响铁路安全的因素有很多, [17 ] 备、 环境、 管理等。 马毅等 从人员、 设备、 环境 3 个方面构
[18 ] 建了铁路调车作业安全评价指标体系 。 徐颖等 从人、 设 备、 技术的角度探究了影响高速铁路行车安全的因素 。 但是
相关铁路安全数据的缺失给铁路安全评价带来了困难 。而一 些主观评价方法, 如 AHP、 专家打分法虽然可以通过打分的 方法来实现对铁路安全的评价, 但是评价结果往往带有一定 的主观性。因此, 需要找到一些客观的评价指标来对铁路安 全进行定量评价。 铁路安全的最直接的外在表现就是事故 率、 伤亡率和事故损失 3 个方面。 这 3 个因素都可以查到具 体的数据指标, 并且也是人、 设备、 环境、 管理综合作用的结 果, 能够从侧面体现人、 设备、 环境、 管理因素在铁路安全管理 中的合理衔接。 综合以上分析, 本文从基于预测和基于结果两方面建立 了铁路安全评价指标体系 。 参考《十年全路工务行车重大、
[8 ]
指出, 旅客联合运输安全问题的关键因素包括信息不共
享、 安全管理缺乏统一规范 、 交通枢纽软硬件设施有缺陷 3 个 [9 ] 。 方面 李永华等 针对铁路货车故障模式的影响因素具有 复杂性和模糊不确定性的特点, 提出了基于模糊数学与层次 分析法的综合评判方法, 实现了在故障数据信息不全的情况 [10 ] 下对货车各种故障模式危害性的定量分析 。 薛艳冰等 从 社会经济、 运输能力及经济效益、 能源消耗、 安全可靠性、 环境 保护等方面建立了铁路可持续发展的客观评价指标体系, 采 用层次分析法与模糊识别理论相结合的多级模糊综合评价方 法对我 国 铁 路 的 可 持 续 发 展 性 进 行 了 定 量 评 价 。 朱 文 艳 等 驾乘人员管理、 车辆管理和 建立了包含内部综合管理 、 事故统计处理四大块 36 个指标的安全评价指标体系, 并采用 无需一致性检验的 G1 法计算各指标的权重。周映雪等 以 城市道路为研究对象, 利用数据包络分析( DEA ) 建立了城市 道路交通安全评价模型, 对城市道路交通安全状况进行了评 [13 ] 价。戢晓峰等 从人员规范、 领导行为、 组织管理、 设备、 环 境、 安全文化和反馈体系等方面, 分析了高速铁路的安全特征 与人因安全的内涵, 提出了高速铁路人因安全保障体系的构 [14 ] 建方法。贡力等 构建了铁路运营隧道安全评价指标体系, 采用专家评议法确定了安全评价指标的权重, 提出了定性和 定量结合的运营隧道安全性评价模型与方法, 运用模糊数学 [15 ] 。 Tey 方法对铁路隧道施工安全进行了评价 等 利用基于现 场录像数据的微观交通仿真, 通过比较传统的铁路道口预警系 [16 ] 统的安全表现的变化进行了安全评估。Jafarian 等 利用模 糊环境下的故障树分析法对铁路安全风险进行了综合评价。 本文在前人研究的基础上, 选取相应的铁路安全评价指标, 运 用熵权法和灰色关联分析理论对我国铁路安全进行评价。
车安全影响因素系统分析的基础上, 将事故指标与隐患指标 [4 ] 相结合, 建立了行车安全评价指标体系 。 张丽萍等 应用层
[5 ] 次分析法对铁路机务段进行了综合安全评价 。 王寄存 、 王 [6 ] 春雷 等从人员、 设备、 环境、 管理 4 个方面分析了影响铁路
运输安全的因素, 构建了铁路运输安全评价指标体系 。 贾明 * 收稿日期: 20131010
0


铁路运输是解决我国大量旅客快速输送问题的有效途 径, 铁路运输安全对于人民群众的生命财产具有最广泛 、 最直 接的影响。一旦铁路发生事故, 其后果可能是灾难性的 。 因 此, 构建我国铁路安全评价指标体系, 运用合理的方法和理论 对目前我国铁路安全状况做出科学合理的评价, 对保障我国 铁路运营安全具有非常重大的意义 。 近年来, 人们对铁路安全问题的关注程度越来越大 。20 世纪 60 年代以来, 国外在安全评价方面做了大量的工作, 提 出了许多实用的安全评价方法 。 Silla 等 建立了事故模型, 对 1959 —2008 年 芬 兰 铁 路 安 全 水 平 进 行 了 分 析 与 评 价 。 Muttram[2] 对安全评价方法的选取和安全评价的基本流程进
基于熵权法与灰色关联分析的 * 铁路安全综合评价
冯运卿, 李雪梅, 李学伟
( 北京交通大学经济管理学院, 北京 100044 )
摘 分别从预 要: 在分析影响我国铁路运行安全相关因素的基础上,
础上, 从人、 车、 道口几何特性、 安全防护装置、 管理及环境等 因素出发, 系统分析了铁路道口安 全 及 其 影 响 因 素 。 锁 嘉 等
n
…, m) 。 K = 1 / lnn( K > 0 , 0 ≤ P ij ≤ 1 ) ; 并假定 P ij = 0 其中, P ij lnP ij = 0 。 时, 4 ) 计算第 j 项指标的差异系数: α j = 1 - H j 。 5 ) 计算第 j 项指标的权重: w j = αj
m
Pi ( i = 1, 2, …, n) , 并且满足 0 ≤ P i ≤ 1 , 则该系 ∑Pi = 1 ,
表1 Table 1 基于预测的铁路安全评价指标体系
取 1989 —1998 年全国铁路工务行车重大事故数据( 表 3 ) 进 行分析与计算。
表2 Table 2 基于结果的铁路安全评价指标体系
Railway safety evaluation index system based on the result 指标名称 百万机车行走事故率( A1 ) 铁路行车重大事故件数( 件 / a) ( A2 ) 铁路行车大事故件数( 件 / a) ( A3 ) 铁路行车险性事故件数( 件 / a) ( A4 ) 铁路行车一般事故件数( 件 / a) ( A5 ) 铁路行车路外重伤人数( 人 / a) ( D1 )
i =1 n

∑αj
j =1
统的熵为 H = -
∑P lnP
i i =1
i

2. 3
基于预测的铁路安全评价指标权重计算 在建立的基于预测的铁路安全评价指标体系基础上, 选
熵是对系统无序程度的一种度量, 信息熵则是对系统有 序程度的一种度量。某个评价指标的信息熵越小, 表明指标 值的变异程度越大, 提供的信息量越大, 在综合评价中所起的 作用也越大, 即指标的权重也越大。因此, 可以根据各指标的 变异程度, 利用信息熵计算各指标的权重 。 2. 2 熵权法计算步骤 n 个评价对象的区域系统内, 在有 m 个评价指标、 评价
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