基于复杂网络及模糊层次分析法的铁路 危货运输风险评估

马 欣

(陕西省交通运输发展研究中心， 陕西 西安 710000)

危险货物运输是铁路货物运输的重要组成部分。近年来，随着城镇建设发展的需要，危险货物运输量急剧增加，而同时，由于危货运输造成的突发事件频繁发生[1]。根据欧洲某研究结果显示：在近70年发生的3 222起危险货物事故中,41%是在运输过程中发生的[2]。因此，对危货运输途中的风险进行评估，并对事故诱发因素加以分析，找出事故诱因的关键因素，对铁路危货运输具有十分重要的意义。

目前，国内外对于危险货物运输风险展开了广泛研究，例如吴宗之[3]等通过对国内200起典型危险品公路运输事故进行统计，应用概率分析的方法进行研究，指出交通事故是主要原因；曹雪玲[4]等通过分析研究铁路危货运输现状，提出了信息化管理方法；殷原[5]等应用模糊评价的方法对铁路专用线危货运输安全状况进行评价。以上方法在危货运输风险评估中具有一定的代表性并取得了一定的成果，但缺少对运输过程中各环节可能致因因素的系统分析，本文基于复杂网络构建铁路危险货物运输过程中事故致因网，并对运输过程中的风险进行评估。

复杂网络理论由于其系统性及其复杂性，被广泛应用于交通领域的研究，例如轨道交通网络[6]、城市立体交通网络[7]、高速铁路网络[8]等。本文中根据复杂网络的基本特点，结合铁路危险货物运输过程，对运输途中各环节的影响因素进行分析，构建铁路危险货物运输复杂网络模型，并对该模型中各致因因素进行分析，从而找出关键致因因素，在实际中通过加强对关键因素的控制，从而降低事故发生的概率。同时，本文中结合模糊层次分析法，将各致因因素进行分类，构建评价模型，对三大评价指标体系进行评价。

1 模型构建

1.1 基于复杂网络理论构建铁路危险货物运输复杂网络

应用复杂网络理论构建复杂网络模型过程中，关键的一步即对点及线进行合理的定义。吴建军等[9]在研究城市交通系统复杂性时用节点表示交通状态，用边表示交通状态的演化关系，交通状态表现为车辆的位置信息，从而构建复杂网络，进行更深入的分析。马欣等[10]在研究7.23甬温铁路事故时，将点定义为该事故的各诱导因素，将线定义为各因素之间的相关影响，构建复杂网络。基于此，本文中在研究危险货物运输时用节点表示在危险货物运输过程中造成威胁的因素，用边表示各因素之间的相关关系，构建复杂网络模型，具体步骤如下：

STEP1：分析铁路危险货物运输过程中的各主要影响因素。

STEP2：结合事故案例及文献学习等，找出各因素之间的相关关系，构建邻接矩阵。

STEP3:根据邻接矩阵，构建复杂网络模型，并对该模型进行相应的分析。

铁路运输的危险货物分为9类25项[11]，每类货物由于沸点、闪点、熔点、自燃温度、比重、水溶性、蒸汽比重、爆炸极限范围、蒸汽压、毒害性、允许浓度等理化性质不同，发生事故的类型和危害性也有差别[12]。本文中结合国内外研究资料，以危险货物第3类易燃液体-汽油的运输过程为例[13]，分析归纳导致影响汽油运输安全的因素共计89项，见表1。

表1 铁路汽油危货运输过程主要影响因素

续表1

分析表1中的各因素，结合实际情况、文献资料查阅[14]及小组讨论等方法，研究各因素之间的相关关系，构建各因素间邻接矩阵，并构建复杂网络，如图1所示。

图1 铁路汽油危险货物运输复杂网络

1.2 基于模糊层次分析法构建危货运输评估模型

通过文献学习，目前对于铁路危险货物运输主要从人或管理上的懈怠或贻误因素，危险货物及设备因素、环境的脆弱性和不安全状态三大方面入手进行分析和评价[15-16]。在本文的研究中，以该三大方面的影响因素作为第一层评价因素，以上文中具体89个因素作为第二层评价因素，并根据各影响因素的具体特性，将第二层评价因素归类于第一层评价因素，从而进行进一步的分析，具体如表2。

表2 铁路危险货物运输评价体系

2 模型分析

2.1 基本定义

1)节点的度。在复杂网络中,节点的度指该网络中，与某节点相连接的边的个数。通常情况下, 在N×N邻接矩阵中，节点i的度ki可采取下式进行计算

(1)

式中：N指网络中节点总数；aij指在该网络中与节点i相连接的边的个数。

2)各因素权重。在该复杂网络模型中，定义各节点度值与网络中节点总数之比表示该因素所占的权重，则每个节点所代表的因素的权重值wi可通过下式计算

wi=ki/N.

(2)

式中：N指网络中节点总数。

并根据一级评价指标将各因素的权重值进行归一化，即

(3)

式中：m指因素i所在的一级评价指标中所含的因素个数。

则第一层评价因素j的权重向量为

(4)

(j=1,2,3;m表示第一层因素j中所含的因素个数)

3)各因素评价值。文章中为了比较形象的反映出各致因因素本身对于铁路危险货物运输的影响，采用百分制等级评分，建立评价标准集V，如表3所示，则评语集记作V={v1,v2,v3,v4,v5}。

表3 铁路危险货物运输评语集

(5)

5)模糊评价。应用模糊综合评价[15]的方法进行评价，其评价结果是被评事物对各等级模糊子集的隶属度，构成一个模糊向量，而不是一个值。对于第一层因素的评价结果可根据下式进行计算

( 6)

式中：“°”为加权平均型模糊算子。

6)综合评价。对该危货运输网络进行综合性评价，主要是对第一层评价因素的模糊评价结果进行合成，这里，综合考虑第一层三个评价因素间的关系，选用加法合成的方法进行最终综合评价

O=λ1B1+λ2B2+λ3B3

(7)

2.2 提出假设

在对复杂网络进行分析时，通常对该网络的度分布、聚类系数、网络直径、平均最短距离、网络效率等统计特性进行分析，从而进一步了解网络的结构特性及动力学特性。在本文中，为了对基于复杂网络的铁路危险货物运输评估体系进行分析，应用复杂网络统计特性及动力学特性，特做出以下假设：

假设1：复杂网络中节点的度值反映了该节点所代表因素与其他因素之间的影响程度

假设2：节点的权重值体现了该节点所代表因素对事故的影响程度由上文可知，本文在构建铁路危险货物运输致因网络时，用边表示各因素之间的相关关系，因此在该网络中，节点的度完全可以反映该节点对事故的影响及重要程度，假设1成立。又由于节点度值反映了该节点与其他节点的相关关系，因此该因素与其他因素间影响越密切，越有可能触发其他因素处于危险状态从而诱导事故发生，因此代表该因素的节点的权重值可反映其对事故的影响程度，假设2成立。

3 模型计算

计算该复杂网络中各节点的权值结果如表4所示。

节点的权重值反映了该节点对事故的影响程度，同时可以反映出其与其他各节点的相互影响关系，节点的权重越大，该节点所代表因素与其他因素影响及对事故影响越大，则该因素的安全状态情况对其他因素的影响也就越大，对其进行有效控制则会影响更多因素的状态，进而减少事故的诱导因素，控制事故发生。经分析，在铁路汽油危险货物运输复杂网络中，位于前五位的诱导因素分别为：车辆及安全状况、车辆通行阻力、火源、部门的组织协调能力、线路线性复杂性，因此，在铁路危险货物运输过程中，对车辆的性能及安全状况进行彻底检查，保证车辆状况良好，并在运输过程中注意隔绝火源等，可以有效减少汽油铁路运输途中的事故率，保证运营安全。

表4 各危害因素权重值

根据上文定义，求出第一层评价因素中人或管理上的懈怠或贻误因素的权重向量W1得：

0.03,0.05,0.06,0.02,0.09,0.05,0.02,0.03,

0.04,0.05,0.05,0.02,0.02,0.03,0.03,0.02,

0.04,0.03,0.01,0.01,0.02,0.03,0.01,0.02,

0.01,0.01,0.01,0.01,0.03)

(8)

评价矩阵R1为：

(9)

则计算可得B1为：

B1=W1°R1=

[0 0.057 0.591 0.287 0.065]

(10)

同理，计算可得B2为：

B2=W2°R2=

[0 0.101 0.234 0.551 0.114]

(11)

计算可得B3为：

B3=W3°R3=

[0 0.201 0.435 0.351 0.013]

(12)

则：O=λ1B1+λ2B2+λ3B3=

[0 0.120 0.420 0.396 0.064]

(13)

根据铁路危险货物运输评语集的评价指标为 [危险 较危险 一般 较安全 安全 ]；据计算，各指标对应的权重值分别为[0 0.120 0.420 0.396 0.064]，由于0.420>0.396>0.120>0.064>0，所以评价因素[一般]对应的权重值最大，说明在该危

货运输过程中存在较大的安全隐患。同时，从人或管理上的懈怠或贻误因素，危险货物及设备因素、环境的脆弱性和不安全状态这三个第一层评价因素的评价结果来看，分别在一般、较安全、一般的权重值最大，说明在该危货运输过程中，加强对人为因素的管理，是减少事故发生的有效途径。同时，运输环境对事故的发生也有较大的影响，因此，可以根据运输环境及季节，制定有效的运输方案。

4 结论及展望

本文中应用复杂网络理论，构建铁路危险货物运输复杂网络模型，对影响运输过程的各因素进行分析，从而可以得出各因素的影响权重值，找出对事故影响最大的因素，并对所有因素的重要程度可进行排序，这在运输过程为减少事故的人力、财力部署具有重大的意义。同时，将复杂网络与模糊层次分析法结合起来，通过选取合适的第一层评价因素，对所有影响因素进行整合，并采用模糊综合评价的方法，对该运输网络进行评价，可以帮助我们对危险货物运输的整体性风险有一定的认识。

通过本文研究，使得我们在宏观及微观上均对危险货物运输有一定的认识，可以使我们对运输过程进行有针对性的控制。但是，由于资料文件来源及个人认识的局限性，对于铁路危险货物运输过程中影响因素归纳还不全面，本文中仅主要围绕汽油类危货运输展开，在后续的研究中可扩展研究面，对所有危货运输进行更全面的学习，从而为运输过程提供更加有效的指导。