基于层次分析法的工务安全评价研究

张万鹏，史天运

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所， 北京 100081）

基于层次分析法的工务安全评价研究

张万鹏，史天运

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所， 北京 100081）

铁路工务系统安全评价对于保障工务系统设备安全有着重要意义。在工务安全中，影响因素错综复杂。本文提出采用层次分析法，建立了铁路工务安全评价模型，对工务安全进行综合评价，可以及时发现各工务段安全隐患，预先采取措施，以确保行车安全。

铁路运输；层次分析法；工务安全；综合评价

铁路工务安全生产的基本任务是保持线路设备完整和质量均衡，使列车以规定速度安全、平稳和不间断地运行，并尽量延长设备的使用寿命。伴随着铁路货运重载、客运提速的不断发展，对铁路工务系统的安全提出更高的要求，保障安全就必须从预防事故这一根本目的出发，预先对工务的安全性进行科学预测和评估。现有的工务系统安全评价主要是扣分制，仅考虑检查发现的严重问题而忽略了较严重问题、一般问题、其他问题；同时，对于严重问题也仅仅只是考虑发生数量，没有考虑问题的性质。利用层次分析法将严重问题、较严重问题、一般问题以及问题的性质都考虑在内，对工务系统安全进行综合评价。

1 层次分析法的原理及特点

层次分析法（AHP，Analytical Hierarchy Process）是美国运筹学家T.L.Saaty于20世纪70年代中期提出的，是一种将难于定量化的复杂问题，逐层分解为一系列可定量化的简单问题，从而进行较简单求解的数学方法。其特点就是可对非定量事件进行定量分析，将评价系统中各专家人员的经验判断定量化，分析中所需要的定量数据不多，但要求对问题所包含的因素及其相互关系具体而明确，适用于多准则、多目标的复杂问题的决策分析与评价。

运用层次分析法的步骤有：建立递阶层次结构模型、构造出层次中的所有判断矩阵、计算权向量和一致性检验。

1.1 建立递阶层次结构模型

应用AHP分析决策问题时，首先要把问题条理化、层次化，构造出一个有层次的构造模型。这些层次可以分为3类：最高层（目的层），中间层（准则层），最底层（方案层）。递阶层次构造中的层次数与问题的复杂程度及需要分析的详尽程度有关，一般层次数不受限制。每一层次中各元素所支配的元素一般不要超过9个。

1.2 构造层次中所有判断矩阵

准则层中的各准则在目标衡量中所占的比重并不一定相同，在决策者的心目中，它们各占有一定比例。引用数字1 ～ 9及其倒数作为标度来定义判断矩阵B=(bij)nn，见表1。

表1 判断矩阵标度定义

式中： Bi为当前层评价目标因素，bij为Bi相对于Bj的重要度。

1.3 计算权向量

计算每一个判断矩阵各因素针对其准则的相对权重，运用特征根法计算该权重系数，并将其归一化为同一层次中相应指标对上一层某个指标的权重向量。

计算判断矩阵B每一行元素的几何平均值：

式中： Wi为所求指标的权重系数值，最后的权重向量为W = (W1, W2, …,Wn)T。

1.4 一致性检验

为避免其它因素对判断矩阵的干扰，在实际中要求判断矩阵满足大体上的一致性，需进行一致性检验。只有通过检验，才能说明判断矩阵在逻辑上是合理的，才能继续对结果进行分析。

求判断矩阵的最大特征根λmax：

式中：n为矩阵阶数，Wi为所求指标的权重系数值。

计算一致性评价指标，将CI作为度量判断矩阵偏离一致性的指标：

为了得到不同阶数的矩阵均适用的一致性的临界值，还需引入平均随机一致性指标RI，可查表确定，见表2。

表2 随机一致性指标RI值

对判断矩阵进行一致性检验，计算：

式中：CR（consistency ratio）为一致性比例。当CR ＜ 0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵作适当修正。

工务安全影响因素错综复杂，因此，研究和解决工务安全问题应从系统观点出发。在此，笔者试图从系统工程的观点，应用层次分析法对其进行安全评价。

2 应用层次分析法对工务段安全评价

2.1 建立安全评价层次模型

工务安全主要是线路的安全；管理制度和职工养护又是线路安全的基础；而职工养护不到位既是职工责任意识不强、作业水平不高，也是管理者的管理缺陷。所以在目标层“工务安全综合评价”下，共有管理因素、设备因素、职工因素3个主要因素。

管理因素主要包括对工务段的基础管理、职工管理作业指挥。其中管理者在作业指挥中的作风、指挥方法将直接影响职工作业流程和作业效果，所以作业指挥是管理因素中的主要方面。

专家对同一层次指标进行比较，给出它们相对重要性的判断值，全部指标经过两两判定之后，就可以形成一个比较判断矩阵：

设备因素主要包括线桥设备状态、涵隧设备状态、道口管理及延线管理、养护机械及生产机具状态。

职工因素包括职工违章违纪、作业安全防护、职工培训。职工违章违纪影响作业的质量进而影响线路的安全，作业安全防护直接关乎职工的安全，所以它们是职工因素中的重要方面。根据以上信息，建立安全评价层次模型，如图1所示。

图1 工务安全评价层次模型

2.2 构建判断矩阵并计算各指标的权重系数

根据上述分析，构建第2层各因素对第1层因素的成对比较矩阵A：

求得：WA=（0.5396, 0.2970, 0.1634）T， λmax= 3.0020，CI=0.0010，RI=0.58，CR=0.0017，判断短矩阵的一致性可以接受。

同理，构建第3层各因素对第2层因素的成对比较矩阵B1，B2，B3：

求得：WB1= (0.2599, 0.3275, 0.4126)T, λmax= 3.0019，CI=0.0009，RI=0.58，CR=0.0016，判断短矩阵的一致性可以接受。

求得：WB2= (0.3937, 0.3937, 0.1374, 0.0752)T，λmax=4.0027，CI=0.000 9，RI=0.9，CR=0.0010，判断短矩阵的一致性可以接受。

求得：WB3= (0.4286, 0.4286, 0.1428)T, λmax= 3.0006，CI=0.0003，RI=0.58，CR=0.0005，判断短矩阵的一致性可以接受。

由此得出计算工务段安全评分的公式：

将WA,WB1,WB2,WB3带入式（1）中，计算出评分Y：

评价体系第3层分数由工务安全检查信息和设备监测信息计算而来。

本次研究收集了某铁路局7个工务段（分别记为a, b, c, d, e, f, g）2014年2月的安全检查信息和设备监测信息。收集来的信息已经根据铁路局的要求，按照问题的严重程度从高到低分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个等级，再依据本文建立的层次分析模型将这些信息按照问题的类别分为C1～C10共10类（见图1）。每类问题Ci都有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级，且分级标准一样，可以采用相同的权重模型计算Ci的评分。

依据专家打分，构建4个等级问题的权重判断矩阵，见表3。

求得：WC=（0.6545, 0.2045, 0.0955, 0.0456）T，λmax= 4.0129，CI=0.0043，RI=0.9，CR=0.0048，判断短矩阵的一致性可以接受。

表3 问题等级成对比例判断矩阵

2.3 计算评价

将Ci的I、II、III、IV4个等级问题的数量记为x1、x2、x3、x4，得到Ci的评分计算公式：

利用式（3）计算Ci的评分，如a工务段的C1（基础管理）有Ⅰ等级问题0件、Ⅱ等级问题1件、Ⅲ等级问题2件、Ⅳ等级问题55件。则a工务段的C1指标评分为：

C1=0.6544×0+0.2045×1+0.0955×2+0.0456× 55=2.9035

同理计算各工务段的Ci评分，整理得到该铁路局各工务段2014年2月的安全检查结果，见表4。

表4 各工务段2014年2月安全检查结果

将表4数据带入式（2），可以得出该铁路局各工务段综合排名，见表5，评价指标为非优指标，评分越高所反映的问题越严重。

表5 工务段层次分析法安全评价结果

2.4 评价效果

表6为以上7个工务段不同级别的安全问题（I、II、III、IV）发生的数量统计（不区分问题类别）。层级分析法与常用的扣分法（单考虑A类问题的发生数量）相比较，不仅综合考虑了I、II、III、 IV4个问题级别，并且将问题的性质赋予相应的权重进行综合评价，尤其是在I类问题发生数量接近时，采用层次分析法可以全面考虑各类问题，使评价结果更可信。

表6 工务段各类安全问题发生数量统计

3 结束语

工务系统的安全对于铁路行车安全有着极为重要的意义。本文提出的工务系统安全评价模型利用层次分析法对工务安全进行综合评价，评价

结果较扣分制方法更为真实可靠，可以为工务部门分析各个工务段安全状况提供参考依据，对工务系统安全管理工作具有一定的参考意义。

[1] 韦 林.工务安全事故发生规律的探讨[J]. 铁路建筑，2000（8）.

[2] 莫善军，刘 雯，梁 栋，徐 洁，江 捷.铁路工评价研究[J]. 铁道学报，2009（4）.

[4] 寻新宇.铁路局工务安全生产管理辅助决策系统研究[D]. 北京：北京交通大学，2006.

[5] 宋祥波，肖贵平，贾明涛.基于层次分析法的机车行车 安全评价研究[J]. 中国安全生产科学技术，2006（6）.

[6] 郭 伏，郝金权，刘春海.铁路行车人因事故分析与对策[J]. 东北大学学报，2008（12）.

[7] 郭金玉，张忠彬，孙庆云.层次分析法的研究与应用[J].中国安全科学学报，2008（5）.

[8] 邓 雪，李家铭，曾浩健，陈俊羊，赵俊峰.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J]. 数学的实践与认识，2012（7）.

责任编辑 方 圆

Safety assessment for maintenance of way based on Analytical Hierarchy Process

ZHANG Wanpeng, SHI Tianyun
( Institute of Computing Technologies, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

To railway safety and efficiency, the track maintenance quality played an extremely important role. In the safety of maintenance of way, there were a lot of complex influencing factors. Aimed to this characteristic, Analytical Hierarchy Process (AHP) was applied to set safety evaluation model for maintenance of way and take comprehensive evaluation. The model could be used to discover the hidden danger, take in advance measure, and ensure the driving safety.

railway transportation; Analytical Hierarchy Process(AHP); safety of maintenance of way; comprehensive evaluation

U2∶TP39

A

1005-8451（2014）11-0001-04

2014-05-28

张万鹏，研究实习员；史天运，研究员。