基于灰色预测模型的轨道交通系统安全经济效益定量评价*
2021-09-15罗通元冯竞毅
罗通元 冯竞毅
(1.西安石油大学电子工程学院 西安 710065； 2.青岛北海船舶重工有限责任公司修船分厂安全环境部 山东青岛 266520)
0 引言
在城市轨道交通系统建设过程中，预防为主的综合治理体系需要安全投入作为保障，体现在安全管理和安全技术等多个层面。安全投入作为基础要素，是实现安全生产必不可少的条件之一。在研究安全经济效益时，主要运用综合方法如数值模拟、结构模型、经济学理论和评价指标法等，目前仍处于定性到定量的过渡阶段[1]。定性研究出现很早，但受主观影响较大，评价结果难以实现准确量化，对调整和适应安全投入具有负面影响；定量评价法层出不穷，但多建立在定性的基础上，人为因素对结果的干扰难以完全消除。
灰色预测模型是根据灰色理论建立的定量预测法，能克服主观因素带来的不确定性，其优点是可以运用少量数据对未来进行预测，在数据不充分的情况下尽可能实现最优的预测过程。其基础理论是混沌理论和灰色理论，在模糊数学的基础上构建定量过程中描述系统之间各种因素随时间的变化规律，在确定要素的关系后根据权重关系计算经济效益的定性程度。整个过程是定量计算后得出的效益等级评价，这种方法既是对现有经济效益评价方法的补充完善，又是针对轨道交通系统的具体实践。
1 安全投入与轨道交通的关系
对生产单位进行安全投入，可以保障各项生产活动在安全的条件下，快速、有序、高质量地完成，同时给企业带来更大的经济效益。城市轨道交通系统是由人、机器、环境、管理组成的具体系统，实现其安全的重要途径需要从人子系统、物质子系统和管理子系统着手。
(1)人的安全经济效益可从安全意识经济效益、安全心理经济效益和安全行为经济效益等3个维度考察，安全意识经济效益由安全教育、安全氛围和安全文化组成；安全心理经济效益包括安全个性特征经济效益、安全个体倾向经济效益和安全自我意识经济效益等3个层次；安全行为经济效益分为个体安全行为经济效益和群体安全行为经济效益。
(2)物质子系统是组成轨道系统的基础和实现系统功能的核心，从实体本身和监测两方面产生安全效益，物质子系统自身的设计、制造、调试、使用、维护、改造和报废等环节均表现出不同的安全效益特质。实现物质子系统的安全，本质上要从设计阶段就考虑物质的本质安全水平。监测指的是对物质状态进行实时管理、设置阈值，达到预警预测的目的。这些都需要在规划和设计阶段考虑安全投入，以满足物质子系统的经济需要。
(3)管理子系统是作用于人子系统的一系列计划、组织、领导和控制的活动系统，实现人和物的协调统一，达到安全状态。管理的对象是人和物，那么就要利用管理原理制定管理方法，具体形式载体有各种规章制度、操作规程、应急预案和奖惩教育等。
1.1 安全投入优化原则
安全投入的量对于每个企业而言都是不同的，过少或过多都不能为企业带来最合理的安全效益[2]。安全功能与效益函数如图1所示。
图1 安全功能与效益函数
根据函数可将安全性的取值划分为3个范围：①当S
1.2 安全投入与轨道交通效益的关系
从人、机器、环境等3个方面进行考虑，轨道交通系统的安全隐患主要存在于人员管理、安全文化建设、设备设施、外部环境设施等。避免物的不安全状态与人员安全巡检、安全管理是相辅相成的，加强安全管理的同时也避免了设备设施的故障。因此，应加大对设备设施的安全投入，定期更换受损零件，避免安全隐患引发事故，保障轨道交通系统正常运行并产生安全效益[3-5]。
安全投入是轨道交通系统产生安全效益的必要条件，在人员安全管理方面，加快安全文化建设，避免人的不安全行为，从而减少安全事故发生，增加轨道交通运营的直接经济效益，提高企业荣誉、吸引力、带动周边城市发展等间接经济效益。
1.3 安全投入与轨道交通发展的关系
轨道交通系统的发展受众多因素影响，如政府的支持与投资、轨道交通运营净利润、周边商圈发展、宣传力度、企业投资等，而这些因素都与安全投入所产生的安全效益有着密不可分的关系。轨道交通企业进行安全投入，提高了系统安全度，减少事故发生，为企业带来了荣誉，提高了经济利润，自然也会吸引政府或其他企业的投资。轨道交通的继续发展建设增强了交通运输能力，带动了周边商圈发展，增加了城市宣传度，由此可见，安全投入产生安全效益的连锁反应非常巨大，有力促进了轨道交通系统的发展。安全投入与轨道交通系统发展速度的关系如图2所示。
图2 安全投入与轨道交通发展速度函数
可以看出，当企业进行安全投入后即产生安全效益，安全事故减少或基本消除，轨道交通系统开始发展，发展速度较为缓慢；安全投入逐渐增加时产生更大的安全效益，轨道交通系统的发展速度加快；当安全投入达到最优点时产生最大的安全效益，此时轨道交通系统的安全可靠度最高，发展速度最快；当达到安全投入最优点后继续增加安全投入，即过度投入，造成安全资金浪费，安全效益相对降低，轨道交通系统的发展速度也相对降低，并呈下降趋势。
1.4 安全投入分类标准改进
根据我国安全投入分类标准，结合轨道交通系统实际情况，将轨道交通系统安全投入主要分为设备设施、日常管理、环境、文化教育等4类。
(1)设备设施安全投入。运行前加强对车辆和轨道的检修，对信息调控系统的功能进行检查，检查配电系统是否正常运转、站台门和电梯是否存在损坏。
(2)日常管理安全投入。加大安全管理力度，从严规范员工安全技术，例如设备检查维护时应遵循安全标准和操作流程；加强安保力度，制定事故应急预案，确保人员生命财产安全，将事故损失降到最低。
(3)环境安全投入。对周边环境存在的危险源进行排查治理，避免影响轨道交通正常运行和人员生命安全；对风、雨、雷、电、大雾等极端天气可能造成的自然灾害制定应急预案；对站台等设施的照明、温度因素进行安全投入，保障人员流动时的安全。
(4)安全文化教育投入。对员工进行安全文化教育，召开安全文化讲座，制作安全文化宣传栏，举办安全文化知识竞赛，在人流量大的场所合理设置安全指示牌，员工需经过安全培训后上岗，以此强化员工的安全意识。
2 灰色预测模型
预测模型种类多样，有的依据精确的数据获取数值模拟结果，有的在样本层面拓展结构模型，根据系统情况的掌握程度分为白色系统、灰色系统和黑色系统。白色系统是数据完全已知，参数状态可以观察得出；黑色系统是数据完全未知，根据信息流出和流入关系预测结构功能；灰色系统介于两者之间，具有部分已知数据，可据此研究出针对性的灰色预测模型，对系统的发展变化进行全面分析观察并作出长期预测[6]。灰色预测模型主要用于实现多因素控制下的目标状态预测，在预测机制下根据有限数据(灰色系统)即可实现预测。
2.1 灰色关联度分析
灰色关联度是灰色因素之间的作用程度，整体来看系统处于一定的时空范畴中。灰色关联分析是研究系统内变量或因子之间的关联关系，是在定量过程中描述系统之间或系统中各种因素随时间的相对变化，用它们之间的接近程度即关联度来衡量相关性[7]。关联度分析主要计算方法及步骤[6，8]如下：①原始数据预处理；②确定母序列与子序列，母序列由各个指标最优值组成；③计算每个点上参考序列与各子序列差的绝对值；④求两级最大差与两级最小差；⑤求在各点上参考序列与各子序列的关联系数；⑥求关联度，即计算关联系数的平均值；⑦进行关联度排序。
关联度排序在一定程度上体现了某一类安全投入对轨道交通运营利润的影响，但具体哪一类安全投入对轨道交通运营利润的促进作用更加明显，需要计算某一类安全投入对轨道交通运营利润的影响力I：
I=γ·a
(1)
式中，γ为关联度，a为权重。
要想对一个城市的安全投入水平进行综合评价，需要对各方面因素进行综合分析得出客观的效益评价，其计算式为
(2)
2.2 权重计算
本文采用变异系数法进行权重的确定与计算，各项指标的变异系数和权重的计算式为
(3)
(4)
3 基于灰色预测模型的安全经济效益定量评价
笔者根据调研的某市轨道交通经济投入情况，运用灰色理论在有限数据的情况下预测具有灰色特征的交通系统。根据前述的灰色预测理论，结合某市轨道交通系统运行建设实际情况，建立针对其安全经济效益的评价模型，实现有限数据下的经济效益预测。由于轨道交通系统的复杂性，其组成要素表现出随机特性，当某一要素发生变化时，其他要素也相应改变，要素间的内在联系不断变化输出并反馈，使系统实现及时调整、适应变化的动态控制过程。某市轨道交通设备设施安全投入、日常管理安全投入、环境安全投入、安全文化教育投入及利润的历年数据[5]如表1所示。
表1 某市轨道交通历年安全投入与利润对比 万元
3.1 灰色关联度计算
Xt=(6 257.18，7 469.85，8 349.86，9 321.19)
通过表1数据建立以上5个初始矩阵，构建基于灰色预测模型的某轨道交通安全经济效益初始矩阵模型，通过计算安全投入与利润的关联度得出：设备设施安全投入关联度γ1=0.582 0，日常管理安全投入关联度γ2=0.852 1，环境安全投入关联度γ3=0.732 6，安全文化教育投入关联度γ4=0.256 7。
3.2 各因素灰色关联度结果分析
由各因素灰色关联度结果可得，各因素对应灰色关联度按从大到小排序依次为0.852 1、0.732 6、0.582 0、0.256 7，其对应的因素依次为日常管理安全投入、环境安全投入、设备设施安全投入、安全文化教育投入。结果表明：某市轨道交通系统在安全投入方面效果最好的是日常管理安全投入，主要侧重于日常管理安全投入和环境安全投入，最薄弱和亟需提高的环节是安全文化教育投入。
3.3 某市轨道交通安全投入预测
利用最小二乘法求解a=-0.035 78，b=9 547，并带入灰色预测模型对应微分方程求解得预测值X1=5 869.74万元。
同样的，分别对2020年某市轨道交通日常管理安全投入、环境安全投入、安全文化教育投入进行预测，得到预测值分别为6 385.98、8 394.79、480.84万元。
由预测结果可知，某市轨道交通设备设施安全投入逐年递减，日常管理安全投入和环境安全投入逐年递增，安全文化教育投入基本不变。在日常管理安全投入方面，随着轨道交通物联网的发展，日常管理的可视化、科技化趋势，直接体现了某市对轨道交通安全的重视；在环境安全投入方面，随着环境问题的凸显和治理要求的提高，环境安全投入也相应增加；在安全文化教育投入方面，近几年仍停留在维持层面，尚无明显提升，这也是某市轨道交通安全投入下一阶段的突破点。
3.4 某市轨道交通安全经济效益评价
根据上文中权重的计算方法可以得出，设备设施安全投入、日常管理安全投入、环境安全投入、安全文化教育投入的权重分别为a1=0.20、a2=0.45、a3=0.28、a4=0.07；再根据影响力I公式可以算出，设备设施安全投入、日常管理安全投入、环境安全投入、安全文化教育投入对利润的影响力分别为I1=0.113 7、I2=0.383 4、I3=0.205 1、I4=0.018 0。对以上各项影响力I进行均值化，得出某市轨道交通安全经济效益S=0.180 1。
S值与城市轨道交通安全经济效益的关系如下：①S≥0.5时，城市轨道交通安全经济效益为优秀；②0.3≤S<0.5时，城市轨道交通安全经济效益为良好；③0.1≤S<0.3时，城市轨道交通安全经济效益为一般；④S<0.1时，城市轨道交通安全经济效益为较差。可以看出，某市轨道交通安全经济效益等级为一般。
3.5 某市轨道交通安全经济效益水平分析
综合计算结果可知某市轨道交通安全经济投入和产出效益的关系，各项安全投入分布不均，部分安全投入缺少重视，某些环节还需加强投入。从影响力I值和某市轨道交通安全经济效益S值排序可知，某市轨道交通系统在安全投入方面主要侧重于日常管理安全投入和环境安全投入，影响力最好的是日常管理安全投入，最薄弱的环节为安全文化教育投入，提升S值最快的途径为加大安全文化教育方面的投入。从数据上可以做出初步判断：该市交通运输主管部门在安全文化教育方面没有增加额外的投入，即在安全投入方面尚未给予足够重视，需要加强安全文化教育投入这一短板才能改善安全经济效益的整体形势。通过与近年调查数据的对照，验证了安全经济效益评价结果的有效性，说明了基于灰色预测模型的安全经济效益评价结果与实际基本相符。
4 结论
本文依据灰色预测模型理论方法对轨道交通安全投入进行分析预测，为我国轨道交通安全评价领域补充了新方法，并预测了安全投入的未来发展趋势，对于确定安全投入具有重要意义。根据某市交通运输主管部门官方网站公开数据，构建了基于灰色预测模型的某市轨道交通安全经济效益评价模型，得出了某市轨道交通的日常管理安全投入、环境安全投入、设备设施安全投入、安全文化教育投入与利润的灰色关联度、影响力以及某市轨道交通安全经济效益，根据模型计算判定其经济效益水平等级为一般，并对其原因进行了分析，说明某市轨道交通在安全投入方面主要侧重于日常管理安全投入和环境安全投入，在安全文化教育方面的投入应继续加强。灰色预测模型能用于轨道交通系统的安全投入经济效益分析，可对经济效益评价方法体系进行补充。
