基于N-K,模型的地铁运营安全风险因素耦合分析
时间：2023-02-24 21:55:04 来源：千叶帆 本文已影响人
俞名扬，朱 琳，刘志钢
（上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海 201620）
截止2021 年6 月底，上海地铁运营里程达到772 公里，运营线路20 条（含磁浮），形成了超大规模的世界级地铁运营网络。在网络化运营的过程中，地铁内部各系统之间分工更加明确，协作更加紧密，信息更加流畅，极大提升了运营效率和服务质量，但是在网络化运营环境下，运营事故（事件） 发生的可能性也极大提高。在日常运营过程中，人员技能不熟、设备故障或缺陷、极端环境、管理存在漏洞等风险因素一直制约着网络化运营安全，不论是生产过程暴露出单个风险因素，还是多个风险因素出现耦合状况，并超过了系统能够承受的安全阈值范围就会导致运营事故（事件） 的发生。
目前，学者们的研究主要集中在风险耦合机理研究、风险耦合方法探索以及基于风险耦合模型进行系统风险评估等。黄文成等[1]利用N-K 模型从人、机、物、环、管五个子系统对铁路危险品运输系统耦合风险的形成机理展开研究；
王焕新、刘正江[2]为定量分析海上交通安全风险因素间的影响关系，运用N-K 模型构建了海上交通安全风险耦合度量模型，分析了人、船、环境、管理等风险因素间的耦合关系；
高僮等[3]针对列控系统的复杂交互行为导致的风险耦合问题，提出一种基于STPA 与时间自动机的列控运营场景风险耦合路径自动搜索方法；
涂圣文等[4]采用云化物元耦合模型对岩质高边坡工程爆破施工安全风险进行评估；
岳仁田等[5]基于航空运输系统脆弱性影响因素，构建了可量化的N-K 模型；
于秀珍等[6]为降低高速铁路行车安全风险，建立行车调度系统风险指标体系，估算指标值，确定指标权重，构建风险耦合模型。
既有学者的研究主要集中在建筑施工、物流仓储、铁路运输、海上交通、航空运输等领域，对地铁运营安全风险耦合的研究较少，根据国内地铁运营实际情况进行的相关研究更少。基于上海地铁实际运营过程中发生的风险事件，利用风险耦合理论对地铁运营安全风险耦合机理进行分析，构建N-K 模型定量反映不同耦合方式的耦合值，并提出减少风险耦合概率的应对措施，为上海地铁网络化运营安全提供保障。
1.1 地铁运营安全风险因素。系统论事故致因模型的“人—机—环—管”理论认为产生事故的风险因素来自人、机、环、管四个方面。城市轨道交通日常生产组织是在运营、车辆、工务、供电、通号等多专业、多工种紧密配合、共同协作下完成的，整个生产组织架构庞大且复杂。在对影响地铁运营安全的风险因素进行分析时，从系统论的角度出发，对影响地铁运营安全的人员因素、设备因素、环境因素、管理因素进行分析。
（1） 人员因素。在地铁生产组织的每个过程中都有人员的参与，人员因素是最活跃的风险因素[7]，同时人本身具有不确定性，就导致其产生的风险也存在很大的不确定性。由于人的原因而导致风险产生主要体现在：安全意识薄弱，生理、心理状况差，业务技能不熟等。人员的安全意识薄弱，就会导致其在工作中安全生产责任心不强，不遵守安全生产规章制度，导致风险发生；
人员的生理、心理状况差，在生产组织过程中注意力不集中、容易产生紧张情绪，则会增加风险发生可能性；
人员业务技能不熟，在突发情况下会不知所措，造成故障处置时间进一步延长，加剧运营延误带来的影响。
（2） 设备因素。地铁系统的正常运转离不开各种各样设备的支持，大到地铁车辆、信号控制系统，小到闸机、扶梯等。设备因素带来风险首先就体现在设备的设计缺陷，这类风险一般短时间内无法显现出来，但是一旦出现势必会造成一定程度的影响；
然后是设备的突发故障，在上海地铁高强度的客流量下，设备每天承担的工作负荷较大，长时间的运转极易造成设备突发故障，这类风险是影响上海地铁运营安全的最主要原因；
最后，设备的日常维护工作决定着设备运行的稳定性，设备设施的日常维护不到位会形成严重的风险隐患，直接影响到运营安全。
（3） 环境因素。一般情况下，环境因素不会主导运营事故的发生，只有和其它因素共同作用下才会造成事故，由于其叠加了其它因素的影响，事故产生的后果都较为严重。环境因素分为自然环境和社会环境，自然环境是指暴雨、台风、雷电、暴雪、霜冻等恶劣天气，虽然恶劣天气可以预测，但是对地铁运营产生的影响很大程度上不可改变；
社会环境是指大型活动带来的突发大客流、客流集聚等情况，大客流风险是每个城市地铁运营企业都高度重视的风险之一。
（4） 管理因素。企业的安全高效运转离不开科学的生产管理体系，管理因素很大程度上能够抑制其它风险因素对事故的影响，但是管理体系一旦存在漏洞，必然会导致事故的发生。管理因素对事故的影响主要体现在安全管理规定的制定情况，安全管理规定的执行力度，安全管理规定的科学性等方面。只有完善的规章制度体系，人员操作和设备状态的安全性才能体现出来，才能规范操作人员的行为、管控设施设备的状态；
但是，规章制度只停留在制定阶段，没有严格的执行力度，对违反安全生产管理规定的行为没有惩罚措施，会加大风险发生的可能性；
同时，安全管理规定应该随着技术的更新迭代而不断更替，和实际生产不相符的规定也要进行更改，这样才能有效遏制风险的发生。
1.2 地铁运营安全风险耦合机理。耦合来源于物理学中的概念，是指两个（或两个以上） 系统或者运动形式通过各种相互作用而彼此影响的现象[8]。风险耦合是指不同种类的风险因子在复杂系统中存在的相互作用及相互影响的关系[9]。任何一个系统都存在影响系统稳态的风险因素，但是一般而言单个因素对系统的作用是有限的，只有两种或两种以上的风险因素相互作用，因素之间产生了一定的依赖性，导致系统风险值升高，当突破系统所能承载的安全阈值就会导致风险的发生。风险因素之间的依赖性越强，因素间的耦合程度就越高，造成事故发生的可能性就越大。
地铁运营安全风险耦合就是影响地铁运营安全的各种风险因素之间相互作用的结果，这种相互作用关系的表现之一就是正向促进作用[10]。在地铁运营过程中，人的不安全行为、设备的不安全状态、环境的不安全条件以及管理缺陷[11]都会导致风险的发生，当某一类风险因素出现，并且在可能导致发生的事故致因链上传播，此时若和其它类型的风险因素耦合，就会形成耦合风险，大大提升系统的不稳定性。随着耦合风险的发展，当超出了系统的风险阈值就会使系统瞬间失去稳定状态，导致事故的发生。
Kauffman 在1993 年进行进化生物学方面发展理论研究时，研究了复杂系统的相互依赖作用，并因此提出了N-K 模型[12]。N-K 模型主要有两个重要参数，其中N 代表组成系统的要素数量，若每个要素有n 种状态，则整个系统中存在nN种组合方式；
K 代表系统要素之间具有相互依赖关系的个数，取值范围为[0,N-]1 。在模型中，用0～1 变量定义系统影响因素的状态，0 代表影响因素存在缺陷，但对于风险的产生不起决定性作用；
1 代表影响因素存在重大缺陷，直接导致风险的产生。为了定量表示不同耦合方式的风险耦合值（又称为T 值），利用交互公式进行计算，如公式（1） 所示：
2.1 单因素耦合风险。地铁运营过程中受到四种不同类型风险因素的影响，其中同类型的风险因素又表现为不同的方面，单因素耦合风险就是同类型但不同方面风险因素相互作用的结果。以人员因素为例，人的不安全行为可细分为安全意识薄弱，生理、心理状况差，业务技能不熟等多个方面，新入职的员工在本身业务技能不熟练的情况下，应对突发事件的心理素质不高，容易产生紧张情绪，从而引发应急处置不及时或操作不当导致事故升级等问题，形成人员因素的耦合风险。除人员—人员耦合风险外，设备—设备耦合风险、环境—环境耦合风险、管理—管理耦合风险都属于单因素耦合风险，T 值可以分别表示为T1(a )、T1(b )、T1(c )、T1(d )。
2.2 双因素耦合风险。双因素耦合风险是指地铁在运营过程中，两种不同类型的风险因素之间相互影响、相互作用，引发风险事件。以人员—设备因素耦合为例，在信号设备出现故障的情况下，司机在作业过程中如果疏于瞭望，将会导致列车挤岔、冲突、颠覆等风险事件的发生。双因素耦合包括人员—设备耦合、人员—环境耦合、人员—管理耦合、设备—环境耦合、设备—管理耦合、环境—管理耦合等六种耦合方式，从而形成六种耦合风险，双因素耦合风险的T 值可分别表示为T2(a,b )、T2(a,c )、T2(a,d )、T2(b,c )、T2(b,d )、T2(c,d )。以T2(a,b )为例，T 值计算如公式（2） 所示：
3.1 数据来源。通过统计上海地铁2013—2020 年间发生的造成运营延误时间较长、社会影响较大的运营事故（事件），共得到186 起事件。将统计到的案例按照时间、地点、事件原因、事件直接责任和间接责任单位（运营、车辆、工务、供电、通号）、事件原因分类（人员、设备、环境、管理） 等展开分析，根据分析得到的事件影响因素个数，将事件分为单因素事件、双因素事件和多因素事件三类，最终得到事件的主要影响因素、发生数量及发生频率统计表（结果如表1 所示）。
表1 上海地铁运营事故（事件） 统计分析表
单因素事件中，0000 代表人员、设备、环境、管理因素的缺陷均不能决定风险事件的发生，此类事件历史从未发生过；
双因素事件中，1100 代表人员和设备因素存在重大缺陷，且两种因素发生耦合效应并造成风险事件的发生，该类事件历史发生30 件，事件发生频率为0.1613；
多因素事件中，1110 代表人员、设备、环境三种存在重大缺陷的风险因素发生耦合作用，共同造成了风险事件的发生。
3.2 风险耦合值计算。根据交互公式可以发现，在计算风险的耦合值之前，必须先计算耦合风险的发生概率。
（1） 单因素耦合概率。单因素耦合概率就是在假设某种类型风险因素状态确定的条件下，根据事故统计分析数据计算风险发生的概率。以人员风险因素处于0 状态为例，P0***=P0000+P0100+P0010+P0001+P0110+P0101+P0011+P0111，根据表1 的统计数据可得P0***=0.6505。
同理可求得P1***、P*0**、P*1**、P**0*、P**1*、P***0、P***1的概率，如表2 所示。
表2 单因素耦合风险发生概率
（2） 双因素耦合概率。双因素耦合概率就是在假设两种类型风险因素状态确定的条件下，根据事故统计分析数据计算风险发生的概率。以人员风险因素和设备风险因素都处于0 状态为例，P00**=P0000+P0010+P0001+P0011=0.0215，同理可求得其它双因素耦合形式的风险发生概率，如表3 所示。
表3 双因素耦合风险发生概率
（3） 多因素耦合概率。多因素耦合概率就是在假设三种及以上类型风险因素状态确定的条件下，根据事故统计分析数据计算风险发生的概率。以人员风险因素、设备风险因素以及环境风险因素都处于0 状态为例，P000*=P0000+P0001=0.0108，同理可求得其它多因素耦合形式的风险发生概率，如表4 所示。
表4 多因素耦合风险发生概率
（4） 计算风险耦合值。根据交互公式（1），分别计算不同耦合方式下的风险耦合值（T 值），并按照T 值大小进行排序，计算结果如表5 所示。
表5 不同耦合方式下的风险耦合值
3.3 结果分析
通过对上海地铁186 起运营事故（事件） 进行分析，得到不同耦合方式的发生概率和风险耦合值，分析数据可以发现：
（1） 随着耦合因素的增加，风险耦合值呈显著上升趋势，四因素耦合的风险值最大，三因素耦合的整体风险值高于双因素耦合的风险值；
（2） 在风险耦合值的排序表中，人员—设备—管理、人员—设备—环境、人员—设备是三种风险耦合值较高的耦合方式，由于其中都包含了人员、设备因素，所以影响上海地铁现阶段运营安全的重要因素是人员因素和设备因素。
在搜集上海地铁运营事故（事件） 的基础上，对风险事件的影响因素进行深入分析，利用N-K 模型理论构建上海地铁运营安全风险耦合模型，计算单因素、双因素及多因素耦合方式的发生概率及风险耦合值。系统的风险耦合值跟参与耦合的因素数量呈正相关，四因素耦合风险值明显高于三因素耦合风险值，而三因素耦合风险值明显高于双因素耦合风险值；
对上海地铁运营安全影响较大的几种风险耦合方式中，人员因素和设备因素都参与其中的耦合，是影响上海地铁运营安全的重要因素。
随着上海地铁的网络化运营规模逐渐扩大，推进双重预防机制建设、安全生产三年整治行动，对各个专业系统、作业岗位、作业环节展开持续风险辨识和隐患治理工作，尽可能规避多种风险因素的相互联系产生耦合效应，从而避免造成重大风险事件的发生；
在充分吸取国内外城市轨道交通行业事故教训的基础上，对作业人员开展安全警示教育和岗位培训工作，加强突发事件应急演练组织工作，切实提高作业人员的应急处置能力；
设备是保障地铁系统高效运行的重要一环，必须不断推进设备设施全生命周期管理，完善设备设施检修规程，全力推进智慧运维体系建设，架构设备设施状态实时监测平台，提升设备的稳定性、可靠性。
