汪静，彭一川，陆键
（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）
摘要：降低高铁列车晚点率是提高其服务水平的重要内容。针对高铁列车晚点现状，从安全管理角度出发，在人、设备、环境、管理4个方面系统分析高铁列车晚点的具体影响因素。并根据列车晚点影响因素出现的频率，进一步选取了14个主要影响因素。结合风险管理理论和专家经验分析，确定高铁列车晚点主要影响因素间的关联，通过解释结构模型（ISM）得出高铁列车晚点影响因素层级结构图，根据分析结果提出降低高铁列车晚点率的针对性措施。
关键词：高速铁路；列车晚点；复杂系统；解释结构模型（ISM）
中图分类号：U292.48文献标识码：A文章编号：1001-683X（2020）01-0048-05
DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.01.048
0引言
高速铁路以其安全、快速、便捷的优势在近年来得到迅速发展。全国高速铁路运营总里程占全球高铁运营里程的2/3以上，超过其他国家总和。在高速铁路网规模不断增长的同时，设备、环境等各类因素导致的列车晚点是影响高铁旅客运输服务质量进一步提高的因素之一。在高铁“走出去”战略指导下，进一步提高列车准点率成为高速铁路发展过程中不可忽视的重要问题。
1高铁列车晚点影响因素识别及关系分析
高速铁路运营系统由旅客服务、牵引供电、运营调度、通信信号、动车组及基础设备六大核心子系统构成。在高铁运营的过程中，这六大核心子系统既相互影响，又各自发挥着重要的作用。
瑞典的列车运行数据统计表明，临时限速、铁路施工、设备故障、温度、降水和突发客流是列车运行晚点的主要原因［1］。欧洲铁路2005年旅客列车终到正点率的统计情况显示，设备设施、运输组织水平、人为因素是导致列车运行晚点的主要因素［2］。庄河等［3］把高铁列车的晚点致因分为车辆故障、ATP故障、线路故障、接触网-受电弓和信号系统故障、异物入侵、恶劣天气、组织管理7类，并基于中国铁路广州局集团有限公司高铁列车运行数据，建立了总晚点致因、各类型晚点致因-初始晚点时长分布的模型。孟子悦等［4］针对某条高铁线路，探究了列车晚点指标的相关性，得出该条高速铁路列车晚点特点及规律。黄平等［5］以武广高铁列车运行数据为基础，研究高铁列车初始晚点恢复的机理，并利用随机森林模型进行初始晚点恢复预测。YUAN等［6］提出一种随机模型，根据到
达延迟的分布来分析荷兰铁路中晚点列车出发延迟的分布，该模型还可用于预测车站列车延误的传播。GOVERDE
基金项目：“十三五”国家重点研发计划（2018YFB1201403）第一作者：汪静（1996—），女，硕士研究生。
E-mail：
通信作者：彭一川（1982—），男，讲师。
E-mail：
基于ISM 的高铁列车晚点影响因素分析汪静等
等［7］收集荷兰铁路网每个轨道段每列列车的占用和清空时间，发现到达延迟和停留时间符合正态分布，而出发延迟则具有明显的负指数分布。事实表明，大量较小的列车延误对服务质量有重要的影响。张克云［8］通过对高速铁路运营过程中的1起弓网故障应急处置案例进行分析，发现高铁运营过程中存在的一些问题，并提出提高高铁应急处置水平的建议。谭荫［9］结合武广高铁的实绩运行数据，构建了能够描述列车晚点在运行线上传播的晚点状态概率转移矩阵，对调度指挥与优化运行图具有指导意义。总体来说，关于高铁列车晚点的相关研究比较注重列车晚点的特征、后果及恢复时间，而关于高铁列车晚点原因及原因间关系分析的研究则相对较少。
在国内外研究的基础上，综合考虑我国高速铁路的实际运营情况，从人、设备、环境、管理4个方面分别列举出高速列车晚点的具体影响因素，具体见表1。
在环境因素中，与小动物如小鸟发生碰撞或有人误入高铁轨道都有可能导致列车晚点。相关规章规定，当风速达到15m/s 时，列车限速300km/h ；当风度达到20m/s 时，列车限速200km/h ［11］。另外，风速太大可能会将路边异物吹到接触网上，造成设备故障。虽然高速铁路大多采用高架桥路基，有较好的排水性能，但雨量超标也会导致列车限速运行，雷雨还可能引起接触网跳闸停电，从而造成列车晚点。高速铁路上安装了大风报警系统和雨量超标报警系统来保证列车安全运行。
在高速铁路列车晚点影响因素分析的基础上，通
过对2018年11月—2019年3月5个月内，某铁路局集团公司的533条高铁事件写实数据进行整理，分析高铁列车晚点致因出现的频率，进一步提取出14个主要影响因素，分别为工作失误、处理不当、烟雾、误拉紧急制动阀、高铁列车故障、电务设备故障、工务设备故障、牵引供电设备故障、碰撞异物、风、雨雪、应急管理体系不完善、作业标准化程度不够以及规章管理制度不完善（见图1）。
2
基于ISM 分析高铁列车晚点因素
2.1
ISM 工作原理
解释结构模型（ISM ）是美国John Warfield 教授于
1973年提出用来研究复杂社会经济系统有关问题的分
析方法［12］。ISM 的基本思想是把复杂系统分解为若干系统或要素，运用矩阵计算来处理各要素指标间的相互关联关系，进而明确系统的层次和整体结构，并最终将系统构造成一个多级递阶结构模型。ISM 在现代系统工程中应用广泛，优点在于运用矩阵运算，经过区域、级位划分就可以把多要素间零乱、复杂、无规律的关系呈现为清晰的结构关系。ISM 对系统问题进行分析的主要步骤见图2。
2.2
高铁列车晚点因素分析
2.2.1
生成邻接矩阵
首先，通过一对一问卷发放的方式向6位铁路局集
团公司管理人员、6位铁路局集团公司现场维修人员和8位铁路专家进行调查，调查的内容主要包括14个高
表1
高速铁路列车晚点影响因素
图1高铁列车晚点的14个影响因素
基于ISM的高铁列车晚点影响因素分析汪静等
铁列车晚点影响因素间的相互关系，其中把两两影响
因素间的关系分为以下4种：
X ij=ì
丽绿刺蛾í
î
ï
ï
ï
ï
ü
ý
þ
ï
ï
ï
ïV；X
i
对X j有直接影响
A；X
j
对X i有直接影响
X；X
i
与X j相互影响
O；X
叶氏养胃汤i
渗透率单位对X j相互独立
。
uhlsport在问卷结果的基础上，结合现有文献，最终确定了14个影响因素间的相互关系，并据此确定了邻接矩阵（见图3）。其中，A ij=1表示第i个元素对第j个元素
有直接影响，A ij=0表示第i个元素对第j个元素没有直接影响。
2.2.2生成可达矩阵
根据ISM的原理，I为单位矩阵，A为邻接矩阵，按以下公式在Matlab中计算出可达矩阵M：
(A+I)k-1≠(A+I)k=(A+I)k+1=M。（1）
根据布尔矩阵计算法则来进行幂运算，最终得到可达矩阵M（见图4）。
2.2.3生成影响因素系统结构图
计算出可达矩阵M后，进一步求出可达集R（S i）、前因集Q（S i）以及可达集和前因集的交集R（S i）∩Q（S i）（见表2）。进而筛选出满足R（S i）∩Q（S i）= R（S i）条件的元素有S5、S6、S7、S8，即第1层的元素集L（1）=｛S5，S6，S7，S8｝。
进而在可达矩阵M中去除第5、6、7
、8行和第5
、图4可达矩阵
图2ISM进行系统问题分析的主要步骤
图3邻接矩阵表2高铁列车晚点影响因素的第1
级可达集和前因集
基于ISM的高铁列车晚点影响因素分析汪静等
6、7、8列数据，继续寻第2级可达集、前因集和两者的交集（见表3）。继续按R（S i）∩Q（S i）=R（S i）的条件进行筛选，得到第2层的元素集L（2）=｛S3，S4，S9｝。
以此类推，进一步寻出余下几层的元素集，分别为L（3）=｛S1｝，L（4）=｛S2｝，L（5）=｛S10，S11，S12，S13｝，L（6）=｛S14｝。
arx
得到14个影响因素的分级后，根据可达矩阵中元素间的可达关系，进一步推理出高速铁路列车晚点影响因素的解释结构模型（见图5）。
3模型结果分析及风险应对探讨
从高速铁路列车晚点影响因素解释结构模型可看出，高速列车故障、电务设备故障、工务设备故障、牵引供电设备故障可直接导致高铁列车晚点，而且，任意一类故障的发生都有可能导致其他设备故障的发生。旅客吸烟、误拉紧急制动阀、碰撞异物等意外事件的发生不仅导致列车晚点，还有可能引起设备故障，进而导致列车晚点时间的延长。可见，如果能减少设备故障率，同时防止意外事件的发生就能大大降低高铁列车晚点的概率。在减少设备故障率方面，各部门要充分利用天窗维修时间，对关键设备进行重点检修、维护，确保设备能正常使用。在防止旅客吸烟烟雾、误拉紧急制动阀等意外事件发生方面，不仅要加强宣传教育，提高乘客的乘车素养，乘务人员也要做好提醒和引导工作。
对于第3层影响因素，工作失误是导致前2层影响因素发生的直接原因，因此，要着重提高相关工作人员的业务能力，减少工作失误，进而减少故障和意外情况的发生。另外，在运行过程中，现场工作人员也要提高操作技能和应急处理能力，以应对临时状况的发生，从而减小列车晚点发生的概率，并减轻列车晚点带来的后果。
对于风、雨雪等自然环境因素，虽并不受人为控制，但由于发生的频率高，带来的后果较严重，所以仍是需要重点关注的影响因素。一方面，要安装稳定有效的传感器，并及时检修，保证大风预警系统、雨量超标报警系统的准确性和可靠性。另一方面，要在历史自然灾害数据的基础上，对现阶段天气状况作出精准预测，建立详细完备的应急预案，提前做好预防措施。还要提高工作人员在不良条件下的工作能力，尽量减少不良天气条件对高铁运营带来的影响。
高速铁路列车晚点影响因素解释结构模型中处于最底层的因素是规章管理制度不完善，规章管理制度不完善也是导致作业标准化程度不够、应急体系不完善的根源因素。在人、机、环、管4个方面的因素中，人员、设备、环境影响因素虽都可能直接导致列车晚点的发生，但管理制度的欠缺往往是导致其他3类事故发生的根本原因。因此，要建立一套从上到下公平科学有效的管理体制，明确每个人的职责，并设立反馈渠道，及时对管理制度进行修正和更新。另外，管理人员要深入现场调研，了解每个作业环节的标准化程度和应急体系的完善程度，防止规定制度的不完善带来工作失误。
4结束语
通过ISM分析出高速铁路列车发生晚点的直接因
表3高速铁路列车晚点影响因素的第2
级可达集和前因集
图5高速铁路列车晚点影响因素解释结构模型
基于ISM的高铁列车晚点影响因素分析汪静等
素、间接因素、根源因素，并根据分析结果提出了提高高速铁路列车正点率的建议。同时为类似复杂系统事件提供了一个新的分析思路。由于影响因素间的逻辑关系是通过邻接矩阵来表示，而邻接矩阵的确定在一定程度上依赖于人们的经验，所以对模型的有效应用会产生一些影响。虽然解释结构模型存在一些不足之处，但仍不失为解决高铁运营中复杂问题的一种有效方法。从分析结果来看，解释结构模型是分析事件原因、探求根源的有效途径。
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责任编辑瓦然
收稿日期2019-07-08
六陈
WANG Jing,PENG Yichuan,LU Jian
(Key Laboratory of Ministry of Education for Road and Traffic Engineering,
Tongji University,Shanghai201804,China)
Abstract:Reducing the delay rate of high speed trains is important for improving HS train service.Given current HS train delays,from the perspective of safety management,this paper explores the specific causes of high speed rail train delay in people,equipment,environment and management.According to the frequency of occurrence of the causes,14main causes are selected.Based on the risk management theory and expert experience,the relationship between the main causes is highlighted.The hierarchical structure of the causes is obtained based on the interpretive structural modeling(ISM).According to the analysis results,this paper presents targeted measures to reduce the delay rate of high speed trains.
Keywords:high speed railway;train delay;complex system;interpretative structural model(ISM)
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