程學慶 ，李月，楊濤，李建海

(1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031；

2.西南交通大學 綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 610031；

3.上海鐵路局 連云港供電車間，江蘇 連云港 222000)

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高速鐵路供電系統(tǒng)安全風險研究

程學慶1，2，李月1，楊濤3，李建海1

(1.西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031；

2.西南交通大學 綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，四川 成都 610031；

3.上海鐵路局 連云港供電車間，江蘇 連云港 222000)

摘要:高速鐵路供電系統(tǒng)是高速鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，其安全可靠性關乎高速鐵路的正常運營。目前我國在高鐵供電系統(tǒng)安全風險研究大多在定性分析方面，缺乏定量分析研究。本文利用定性與定量相結(jié)合的概率風險評估方法對高速鐵路供電系統(tǒng)風險進行分析并提出相應的控制措施，為提升高鐵供電系統(tǒng)的運營安全管理水平提供參考。

關鍵詞：高速鐵路；供電系統(tǒng)；安全評估；風險概率；風險控制

隨著我國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃和中國高鐵“走出去”戰(zhàn)略的提出，我國高速鐵路進入了快速發(fā)展時期。我國處在高速鐵路運營初期，在追求高速度和高密度運行的同時，安全問題也日益凸顯出來。鐵路運營要以安全為先導，必須要對高速鐵路的各個系統(tǒng)進行安全風險排查并制定相應防控措施和應急搶險預案。供電系統(tǒng)作為高速鐵路重要子系統(tǒng)之一，有必要對其安全風險進行定量與定性分析，并制定相應的風險控制措施。

1國內(nèi)外研究概況

“安全第一，預防為主”是各個行業(yè)的安全生產(chǎn)準則，它是經(jīng)過長期的生產(chǎn)經(jīng)驗、事故傷亡教訓總結(jié)出的結(jié)論，預防安全事故的發(fā)生需要進行安全風險評估。安全性評估是對系統(tǒng)內(nèi)部各個子系統(tǒng)的風險源進行逐步排查，根據(jù)事故樹法(FTA)、事件樹法(ETA)、綜合評價法等科學分析方法，確定危險源清單。在危險源清單中劃分不同的風險等級，并制定相應的預控措施[1-2]。安全評價技術(shù)誕生于20世紀30年代，西方保險業(yè)的發(fā)展促進了安全評價技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。保險公司為客戶承擔各種風險，必然要收取一定的費用，而收取費用的多少是由所承擔的風險大小決定的。安全評價也被稱作“風險評價”(Risk Assessment)。20世紀后半葉，安全評價技術(shù)受系統(tǒng)安全工程理論發(fā)展的帶動得到快速發(fā)展[3]。1969年美國國防部批準頒布了系統(tǒng)安全軍事標準《系統(tǒng)安全大綱要點》(MIL-STD-822)，提出了涵蓋系統(tǒng)整個生命周期的安全要求程序和目標，形成了現(xiàn)代系統(tǒng)安全工程的理論、方法體系。20世紀80年代初期，安全系統(tǒng)工程被引入我國，許多研究單位、行業(yè)管理部門及部分企業(yè)開始對安全評價方法進行研究及實際應用[4]。國內(nèi)外較多專家學者對鐵路安全風險進行了許多細致的研究，安全問題始終是鐵路運輸生產(chǎn)的核心問題。目前在鐵路安全風險及評價技術(shù)研究領域，國內(nèi)外一些學者已經(jīng)取得了較好的研究成果[5-10]。歸納來看，國外常用做法是基于風險管理技術(shù)來創(chuàng)新安全管理模式，依靠科技進步提升鐵路安全管理水平。國內(nèi)鐵路運輸安全管理已經(jīng)取得了較多研究成果，主要觀點是提高員工的安全素質(zhì)，加強作業(yè)環(huán)節(jié)的規(guī)范管理。但是也存在一些問題，例如有些觀點沒有從系統(tǒng)角度考慮安全管理問題，只是分析部分因素；有些觀點脫離實際，缺乏可操作性等。因此有必要結(jié)合我國高速鐵路運營安全管理實際，系統(tǒng)深入地研究高速鐵路運營安全管理問題。

2安全評估方法

根據(jù)RAMS中關于安全評估的內(nèi)容，結(jié)合鐵路供電系統(tǒng)的實際情況，孫建明等[11-12]提出基于事件樹分析法( Event Tree Analysis，ETA)與改進的概率風險評估方法(LEC)相結(jié)合的安全評估方法。

2.1事件樹分析法

事件樹分析( ETA)是從一個初始事件開始，交替考慮其可能轉(zhuǎn)化事件的可能性，然后再以這些可能性事件作為新的初始事件，如此繼續(xù)分析下去，直到找到最后的結(jié)果，事故樹分析主要用于安全風險識別和風險概率的計算。

2.2概率風險評估方法(LEC)

概率風險評估方法(LEC)是利用與系統(tǒng)風險率有關的3種因素指標值的乘積來評估系統(tǒng)安全風險的大小。與風險率有關的3種因素分別是：L為發(fā)生安全事故的可能性；E為暴露在某危險環(huán)境中的次數(shù)；C為安全事故的損失。再以3個分值的乘積D來評估危險性的大小。

根據(jù)高速鐵路供電系統(tǒng)的特點，依據(jù)RAMS標準對各種因素劃定等級。利用模糊層次分析法[15]確定L，E和C各自的權(quán)重，L，E和C的等級劃分取值參考了《電力企業(yè)安全評價方法與應用》等文獻。對鐵路供電系統(tǒng)安全性進行概率風險評估中，L，E和C等因素的等級劃分如表1～3所示。

表1　風險可能性L的分級

表2人員暴露頻繁程度E的分級

Table 2 Classification of the frequency of worker exposure E

人員暴露頻繁程度評分人員暴露頻繁程度評分經(jīng)常暴露10工作時間暴露7偶爾暴露4很少暴露2極少暴露1幾乎不暴露0.3

表3　危害嚴重程度C的分級

將上述3種因素的分值相乘，即D=L×E×C，求得D。根據(jù)D的大小劃分為5個風險等級：D1，D2，D3，D4和D5。每個級別對應不同的風險控制措施，如表4所示。

表4　風險級別及控制措施

3安全評估指標

3.1鐵路安全評價技術(shù)標準(RAMS)

基于鐵路應用的可靠性、可用性、可維護性和安全性(RAMS)是鐵路建設、維修、運營及安全評價中常用的技術(shù)標準規(guī)范。長期的鐵路系統(tǒng)評估研究集中在可靠性、可用性和可維護性(RAM)上，對于安全性(S)的量化研究較少[13-14]。安全性包括內(nèi)部各子系統(tǒng)存在的風險以及系統(tǒng)與外部環(huán)境相互影響的風險。安全性(S)與其他 RAM各要素之間的相互聯(lián)系，如圖1所示。

圖1　RAMS元素關系圖Fig.1 RAMS element graph

依據(jù)RAMS標準，并結(jié)合高速鐵路供電系統(tǒng)的實際情況，設計用以下的安全性指標和方法來計算系統(tǒng)各類風險的發(fā)生概率并評估各種設備的風險程度和系統(tǒng)的風險等級[15]。

3.2設備危險系數(shù)(T)

設備危險系數(shù)定義為在統(tǒng)計時間內(nèi)供電系統(tǒng)中某種設備故障后可能引發(fā)安全性事故的次數(shù)與此類設備的故障總次數(shù)之比，如式(1)所示：

(1)

式中： Ti為某類設備(元件)的危險系數(shù)；Ci s為第i類設備故障中可能引發(fā)安全事故的次數(shù)；Ci為該類設備的故障次數(shù)。設備危險系數(shù)反映了設備本身的安全性，要通過大量的設備故障資料統(tǒng)計獲得。

3.3事故轉(zhuǎn)移率(Z)

高速鐵路供電系統(tǒng)中的安全事故大致可分為2類，分別是設備故障類安全事故和供電中斷類安全事故[16]。如圖2所示，本文歸納了供電系統(tǒng)常見的7 種安全事故，分別是乘客混亂、信號系統(tǒng)故障、延誤列車、冒進事故、列車沖突、一般性事故和火災爆炸。

為定量計算以上各類安全事故發(fā)生的概率，把A事故引發(fā)B事故的概率值定義為AB之間的事故轉(zhuǎn)移率。即：

(2)

式中：PA為A事故發(fā)生概率；PAB為A和B事故都發(fā)生概率；ZAB為事故轉(zhuǎn)移率。事故轉(zhuǎn)移率和設備危險系數(shù)一樣，需要大量的事故統(tǒng)計資料獲得。

3.4安全概率基數(shù)(P0)

各種設備故障后由于安裝地點，管理水平以及故障后果等因素的差異，引發(fā)安全性事故的概率是不一樣的，因此在計算設備安全事件的概率值時要考慮各類設備的危險系數(shù)Ti。將系統(tǒng)所包含的設備故障可能引發(fā)的安全事件的概率稱為安全概率基數(shù)，則高速鐵路供電系統(tǒng)的安全概率基數(shù)P0可由式(3)求得:

圖2　供電系統(tǒng)常見安全事故Fig.2 Common safety incidents of power supply system

(3)式中： λi為第i類設備的故障率；ti為第i類設備的平均故障修復時間，單位為小時； Ti為第i類設備的危險度；ni為第i類設備的臺數(shù)或公里數(shù)；n為供電系統(tǒng)所包含的設備種類。

3.5各類安全風險的發(fā)生概率(PS)

根據(jù)圖2，各類事故的發(fā)生概率值可由式(4)～(10)計算，其中PS1為乘客混亂事故發(fā)生的概率；PS2為信號系統(tǒng)故障發(fā)生的概率；PS3為延誤列車發(fā)生的概率；PS4為冒進事故發(fā)生的概率；PS5為列車沖突發(fā)生的概率；PS6為一般性事故發(fā)生的概率；PS7火災、爆炸事故的發(fā)生概率；W為供電系統(tǒng)的供電不可用率。

PS1=W×Z1

(4)

PS2=W×Z2

(5)

PS3=W×Z3

(6)

PS4=PS2×Z4

(7)

PS5=PS4×Z5

(8)

PS6=P0×Z6

(9)

PS7=P0×Z7

(10)

4案例分析

對國內(nèi)某高速鐵路供電段進行安全性評估，計算得到各類供電設備(元件)的危險系數(shù)如表5 所示。

表5　各類供電設備的危險系數(shù)

由表5可見，互感器、隔離開關等設備的危害度較大，這就要求對這些設備的故障能及時處理，避免演變?yōu)榘踩鹿省Ｓ嬎愕玫绞鹿兽D(zhuǎn)移率值如表6所示，由信號系統(tǒng)故障造成列車延遲和由供電中斷引起乘客混亂2類事故轉(zhuǎn)移率相對較高。

表6　事故轉(zhuǎn)移率

根據(jù)該供電段近年可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 由式(3)計算供電系統(tǒng)安全概率基數(shù)，由式(4)～(10)計算各類安全風險的發(fā)生概率 PS，D值和風險級別，根據(jù)表4對不同的風險水平給出相應的風險控制建議。

從算例可見，由供電系統(tǒng)故障引起的乘客混亂、延誤列車和信號故障三類風險雖然發(fā)生的可能性較高，但它們的危害程度相對比較低，因此風險級別為D4，在采取適宜措施后可以接受這3類風險。一般小事故、爆炸火災和冒進事故的風險等級為D3，此類風險需要注意，并積極采取一些措施預防。列車沖突發(fā)生的可能性十分低，但由于一旦發(fā)生，造成的危害后果特別嚴重，因此它的風險等級在本算例中達到D2，需要有關部門特別注意整改，針對這種風險制定詳細的預防控制和應急措施。

5結(jié)論

1)根據(jù)鐵路RAMS標準和鐵路供電系統(tǒng)實際情況，提出了事件樹分析法(ETA)和改進的概率風險評估方法(LEC)相結(jié)合的安全性評估方法。

2)定義了安全性評估指標，提出了設備危險系數(shù)、事故轉(zhuǎn)移率和安全概率基數(shù)、安全事件的風險等級等量化指標和計算分析要點，進行了典型高速鐵路供電段安全性評估算例分析。

3)需要完善的方面有：高速鐵路供電系統(tǒng)的安全量化指標需要進一步研究，技術(shù)作業(yè)標準需要進一步完善；在高速鐵路供電運營管理中，要加強和規(guī)范安全事故及風險的記錄，積累數(shù)據(jù)樣本，為以后進一步對高速鐵路供電系統(tǒng)安全風險研究提供數(shù)據(jù)支持。

參考文獻：

[1] 董錫明．軌道列車可靠性、可用性、可維修性和安全性(RAMS)[M].北京：中國鐵道出版社，2009:66-69.

DONG Ximing. Rail train reliability, availability, maintainability and safety(RAMS)[M].Beijing: China Railway Press,2009:66-69.

[2] 姚建剛，肖輝耀，章建.電力安全評估與管理[M]．北京：中國電力出版社，2011:142-147.

YAO Gangjian, XIAO Huiyao, ZHANG Jian. Electrical safety assessment and management [M]. Beijing: China Electric Power Press, 2011:142-147.

[3] 施泉生.電力企業(yè)安全評價方法與應用[M].上海:上海財經(jīng)大學出版社，2010:90-93．

SHI Quansheng. Safety evaluation method and application of power enterprise[M]. Shanghai: Shanghai University of Finance and Economics Press, 2010:90-93．

[4] 肖貴平，冀彬，張鐵軍. 基于安全系統(tǒng)工程的鐵路站段安全管理信息系統(tǒng)研究[J].中國安全科學學報，2003(8)：41-44.

XIAO Guiping, JI Bin, ZHANG Tiejun. Railway station safety management information system-based security systems engineering research[J]. China Safety Science Journal, 2003(8)：41-44.

[5] 高巖，王德.鐵路安全風險管理及其有效實施的支撐條件[J].中國鐵路，2012(4)：2-6.

GAO Yan, WANG De. Railway security risk management and effective implementation of the supportive conditions[J].China Railway, 2012(4)：2-6.

[6] 黃鋼.我國鐵路安全風險管理持續(xù)發(fā)展的研究與思考[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2014,36(9)：1-6.

HUANG Gang. Research and thinking on railway safety risk management for sustainable developments[J]. Railway Transport and Economy, 2014,36(9)：1-6.

[7] 楊金英.實施精細化管理推進鐵路安全風險管理[J].中國鐵路，2012(10)：21-23.

YANG Jinying. Implementation of sophisticated management to promote railway safety risk management[J].China Railway, 2012(10)：21-23.

[8] Evans A W. The economics of railway safety [J].Research in Transportation Economics， 2013, 43 (1): 137-147.

[9] Jafarian E，Rezvani M A. Application of fuzzy fault tree analysis for evaluation of railway safety risks: an evaluation of root causes for passenger train derailment[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2012,226 (1):13-17.

[10] Sudhir, Anandarao, Carl D. Level crossing safety on east Japan railway company: application of probabilistic risk assessment techniques[J].Transportation, 1998,25(3):265-268.

[11] 孫建明，顏秋容.高速鐵路10kV電力系統(tǒng)RAMS定量評估研究[J]．鐵道工程學報，2008(10)：60-64．

SUN Jianming, YAN Qiurong. High-speed railway 10kV power system quantitative evaluation of RAMS[J]. Railway Engineering Journal, 2008(10)：60-64．

[12] 王貴國，張熒驛，談立成. 軌道車輛RAMS工程技術(shù)體系研究[J].北京交通大學學報，2014(2)：77-81.

WANG Guiguo, ZHANG Yingyi, TAN Licheng. Engineering technical system research of railway vehicles RAMS[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2014,38(2)：77-81.

[13] 陸瑩，李啟明，周志鵬.基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡的地鐵運營安全風險預測[J].東南大學學報(自然科學版)，2010，40(5)：87-92.

LU Ying, LI Qiming, ZHOU Zhipeng. Subway operational safety risk prediction based on fuzzy Bayesian networks[J]. Southeast University Journal (Natural Science), 2010，40(5)：87-92.

[14] 項琴，李遠富，朱宏偉.基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡的山區(qū)高速鐵路橋梁運營風險評估[J].鐵道標準設計，2014(11)：16-20.

XIANG Qin, LI Yuanfu, ZHU Hongwei. Mountainous high-speed railway bridge operational risk assessment based on fuzzy Bayesian network[J]. Railway Standard Design, 2014(11):16-20.

[15] 孫漢武.鐵路安全檢查監(jiān)測保障體系及其應用研究[D]. 成都：西南交通大學,2010:25-26.

SUN Hanwu. Railway safety inspection monitoring security system and application[D]. Chengda: Southwest Jiaotong University, 2010:25-26.

[16] 戚廣楓.高速鐵路牽引供電安全技術(shù)發(fā)展及展望[J].中國鐵路，2012(11)：44-48.

QI Guangfeng. High-speed railway traction power supply security technology development and prospects[J].China Railway, 2012(11)：44-48.

(編輯蔣學東)

Research on safety risk of high speed railway power supply system

CHENG Xueqing1,2, LI Yue1, YANG Tao3, LI Jianhai1

(1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. National United Engineering Laboratory of Integualed and Intelligent TransFacation, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

3. Lian Yangang Power Supply Workshop, Shanghai Railway Alministration, Lianyungang 222000, China)

Abstract:High-speed railway power supply system is an important part of high -speed railway．The power system is safe and reliable or not is closely related to security and stability of the railway operation. Currently, the research of safety risk of the high-speed railway power supply system is only in qualitative analysis stage with no quantitative analysis. In this paper, a probabilistic risk assessment method based on the combination of qualitative and quantitative methods was used to analyze the safety risk of high speed railway power supply system and formulate corresponding control measures. It is availed reference for enhancing operational safety management of the railway power supply system.

Key words:high-speed railway; power supply system; safety evaluation; risk probability; risk control

中圖分類號：U298

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0233-05

通訊作者：程學慶(1978-)，男，江蘇連云港人，副教授，博士，從事交通運輸安全理論及技術(shù)、交通運輸系統(tǒng)決策與優(yōu)化、智能交通研究；E-mail: cxq@swjtu.edu.cn

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重點課題資助項目(2014D001-B)；鄭州鐵路局科技計劃課題資助項目(2014Q1)

收稿日期：2015-06-19