王洪德，張艷潮，姚鵬遠

（1. 大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028；2. 中國鐵建大橋工程局集團有限公司，遼寧 大連 116028）

高鐵軌道設備K-SIGMA模式安全風險評估

王洪德1，張艷潮1，姚鵬遠2

（1. 大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028；2. 中國鐵建大橋工程局集團有限公司，遼寧 大連 116028）

為定量分析影響高鐵軌道設備安全的單個風險因素，基于K-SIGMA模式，考慮軌道設備單個風險因素的7方面屬性指標，采用隨機賦權法確定指標權重，并從風險梯度、風險強度以及風險水平3方面對高鐵軌道設備安全風險因素進行評判。研究結(jié)果表明，運用該方法對高鐵軌道設備單因素進行風險評估，具有較強的可行性，可為風險管理者制定合理的控制措施提供參考。

高鐵軌道設備；K-SIGMA模式；風險因素；安全風險評估；權重

保證運營安全是高鐵快速發(fā)展的前提[1-3]。高鐵的運輸組織方式、管理模式以及施工維修等許多方面都與既有鐵路不同，在我國大力發(fā)展高鐵的背景下，探索高鐵運營安全是我國當前面臨的一項重大任務[4-8]。高鐵工務系統(tǒng)是保證高鐵安全運營的基礎，工務設備大部分暴露在戶外，受環(huán)境影響大，風險因素較多，以致故障頻發(fā)。通過對工務系統(tǒng)故障進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)軌道設備出現(xiàn)故障較多，影響高鐵軌道設備安全的因素眾多，單個因素或多個因素綜合出現(xiàn)非正常狀況或這些因素之間相互作用產(chǎn)生的結(jié)果，都有可能對軌道設備造成影響，從而對高鐵運營安全造成威脅[9]。如何定量評估這些影響因素，是目前急需解決的問題。該研究主要借鑒故障模式與影響分析理論，分析影響高鐵軌道設備安全的風險因素，從造成高鐵事故可能性、因素重要度、故障危害度、故障難檢度、故障嚴重度、故障發(fā)生頻率、實際重大高鐵事故發(fā)生率等7個方面對其屬性進行描述，以期能夠更具體、詳實的反映高鐵軌道設備風險因素的特征。

1 屬性指標構建及其權重確定

1.1 屬性指標構建

風險衡量因子是指用來衡量高鐵軌道設備風險因素的準則因子（又稱評估準則），是構建安全風險衡量模式的基礎因子，主要包括安全風險因素造成高鐵事故的可能性因子（Pm）、安全風險因素重要度因子（Im）、安全風險因素故障后果危害度因子（Sm）、安全風險因素故障難檢度因子（Dm）、安全風險因素本身故障的嚴重度因子（Cm）、故障發(fā)生頻率（fm）和實際重大高鐵事故發(fā)生率（A）等共7項因子，又稱為每個風險因素的7方面屬性。將前4項稱為內(nèi)生（endogenous）風險衡量因子（內(nèi)生屬性），并假設此類因子的衡量值在某期間內(nèi)不會任意變動，例如某項安全風險因素的重要度一經(jīng)確定，則在某期間內(nèi)維持不變，并不隨風險管理者的意愿或系統(tǒng)操作而任意調(diào)整（但允許經(jīng)過一段時間后通過檢查而調(diào)整）。后3項因子則稱為外生（exogenous）風險衡量因子（外生屬性），此類因子的衡量值會隨著該項安全風險因素檢修工作的進行或設施的運作而不斷變動，例如某項安全風險因素的前后兩次檢查結(jié)果，其故障嚴重程度可能不一樣，連帶地會影響到故障發(fā)生頻率的變動。

1.2 權重確定

在進行高鐵軌道設備安全風險評估時，各風險衡量因子對評價結(jié)果的影響程度不同，即各指標的權重不同。為了能夠準確反映各風險衡量因子對風險因素作用的重要性，采用隨機賦權法確定其權重：首先，邀請專家根據(jù)經(jīng)驗將每個指標劃分若干等級，并對各指標等級給出對應區(qū)間；其次，處理專家們對同一指標的打分區(qū)間；最后，根據(jù)指標離散程度確定指標的權重具體值。

2 高鐵軌道設備K-SIGMA模式安全風險評估模型

軌道設備作為高鐵行車的基礎結(jié)構，其各因素的安全狀況決定了高鐵是否能夠安全運營。為準確全面把握高鐵軌道設備的情況，結(jié)合Six Sigma理論，吸收該理論以控制最少的缺失次數(shù)來達到產(chǎn)品或服務質(zhì)量水平的理念以及DMAIC過程改進方法，建立高鐵軌道設備K-SIGMA模式安全風險評估模型。

對模型中內(nèi)生屬性進行專家問卷調(diào)查，問卷回收整理后再利用統(tǒng)計方法求出各項內(nèi)生屬性的平均衡量值（X）和標準差（S），并進行上下限風險梯度指標（RGm）值的構建；然后利用高鐵軌道設備安全日常檢查和鐵路局調(diào)研收集的資料整理得到外生屬性（Cm、fm和A），計算出上下限風險強度指標（RIm）值及上下限風險強度值；最后結(jié)合上下限RGm指標值和上下限RIm指標值，推導出上下限風險水平指標（RLm）閾值，即構建出K-SIGMA模式高鐵安全風險衡量模型，再輔以風險分析圖和分析報告，并制定相應的控制措施，從而提高高鐵軌道設備的安全水平。高鐵軌道設備K-SIGMA模式安全風險評估模型構建流程見圖1。

圖1 高鐵軌道設備K-SIGMA模式安全風險評估模型構建流程

3 高鐵軌道設備安全風險評估

根據(jù)某鐵路局高鐵工務段2013—2015年高鐵運營線路故障統(tǒng)計，得出各類故障原因分布情況見圖2。

圖2 各類故障原因分布

由圖2可以看出，4類故障原因中，涉及軌道設備的故障最多，為37%～54%；涉及橋隧設備的故障最少，為4%～6%；環(huán)境設備問題和其他問題在數(shù)量上基本持平（2014年除外）。因此，有必要對導致線路故障的軌道設備風險因素進行分析，具體的軌道設備風險因素見表1。

表1 軌道設備風險因素

3.1 風險因素內(nèi)生屬性指標的權重

采用隨機賦權法，邀請10位高鐵運營安全領域相關專家對風險因素的4個內(nèi)生屬性指標的權重，以百分制進行區(qū)間打分，打分情況見表2。

以Im權重求解為例進行計算（見圖3）。

表2 風險因素內(nèi)生屬性指標權重值區(qū)間分布

圖3 Im權重值及其累計頻率分布

4個內(nèi)生屬性指標的權重值及其累計頻率分布見表3。

表3 風險因素內(nèi)生屬性指標權重值及累計頻率

采用隨機賦權法生成隨機數(shù)0.60，得到權重分值向量W=［16，34，29，22］，歸一化后權重向量為［Pm，Im，Sm，Dm］=［0.158，0.337，0.287，0.218］。

3.2 風險梯度

第m項風險因素中第 i 個內(nèi)生屬性指標上下限閾值計算公式分別為：

各因素組合坐標與原點或最小衡量點坐標的風險梯度指標上下限閾值及風險梯度值分別為：RG。m

對軌道設備安全風險因素的4個內(nèi)生屬性指標進行問卷調(diào)査打分，評分標準設計等級分別為：非常低（1～20）、很低（21～40）、普通（41～60）、較高（61～80）、很高（81～100）。共發(fā)放65份問卷，調(diào)査對象包括5名軌道設備檢查車間主管人員、5名軌道設備維修車間主管人員、15名調(diào)度指揮中心主管人員、40名軌道設備檢修技術人員，共回收60份有效問卷，有效回收率為92%。將衡量值歸一化（除以100）后，將表3中統(tǒng)計數(shù)據(jù)帶入式（1）—式（5），計算風險梯度值，結(jié)果見表4。

3.3 風險強度

將各指標衡量值按坐標組合法組合，利用式（6）計算與原點坐標之間的歐幾里得距離（即風險強度，RI）。

可按下述方法分別得出3項外生屬性指標。經(jīng)過一段時間的檢修統(tǒng)計得出Cm的衡量值；如果每天檢査一次軌道設備，一年內(nèi)共發(fā)現(xiàn)n次故障，則fm為n/365；如果每7 d對軌道設備進行一次周檢，平均每10年發(fā)生1起較大的軌道設備安全事故（造成車輛損毀、財產(chǎn)損失或人員傷亡的事故），則軌道設備重大安全事故發(fā)生概率為A=[1/（365×10/7）]×100%=0.2%。根據(jù)式（6）計算得到風險強度RIm。采用隨機賦權法，同理計算3項外生屬性指標的權重分別為：（Cm，fm，A）=（0.40，0.35，0.25）。

3.4 風險水平

為求出評價對象安全風險水平的上下限閾值并繪制風險分析圖，根據(jù)求出的風險梯度上下限值（）和風險強度指標（RIm），分別代入式（7）和式（8），即可計算出各風險因素的安全風險水平上下限閾值。

軌道設備各風險因素的風險水平值見表5。

3.5 風險分析及控制措施

目前，世界各國普遍采用“盡可能低成本下盡可能合理原則（ALARP）”進行風險是否可接受以及是否需要實施控制的評定，結(jié)合GB/T 21562標準中ALARP原則規(guī)定以及高鐵運營的實際情況，繪制風險分析圖（見圖4）。

表4 軌道設備風險因素衡量值和風險梯度值

表5 軌道設備安全風險因素風險水平值

應用K-SIGMA模式安全風險評估模型對某鐵路局軌道設備進行安全風險評估，首先對2015年12月該局某工務段軌道設備各風險因素檢查數(shù)據(jù)進行整理，然后代入高鐵軌道設備K-SIGMA模式安全風險評估模型，計算得到軌道設備各風險因素風險水平，得出各風險因素目前所處的安全狀態(tài)。軌道設備安全風險分析見圖5。

圖4 風險分析圖

圖5 軌道設備安全風險分析圖

由圖5可以得出以下分析結(jié)果：

（1）m2風險值已超過風險水平上限值，因此對于該風險因素應重點防范，禁止出現(xiàn)。日常安全管理中，要做好相關設備保養(yǎng)，避免出現(xiàn)故障；加大隱患排查力度，動態(tài)監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)相關風險因素，掌握風險因素的發(fā)展和演變趨勢，迅速消除隱患；成立技術攻堅團隊，對相關問題進行研究，找出故障原因機理，采取相應技術手段，從根本上消除該風險因素；相對應的安全管理工作需要繼續(xù)改進提升。

（2）m3、m6風險值低于風險水平下限值，即m3、m6對應相關風險因素處于安全狀態(tài)。表示對應設備技術水平、維修保養(yǎng)工作和安全監(jiān)控管理等方面工作實施的非常到位，相對應的安全管理工作可基本維持現(xiàn)狀。

（3）m1、m4、m5風險值處于風險水平下限和上限之間，基本可控，在經(jīng)濟條件允許的情況下，可逐步加強設備技術研發(fā)更新和排查監(jiān)控工作，以降低風險值。相對應的安全管理工作可緩慢改進，但不能放松。

4 結(jié)束語

采用K-SIGMA模式、坐標組合法和歐幾里得距離等，參考ALARP風險管理原則并結(jié)合高鐵軌道設備現(xiàn)狀，構建高鐵軌道設備K-SIGMA模式安全風險評估模型，有助于及早察覺發(fā)生故障、缺失或失效的安全風險因素，并提出相應的預防措施，以減少或避免高鐵運營事故。

[1] 張怡．高速鐵路運營安全保障對策的研究[J]．鐵道運輸與經(jīng)濟，2014，36(6)：61-64.

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責任編輯 李鳳玲

“中國畫火車第一人”王忠良先生火車鋼筆畫系列作品——二軸蒸汽機車

1880年在修建唐胥鐵路時，開平礦務局修車廠工人利用鍋駝機拼裝成一臺簡陋的二軸蒸汽機車，此時，距世界上第一臺蒸汽機車的誕生僅過去了76年。機車主動輪在鍋爐上部，利用連桿帶動從動輪在軌道上行駛。

Safety Evaluation on K-SIGMA Mode of HSR Track Devices

WANG Hongde1，ZHANG Yanchao1，YAO Pengyuan2
（1. College of Civil and Safety Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian Liaoning 116028，China；2. China Railway Major Bridge Engineering Group Co Ltd，Dalian Liaoning 116028，China）

To quantify the influence of one single risk factor on HSR track devices, the paper - building on K-SIGMA mode - considers the seven attribute indicators of each factor and brings in the random weighting method to determine the weight of each indicator. It then evaluates the risk factors from three aspects risk gradients, risk intensity and risk level. The results show that single-factor risk evaluation on HSR track devices is highly applicable, as it provides references for risk managers to map out an appropriate scheme for risk control.

HSR track devices；K-SIGMA mode；risk factor；risk evaluation；weight

U298.1

A

1001-683X（2017）03-0039-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.039

2017-01-04

國家自然科學基金項目（U1261121/E0422）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2015Z002）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2014X012-D）

王洪德（1963—），男，教授，博士。E-mail：whdsafety@126.com