李京生，趙 林

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

地震是一種危害很大的自然災(zāi)害。對(duì)高速鐵路而言，較小震級(jí)的地震也可能會(huì)給運(yùn)行中的高速列車帶來(lái)脫軌、傾覆等列車運(yùn)行安全事故。我國(guó)地震多發(fā)，高速鐵路的運(yùn)營(yíng)面臨著嚴(yán)重的地震威脅，以目前的科技手段，還不能對(duì)地震作出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)及精確的預(yù)報(bào)。高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)可以在地震發(fā)生后，破壞性地震波尚未來(lái)襲的數(shù)秒至數(shù)十秒之前發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使高速運(yùn)行的列車盡快減速或停車，能夠防止或減輕地震對(duì)鐵路運(yùn)輸安全帶來(lái)的危害，避免重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。作為高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分之一，車載地震緊急處置裝置用于接收緊急處置信息，并據(jù)此控制列車運(yùn)行。隨著我國(guó)高速鐵路大范圍開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩栽絹?lái)越重要。對(duì)車載地震緊急處置裝置進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，從而有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)或完善，以減少鐵路事故的發(fā)生，保護(hù)人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

1 車載地震緊急處置裝置綜合安全評(píng)價(jià)方法

定性安全評(píng)價(jià)方法對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴性強(qiáng)，分析結(jié)果因人而異，得到的定性指標(biāo)缺乏可比性；定量安全評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果雖然可以給出具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值，但在分析過(guò)程中需要應(yīng)用大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和廣泛的事故統(tǒng)計(jì)分析資料，對(duì)于評(píng)價(jià)車載地震緊急處置裝置存在局限性[2]。結(jié)合車載地震緊急處置裝置的特點(diǎn)，采用基于HAZOP 分析和層次分析法的評(píng)價(jià)方法，對(duì)車載地震緊急處置裝置進(jìn)行綜合安全評(píng)價(jià)，可以彌補(bǔ)單獨(dú)使用定性或定量安全評(píng)價(jià)方法的弊端，具體步驟如下。

（1）建立風(fēng)險(xiǎn)矩陣。事件的風(fēng)險(xiǎn)通常由風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的頻率和風(fēng)險(xiǎn)事件后果的嚴(yán)重程度共同決定。因此，結(jié)合車載地震緊急處置裝置風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的頻率及風(fēng)險(xiǎn)事件后果的嚴(yán)重程度，建立適用于車載地震緊急處置裝置的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，并將風(fēng)險(xiǎn)矩陣中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為4 級(jí)。

（2）HAZOP 分析。采用HAZOP 分析方法[3]，以車載地震緊急處置裝置的不同功能為節(jié)點(diǎn)，對(duì)其特定潛在危險(xiǎn)進(jìn)行分析，最終形成HAZOP 分析表。找出不同危險(xiǎn)的不同參數(shù)在不同的引導(dǎo)詞下產(chǎn)生的偏差，進(jìn)而可以找出偏差產(chǎn)生的原因、導(dǎo)致的后果、相應(yīng)的建議措施及偏差可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等內(nèi)容。

（3）建立單因素評(píng)價(jià)矩陣。將步驟（2）分析結(jié)果中的不同偏差作為因素進(jìn)行分析，并確定其所屬的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。因此，所有因素組成的集合為U={u1，u2，…，un}，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)組成的集合為V={v1，v2，…，vm}。采用專家評(píng)價(jià)法，對(duì)集合U中的每一個(gè)因素ui進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定因素ui對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)vj的隸屬度rij，則每個(gè)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)成的單因素評(píng)價(jià)矩陣可以表示為

（4）確定各因素權(quán)重。由于集合U中的每個(gè)因素在總體中的重要程度不同，因而有必要給不同的因素賦予不同的權(quán)重。若各權(quán)重構(gòu)成的向量為A= (a1，a2，…，ai，…，an)，其中ai表示ui在U中的重要程度，有采用層次分析法確定各因素的權(quán)重。通過(guò)專家研究討論，對(duì)U中的元素進(jìn)行兩兩比較，得出判斷矩陣

式中：uij表示因素ui對(duì)因素uj的相對(duì)重要性數(shù)值，uij> 0，i，j= 1，2，…，n。

判斷矩陣中相對(duì)重要性數(shù)值的取值標(biāo)準(zhǔn)及含義如表1 所示。

（5）一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣P中對(duì)應(yīng)于最大特征值λmax的特征向量A，歸一化后即為同一層次相應(yīng)因素對(duì)于上一層次某因素相對(duì)重要性的權(quán)重系數(shù)。但權(quán)重的分配是否合理，需要根據(jù)公式對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以保證判斷矩陣的可靠性。其中，CR稱為一致性比例；CI稱為一致性指標(biāo)，計(jì)算公式為RI稱為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)CR<0.1 時(shí)，則認(rèn)為權(quán)重分配較合理，判斷矩陣的一致性可以接受，否則需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修正，直至通過(guò)一致性檢驗(yàn)為止[4]。平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值如表2 所示。

表1 判斷矩陣中相對(duì)重要性數(shù)值的取值標(biāo)準(zhǔn)及含義Tab.1 Criteria and meanings of the value of relative importance in the judgement matrix

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 值Tab.2 Value of the mean random index

（6）綜合安全評(píng)價(jià)。在確定A和R的基礎(chǔ)上，綜合安全評(píng)價(jià)結(jié)果為B=A°R。其中，“°”為模糊合成算子[5]。針對(duì)車載地震緊急處置裝置進(jìn)行綜合安全評(píng)價(jià)這一具體問(wèn)題，采用加權(quán)平均型模糊算子進(jìn)行計(jì)算，不僅考慮了所有因素的影響，而且保留了單因素評(píng)價(jià)的全部信息，可以對(duì)所有因素的權(quán)重進(jìn)行均衡[6]，則

式中：bj為元素ui對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)vj的隸屬程度，反映了元素ui在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)vj上的百分比。

根據(jù)最大隸屬度原則，若B= max (b1，b2，…，bj)，則B對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)即為元素ui的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[7-8]。

2 案例分析

以在大西客運(yùn)專線(大同南—西安北)原平西站至陽(yáng)曲西站高速綜合試驗(yàn)使用的車載地震緊急處置裝置為例，采用車載地震緊急處置裝置綜合安全評(píng)價(jià)方法對(duì)其進(jìn)行綜合安全評(píng)價(jià)，以驗(yàn)證該方法的適用性，對(duì)車載地震緊急處置裝置的進(jìn)一步改進(jìn)和完善提供理論參考和依據(jù)。

2.1 建立風(fēng)險(xiǎn)矩陣

建立適用于車載地震緊急處置裝置的風(fēng)險(xiǎn)矩陣如表3 所示[9]。將風(fēng)險(xiǎn)矩陣中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為4 級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)組成的集合可表示為V= {v1，v2，v3，v4}，其中，v1為不可接受的；v2為不期望的；v3為可忍受的；v4為普遍可接受的。

表3 風(fēng)險(xiǎn)矩陣Tab.3 Risk matrix

2.2 HAZOP分析

以車載地震緊急處置裝置的3 個(gè)不同功能為節(jié)點(diǎn)，使用HAZOP 方法對(duì)車載地震緊急處置裝置的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并以結(jié)果中的部分內(nèi)容為例進(jìn)行分析。HAZOP 分析結(jié)果(部分)如表4 所示。

根據(jù)表4，可以得到車載地震緊急處置裝置中的不同功能，以及相同功能產(chǎn)生的不同偏差及其對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，但是各個(gè)功能或偏差的重要程度及其在所屬的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中的占比均沒(méi)有得到。在此基礎(chǔ)上，建立定量分析的數(shù)學(xué)模型，對(duì)HAZOP 的結(jié)果進(jìn)行定量分析。

2.3 建立單因素評(píng)價(jià)矩陣

由于車載地震緊急處置裝置的HAZOP 分析結(jié)果中因素很多，因而將其結(jié)果進(jìn)行分級(jí)之后再進(jìn)一步分析。將部分HAZOP 分析結(jié)果中的不同功能作為第一級(jí)因素組成集合U，相同功能的不同偏差作為第二級(jí)因素組成集合ui。分析車載地震緊急處置裝置的3 個(gè)功能，對(duì)每個(gè)功能分析5 個(gè)偏差，得到第一級(jí)元素組成的集合U= {u1，u2，u3}；第二級(jí)因素組成的集合u1= {u11，u12，u13，u14，u15}，u2= {u21，u22，u23，u24，u25}，u3= {u31，u32，u33，u34，u35}。采用專家打分法對(duì)第二級(jí)因素組成的集合ui中的每個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)公式 ⑴，得到單因素評(píng)價(jià)矩陣為：

表4 HAZOP 分析結(jié)果(部分)Tab.4 Results of the HAZOP (part)

2.4 確定各因素權(quán)重

邀請(qǐng)專家對(duì)集合u1中的元素進(jìn)行兩兩比較，根據(jù)表1 中uij取值的不同含義及公式 ⑵，得到判斷矩陣

用Matlab 計(jì)算可得判斷矩陣的最大特征值λ1max= 5.244 9，相應(yīng)的特征向量歸一化后為A1=(0.372 2，0.179 4，0.072 4，0.122 0，0.254 0)T。經(jīng)檢驗(yàn)，CI1= 0.061 2，CR1= 0.054 7 ＜0.1，結(jié)果表明判斷矩陣具有很好的一致性，歸一化后的特征向量A1= (0.372 2，0.179 4，0.072 4，0.122 0，0.254 0)T可作為權(quán)重向量，用于描述元素u1i在u1中的重要性。用相同的方法，可以得到歸一化后的特征向量A2= (0.471 7，0.078 6，0.045 9，0.201 9，0.201 9)T可作為權(quán)重向量，用于描述u2i在u2中的重要性；歸一化后的特征向量A3= (0.2110，0.470 8，0.0750，0.0824，0.1609)T可作為權(quán)重向量，用于描述u3i在u3中的重要性；歸一化后的特征向量A=(0.229 7，0.6483，0.1220)T可作為權(quán)重向量，用于描述ui在u中的重要性。

2.5 綜合安全評(píng)價(jià)

根據(jù)公式 ⑶，可得各二級(jí)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果為B1= (0，0，0.410 4，0.589 6)，B2= (0，0，0.660 3，0.339 7)，B3= (0，0，0.260 0，0.740 1)。由各二級(jí)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果組成綜合評(píng)價(jià)矩陣車載地震緊急處置裝置綜合評(píng)價(jià)結(jié)果如表5 所示。

2.6 結(jié)果分析

由表5 可知，在功能u1可能產(chǎn)生的各個(gè)偏差中，u11的權(quán)重最大，為0.372 2，u13的權(quán)重最小，為0.072 4，說(shuō)明在功能u1中，先解決u11的偏差是最重要的。同樣，在功能u2可能產(chǎn)生的各個(gè)偏差中，u21的權(quán)重最大，為0.471 7，u23的權(quán)重最小，為0.045 9，說(shuō)明在功能u2中，先解決u21的偏差是最重要的。在功能u3可能產(chǎn)生的各個(gè)偏差中，u32的權(quán)重最大，為0.470 8，u33的權(quán)重最小，為0.075 0，說(shuō)明在功能u3中，先解決u32的偏差是最重要的。而在整個(gè)車載地震緊急處置裝置中，由于功能u2所占的權(quán)重最大，為0.648 3。因此，對(duì)整個(gè)車載地震緊急處置裝置來(lái)說(shuō)，首先需要完善的是功能u2。

由表5 可知，元素u1的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“不可接受的”的占0%，為“不期望的”的占0%，為“可忍受的”的占41.04%，為“普遍可接受的”的占58.96%。根據(jù)最大隸屬度原則，功能u1的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“普遍可接受的”。用相同的方法可以求出功能u2的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是“可忍受的”，功能u3的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是“普遍可接受的”。同樣，根據(jù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B=(0，0，0.554 1，0.446 0)可知，整個(gè)車載地震緊急處置裝置的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“可忍受的”。因此，對(duì)整個(gè)車載地震緊急處置裝置來(lái)說(shuō)，降低功能u2的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，能夠降低整個(gè)車載地震緊急處置裝置的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表5 車載地震緊急處置裝置綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Comprehensive evaluation results of the EETD

3 結(jié)束語(yǔ)

車載地震緊急處置裝置作為高速鐵路地震預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分之一，在高速鐵路地震預(yù)警安全中發(fā)揮著重要作用。車載地震緊急處置裝置綜合安全評(píng)價(jià)應(yīng)用研究在對(duì)車載地震緊急處置裝置進(jìn)行HAZOP 分析的基礎(chǔ)上，利用模糊綜合評(píng)價(jià)法和層次分析法對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，能夠找出車載地震緊急處置裝置的不同功能潛在的偏差及這些功能和偏差對(duì)應(yīng)的權(quán)重和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，彌補(bǔ)了單獨(dú)使用定性或定量分析方法分析車載地震緊急處置裝置時(shí)的不足，為對(duì)車載地震緊急處置裝置的安全評(píng)價(jià)提供一種新思路，也為車載地震緊急處置裝置今后的完善和改進(jìn)提供理論參考和依據(jù)。