王晨菡,王肖寒,吳翊愷

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,南京 210094)

當(dāng)今世界進(jìn)入了高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱:高鐵)時(shí)代,截至2022年底,世界高鐵運(yùn)營(yíng)里程在5萬(wàn)km左右。中國(guó)作為高鐵四大強(qiáng)國(guó)之一,其高鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到4.2萬(wàn)km,占世界70%以上。列車速度作為衡量國(guó)家高鐵發(fā)展水平的重要指標(biāo)之一,突破400 km·h-1進(jìn)入超高速時(shí)代成為許多國(guó)家的目標(biāo)。目前,高鐵分為輪軌高鐵、磁懸浮高鐵和超級(jí)高鐵,其中輪軌高鐵的運(yùn)營(yíng)速度因運(yùn)行阻力的限制而難以達(dá)到超高速列車的運(yùn)行要求,因而“超級(jí)高鐵”被寄予原望[1],如圖1所示。由于具有超高速、高安全、低能耗、噪聲小、污染小等特點(diǎn),超級(jí)高鐵有可能成為繼汽車、輪船、火車和飛機(jī)之后的新一代交通運(yùn)輸工具。然而,由于超級(jí)高鐵的超高速運(yùn)行,一旦發(fā)生交通事故,則會(huì)造成巨大的損失。因此,研究超級(jí)高鐵的安全性是有必要的。

圖1 超級(jí)高鐵

目前,安全分析模型分為簡(jiǎn)單線性模型、復(fù)雜線性模型和系統(tǒng)模型。簡(jiǎn)單線性模型以一種線性思維分析安全問(wèn)題,其包括安全檢查表法、故障樹(shù)分析法(Fault Tree Analysis, FTA)等。尤星達(dá)等[2]在對(duì)地鐵行車作業(yè)安全進(jìn)行危害性分析的基礎(chǔ)上,采用安全檢查表法,提出作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化檢查與評(píng)估方案;Xu等[3]將嚴(yán)重交通事故與普通交通事故進(jìn)行比較,并利用FTA探究產(chǎn)生嚴(yán)重交通事故的基本原因及各原因間的因果關(guān)系。復(fù)雜線性模型以系統(tǒng)狀態(tài)為基礎(chǔ),利用線性思維分析安全問(wèn)題,其包括事故地圖(Accident Analyse Mapping,AcciMap)、預(yù)先危險(xiǎn)分析法(Preliminary Hazard Analysis,PHA)等。趙挺生等[4]通過(guò)構(gòu)建了AcciMap模型分析36起施工升降機(jī)事故中各致因因素間的關(guān)系,并根據(jù)循環(huán)信息流,得出施工升降機(jī)施工的管控措施;Yan等[5]將云模型和PHA結(jié)合實(shí)現(xiàn)危害的定量評(píng)估。系統(tǒng)模型把所有風(fēng)險(xiǎn)要素看作整體,分析各要素間的相互關(guān)系[6],包括貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Bayesian network, BN)、解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretative Structural Modeling Method,ISM)等。Jin等[7]利用魚骨圖獲取鐵路運(yùn)營(yíng)安全事故的致因因素,建立BN鐵路運(yùn)營(yíng)安全事故預(yù)測(cè)模型,并對(duì)各致因因素進(jìn)行敏感性分析;Xu等[8]建立了一個(gè)基于BN和蝴蝶結(jié)模型的傾斜隧道軌道運(yùn)輸事故的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。解釋結(jié)構(gòu)模型作為常見(jiàn)的系統(tǒng)模型之一,最早由美國(guó)的Warfield教授提出[9]。孫銳嬌等[10]通過(guò)對(duì)復(fù)雜山區(qū)鐵路工程中自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的剖析,依次建立了不同的解釋結(jié)構(gòu)模型并提出應(yīng)對(duì)方法;Xu等[11]利用解釋結(jié)構(gòu)模型找出影響員工安全行為的不同因素;Li等[12]使用解釋結(jié)構(gòu)模型評(píng)估了火力發(fā)電廠中各風(fēng)險(xiǎn)要素間的關(guān)系;姜林林等[13]采用解釋結(jié)構(gòu)模型建立軌道交通運(yùn)營(yíng)安全模型,找出影響系統(tǒng)安全的直接原因、間接原因和深層次原因;左博睿等[14]基于“2-4”模型和解釋結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建重大鐵路事故組織的致因框架。

綜上所述,FTA可進(jìn)行定性、定量分析,但存在故障狀態(tài)簡(jiǎn)單、工作量大等問(wèn)題[15]。PHA可對(duì)系統(tǒng)研發(fā)初期進(jìn)行安全評(píng)估,但此方法需要提前定義事故等級(jí)[16]。而作為系統(tǒng)模型中應(yīng)用較為廣泛的解釋結(jié)構(gòu)模型可通過(guò)劃分風(fēng)險(xiǎn)要素層級(jí),找出影響系統(tǒng)安全的多層次原因,因此其更適用于超級(jí)高鐵安全性的研究[17]。由于超級(jí)高鐵處于研發(fā)初期,與現(xiàn)有交通工具相比,難以估計(jì)其實(shí)際安全影響。而B(niǎo)ono教授創(chuàng)立的概念扇[18]可通過(guò)非傳統(tǒng)的橫向思維模式分析和解決問(wèn)題,有助于拓寬風(fēng)險(xiǎn)要素的范圍,使系統(tǒng)安全分析更全面。因此,根據(jù)碰撞對(duì)象不同,文中將超級(jí)高鐵安全問(wèn)題分為列車與列車相撞、列車與管道相撞、管道內(nèi)事故、列車內(nèi)事故和突發(fā)事件,并采用概念扇和解釋結(jié)構(gòu)模型對(duì)其進(jìn)行安全分析,建立超級(jí)高鐵安全模型,為提高超級(jí)高鐵初期安全性提供科學(xué)依據(jù)。

1 基于概念扇和解釋結(jié)構(gòu)模型的安全分析方法

1.1 基于概念扇的安全分析步驟

概念扇由目標(biāo)、方向、概念、方案組成,通過(guò)正向分析將問(wèn)題抽象化,逆向分析將問(wèn)題具體化[19]。其中,目標(biāo)是指需要解決的問(wèn)題,方向是指解決問(wèn)題的基本思路,概念是指解決問(wèn)題的基本方法,方案是指解決問(wèn)題的直接方法,概念扇流程如圖2所示。

圖2 概念扇流程

基于圖2,在安全分析的過(guò)程中,首先,以目標(biāo)為起點(diǎn),通過(guò)第一次迭代找到方向;其次,在某方向上,通過(guò)第二次迭代找到相關(guān)概念;最后,以某概念為出發(fā)點(diǎn),通過(guò)第三次迭代確定最終方案。

1.2 基于解釋結(jié)構(gòu)模型的安全模型構(gòu)建

解釋結(jié)構(gòu)模型可將復(fù)雜系統(tǒng)分解為多個(gè)子系統(tǒng),利用關(guān)聯(lián)矩陣分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)建立層次結(jié)構(gòu)模型,其構(gòu)建步驟[20]如下:

Step1:潛在風(fēng)險(xiǎn)分析。首先,確定系統(tǒng)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)要素;其次,對(duì)各要素編號(hào)Si(i=1,2,…,n);最后,分析要素間的關(guān)系建立關(guān)系總圖,如Sa導(dǎo)致Sb,則在關(guān)系總圖中標(biāo)出Sa指向Sb的箭頭。

Step2:建立鄰接矩陣和可達(dá)矩陣。根據(jù)關(guān)系總圖建立鄰接矩陣A,如式(1)所示。該矩陣用于表示任意2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)要素Si與Sj間的相互關(guān)系,其中若aij為1,則表示Si對(duì)Sj有影響;若aij為0,則表示Si對(duì)Sj無(wú)影響。

A=(aij)n×n,i,j∈[1,n]

(1)

基于建立的鄰接矩陣A,結(jié)合布爾運(yùn)算法則將鄰接矩陣A與單位矩陣I相加,并進(jìn)行A+I的冪運(yùn)算,直至式(2)成立,此時(shí)得到可達(dá)矩陣M。

(A+I)≠(A+I)2≠…≠(Α+I)k=

(A+I)k+1=M

(2)

式中:k表示正整數(shù)。

Step3:風(fēng)險(xiǎn)要素的層級(jí)劃分。在建立的可達(dá)矩陣M中,可達(dá)集M(Si)表示M的第i行中滿足air=1,(r=1,2,…,n)的列要素的集合,先行集F(Si)表示M的第i列中滿足ari=1,(r=1,2,…,n)的行要素的集合,共同集G(Si)表示M(Si)與F(Si)的交集。

針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)要素的層級(jí)劃分,首先在求得M(Si)、F(Si)和G(Si)后,將滿足M(Si)=G(Si)的要素作為第1級(jí)要素L1,即L1中的要素處于解釋結(jié)構(gòu)模型的第1級(jí);然后,將M中屬于L1的行與列刪除,組成矩陣M′,并對(duì)M′進(jìn)行上述操作得到第2級(jí)要素L2;最后,重復(fù)進(jìn)行上述操作,依次求出L3,L4,…,直至將所有風(fēng)險(xiǎn)要素劃分層級(jí)。

Step4:建立并分析解釋結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)上述方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)要素劃分層級(jí),建立并分析解釋結(jié)構(gòu)模型。

2 基于概念扇和解釋結(jié)構(gòu)模型的超級(jí)高鐵安全分析

2.1 基于概念扇的超級(jí)高鐵安全分析

2.1.1 列車與列車相撞分析

在第一次迭代中,列車與列車相撞事件分為制動(dòng)失效、人為失誤和未檢測(cè)到前車。在第二次迭代中,根據(jù)列車能否檢測(cè)到前方車輛,將該事件又分為制動(dòng)系統(tǒng)失效、人為失誤和檢測(cè)系統(tǒng)故障。在第三次迭代中,導(dǎo)致檢測(cè)或制動(dòng)系統(tǒng)故障的原因是設(shè)備故障和關(guān)聯(lián)系統(tǒng)故障,如圖3所示。其中,關(guān)聯(lián)系統(tǒng)包括供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng),當(dāng)供電不足或信號(hào)較弱時(shí),均可能導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法準(zhǔn)確傳輸?shù)街苿?dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng),同時(shí)還需考慮低壓下的信號(hào)傳輸和大功率供電問(wèn)題[21]。此外,人為失誤分為維修人員失誤和駕駛員失誤。其中,駕駛員失誤可能是由于駕駛員在行車過(guò)程中操作不當(dāng)或應(yīng)急處理能力差而導(dǎo)致的。因此,除提升員工職業(yè)技能外,還可以采用自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備輔助行車或檢測(cè)。

圖3 “列車與列車相撞”的概念扇

2.1.2 列車與管道相撞分析

在第一次迭代中,列車與管道相撞事件分為管道變形、列車變形和列車異常運(yùn)行。在第二次迭代中,導(dǎo)致列車或管道變形的原因是外力破壞和內(nèi)部損壞。其中,內(nèi)部損壞是由于組件性能相對(duì)較差或設(shè)備的自然損壞。在第三次迭代中,外力破壞又分為艙體失壓、人為破壞和惡劣天氣,如圖4所示。

圖4 “列車與管道碰撞”的概念扇

除列車或管道變形外,列車異常運(yùn)行也可能造成列車與管道相撞,使列車異常運(yùn)行的原因包括列車、軌道或磁懸浮系統(tǒng)故障。由于超級(jí)高鐵利用電磁力與軌道間實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式導(dǎo)向懸浮,若軌道發(fā)生斷裂、變形,則對(duì)列車安全運(yùn)行影響較大[22]。此外,磁懸浮系統(tǒng)中的直線電機(jī)通過(guò)產(chǎn)生電磁力帶動(dòng)列車運(yùn)行,并為供電系統(tǒng)提供電力。因此,磁懸浮設(shè)備或供電系統(tǒng)故障均可能導(dǎo)致磁懸浮系統(tǒng)失效。

2.1.3 管道內(nèi)事故分析

管道內(nèi)事故分為人、其他異物與列車相撞和空氣進(jìn)入管道,造成車人相撞的原因是列車運(yùn)行時(shí)維修人員未離開(kāi)或其他人員誤入,如圖5所示。其中,維修人員未離開(kāi)的原因是無(wú)法及時(shí)躲避或列車定位設(shè)備故障,故需要合理設(shè)計(jì)應(yīng)急通道。此外,當(dāng)密封結(jié)構(gòu)損壞時(shí),管道內(nèi)的強(qiáng)大吸力也會(huì)對(duì)人員造成安全威脅,因此確保管道和過(guò)渡艙的密封性至關(guān)重要。

圖5 “管道內(nèi)事故”的概念扇

除車人相撞外,車與其他異物相撞也會(huì)影響列車運(yùn)行安全,根據(jù)異物來(lái)源將其分成人為遺落、列車組件掉落和管道內(nèi)設(shè)備占位。其中,人為遺落主要是指維修設(shè)備遺落,列車組件掉落和管內(nèi)設(shè)備占位是由于組件性能差而導(dǎo)致。此外,高真空、低氣壓的管道內(nèi)進(jìn)入空氣也會(huì)對(duì)列車運(yùn)行產(chǎn)生影響,其原因包括抽氣系統(tǒng)故障和密封結(jié)構(gòu)損壞。其中,抽氣設(shè)備(如真空泵等)故障或關(guān)聯(lián)系統(tǒng)故障導(dǎo)致抽氣系統(tǒng)故障,組件內(nèi)部損壞、外力破壞或連接處密封性差導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)損壞。

2.1.4 列車內(nèi)事故分析

如圖6所示,列車內(nèi)事故包括車內(nèi)環(huán)境異常和其他事故(如火災(zāi)、電氣事故等)。列車內(nèi)失壓、缺氧和溫度異常是車內(nèi)環(huán)境異常的原因。列車材質(zhì)易燃、攜帶易燃易爆品和磁懸浮系統(tǒng)失效是發(fā)生火災(zāi)的原因。當(dāng)磁懸浮系統(tǒng)失效后,列車與軌道碰撞會(huì)產(chǎn)生巨大摩擦從而引發(fā)火災(zāi)。同時(shí),太陽(yáng)熱輻射和大功率電機(jī)、真空泵等設(shè)備的運(yùn)作也會(huì)使真空管道由于溫度升高、散熱難而引發(fā)火災(zāi),因此需要對(duì)真空管道和列車進(jìn)行抗輻射、散熱處理。

2.1.5 突發(fā)事件分析

如圖7所示,突發(fā)事件分為惡劣天氣和恐怖襲擊。由于暴雨、臺(tái)風(fēng)等對(duì)高架管道影響較大,而地震對(duì)地面和地下管道均會(huì)造成影響,故將惡劣天氣分為地震和其他自然災(zāi)害。其中,通過(guò)增加減震設(shè)計(jì)和減少地面管道數(shù)來(lái)減少惡劣天氣的影響。此外,安檢系統(tǒng)不完善是導(dǎo)致恐怖襲擊的主要原因,而人為失誤、設(shè)備故障和系統(tǒng)識(shí)別精度低是安檢系統(tǒng)不完善的原因。為提高超級(jí)高鐵的安全性,還需考慮安全風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施。

圖7 “突發(fā)事件”的概念扇

2.2 基于解釋結(jié)構(gòu)模型法的超級(jí)高鐵安全模型

基于上述概念扇安全分析結(jié)果,利用解釋結(jié)構(gòu)模型對(duì)影響超級(jí)高鐵安全性的要素進(jìn)行如下分析:

Step1:潛在風(fēng)險(xiǎn)分析。如表1所示,根據(jù)上述概念扇第三次迭代結(jié)果,歸納出18種超級(jí)高鐵安全事故的風(fēng)險(xiǎn)要素并對(duì)其編號(hào),Si(i=1,2,…,18)。將表1與上述概念扇的安全分析結(jié)果結(jié)合,建立風(fēng)險(xiǎn)要素間的關(guān)系總圖,如圖8所示。

表1 超級(jí)高鐵安全事故潛在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

圖8 潛在風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系總圖

Step2:建立鄰接矩陣和可達(dá)矩陣。根據(jù)表1、圖8和式(1),建立鄰接矩陣A,如式(3)所示。因此,結(jié)合式(2)和式(3),得出當(dāng)k=3時(shí),滿足(A+I)≠(A+I)2≠(A+I)3=(A+I)4=M,其可達(dá)矩陣M如式(4)所示。

(3)

(4)

Step3:風(fēng)險(xiǎn)要素的層級(jí)劃分。根據(jù)M(Si)=G(Si),在表2中可以得出超級(jí)高鐵安全模型的第1級(jí)要素L1={S6,S11,S16};在可達(dá)矩陣中劃去第1級(jí)要素對(duì)應(yīng)的行和列,計(jì)算第2級(jí)可達(dá)集、先行集和共同集,進(jìn)而得出第2級(jí)要素L2={S3,S12,S15};同理可得到第3級(jí)要素L3={S4,S10,S13}、第4級(jí)要素L4={S1,S5,S7,S8,S9}、第5級(jí)要素L5={S2}、第6級(jí)要素L6={S14,S17}、第7級(jí)要素L7={S18}。

表2 第1級(jí)可達(dá)集合和先行集

Step4:建立解釋結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)上述方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)要素劃分層級(jí),最后得出基于解釋結(jié)構(gòu)模型的超級(jí)高鐵安全模型,如圖9所示。

圖9 基于解釋結(jié)構(gòu)模型的超級(jí)高鐵安全模型

Step5:超級(jí)高鐵安全模型分析。如圖9所示,根據(jù)超級(jí)高鐵對(duì)風(fēng)險(xiǎn)要素的劃分結(jié)果進(jìn)行如下分析:

1)當(dāng)抽氣系統(tǒng)故障S6或過(guò)渡艙損壞S11時(shí),管道因無(wú)法保持真空狀態(tài)而影響列車安全運(yùn)行。此外,當(dāng)列車在行駛過(guò)程中未檢測(cè)到列車駛?cè)隨16時(shí),則會(huì)發(fā)生列車與列車相撞事件。因此,第1級(jí)要素L1是影響超級(jí)高鐵安全的第1層最直接風(fēng)險(xiǎn)要素。

2)管道損壞S12或端口對(duì)接密封性差S15都可能導(dǎo)致過(guò)渡艙損壞S11,從而間接影響超級(jí)高鐵的安全性。其中,管道損壞S12對(duì)行車安全存在直接影響。此外,檢測(cè)系統(tǒng)故障S3會(huì)導(dǎo)致行駛車輛未檢測(cè)到列車駛?cè)隨16。因此,第2級(jí)要素L2是影響超級(jí)高鐵安全的第2層間接風(fēng)險(xiǎn)要素。

3)制動(dòng)系統(tǒng)故障S4和組件性能差S13都可能導(dǎo)致列車損壞S10,從而引發(fā)列車與管道相撞事件。其中,制動(dòng)系統(tǒng)中的組件性能差S13也會(huì)導(dǎo)致此系統(tǒng)出現(xiàn)故障S4。因此,第3級(jí)要素L3是影響超級(jí)高鐵安全的第3層風(fēng)險(xiǎn)要素,且該級(jí)要素間存在相互作用。

4)磁懸浮系統(tǒng)S1、壓力系統(tǒng)S7、供氧系統(tǒng)S8或空調(diào)系統(tǒng)S9的故障會(huì)導(dǎo)致列車損壞S10。此外,通信系統(tǒng)S5對(duì)超級(jí)高鐵系統(tǒng)內(nèi)的其他系統(tǒng)均會(huì)產(chǎn)生影響。因此,第4級(jí)要素L4是影響超級(jí)高鐵安全的第4層風(fēng)險(xiǎn)要素。

5)由于磁懸浮系統(tǒng)S1利用電磁懸浮原理,通過(guò)直線電機(jī)產(chǎn)生電磁力帶動(dòng)列車運(yùn)行,而供電系統(tǒng)S2為直線電機(jī)提供電力。因此,第5級(jí)要素L5是影響超級(jí)高鐵安全的第5層風(fēng)險(xiǎn)要素。

6)惡劣天氣S14和人為失誤S17會(huì)對(duì)超級(jí)高鐵產(chǎn)生各方面的影響,其中包括供電系統(tǒng)故障S2。因此,第6級(jí)要素L6是影響超級(jí)高鐵安全的第6層更深層風(fēng)險(xiǎn)要素。

7)超級(jí)高鐵系統(tǒng)內(nèi)的人為因素是影響其安全性的深層次原因,其中,主觀原因S18可能導(dǎo)致人為失誤S17。因此,第7級(jí)要素L7是影響超級(jí)高鐵安全的第7層最深層風(fēng)險(xiǎn)要素。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)管控措施

根據(jù)安全分析結(jié)果將安全問(wèn)題歸納成人為失誤、設(shè)備故障、列車和管道等形變及惡劣天氣,并根據(jù)不同的解決對(duì)象,將風(fēng)險(xiǎn)管控措施分成人為因素和外部環(huán)境,如表3所示。

表3 超級(jí)高鐵安全問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)管控措施

3 結(jié) 語(yǔ)

1)對(duì)影響超級(jí)高鐵安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)要素進(jìn)行劃分,預(yù)測(cè)可能發(fā)生的安全問(wèn)題,可在一定程度上為我國(guó)超級(jí)高鐵的運(yùn)行安全提供參考依據(jù)。

2)利用概念扇和解釋結(jié)構(gòu)模型分析超級(jí)高鐵的5類潛在安全問(wèn)題,基于概念扇的初步分析后,采用解釋結(jié)構(gòu)模型對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)要素劃分層級(jí),找出導(dǎo)致安全問(wèn)題發(fā)生的深層次原因,有利于擴(kuò)展對(duì)研發(fā)初期超級(jí)高鐵安全性的研究。

3)通過(guò)超級(jí)高鐵安全分析結(jié)果,得到相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施,為解決超級(jí)高鐵初期的安全問(wèn)題提供了一定的管控建議。

研究也存在一定的不足,如由于超級(jí)高鐵尚未運(yùn)營(yíng),對(duì)其安全分析缺少數(shù)據(jù)支撐,因此分析結(jié)果存在一定偏差。后續(xù)可嘗試?yán)梅抡孳浖M超級(jí)高鐵碰撞事故,為超級(jí)高鐵初期安全分析提供更多的實(shí)際價(jià)值。