鐵路貨車脫軌事故風險評價研究

張鐵金

（北京鐵路局調度所，北京 100860）

0 引言

列車脫軌會給生命財產造成重大損害。1998年6月德國發(fā)生其鐵路有史以來最為慘重的列車脫軌事故，造成100人死亡，60余人重傷，運輸技術裝備（車輛、線路和橋梁等）遭受重大損失。2005年4月25日日本發(fā)生了近40年來最為嚴重的列車脫軌事故，傷亡人數(shù)達500余人。近10年來，脫軌事故在我國鐵路行車重大較大事故中的比率高達70%左右。嚴重的脫軌事故，不僅導致車輛、線路的損壞，甚至造成人員傷亡，造成巨大的直接經(jīng)濟損失，而且由于長時間行車中斷，還會影響社會的安定，同時給鐵路運輸?shù)男抛u帶來嚴重損害。因此，研究列車脫軌具有重要的理論意義、經(jīng)濟效益和社會價值。

1 既有鐵路貨車脫軌安全評價方法

最早對脫軌的研究可追溯到19世紀末。1896年，Nadal首先根據(jù)爬軌車輪出現(xiàn)爬軌趨勢的靜力平衡條件，提出了臨界脫軌系數(shù)[Q／P]的計算式，并以此作為車輪開始脫軌的評判準則。此后，各國從理論計算和試驗兩個方面研究了[Q／P]的量值，并制定了各自的規(guī)范限值。

我國《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范》（GB 5599—85）規(guī)定的脫軌系數(shù)安全標準為：Q／P≤1．0為允許限度，Q／P≤1．2為危險限度。 不過，我國近幾年來進行的幾次大規(guī)模脫軌試驗均未完全執(zhí)行GB 5599—85，而是參考了日本標準或做相應的調整，否則，大量工況將被鑒定為脫軌，試驗將不能順利進行下去。為此，翟婉明提出用Q／P大于1．0及AP／P0大于0．6的最大持續(xù)作用時間均應小于0．035s作為車輪脫軌的安全限度，并提出了對國標GB 5599—85進行修改的建議方案。薛弼一對Nadal脫軌系數(shù)經(jīng)典公式進行了改進，得出的結論是：Nadal脫軌系數(shù)公式過于保守，應采用改進公式進行車輛脫軌安全性評價。曾宇清基于Nadal脫軌系數(shù)經(jīng)典公式，提出了修正的脫軌安全動態(tài)限度，認為可以減小脫軌系數(shù)的誤判率。

上述國內外關于脫軌的研究并沒有改變Nadal脫軌系數(shù)的根本思想，都是單輪在假定荷載下的計算和試驗，沒有從事故中分析脫軌之所以發(fā)生的影響因素，也沒有從脫軌風險發(fā)生的可能性中提取有用信息，應用相關理論和方法將脫軌發(fā)生的概率降到最低。因而需要建立一套評價方法，綜合考核各方面的安全狀況，以期對評價對象的安全性作出全面系統(tǒng)的評價。

2 安全評價指標的選取

車輛脫軌往往不是由單一因素造成的，是多種因素綜合作用的結果。它是一種隨機性事件，換言之，列車編組方式、列車運行速度、機車操縱工況、線路技術狀態(tài)和車輛技術狀態(tài)等都是造成車輛脫軌的因素。諸多因素在最不利條件下耦合導致車輛脫軌。因此，找出對貨車脫軌影響最大的因素，盡量減少這些不利因素的發(fā)生，削弱它的強度，降低其耦合機率，是解決“主要原因不清”的車輛脫軌事故的有效途徑。筆者通過對既有評價指標的研究分析，選取了違章作業(yè)、機車車輛因素、鋼軌路基因素、環(huán)境因素和心理因素等五大類評價指標。

3 模糊綜合評價簡介

3． 1 模糊綜合評判的基本要素

模糊綜合評判包括六個基本要素：評判因素論域、評語等級論域、模糊關系矩陣、評判因素權向量、合成算子和評判結果向量。

3． 2 模糊評價步驟

3．2．1 建立評價因素集U＝｛u1， u2， …， un｝

即首先確定評價因素體系，解決從哪些方面利用哪些因素來評價客觀對象的問題。這在上面已經(jīng)完成。

3．2．2 建立評價集V＝｛v1， v2， …， vn｝

確定評價集可使模糊綜合評判得到了一個模糊評判向量，被評價對象對各評價等級的隸屬程度的信息通過該模糊向量表示，體現(xiàn)評判的模糊特性。例如，評價集可以設定為｛安全，較安全，一般，較危險，危險｝或｛好，中，差｝，等等。

3．2．3 進行單因素評價，建立評價矩陣R

其中，rij為U中元素ui對應V中等級vi的隸屬關系，即r1，r2，…rn是由第i個指標的評分值分別代入對v1，v2，…，vn隸屬函數(shù)中計算出來的。

3．2．4 建立因素權重集A＝｛a1， a2， …， an｝

A是U中各因素對被評價對象的隸屬關系。為反映各因素的重要程度，應對各因素給予一定的權重ai。根據(jù)各指標因素對應的頻率和九級標度規(guī)則來判斷各個指標間的相對重要程度，依據(jù)數(shù)學上求判斷矩陣的特征根和特征向量的方法，計算出各因素的權重。各因素權重的確定已在上一節(jié)完成。

3．2．5 選擇合成算子， 進行綜合評判

模糊綜合評判的基本模型可用下式表示：

式中， “?！贝砗铣伤阕印?/p>

根據(jù)綜合評判的最后結果，用最大隸屬度原則得出最后的評價結果。

4 案例分析

4． 1 事故概況

2006年7月18日5時02分沈陽鐵路局通遼機務段DF4B7422號機車牽引86401次貨物列車，編組57輛， 總重1 290t， 計長68．4m。 列車以46km／h速度通過通霍線72km＋325m處時，機后第1、2、3位車輛脫軌。脫軌后司機發(fā)現(xiàn)列車速度下降，使用非常制動將列車停于通霍線73km＋669m處（脫軌后走行1 345m），并立即報告舍伯吐車站。經(jīng)復舊，于8時32分開通線路，中斷行車3小時30分。

現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，斷軌部位是鋁熱焊焊縫，脫軌點處線路位于無縫線路地段直線上，線路坡度為1．0‰上坡。檢查脫軌點前后各100m線路幾何尺寸無失格記錄。線路鋼軌扣件失效不超限，存在空吊現(xiàn)象。機車走行部各部尺寸正常，無配件脫落；車輛各配件無脫落，各部尺寸符合規(guī)定。

4． 2 事故原因

根據(jù)現(xiàn)場調查和分析，事故原因可歸為以下幾點：

a）焊接過程中沒有嚴格執(zhí)行焊接工藝，造成焊接面存有黑核、夾渣和兩個φ2mm的氣孔，該焊接缺陷的存在造成鋼軌強度下降，在列車車輪沖擊力的作用下發(fā)生折斷，這是造成鋼軌折斷的直接原因；

b）探傷人員進行探傷檢查時，沒有按規(guī)定用小鏡子檢查軌底部分，未能發(fā)現(xiàn)鋼軌底部存在的夾沙問題，這是造成鋼軌折斷的間接原因；

c）鋼軌折斷后，因該處線路存在不均勻空吊現(xiàn)象，造成兩端頭不在同一水平面上，加大了車輪與鋼軌的沖擊力，也加劇了鋼軌的彈性變形，致使車輪跳起后脫軌，這是造成列車脫軌的直接原因；

d）通霍線夜間巡道員擅離職守，造成鋼軌折斷后不能及時發(fā)現(xiàn)處理，這是造成列車脫軌的又一原因。

4． 3 模糊評價分析

4．3．1 建立評價因素集

建立評價因素集如下：

U＝｛u1，u2， …， u9｝

式中：u1——超載偏載；

u2——值班員操作；

u3——司機操作；

u4——線路違章施工；

u5——段檢列檢疏忽；

u6——線路長期失修零件松動；

u7——線路施工后存隱患；

u8——人為破壞；

u9——自裝貨物加固狀態(tài)。

4．3．2 建立評判集

將評價結果為“好”、“中”、“差”三個等級，建立評判集如下：

V＝｛v1， v2， …， vn｝＝｛好， 中，差｝

4．3．3 進行單因素評判

根據(jù)通霍線86401次貨物列車脫軌險性事故調查報告，首先請沈陽鐵路局專門從事貨車運行維護與維修的專業(yè)技術人員及親身參與86401次貨物列車脫軌調查的相關專家進行打分（見表4－1）。

表4 －1 專家打分表

將各因素所得分數(shù)代入隸屬函數(shù)，可得每個因素對評價集中每個等級的隸屬度。例如，對u1的分數(shù)為92， 因此可以算出， μ1（92）＝0．903。 同理， μ2（92）＝0．080，μ3（92）＝0．061。 因此隸屬度Ru1為：Ru1＝ ［0．903 0．080 0．601］。

同理，可得其他影響因素的的隸屬度，得到單因素評價矩陣如下：

4．3．4 各因素權重的確定

各因素的權重已在上一節(jié)中算出，即：A＝｛0．125， 0．140， 0．125，0．156， 0．140， 0．050， 0．15 6， 0．058， 0．050｝。

4．3．5 綜合評判

采用M（●，⊕）合成算子：

B＝A·R＝｛0．300 0．067 0．666｝

按最大隸屬原則選取0．666對應的貨車運行狀況隸屬區(qū)間為“差”，因此判斷此列車脫軌的風險等級為高，很可能發(fā)生脫軌事故。事實上也確實發(fā)生了事故，證明該事故風險評價方法是可行的。此模型可用于對在線運行的貨車進行評價，對于運行狀況隸屬度為“中”和“差”的車輛及時預警，必要時停車檢查，對防止貨車脫軌事故的發(fā)生具有重要的現(xiàn)實意義。

[1]楊浩.關于防止貨車空車脫軌的研究[D].北京：北京交通大學，2003.

[2]楊文安.高速公路經(jīng)營風險的模糊層次評價[J].工業(yè)技術經(jīng)濟，2006，（3）：122-124.