高速鐵路信號系統(tǒng)的安全評估方法的研究

孫曉明　周冬梅

摘要：近年來，我國高速鐵路發(fā)展迅猛，由此各國高鐵事故頻頻發(fā)生，且許多事故與信號系統(tǒng)未能充分發(fā)揮作用、無法滿足安全要求有關(guān)，對于信號系統(tǒng)的安全評估研究迫在眉睫。該文對我國鐵路信號系統(tǒng)的安全評估方法進(jìn)行分析，提出并探討了其安全評估方法的選擇和采用層次分析和灰色理論相結(jié)合的方法對高鐵信號系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

關(guān)鍵詞：高速鐵路信號系統(tǒng)；安全評估；層次分析法；灰色理論

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）18-0075-02

鐵路運(yùn)輸憑借其安全、快速、大容量、氣候適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。高速鐵路包括運(yùn)營速率不小于250km/h的高速新線，以及改造后最高運(yùn)營速率不小于200km/h的線路。我國現(xiàn)有高速鐵路里程已超過1.6萬公里，而且其智能化和信息化程度越來越高。因此，高速鐵路信號系統(tǒng)作為列車安全高速運(yùn)行的保障變得更加重要。

1.高速鐵路信號系統(tǒng)安全評估的研究意義

高速鐵路信號系統(tǒng)是鐵路路況、行車信號等數(shù)據(jù)的采集、處理中心，也是整個(gè)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的控制樞紐，它涉及電子、通信、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域，與整個(gè)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的安全和效率緊密相連。鐵路信號設(shè)備發(fā)生故障或鐵路信號系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，都會影響列車的正常運(yùn)行，甚至導(dǎo)致事故，造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。這就要求在高速鐵路前期規(guī)劃、整個(gè)建設(shè)過程、運(yùn)營和維修中都要考慮信號系統(tǒng)的安全性能。如何在系統(tǒng)的整個(gè)生命周期對其進(jìn)行安全檢測和評估是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，因此，研究鐵路信號系統(tǒng)的安全評估問題意義重大。

安全評估，又稱安全分析、安全評價(jià)、危險(xiǎn)評價(jià)或風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。顧名思義，安全評估是以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、工程安全為目的，運(yùn)用一定的方法評價(jià)和預(yù)測擬建或者已有系統(tǒng)、工程可能存在的危險(xiǎn)以及可能產(chǎn)生的后果，這是其廣義的內(nèi)涵。狹義的安全評估則是對系統(tǒng)固有的潛在危險(xiǎn)及嚴(yán)重程度進(jìn)行分析和預(yù)測并作出定量評估。根據(jù)安全評估指標(biāo)，對系統(tǒng)的有害因素、薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行判別，從而采用改進(jìn)技術(shù)，制定相應(yīng)的防范措施，盡量降低系統(tǒng)的失效率，提高可靠性。

2.高速鐵路信號系統(tǒng)安全評估的方法

1）預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）

在項(xiàng)目初期，通常對系統(tǒng)的潛在危險(xiǎn)沒有全面的把握，在這種情況下預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）是一種比較合適的方法。PHA適用于小規(guī)模系統(tǒng)，是在項(xiàng)目設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)或施工之前，預(yù)先對系統(tǒng)進(jìn)行全面細(xì)致的分析，識別其中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)、安全隱患和產(chǎn)生危險(xiǎn)的條件，同時(shí)對其嚴(yán)重性即危險(xiǎn)等級進(jìn)行預(yù)測。針對PHA的分析結(jié)果就可以制定相應(yīng)的措施以最大限度地避免潛在危險(xiǎn)的發(fā)生。

2）專家評估法

專家評估法，顧名思義，就是由一群工作經(jīng)驗(yàn)豐富、專業(yè)知識扎實(shí)的專家來完成評估工作。由于我國高速鐵路信號系統(tǒng)的發(fā)展速度非常快，在安全評估中存在許多無法確定的因素（如系統(tǒng)工作的人員管理問題），這些難以量化的因素就必須依靠專家分析法來解決。通常的方式有表決法、評分法和安全檢查表（Safety Check List，SCL）法。

3）故障模式與影響分析（FMEA）

故障模式和影響分析（Failure Modes and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）將系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，也可按實(shí)際需要將子系統(tǒng)細(xì)分到設(shè)備元件，分析這些獨(dú)立的評估單元可能產(chǎn)生的故障類型和故障影響。通過FMEA可以分析出元件、設(shè)備的故障類型以及可能對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，同時(shí)辨別出單一故障和系統(tǒng)故障。進(jìn)而根據(jù)結(jié)果采取措施減少或避免這些影響，提高設(shè)備的可靠性。FME是故障樹分析的基礎(chǔ)，通常采用故障樹分析法評估時(shí)都要先進(jìn)行故障模式分析。

4）事件樹分析（ETA）

事件樹分析（Event Tree Analysis，ETA）是一種時(shí)序邏輯的事故分析方法，它按事故發(fā)展的時(shí)間順序由初始事件推出可能產(chǎn)生的后果，以此實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)源的識別。由于事故的發(fā)生通常是多個(gè)原因事件相繼發(fā)生的結(jié)果，部分事件以另一些事件的發(fā)生作為前提條件，又可能引起其它事件。因而它們之間存在因果邏輯關(guān)系。ETA以樹枝狀圖來表示事件之間的關(guān)系，以一個(gè)初始事件為起點(diǎn)，依據(jù)事故的發(fā)展順序，分階段一步一步進(jìn)行分析，每一事件可能的后續(xù)事件取完全對立的兩種狀態(tài)（如成功或失敗、安全或危險(xiǎn)、正?；蚬收系龋?。通過ETA，可以進(jìn)行故障診斷、分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。因而ETA在風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中使用較為普遍。

3.基于層次分析法和灰色理論的安全評估

1）層次分析法

層次分析法是美國運(yùn)籌學(xué)家薩蒂應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評價(jià)方法提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。AHP將要評價(jià)的對象層次化，根據(jù)問題性質(zhì)和目標(biāo)將其分解為不同的組成元素，按照各因素間的相互關(guān)系和隸屬關(guān)系將其分層組合形成一個(gè)多層次結(jié)構(gòu)模型。即通過被評價(jià)對象的影響因素及各因素的重要程度來決定評價(jià)結(jié)果。它建立在一定的主觀判斷基礎(chǔ)上。最終歸結(jié)為最底層（指標(biāo)、措施、方案等）相對于最高層（總目標(biāo)）相對重要度的權(quán)值或相對優(yōu)劣次序問題。主要分為建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣、計(jì)算權(quán)重、最大特征根法、一致性檢驗(yàn)、層次總排序五個(gè)基本步驟。

2）灰色理論

灰色系統(tǒng)理論包括灰色預(yù)測法、灰色關(guān)聯(lián)度分析等多種研究方法。而在本論文中，主要用到灰色系統(tǒng)中的“灰數(shù)”這一概念以及灰數(shù)的白化方法。灰數(shù)，指的是對于一個(gè)研究對象，只知其大致范圍卻不知道其確切取值的數(shù)?；覕?shù)的白化，就是將不明確的灰數(shù)進(jìn)行清晰化和確切化。在此過程中要用到白化權(quán)函數(shù)。該函數(shù)是直角坐標(biāo)中的一條三折線或S曲線，用來定量地描述某一評估對象隸屬于某個(gè)灰類的程度。常用的白化權(quán)函數(shù)有左升右降的連續(xù)典型白化權(quán)函數(shù)、下限級白化權(quán)函數(shù)、上限級白化權(quán)函數(shù)和三角白化權(quán)函數(shù)。

3）灰色層次法的評估過程及在安全評估中的應(yīng)用

灰色層次分析法就是將灰色理論應(yīng)用于層次分析法中，用不同的灰色統(tǒng)計(jì)數(shù)來表示不同指標(biāo)對各評價(jià)等級的隸屬度?！半`屬度”指的是一個(gè)指標(biāo)屬于某一個(gè)等級的程度。區(qū)別于清晰集合里面“非此即彼”的界定性質(zhì)，模糊數(shù)學(xué)通過“隸屬度”這一概念將其擴(kuò)展為“亦此亦彼”的界定方式，用“屬于程度”來替代“屬于”和“不屬于”，同時(shí)把定性評價(jià)轉(zhuǎn)化為定量分析。例如假設(shè)我們認(rèn)為人的身高x（cm）達(dá)到180則為高個(gè)子，并且給定如下的隸屬度函數(shù)：

若有一個(gè)人身高為175cm，則f（x）=0.75，即這個(gè)人以0.75的隸屬度屬于高個(gè)子。

在安全評估的應(yīng)用中，將灰色理論和層次分析法結(jié)合，根據(jù)灰色評價(jià)矩陣和權(quán)重向量計(jì)算各準(zhǔn)則下指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，再根據(jù)準(zhǔn)則權(quán)重向量和各準(zhǔn)則下指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣計(jì)算隸屬度矩陣。將系統(tǒng)屬于各安全等級的隸屬度矩陣與灰類等級分值矩陣相乘，得到系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)最大隸屬度原則及灰類分值得出系統(tǒng)所處的風(fēng)險(xiǎn)等級。在理論分析的基礎(chǔ)上，選取高速鐵路信號系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)，將系統(tǒng)分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層進(jìn)行分析。在專家評價(jià)樣本矩陣和兩兩判斷矩陣的基礎(chǔ)上，根據(jù)評價(jià)流程得出分析結(jié)果。

4.結(jié)束語

本文在闡述高速鐵路信號系統(tǒng)安全評估意義的基礎(chǔ)上，結(jié)合常用的安全評估方法，對各方法的選擇依據(jù)進(jìn)行分析。又通過在層次分析和灰色理論中，通過對層次分析法和灰色理論的分析，提出并闡述了灰色層次分析法的評估過程。