高速鐵路供電系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)研究

程學(xué)慶 ，李月，楊濤，李建海

(1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；

2.西南交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸智能化國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；

3.上海鐵路局 連云港供電車間，江蘇 連云港 222000)

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高速鐵路供電系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)研究

程學(xué)慶1，2，李月1，楊濤3，李建海1

(1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都 610031；

2.西南交通大學(xué) 綜合交通運(yùn)輸智能化國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；

3.上海鐵路局 連云港供電車間，江蘇 連云港 222000)

摘要:高速鐵路供電系統(tǒng)是高速鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，其安全可靠性關(guān)乎高速鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。目前我國(guó)在高鐵供電系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)研究大多在定性分析方面，缺乏定量分析研究。本文利用定性與定量相結(jié)合的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)高速鐵路供電系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的控制措施，為提升高鐵供電系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)安全管理水平提供參考。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；供電系統(tǒng)；安全評(píng)估；風(fēng)險(xiǎn)概率；風(fēng)險(xiǎn)控制

隨著我國(guó)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃和中國(guó)高鐵“走出去”戰(zhàn)略的提出，我國(guó)高速鐵路進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。我國(guó)處在高速鐵路運(yùn)營(yíng)初期，在追求高速度和高密度運(yùn)行的同時(shí)，安全問(wèn)題也日益凸顯出來(lái)。鐵路運(yùn)營(yíng)要以安全為先導(dǎo)，必須要對(duì)高速鐵路的各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)排查并制定相應(yīng)防控措施和應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)案。供電系統(tǒng)作為高速鐵路重要子系統(tǒng)之一，有必要對(duì)其安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量與定性分析，并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

1國(guó)內(nèi)外研究概況

“安全第一，預(yù)防為主”是各個(gè)行業(yè)的安全生產(chǎn)準(zhǔn)則，它是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、事故傷亡教訓(xùn)總結(jié)出的結(jié)論，預(yù)防安全事故的發(fā)生需要進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。安全性評(píng)估是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)子系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行逐步排查，根據(jù)事故樹(shù)法(FTA)、事件樹(shù)法(ETA)、綜合評(píng)價(jià)法等科學(xué)分析方法，確定危險(xiǎn)源清單。在危險(xiǎn)源清單中劃分不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并制定相應(yīng)的預(yù)控措施[1-2]。安全評(píng)價(jià)技術(shù)誕生于20世紀(jì)30年代，西方保險(xiǎn)業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了安全評(píng)價(jià)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。保險(xiǎn)公司為客戶承擔(dān)各種風(fēng)險(xiǎn)，必然要收取一定的費(fèi)用，而收取費(fèi)用的多少是由所承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)大小決定的。安全評(píng)價(jià)也被稱作“風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”(Risk Assessment)。20世紀(jì)后半葉，安全評(píng)價(jià)技術(shù)受系統(tǒng)安全工程理論發(fā)展的帶動(dòng)得到快速發(fā)展[3]。1969年美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)頒布了系統(tǒng)安全軍事標(biāo)準(zhǔn)《系統(tǒng)安全大綱要點(diǎn)》(MIL-STD-822)，提出了涵蓋系統(tǒng)整個(gè)生命周期的安全要求程序和目標(biāo)，形成了現(xiàn)代系統(tǒng)安全工程的理論、方法體系。20世紀(jì)80年代初期，安全系統(tǒng)工程被引入我國(guó)，許多研究單位、行業(yè)管理部門及部分企業(yè)開(kāi)始對(duì)安全評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究及實(shí)際應(yīng)用[4]。國(guó)內(nèi)外較多專家學(xué)者對(duì)鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了許多細(xì)致的研究，安全問(wèn)題始終是鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)的核心問(wèn)題。目前在鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)及評(píng)價(jià)技術(shù)研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)取得了較好的研究成果[5-10]。歸納來(lái)看，國(guó)外常用做法是基于風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)來(lái)創(chuàng)新安全管理模式，依靠科技進(jìn)步提升鐵路安全管理水平。國(guó)內(nèi)鐵路運(yùn)輸安全管理已經(jīng)取得了較多研究成果，主要觀點(diǎn)是提高員工的安全素質(zhì)，加強(qiáng)作業(yè)環(huán)節(jié)的規(guī)范管理。但是也存在一些問(wèn)題，例如有些觀點(diǎn)沒(méi)有從系統(tǒng)角度考慮安全管理問(wèn)題，只是分析部分因素；有些觀點(diǎn)脫離實(shí)際，缺乏可操作性等。因此有必要結(jié)合我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全管理實(shí)際，系統(tǒng)深入地研究高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全管理問(wèn)題。

2安全評(píng)估方法

根據(jù)RAMS中關(guān)于安全評(píng)估的內(nèi)容，結(jié)合鐵路供電系統(tǒng)的實(shí)際情況，孫建明等[11-12]提出基于事件樹(shù)分析法( Event Tree Analysis，ETA)與改進(jìn)的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法(LEC)相結(jié)合的安全評(píng)估方法。

2.1事件樹(shù)分析法

事件樹(shù)分析( ETA)是從一個(gè)初始事件開(kāi)始，交替考慮其可能轉(zhuǎn)化事件的可能性，然后再以這些可能性事件作為新的初始事件，如此繼續(xù)分析下去，直到找到最后的結(jié)果，事故樹(shù)分析主要用于安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)概率的計(jì)算。

2.2概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法(LEC)

概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法(LEC)是利用與系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)率有關(guān)的3種因素指標(biāo)值的乘積來(lái)評(píng)估系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)的大小。與風(fēng)險(xiǎn)率有關(guān)的3種因素分別是：L為發(fā)生安全事故的可能性；E為暴露在某危險(xiǎn)環(huán)境中的次數(shù)；C為安全事故的損失。再以3個(gè)分值的乘積D來(lái)評(píng)估危險(xiǎn)性的大小。

根據(jù)高速鐵路供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，依據(jù)RAMS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種因素劃定等級(jí)。利用模糊層次分析法[15]確定L，E和C各自的權(quán)重，L，E和C的等級(jí)劃分取值參考了《電力企業(yè)安全評(píng)價(jià)方法與應(yīng)用》等文獻(xiàn)。對(duì)鐵路供電系統(tǒng)安全性進(jìn)行概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，L，E和C等因素的等級(jí)劃分如表1～3所示。

表1　風(fēng)險(xiǎn)可能性L的分級(jí)

表2人員暴露頻繁程度E的分級(jí)

Table 2 Classification of the frequency of worker exposure E

人員暴露頻繁程度評(píng)分人員暴露頻繁程度評(píng)分經(jīng)常暴露10工作時(shí)間暴露7偶爾暴露4很少暴露2極少暴露1幾乎不暴露0.3

表3　危害嚴(yán)重程度C的分級(jí)

將上述3種因素的分值相乘，即D=L×E×C，求得D。根據(jù)D的大小劃分為5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：D1，D2，D3，D4和D5。每個(gè)級(jí)別對(duì)應(yīng)不同的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，如表4所示。

表4　風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別及控制措施

3安全評(píng)估指標(biāo)

3.1鐵路安全評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(RAMS)

基于鐵路應(yīng)用的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性(RAMS)是鐵路建設(shè)、維修、運(yùn)營(yíng)及安全評(píng)價(jià)中常用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。長(zhǎng)期的鐵路系統(tǒng)評(píng)估研究集中在可靠性、可用性和可維護(hù)性(RAM)上，對(duì)于安全性(S)的量化研究較少[13-14]。安全性包括內(nèi)部各子系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)以及系統(tǒng)與外部環(huán)境相互影響的風(fēng)險(xiǎn)。安全性(S)與其他 RAM各要素之間的相互聯(lián)系，如圖1所示。

圖1　RAMS元素關(guān)系圖Fig.1 RAMS element graph

依據(jù)RAMS標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合高速鐵路供電系統(tǒng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)用以下的安全性指標(biāo)和方法來(lái)計(jì)算系統(tǒng)各類風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率并評(píng)估各種設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)程度和系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[15]。

3.2設(shè)備危險(xiǎn)系數(shù)(T)

設(shè)備危險(xiǎn)系數(shù)定義為在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)供電系統(tǒng)中某種設(shè)備故障后可能引發(fā)安全性事故的次數(shù)與此類設(shè)備的故障總次數(shù)之比，如式(1)所示：

(1)

式中： Ti為某類設(shè)備(元件)的危險(xiǎn)系數(shù)；Ci s為第i類設(shè)備故障中可能引發(fā)安全事故的次數(shù)；Ci為該類設(shè)備的故障次數(shù)。設(shè)備危險(xiǎn)系數(shù)反映了設(shè)備本身的安全性，要通過(guò)大量的設(shè)備故障資料統(tǒng)計(jì)獲得。

3.3事故轉(zhuǎn)移率(Z)

高速鐵路供電系統(tǒng)中的安全事故大致可分為2類，分別是設(shè)備故障類安全事故和供電中斷類安全事故[16]。如圖2所示，本文歸納了供電系統(tǒng)常見(jiàn)的7 種安全事故，分別是乘客混亂、信號(hào)系統(tǒng)故障、延誤列車、冒進(jìn)事故、列車沖突、一般性事故和火災(zāi)爆炸。

為定量計(jì)算以上各類安全事故發(fā)生的概率，把A事故引發(fā)B事故的概率值定義為AB之間的事故轉(zhuǎn)移率。即：

(2)

式中：PA為A事故發(fā)生概率；PAB為A和B事故都發(fā)生概率；ZAB為事故轉(zhuǎn)移率。事故轉(zhuǎn)移率和設(shè)備危險(xiǎn)系數(shù)一樣，需要大量的事故統(tǒng)計(jì)資料獲得。

3.4安全概率基數(shù)(P0)

各種設(shè)備故障后由于安裝地點(diǎn)，管理水平以及故障后果等因素的差異，引發(fā)安全性事故的概率是不一樣的，因此在計(jì)算設(shè)備安全事件的概率值時(shí)要考慮各類設(shè)備的危險(xiǎn)系數(shù)Ti。將系統(tǒng)所包含的設(shè)備故障可能引發(fā)的安全事件的概率稱為安全概率基數(shù)，則高速鐵路供電系統(tǒng)的安全概率基數(shù)P0可由式(3)求得:

圖2　供電系統(tǒng)常見(jiàn)安全事故Fig.2 Common safety incidents of power supply system

(3)式中： λi為第i類設(shè)備的故障率；ti為第i類設(shè)備的平均故障修復(fù)時(shí)間，單位為小時(shí)； Ti為第i類設(shè)備的危險(xiǎn)度；ni為第i類設(shè)備的臺(tái)數(shù)或公里數(shù)；n為供電系統(tǒng)所包含的設(shè)備種類。

3.5各類安全風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率(PS)

根據(jù)圖2，各類事故的發(fā)生概率值可由式(4)～(10)計(jì)算，其中PS1為乘客混亂事故發(fā)生的概率；PS2為信號(hào)系統(tǒng)故障發(fā)生的概率；PS3為延誤列車發(fā)生的概率；PS4為冒進(jìn)事故發(fā)生的概率；PS5為列車沖突發(fā)生的概率；PS6為一般性事故發(fā)生的概率；PS7火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生概率；W為供電系統(tǒng)的供電不可用率。

PS1=W×Z1

(4)

PS2=W×Z2

(5)

PS3=W×Z3

(6)

PS4=PS2×Z4

(7)

PS5=PS4×Z5

(8)

PS6=P0×Z6

(9)

PS7=P0×Z7

(10)

4案例分析

對(duì)國(guó)內(nèi)某高速鐵路供電段進(jìn)行安全性評(píng)估，計(jì)算得到各類供電設(shè)備(元件)的危險(xiǎn)系數(shù)如表5 所示。

表5　各類供電設(shè)備的危險(xiǎn)系數(shù)

由表5可見(jiàn)，互感器、隔離開(kāi)關(guān)等設(shè)備的危害度較大，這就要求對(duì)這些設(shè)備的故障能及時(shí)處理，避免演變?yōu)榘踩鹿?。?jì)算得到事故轉(zhuǎn)移率值如表6所示，由信號(hào)系統(tǒng)故障造成列車延遲和由供電中斷引起乘客混亂2類事故轉(zhuǎn)移率相對(duì)較高。

表6　事故轉(zhuǎn)移率

根據(jù)該供電段近年可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 由式(3)計(jì)算供電系統(tǒng)安全概率基數(shù)，由式(4)～(10)計(jì)算各類安全風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率 PS，D值和風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，根據(jù)表4對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)水平給出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制建議。

從算例可見(jiàn)，由供電系統(tǒng)故障引起的乘客混亂、延誤列車和信號(hào)故障三類風(fēng)險(xiǎn)雖然發(fā)生的可能性較高，但它們的危害程度相對(duì)比較低，因此風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為D4，在采取適宜措施后可以接受這3類風(fēng)險(xiǎn)。一般小事故、爆炸火災(zāi)和冒進(jìn)事故的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為D3，此類風(fēng)險(xiǎn)需要注意，并積極采取一些措施預(yù)防。列車沖突發(fā)生的可能性十分低，但由于一旦發(fā)生，造成的危害后果特別嚴(yán)重，因此它的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在本算例中達(dá)到D2，需要有關(guān)部門特別注意整改，針對(duì)這種風(fēng)險(xiǎn)制定詳細(xì)的預(yù)防控制和應(yīng)急措施。

5結(jié)論

1)根據(jù)鐵路RAMS標(biāo)準(zhǔn)和鐵路供電系統(tǒng)實(shí)際情況，提出了事件樹(shù)分析法(ETA)和改進(jìn)的概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法(LEC)相結(jié)合的安全性評(píng)估方法。

2)定義了安全性評(píng)估指標(biāo)，提出了設(shè)備危險(xiǎn)系數(shù)、事故轉(zhuǎn)移率和安全概率基數(shù)、安全事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等量化指標(biāo)和計(jì)算分析要點(diǎn)，進(jìn)行了典型高速鐵路供電段安全性評(píng)估算例分析。

3)需要完善的方面有：高速鐵路供電系統(tǒng)的安全量化指標(biāo)需要進(jìn)一步研究，技術(shù)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步完善；在高速鐵路供電運(yùn)營(yíng)管理中，要加強(qiáng)和規(guī)范安全事故及風(fēng)險(xiǎn)的記錄，積累數(shù)據(jù)樣本，為以后進(jìn)一步對(duì)高速鐵路供電系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)研究提供數(shù)據(jù)支持。

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(編輯蔣學(xué)東)

Research on safety risk of high speed railway power supply system

CHENG Xueqing1,2, LI Yue1, YANG Tao3, LI Jianhai1

(1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. National United Engineering Laboratory of Integualed and Intelligent TransFacation, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

3. Lian Yangang Power Supply Workshop, Shanghai Railway Alministration, Lianyungang 222000, China)

Abstract:High-speed railway power supply system is an important part of high -speed railway．The power system is safe and reliable or not is closely related to security and stability of the railway operation. Currently, the research of safety risk of the high-speed railway power supply system is only in qualitative analysis stage with no quantitative analysis. In this paper, a probabilistic risk assessment method based on the combination of qualitative and quantitative methods was used to analyze the safety risk of high speed railway power supply system and formulate corresponding control measures. It is availed reference for enhancing operational safety management of the railway power supply system.

Key words:high-speed railway; power supply system; safety evaluation; risk probability; risk control

中圖分類號(hào)：U298

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)02-0233-05

通訊作者：程學(xué)慶(1978-)，男，江蘇連云港人，副教授，博士，從事交通運(yùn)輸安全理論及技術(shù)、交通運(yùn)輸系統(tǒng)決策與優(yōu)化、智能交通研究；E-mail: cxq@swjtu.edu.cn

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)課題資助項(xiàng)目(2014D001-B)；鄭州鐵路局科技計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2014Q1)

收稿日期：2015-06-19