基于N-K模型的鐵路危險品運輸系統(tǒng)耦合風險形成機理研究

黃文成，帥 斌，孫 妍

(西南交通大學 交通運輸與物流學院，四川 成都 610031)

鐵路貨物運輸系統(tǒng)承擔著我國超過50%的石油、濃硫酸、濃氨水等各種危險化工原料的運輸任務，這些貨物一般具有易燃易爆、易揮發(fā)、劇毒等特點，極易發(fā)生火災、爆炸、泄露等事故，一旦在人口密集的地區(qū)發(fā)生，將會造成無法估量的人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞[1]。當載運著危險品的列車在鐵路路網(wǎng)上動態(tài)運行時，存在著大量引發(fā)安全事故的風險因素，如：鐵路運輸人員身體健康狀況差、設備維修不到位、機車車輛運行狀態(tài)失常、所運輸危險貨物的易燃易爆性等。鐵路危險品運輸系統(tǒng)安全取決于運輸相關(guān)人員、機車車輛、鐵路路網(wǎng)、周邊環(huán)境、管理、教育等鐵路綜合系統(tǒng)的各個要素與環(huán)節(jié)之間的耦合協(xié)調(diào)工作，當系統(tǒng)中各子系統(tǒng)、各環(huán)節(jié)的耦合失調(diào)后，其綜合反應將會導致鐵路危險品運輸安全事故發(fā)生。

目前大多學者研究各類系統(tǒng)耦合風險的形成機理，或基于耦合風險概念評估各種系統(tǒng)的安全性。如：薛曄等[2]基于災害系統(tǒng)和災害風險評估理論對耦合災害風險分類，從相關(guān)性、力的合成、風險矩陣3個方面討論風險的耦合效應，借助觸發(fā)器討論耦合災害風險的形成機理；張津嘉等[3]基于復雜系統(tǒng)理論和觸發(fā)器概念，界定瓦斯爆炸事故風險耦合的含義、類型、風險傳導路徑和內(nèi)在機理，從風險涌現(xiàn)角度構(gòu)建風險耦合層次網(wǎng)絡模型；林嘉豪等[4]采用耦合理論分析航空事故的本質(zhì)致因和耦合風險，指出耦合風險的原因是各系統(tǒng)組元在容錯性、兼容性和標準化等方面存有缺陷；羅帆等[5]將影響空中交通安全的因素分為人、設備、環(huán)境和管理4種，利用N-K模型分別計算單、雙和多因素耦合發(fā)生的概率及風險值；胡興俊等[6]也將建設項目施工風險影響因素分為人、物、環(huán)境、管理4類，利用相互作用矩陣研究風險耦合；肖禮諄等[7]認為擁擠踩踏、火災、爆炸和大量旅客滯留車站是高速鐵路車站客運組織存在的主要安全風險事件，采用故障樹分析法辨識高速鐵路客運站危險源，建立耦合度模型分析高速鐵路客運站風險；汪偉忠等[8]采用協(xié)調(diào)耦合理論評價風險因子耦合作用下的機加工車間安全狀況；萬芳杏等[9]基于系統(tǒng)動力學原理建立系統(tǒng)風險流圖，采用熵值法確定權(quán)重，根據(jù)耦合關(guān)系建立系統(tǒng)風險非線性耦合模型并計算系統(tǒng)風險群耦合度與風險值；黃文成等[10-12]認為危險品運輸系統(tǒng)風險形成是基于各風險因素間的耦合作用，并采用耦合度等方法定量研究風險的大小。

既有文獻大多采用耦合理論分析航海、航空、能源、地質(zhì)災害等領域的系統(tǒng)風險，較少將其應用于鐵路危險品運輸系統(tǒng)風險的研究。本文采用耦合風險理論分析鐵路危險品運輸系統(tǒng)行車風險，分析其耦合風險的形成機理，采用N-K模型定量計算我國鐵路危險品運輸系統(tǒng)的耦合風險值，有助于為我國鐵路危險品運輸?shù)陌踩鹿暑A防控制和安全生產(chǎn)提供一定理論和實踐支撐，對提高我國鐵路危險品運輸安全具有一定理論和實際意義。

1 鐵路危險品運輸系統(tǒng)耦合風險定義和類型

1.1 鐵路危險品運輸系統(tǒng)耦合風險的定義

基于物理學對耦合概念的定義，給出系統(tǒng)耦合內(nèi)涵：某個具體系統(tǒng)內(nèi)部存在一些相互間有某種關(guān)聯(lián)的因素，因素間的相互作用將會導致系統(tǒng)局部或整體屬性發(fā)生變化。鐵路危險品運輸系統(tǒng)風險耦合是指在鐵路危險品運輸活動過程中，由于不確定性可能引起不同程度的風險、或者風險因素之間相互依賴和相互影響的關(guān)系與程度。耦合將改變鐵路危險品運輸系統(tǒng)風險的局部或者整體狀態(tài)，從而導致運輸事故的發(fā)生。按照安全系統(tǒng)工程理論，對于某次具體的鐵路危險品運輸任務，可將其系統(tǒng)看作是由人(H：鐵路運輸相關(guān)人員及路外人員)、機(M1：鐵路運輸機車車輛、危險貨物辦理站等)、物(M2：所裝載的危險品)、環(huán)(E：運輸鐵路網(wǎng)絡、周邊環(huán)境等)、管(M3：鐵路危險品運輸管理系統(tǒng))等5個子系統(tǒng)構(gòu)成的具有不確定性特點的復雜系統(tǒng)。各子系統(tǒng)均存在引發(fā)安全事故的風險因素，其中：

(1) H風險因素

人的不安全行為往往是鐵路危險品運輸過程中許多事故發(fā)生的主要原因。主要分為兩類，一類是運輸過程中涉及托運、裝卸、貯存、運輸、管理等各個環(huán)節(jié)的人員。不正確的工作態(tài)度和操作(對工作產(chǎn)生厭煩和怠慢心理、夾帶或匿報品名、違章改變介質(zhì)、押運人脫崗等)、運輸各環(huán)節(jié)的技術(shù)和知識不足(如裝卸作業(yè)操作失誤)、人員自身身體不適、不良的工作環(huán)境(危險貨物運輸?shù)姆諏ο笸ǔ榱慷?、需長途運輸?shù)奈ｋU品，工作人員需在較長的工作時間內(nèi)克服生理與心理的疲勞)，均會增加其進行不安全操作的風險，在運輸生產(chǎn)中不能正確處理人和人、人和機、人和物、人和環(huán)境、人和管理等關(guān)系因而進一步威脅到危險品運輸系統(tǒng)的安全；另一類是影響到運輸過程的路外人員，如企業(yè)人員裝車過程中違規(guī)超量裝載、夾帶或匿報品名、非鐵路人員違法扒乘、偷乘、沿途擊打列車等無意或蓄意破壞危險品的行為，都極易引發(fā)安全事故。

(2) M1風險因素

機的因素一般包含兩大部分，第一部分是在危險貨物辦理站，裝卸機具技術(shù)性能故障、車輛編組作業(yè)時未禁止溜放、連掛作業(yè)時未限速連掛、未編組隔離車輛等都可能造成危險事故；另一部分為載運危險品的鐵路機車車輛等設備的非正常工況運行、設備維修不到位、設備本身存在缺陷等，如：車載運輸監(jiān)控系統(tǒng)故障，車底故障，裝載罐體缺陷，上次運輸殘留在車輛內(nèi)的危險貨物未清理干凈，機車車輛設備疲勞、磨損、老化等。

(3) M2風險因素

所載危險品屬于物子系統(tǒng)。目前鐵路上可載運的危險品包含九大類[13]，每一類危險品均具有其獨特的屬性，其引發(fā)安全事故的風險因素包括：所運輸危險貨物的易燃易爆性、腐蝕性、毒性、感染或輻射性、危險貨物包裝不到位等。

(4) E風險因素

鐵路貨物運輸網(wǎng)絡、鐵路貨運線周邊環(huán)境等屬于環(huán)子系統(tǒng)，其引發(fā)安全事故風險因素包括：大風、雷電、極端溫度、暴雨、鐵路線路塌方、接觸網(wǎng)電弧火花等。

(5) M3風險因素

管子系統(tǒng)中引發(fā)安全事故的風險因素主要指管理條例或管理過程中存在不足，如：相關(guān)法律法規(guī)和安全生產(chǎn)規(guī)章制度欠缺或存在疏漏、預案編制和演練管理欠缺、非法運輸管理不當、不合理運輸路線和運輸時間、安全教育管理制度不夠、安全防御措施欠缺、調(diào)度命令下達不準確等。

將鐵路機車車輛、隨車人員及裝載的危險品定義為鐵路危險品運輸系統(tǒng)耦合風險承受體，5種子系統(tǒng)中的各風險因素都將直接或間接地作用于風險承受體，各類風險因素間的相互耦合將導致風險承受體的局部或者整體狀態(tài)改變，當這種改變超過了一定閾值，就將導致運輸事故的發(fā)生，見圖1。

1.2 鐵路危險品運輸系統(tǒng)風險耦合的類型

將鐵路危險品運輸系統(tǒng)人、機、物、環(huán)、管不同情況下的風險耦合分為單因素風險耦合、雙因素風險耦合及多因素風險耦合共3大類。

(1) 單因素風險耦合

單因素耦合風險指的是5種子系統(tǒng)各自同屬性風險因素間交互作用所引發(fā)的風險，具體是指：H-H、M1-M1、M2-M2、E-E和M3-M3共5種。例如：2001年2月18日發(fā)生的液氯泄漏事故中[13]，危險品裝車員在裝運液氯時，因叉車作業(yè)不當，叉尖撞斷一只液氯鋼瓶底部易熔塞螺帽，同時在運輸過程中押車人員脫崗，兩種因素耦合造成液氯泄露。這就屬于典型的H-H耦合風險事故。

(2) 雙因素風險耦合

雙因素耦合風險指的是5種子系統(tǒng)中兩種不同屬性風險因素間交互作用所引發(fā)的風險，具體是指：H-M1、H-M2、H-E、H-M3、M1-M2、M1-E、M1-M3、M2-E、M2-M3和E-M3共10種，例如：2009年1月3日發(fā)生在西北某路局的原油泄漏事故[13]，裝車員發(fā)現(xiàn)罐車排油口蓋松動后，未及時上報有關(guān)部門，僅用塑料薄膜纏繞；在運輸過程中排油口蓋無法承受罐內(nèi)原油重壓使得螺栓座一側(cè)開焊，導致原油沿路全部漏盡。這起安全事故屬于典型的H-M1耦合風險事故。

(3) 多因素風險耦合

多因素耦合風險指的是5種子系統(tǒng)中3種或3種以上不同屬性風險因素間交互作用所引發(fā)的風險，具體是指：H-M1-M2、H-M1-E、H-M1-M3、H-M2-E、H-M2-M3、H-E-M3、M1-M2-E、M1-M2-M3、M1-E-M3、M2-E-M3、H-M1-M2-E、H-M1-M2-M3、H-M1-E-M3、H-M2-E-M3、M1-M2-E-M3、H-M1-M2-E-M3共16種。例如：2007年6月18日西南某站1車人造棉起火事故[13]，原因是本次運輸?shù)娜嗽烀藓蔬_17.2%，超過國家規(guī)定值，人造棉蓄熱自燃所致；同時承運該批貨物的西南某站運輸人員違反原鐵道部鐵總運〔2017〕164號《鐵路危險貨物運輸管理規(guī)則》[14]規(guī)定，未上報鐵路局，直接按照普通貨物辦理運輸。這次事故是典型的H-M2-M3耦合風險事故，見圖2。

2 鐵路危險品運輸系統(tǒng)耦合風險形成機理

鐵路危險品運輸系統(tǒng)屬于典型的復雜系統(tǒng)，任何微小的缺陷都可能引起風險因素對5個子系統(tǒng)的干擾或沖擊，部分或整體打破原來耦合風險承受體的有序平衡性。各子系統(tǒng)間存在物質(zhì)、能量和信息交換，其中某一個子系統(tǒng)的崩潰都有可能破壞其它與其交換物質(zhì)、能量和信息的子系統(tǒng)的有序狀態(tài)，被破壞的子系統(tǒng)越多，越容易導致整個鐵路危險品運輸系統(tǒng)的局部或整體崩潰，越容易發(fā)生安全事故。為了便于分析鐵路危險品運輸系統(tǒng)各風險因素及子系統(tǒng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，針對不同危險品引起的不同類型事故，應建立不同的危險品運輸系統(tǒng)安全事故風險因素的總體結(jié)構(gòu)及內(nèi)在關(guān)聯(lián)圖[13]。以2001年9月4日華東某車站夾帶危險貨物爆炸事故為例[13]，建立該次事故風險因素的總體結(jié)構(gòu)及內(nèi)在關(guān)聯(lián)圖以說明該方法的具體操作流程，見圖3。

為進一步厘清各子系統(tǒng)風險因素是怎樣部分或整體破壞了原有耦合風險承受體有序而平衡的防御系統(tǒng)，本文采用觸發(fā)器的概念分析鐵路危險品運輸系統(tǒng)耦合風險的形成機理。在數(shù)字電路中包含大量的存儲單元，當存儲單元上的電流或電壓達到某一臨界值時，產(chǎn)生電子脈沖，此時存儲單元電路觸發(fā)器開始工作，啟動下一步工作程序。利用耦合觸發(fā)器原理檢驗風險因素間的耦合程度是否能刺激觸發(fā)器產(chǎn)生新脈沖，從而破壞鐵路危險品運輸系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，導致耦合風險的急劇增強或產(chǎn)生新的風險，見圖4。

圖4中,T為某時間周期；R(t1)為t1時刻出現(xiàn)的風險因素脈沖；R(t2)為t2時刻出現(xiàn)的耦合風險因素脈沖；DH(t1)為t1時刻人子系統(tǒng)的風險性閾值；DM1(t1)為t1時刻機子系統(tǒng)的風險性閾值；DM2(t1)為t1時刻物子系統(tǒng)的風險性閾值；DE(t1)為t1時刻環(huán)子系統(tǒng)的風險性閾值；DM3(t1)為t1時刻管子系統(tǒng)的風險性閾值。具體風險耦合過程解釋如下：

(1)t1時刻出現(xiàn)了一個風險因素脈沖R(t1)，此時5個子系統(tǒng)的防御系統(tǒng)開始啟動，若

(1)

則表明風險因素脈沖R(t1)無法沖破各子系統(tǒng)的防御系統(tǒng)，此時系統(tǒng)將處于安全狀態(tài)；若

(2)

則表明風險因素脈沖R(t1)將沖破各子系統(tǒng)的防御系統(tǒng)。

(2) 沖破各子系統(tǒng)的防御系統(tǒng)的風險因素脈沖R(t1)經(jīng)由耦合觸發(fā)器的耦合濾波器過濾之后，在t2時刻產(chǎn)生新的脈沖R(t2)。新脈沖R(t2)經(jīng)過耦合觸發(fā)器的耦合振蕩器后產(chǎn)生耦合振動沖破鐵路危險品運輸系統(tǒng)產(chǎn)生的綜合防御系統(tǒng)，若未沖破該防御系統(tǒng)，系統(tǒng)仍將保持安全狀態(tài)；若沖破了該防御系統(tǒng)，原有系統(tǒng)的狀態(tài)就將被打破，從而導致危險性急劇增大或產(chǎn)生新的風險因素。

3 N-K模型度量鐵路危險品運輸系統(tǒng)風險耦合效應

用于刻畫耦合關(guān)系的數(shù)學模型較多，如SHEL模型、解釋結(jié)構(gòu)模型、耦合度模型及N-K模型，本文采用N-K模型研究鐵路危險品運輸系統(tǒng)風險耦合關(guān)系。N-K模型最初用于研究生物有機體進化的適應度景觀理論，是解決復雜問題的通用模型[15]。針對鐵路危險品運輸系統(tǒng)，N為構(gòu)成整體的子系統(tǒng)數(shù)目，K為子系統(tǒng)間相互依賴、耦合作用的子系統(tǒng)數(shù)目，它同時也體現(xiàn)了系統(tǒng)適應度。假設子系統(tǒng)間有n種交互方式(狀態(tài))，則總的交互組合方式有nN種。如圖4所示，根據(jù)風險因素脈沖R(t1)是否能沖破各子系統(tǒng)的防御系統(tǒng)，用0-1變量表示兩種狀態(tài)：n=0為未能沖破防御系統(tǒng)(式(1))；n=1表示沖破防御系統(tǒng)(式(2))。通過計算鐵路危險品運輸系統(tǒng)中5種子系統(tǒng)風險因素之間的交互信息，評價耦合作用形成新的風險狀態(tài)。一般情況下，耦合次數(shù)越多，該耦合方式出現(xiàn)的概率越大，該耦合風險越大，導致事故發(fā)生的概率越大。交互信息U(H,M1,M2,E,M3)的計算公式為

{pijklm·log2[pijklm/(pi·pj·pk·pl·pm)]}

(3)

i∈{0,1}j∈{0,1}k∈{0,1}

l∈{0,1}m∈{0,1}

(4)

式中：pijklm為人在第i種狀態(tài)、機在第j種狀態(tài)、物在第k種狀態(tài)、環(huán)在第l種狀態(tài)、管在第m種狀態(tài)下，5種子系統(tǒng)風險因素耦合發(fā)生的概率。pi,pj,pk,pl,pm分別為各子系統(tǒng)在各狀態(tài)下的變化風險概率，以人子系統(tǒng)為例

(5)

由于單因素風險耦合屬于單系統(tǒng)內(nèi)部信息、能量交換，無法采用交互信息計算耦合情況，本文僅計算雙因素和多因素兩種情況下的耦合情況。如圖2所示，雙因素風險耦合共10種，具體的計算公式為

(6)

式中:pij,pik,pil,pim,pjk,pjl,pjm,pkl,pkm,plm為兩兩交互的子系統(tǒng)在各狀態(tài)下的變化風險概率。

以人-機耦合為例

(7)

多因素風險耦合共16種，其中五因素U5人-機-物-環(huán)-管耦合見式(3)，三因素風險耦合U3計算式為

(8)

式中:pijk,pijl,pijm,pikl,pikm,pilm,pjkl,pjkm,pjlm,pklm為三種交互的子系統(tǒng)在各狀態(tài)下的變化風險概率。

以人-機-物耦合為例

(9)

四因素風險耦合U4計算式為

(10)

式中:pijkl、pijkm、pijlm、piklm、pjklm為四種交互子系統(tǒng)在各狀態(tài)下的變化風險概率，以人-機-物-環(huán)耦合為例

(11)

最后對U2,U3,U4,U5進行排序分析，可進一步研究鐵路危險品運輸系統(tǒng)的風險耦合情況，并基于分析結(jié)果提出相關(guān)建議和意見，為鐵路危險品運輸系統(tǒng)風險的相關(guān)理論研究和現(xiàn)場工作實踐奠定一點基礎。

4 案例分析

按照引發(fā)事故的原因收集1985—2016年中國發(fā)生的鐵路危險品運輸安全事故件數(shù)，并計算相應的事故發(fā)生概率(1985—2008年數(shù)據(jù)來自文獻[10]，2008年以后由網(wǎng)上收集)，結(jié)果見表1。人、機、物、環(huán)、管的狀態(tài)用0和1表示，0表示未沖破該防御系統(tǒng)，1表示沖破該防御系統(tǒng)。單、雙、多因素變化風險概率計算結(jié)果見表2。雙、多因素的風險耦合值及對應的排序見表3。

表1 1985—2016年我國鐵路危險品運輸事故件數(shù)及對應概率

表2 單、雙、多因素變化風險概率

表3 風險耦合值及排序

通過上述計算結(jié)果可知：(1)安全事故的發(fā)生取決取于風險耦和值大小，而耦合值大小則與參與耦合的風險因素多少成正比。五因素耦合風險值最大，其次是四因素耦合風險值、三因素耦合風險值，雙因素耦合風險值最小。(2)四因素耦合中，H-M1-E-M3造成的風險最大，其次是H-M2-E-M3、M1-M2-E-M3、H-M1-M2-M3人-機-物-管，最小的是H-M1-M2-E。風險耦合值較大時，管理這一風險因素均有參與，說明管理缺陷可能是導致鐵路危險品運輸發(fā)生事故的實質(zhì)原因之一，管理失誤時，有較大可能引起其他風險發(fā)生。為此鐵路危險品運輸部門應注重管理水平的提升，從人員、設備、危險品到環(huán)境全面加強管理。(3)三因素耦合中，M2-E-M3造成的風險最大，其次是H-E-M3、H-M1-E、M1-E-M3、H-M1-M2、M1-M2-M3、H-M2-E、H-M2-M3、H-M1-M3，最小為M1-M2-E。其中人和管的因素對三因素風險耦合影響極大。(4)雙因素耦合中，E-M3造成的風險最大，其次是H-E、M1-M2、H-M1、H-M3、M1-E、M2-M3、H-M2、M1-M3，最小的是M2-E。同樣，人和管的因素對雙因素耦合的影響最大，由設備和危險品本身性質(zhì)造成的風險耦合也不容忽視。

基于上述分析，對鐵路危險品運輸相關(guān)管理部門提出如下建議：(1)管控人和管等關(guān)鍵因素。計算結(jié)果顯示人和管理因素參與時，耦合產(chǎn)生的風險最大。為健全鐵路危險品運輸系統(tǒng)風險預控機制，應注重系統(tǒng)的全過程管理，實現(xiàn)風險預控從策劃、實施、檢查到處理的反饋閉合循環(huán)；建立盡可能完善的鐵路危險品運輸系統(tǒng)風險人員管理制度，能夠及時消除隱患，避免隱患后效性；(2)盡量避免多因素風險耦合。當系統(tǒng)中某一風險因素出現(xiàn)時，若其它風險因素也存在的話，將極易形成多因素耦合。因此，在注意消除單風險因素時，也需仔細檢查其他容易發(fā)生的風險因素是否存在隱患，以免多風險因素耦合導致風險強度顯著增加或產(chǎn)生其他新風險；(3)注重監(jiān)管鐵路危險品運輸系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。一般的，在風險系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，較易聚集風險因素并產(chǎn)生耦合作用。以危險貨物的包裝裝載過程為例，就屬于系統(tǒng)薄弱處，在風險耦合預控時，應高度注意，減少其風險觸發(fā)可能性，同時保證與其他薄弱環(huán)節(jié)的聯(lián)系在控制范圍內(nèi)，將有助于提高鐵路危險品運輸系統(tǒng)安全性。

5 結(jié)束語

本文采用耦合風險理論分析了鐵路危險品運輸系統(tǒng)行車耦合風險的形成機理，旨在為我國鐵路危險品運輸安全事故的預防控制和安全生產(chǎn)提供一定理論和實踐支撐。首先將鐵路危險品運輸行車系統(tǒng)分為人、機、物、環(huán)、管5個子系統(tǒng)并分析造成各子系統(tǒng)造成安全事故的風險因素，將風險耦合分為單因素、雙因素和多因素風險耦合3大類；針對不同類型的事故，采用風險因素的總體結(jié)構(gòu)及內(nèi)在關(guān)聯(lián)圖識別、分析不同類型的鐵路危險品運輸系統(tǒng)安全事故。利用耦合觸發(fā)器原理檢驗風險因素間的耦合程度是否能刺激觸發(fā)器產(chǎn)生新脈沖，從而破壞鐵路危險品運輸系統(tǒng)的平衡狀態(tài)，導致耦合風險的急劇增強或產(chǎn)生新的風險；采用N-K模型定量描述鐵路危險品運輸系統(tǒng)的內(nèi)部耦合關(guān)系。

以1985—2016年中國發(fā)生的鐵路危險品運輸安全事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例進行N-K模型實例研究，結(jié)果表明：參與耦合的風險因素越多，最后形成的風險耦合值越大，越容易發(fā)生安全事故；人和管的因素對雙因素耦合的影響最大。鐵路危險品運輸管理部門應該從管控人和管等關(guān)鍵因素、盡可能避免多因素耦合作用、盡可能避免在鐵路危險品運輸系統(tǒng)脆弱處發(fā)生耦合作用等方面入手，提高鐵路危險品運輸系統(tǒng)安全性。同時，本文僅基于統(tǒng)計資料研究了鐵路危險品運輸系統(tǒng)風險的一般性，不同危險品具有不一樣的危險性質(zhì)，造成的耦合后果可能不同，針對不同危險品研究其耦合性也是下一步研究計劃；基于觸發(fā)器原理的形成機理中，還有風險脈沖的度量、子系統(tǒng)風險閾值、防御體系的度量、風險的傳遞形式等需要做進一步深入研究。