基于量化風(fēng)險(xiǎn)分析的城市軌道交通安全評(píng)估

彭北華 永 秀

(1.科進(jìn)(亞洲)有限公司,518031，深圳；2.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，518026，深圳//第一作者,高級(jí)工程師)

隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，軌道交通運(yùn)營(yíng)安全問題也越來越突出。有統(tǒng)計(jì)資料顯示，從1969年至2010年全國(guó)發(fā)生有影響的地鐵事故僅13起，而2011年就發(fā)生了7起。分析事故實(shí)例，發(fā)現(xiàn)大部分事故都是由于工程質(zhì)量、設(shè)計(jì)缺陷、系統(tǒng)設(shè)備、運(yùn)營(yíng)管理以及人為因素等問題導(dǎo)致的。要預(yù)防城市軌道交通事故的發(fā)生，開展城市軌道交通安全評(píng)估是十分必要的。

國(guó)際上通常采用風(fēng)險(xiǎn)為本的方法開展安全評(píng)估工作。根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)(如EN 5012x系列標(biāo)準(zhǔn)、IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)等)，從項(xiàng)目建設(shè)開始，對(duì)于鐵路系統(tǒng)，特別是安全關(guān)鍵系統(tǒng)，必須由獨(dú)立且具有相應(yīng)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)，開展獨(dú)立安全評(píng)估(ISA)及審查工作。英國(guó)法規(guī)明確要求:鐵路建設(shè)單位及運(yùn)營(yíng)單位須在建設(shè)周期內(nèi)開展安全保障工作，識(shí)別、評(píng)估運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)措施,降低風(fēng)險(xiǎn);在運(yùn)營(yíng)前，政府主管部門將審查建設(shè)單位及運(yùn)營(yíng)單位的系統(tǒng)保障工作，并頒發(fā)安全證書;在運(yùn)營(yíng)階段，定期開展第三方評(píng)估及審查，驗(yàn)證鐵路安全實(shí)際工作是否符合安全計(jì)劃的安排，并評(píng)估安全管理體系是否仍然有效，評(píng)估或?qū)彶榈纳疃热Q于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以及鐵路組織的范圍。

1 量化風(fēng)險(xiǎn)模式安全評(píng)估的意義

目前國(guó)內(nèi)軌道交通安全保障通常采用的“安全評(píng)價(jià)體系”，是對(duì)已運(yùn)營(yíng)的線路而言的。它通過評(píng)價(jià)運(yùn)營(yíng)過程中相關(guān)的安全法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施來保障運(yùn)營(yíng)安全，即通過設(shè)置安全評(píng)價(jià)機(jī)制進(jìn)行安全控制。評(píng)價(jià)過程是依據(jù)專家以往的經(jīng)驗(yàn)制定“評(píng)價(jià)表”，根據(jù)表中評(píng)估指標(biāo)評(píng)估線路的實(shí)際情況。該評(píng)價(jià)方式是符合性檢查，不能量化評(píng)估指標(biāo)，且主觀性較大。

各城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路的實(shí)際狀況各有不同，有的運(yùn)營(yíng)線路故障集中表現(xiàn)為設(shè)備設(shè)施問題，有的線路則更側(cè)重為管理問題，而有的線路由于地質(zhì)問題更多表現(xiàn)為土建設(shè)施問題，所以很難用同一標(biāo)準(zhǔn)來衡量與評(píng)估。因此，必須建立一套具備風(fēng)險(xiǎn)量化(即風(fēng)險(xiǎn)度量)的評(píng)估體系，對(duì)運(yùn)營(yíng)線路的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)和估量，既要包括對(duì)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性大小(概率大小)的評(píng)價(jià)和估量，又要包括對(duì)風(fēng)險(xiǎn)后果嚴(yán)重以及風(fēng)險(xiǎn)隱藏程度的評(píng)估;其目標(biāo)是要制定具有前瞻性的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，避免事故的發(fā)生。

量化風(fēng)險(xiǎn)的安全評(píng)估采用科學(xué)系統(tǒng)方法確定運(yùn)行體系存在的危險(xiǎn)性，并根據(jù)其風(fēng)險(xiǎn)大小采取相應(yīng)的措施，以達(dá)到安全運(yùn)營(yíng)的目的。

2 量化風(fēng)險(xiǎn)模型

風(fēng)險(xiǎn)量化必須確定以下幾個(gè)要素：風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率,風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)事故的后果嚴(yán)重性,風(fēng)險(xiǎn)的隱蔽程度。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率

風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率F={f1,f2,f3,…,f10}。F包含機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備、土建設(shè)施、管理程序、人為因素等方面造成運(yùn)營(yíng)事故的概率。根據(jù)以往城市軌道交通運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)發(fā)生事故次數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)概率做出定義見表1。

表1 事故發(fā)生次數(shù)與風(fēng)險(xiǎn)概率

2.2 風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)事故的后果嚴(yán)重性

風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)事故的后果嚴(yán)重性R={r1,r2,r3,r4}。R包括機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備、土建設(shè)施、管理程序、人為因素等風(fēng)險(xiǎn)所導(dǎo)致事故的嚴(yán)重性。事故嚴(yán)重性可根據(jù)人員(包括工作人員、乘客)的傷亡、服務(wù)中斷的時(shí)間來確定。

人員的傷亡分類：死亡,重傷,輕傷。

服務(wù)中斷分類：城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷,線路服務(wù)中斷,車站服務(wù)中斷。值得注意的是，風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)后果的嚴(yán)重性不等于事故等級(jí)。R的定義見表2:r1為不可接受類，r2為不理想類，r3為可容忍類，r4為可接受類。

表2 風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)事故嚴(yán)重性定義

2.3 風(fēng)險(xiǎn)隱蔽程度

風(fēng)險(xiǎn)隱蔽程度S={s1,s2,s3,s4}，由于風(fēng)險(xiǎn)度量是與風(fēng)險(xiǎn)隱蔽程度密切相關(guān)的，易于發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)既可能屬于高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，也可能屬于低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，因此,評(píng)估模型須引入風(fēng)險(xiǎn)隱蔽程度概念才能完整和準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值大小。風(fēng)險(xiǎn)隱蔽程度定義見表3。

表3 風(fēng)險(xiǎn)隱蔽度定義

2.4 量化風(fēng)險(xiǎn)模型

建立量化風(fēng)險(xiǎn)模型就是確定風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率(F)、風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)事故的后果嚴(yán)重性(R)以及風(fēng)險(xiǎn)隱蔽程度(S)三者的關(guān)系。通常采用F、R和S三者的乘積來計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值P的大小。即：

P=FRS

在實(shí)際評(píng)估過程中，針對(duì)F、R和S在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備、土建設(shè)施、管理程序、人為因素的相對(duì)重要程度進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，即P=FμRυSω。其中μ、υ、ω分別為F、R、S的權(quán)重系數(shù)，μ、υ、ω∈[0,1]，且μ+υ+ω=1，P∈[0,1]。權(quán)重反映F、R、S在評(píng)估過程中的相對(duì)重要性。

P∈(0.75,1]為不可接受。此類問題指：存有嚴(yán)重錯(cuò)誤和隱患,一旦發(fā)生即可導(dǎo)致災(zāi)難性后果,必須立即處理，如無法立即徹底解決或采取特殊控制措施來控制風(fēng)險(xiǎn)，則不能投入運(yùn)營(yíng)服務(wù)。

P∈(0.5,0.75]為必須將風(fēng)險(xiǎn)減低至最低實(shí)際可行的水平。此類問題要求必須處理，如無法徹底解決，則可在短期內(nèi)采取特殊控制措施來控制風(fēng)險(xiǎn)。此類問題是指有錯(cuò)誤或遺漏、嚴(yán)重的隱患；或程序中含有直接影響到操作安全性的問題；或在開展后續(xù)階段查核之前必須先被解決的缺陷。按照運(yùn)營(yíng)服務(wù)保障的高水平要求，此類問題必須在投入運(yùn)營(yíng)服務(wù)之前被整改完畢。

P∈(0.25,0.5]為可忍受的風(fēng)險(xiǎn)，但仍須按成本效益盡量減低風(fēng)險(xiǎn)。此類問題指細(xì)小錯(cuò)誤、缺陷或不足以帶來嚴(yán)重的后果，以及對(duì)安全無直接重大影響的技術(shù)缺陷等；將被識(shí)別出來，不要求立即處理。

P∈[0,0.25]為可接受的風(fēng)險(xiǎn)。此類問題指不包含錯(cuò)誤，只是不完整或有瑕疵。一旦發(fā)生，將引發(fā)輕微或極輕微后果而已。

2.5 風(fēng)險(xiǎn)故障樹分析模型

在安全評(píng)估過程中，按照機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)(E)、土建設(shè)施(C)、管理程序(M)、人為因素(H)等四大類，用風(fēng)險(xiǎn)量化模型P=FμRυSω，分別計(jì)算每一設(shè)備、設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值。為保證安全評(píng)估完整性，全面反映被評(píng)估城市軌道交通企業(yè)運(yùn)營(yíng)安全的實(shí)際狀況，要進(jìn)行兩個(gè)層次系統(tǒng)的故障樹分析見圖1。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)故障樹分析模型

第一層次為機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)(E)、土建設(shè)施(C)、管理程序(M)、人為因素(H)的故障樹分析。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)量化模型P=FμRυSω分別計(jì)算表4中x10—x42各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)度，再對(duì)得出的所有風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值進(jìn)行故障樹分析。

第二層的計(jì)算是在第一層成果的基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)算出的機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)(E)、土建設(shè)施(C)、管理程序(M)、人為因素(H)的風(fēng)險(xiǎn)度進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)需根據(jù)被評(píng)估線路的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)(即故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù))分配權(quán)重并分別計(jì)算加權(quán)后風(fēng)險(xiǎn)度數(shù)值，即：E=Ek、C=cμ、M=Mυ和H=Hω,k、μ、υ、ω∈[0，10]，且k+μ+υ+ω=10(Ek為加權(quán)后的E；Cu為加權(quán)后的C；Mv為加權(quán)后的M；Hw為加權(quán)后的H)。經(jīng)過上述兩個(gè)層次的故障樹計(jì)算和分析，可以得到被評(píng)估線路的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值。

3 案例分析

結(jié)合某一城市軌道交通安全評(píng)估的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 量化風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算

首先根據(jù)以往故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，確定F、R和S的權(quán)重，見表4。

再根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)量化模型P=FμRυSω，主要針對(duì)查核出的r1、r2類風(fēng)險(xiǎn)分別計(jì)算各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值，計(jì)算結(jié)果見表5。

表4 第一層次各分類項(xiàng)的F、R、S

3.2 加權(quán)故障樹計(jì)算分析

第一層次按機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備(E)、土建設(shè)施(C)、管理程序(M)、人為因素(H)的分類故障樹分析，經(jīng)計(jì)算得到機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)值(E)、土建設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)值(C)、管理程序風(fēng)險(xiǎn)值(M)、人為因素(H)的風(fēng)險(xiǎn)值分別為：E=0.858；C=0.358；M=0.119；H=0.333。計(jì)算過程見圖2～圖6(EVENT為隱患事件的描述，Q為風(fēng)險(xiǎn)值)。

表5 各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值計(jì)算值

第二層是經(jīng)過對(duì)以往故障數(shù)據(jù)的整理、分析，在第一層故障樹計(jì)算結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值加權(quán)指數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行故障樹分析。加權(quán)指數(shù)分別為4,2,1.5和2.5。即計(jì)算：Ee=E4=0.8584=0.542，Ce=c2=0.3582=0.128，Me=M1.5=0.1191.5=0.041，He=H2.5=0.3332.5=0.064,對(duì)加權(quán)后的值進(jìn)行故障樹計(jì)算，得到該線路的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值。計(jì)算過程見圖6。

經(jīng)過以上分析、計(jì)算,該線路風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值為0.646，運(yùn)營(yíng)安全存在較大的隱患，特別是系統(tǒng)的接口、信號(hào)系統(tǒng)、供電、屏蔽門/安全門設(shè)備以及軌旁設(shè)備的問題，同時(shí)要加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)與維修人員培訓(xùn)，提高安全素質(zhì)。

圖2 機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)故障樹計(jì)算圖

圖3 土建設(shè)施故障樹計(jì)算圖

圖4 管理程序故障樹計(jì)算圖

圖5 人為因素故障樹計(jì)算圖

圖6 線路風(fēng)險(xiǎn)故障樹計(jì)算圖

4 結(jié)語

本文從風(fēng)險(xiǎn)管理、風(fēng)險(xiǎn)量化的角度，引入風(fēng)險(xiǎn)量化模型，從風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率、風(fēng)險(xiǎn)引發(fā)后果的嚴(yán)重性和風(fēng)險(xiǎn)隱蔽程度分析城市軌道交通設(shè)備設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值，同時(shí)引入加權(quán)故障樹模型來整體分析城市軌道交通安全度，能科學(xué)、系統(tǒng)、客觀地評(píng)估城市軌道交通的安全性。為預(yù)防城市軌道交通事故的發(fā)生提供了理論依據(jù)。